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Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia
Campus de Bauru
Tema 10: Medidas de pressão e
temperatura na manutenção Preditiva.
Manutenção Industrial
Prof. Dr. João Candido Fernandes
Bauru, Setembro 2010
José Marcos Donida Júnior
Roni Luciano da Silva
Santiago Lassus
512567
511439
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Manutenção Preditiva
A Manutenção Preditiva é também conhecida como manutenção baseada na condição,
com a utilização de técnicas de inspeção é possível monitorar a evolução do estado do
equipamento e atuar no momento mais adequado. Segundo Xavier(1998) pode ser também
definida como a atuação realizada com base na modificação de parâmetros de condição ou
desempenho, cujo acompanhamento obedece a uma sistemática.
A aplicação da Manutenção Preditiva é possível quando o componente apresenta um
“sintoma” que pode caracterizar o seu processo de falha. Os principais fatores que
determinam à falha dos componentes são: alteração do nível de vibração, calor, alteração de
espessura, trinca e desgaste.
Diversas tecnologias foram desenvolvidas para a avaliação do estado dos
equipamentos. As principais são as seguintes: Análise de Vibração, Emissão Acústica,
Análise do Óleo, Termografia, Ensaios Não Destrutivos, Medidas de Fluxo, Análise de
Motores Elétricos, Detecção de Vazamento, Monitoramento da Corrosão, Análise Visual e de
Ruído.
A aplicação correta de um programa de Manutenção Preditiva pode trazer os seguintes
benefícios: disponibilidade máxima das máquinas, planejamento efetivo da mão de obra,
reposição de peças do estoque, segurança operacional, qualidade da manutenção e
gerenciamento global dos recursos.
A limitação do uso da Manutenção Preditiva está na disponibilidade de uma técnica
efetiva de monitoramento e nos custos/benefícios da implantação deste método.
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Figura 1: Grafico Ciclo da Manutenção preditiva
Figura 2: Gráfico Tipos de Manutenção , Kardec (1998)
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Medidores
Para a avaliação do estado de um equipamento, são necessários medidores que possam
transformar um fenômeno físico como a temperatura ou pressão em valores que sejam passiveis
de interpretação e assim possibilitar o controle do processo no qual estão inseridas.
Como essas grandezas influenciam o resultado final de um processo, é necessário
escolher corretamente um aparelho para essa medição. No caso da temperatura e da pressão o
controle e monitoração são realizados por meio das informações fornecidas pelos sensores de
temperatura e pressão, como manômetros, pressostatos, termopares; termorresistências, etc.
Ligados a instrumentos de controle e registro, esses aparelhos irão atuar no processo, registrando
e controlando a medida ideal para determinada linha de produção. Esses sensores podem ter
controle automático interrompendo a produção no caso de alguma anomalia detectada no
processo. Outros mais simples ou de menor responsabilidade, podem emitir sinais sonoros ou
simplesmente indicar através de leitores visuais aos operadores no caso em que esses valores não
estejam de acordo com a situação normal de funcionamento de um dado processo.
Para a escolha correta do sistema de medição de temperatura e pressão de um determinado
processo é necessário se considerar:
A faixa de que se pretende medir;
As condições ambientais em que a medição será realizada;
O tempo de resposta e da profundidade de imersão;
Uma precisão compatível com as tolerâncias do processo.
O conhecimento dos operadores quanto ao manuseio dos aparelhos;
A seleção de fornecedores que ofereçam um suporte técnico eficiente e permanente no
Brasil;
A manutenção do sensor.
Entre outros.
O responsável pela especificação dos sensores deverá analisar as necessidades e
características de seu processo de produção e procurar, a partir daí, qual o sensor que oferece o
melhor custo-benefício para essa aplicação.
Medidas de Pressão
As medidas de pressão são uma parte muito importante na manutenção preventiva. Fáceis
de executar, essas medições permitem realizar um controle preciso e eficaz de muitos sistemas
de produção.
Exemplos de Usos de medidores de pressão na Indústria:
Transmissores
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Os transmissores são instrumentos que captam variáveis de processo e as transmitem a
instrumentos indicadores, registradores e controladores.
Os mais comuns são pneumáticos, eletrônicos, digitais, hidráulicos e telemétricos.
Os sinais pneumáticos usam escalas lineares de 3-15 psi (normalizado pela SAMA –
associação de fabricantes de instrumentos, abreviatura em inglês).
Também é comum o uso (em países com sistema métrico) 0.2-1 bar, equivalente ao psi.
Note-se que nenhuma escala começa no 0. Isto se deve, entre outras coisas, que desta
forma é mais fácil perceber se há algum vazamento ou perda.
Este é um exemplo claro do uso de medidores para controle de processo e uma eventual
manutenção preventiva.
Caldeiras
Figura 3: Gerador de Vapor
Tanto na ignição, no controle, como no resto da operação de uma caldeira, as medidas de
pressão são de grande importância, sendo vital sua importância no processo de queima de
combustível, onde um erro de controle pode levar a um acidente fatal.
As caldeiras são usadas em uma infinidade de processos industriais, desde a indústria
petroleira até indústrias farmacêuticas e hospitais.
Tubulações e trocadores de calor
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Figura 4: Trocador de calor
Nos trocadores de calor (sistemas com uma ampla aplicação industrial), assim como em
qualquer processo que implique no uso de tubulações, filtros, etc, a medição da pressão nos
indica se há algum problema na passagem dos fluídos de trabalho.
Desse modo um adequado controle de pressão, indicará se está na hora de executar uma
limpeza, substituir alguma peça, ou se o funcionamento está adequado aos requerimentos.
Exigência nos materiais
Com elementos de medida de pressão, como extensômetro elétrico (Strain Gage), é
possível determina se os esforços sobre um material são adequados, ou estão exigindo do
material próximo ao esforço de fratura.
A partir disso que, mediante a um controle (não destrutivo) de pressão exercida sobre o
material analisado, controle dos esforços suportados por uma porção do material, se pode
determinar se o processo esta ocorrendo de maneira adequada ou não. É por essa e outras razões,
que se faz indispensável o controle de pressão em um processo industrial.
Para realizar um controle adequado de pressão, com objetivo de detectar anomalias e
defeitos em um determinado processo produtivo, é necessário ter em mente os seguintes pontos:
Requerimentos na pressão de trabalho (faixa de pressão, pressão de ruptura)
Temperatura de trabalho
Compatibilidade química do sensor com o fluído de trabalho
Tipo de sensor
Tipo da saída do sensor
Método de conexão com o processo
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Tipo de saída do sensor
Método de conexão ao processo
É preciso conhecer a faixa de pressão assim como a temperatura do sistema de trabalho,
para poder realizar as medições adequadas, para não causar danos ao sensor utilizado.
Da mesma maneira, conhecer o fluído de trabalho e sua compatibilidade com os materiais
utilizados no sensor é fundamental na hora de selecionar o dispositivo de medida.
Atendendo a essas exigências, ainda se deve selecionar um sensor adequado para a
aplicação requerida. Esses sensores podem ser mecânicos, pneumáticos, eletromecânicos e
mecânicos. A seguir serão mostrados alguns exemplos.
Mecânicos
Os principais sensores mecânicos de precisão, são os seguintes:
Tubos de Bourdon: Tubo de seção elíptica que forma um anel quase completo, fechado em uma
extremidade. Ao aumentar a pressão no interior do tubo, este tende a endireitar-se e o movimento
é transmitido a uma agulha indicadora.
Figura 5: Tubo de Bourdon
Elementos em espiral e helicoidal: Se enrola o tubo de Bourdon em forma de espiral, em torno
de um eixo comum e para o helicoidal se enrola mais de uma espira na forma de hélice.
Diafragma: Consiste em uma ou varias cápsulas circulares conectadas rigidamente por solda, de
tal forma que, ao se aplicar pressão, as cápsulas se deforma e a soma dos pequenos
deslocamentos são amplificados por alavancas.
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Eletromecânicos
Strain Gage: consiste em um fio muito fino organizado em uma grade. A grade se conecta a um
apoio, o qual esta unido a uma superfície exposta a tensão, força ou pressão. Essa pressão é
transmitida diretamente para o indicador, que responde com uma mudança linear na resistência
elétrica.
Figura 6: Strain Gage
Pressostato – Vacuostato
Usado para regular ou controlar a pressão ou depressão em circuitos pneumáticos e
hidráulicos. Controlam a partida de compressores; asseguram circulação de lubrificantes e
refrigerantes; limitam a pressão de máquinas-ferramentas (aquelas com cilindros hidráulicos); e
detém o funcionamento de maquinas no caso onde haja baixa pressão, entre outras coisas.
Medidores de Temperatura
Atualmente a medição de temperaturas assume grande importância em numerosos
processos de controle industrial. A Temperatura é a segunda grandeza mais medida no mundo,
perdendo apenas para o tempo. Praticamente todo o processo industrial está sobre os efeitos
dessa grandeza, portanto sua medição é de extrema importância. Sensores de temperatura tornam
possíveis a medição de níveis de energia térmica, o que nos permite conhecer a eficiência dos
equipamentos térmicos e assim a possibilidade de corrigir as suas condições de funcionamento,
bem como conhecer a eficiência de ciclos termodinâmicos.
Ao contrário da pressão, a medição da temperatura não depende da quantidade do
material que se pretende avaliar. Por esse motivo, foram muitas as dificuldades em se criar um
instrumento capaz de medi-la corretamente. O maior objetivo da monitoração de variáveis e
controle em processos industriais é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de
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rendimento e segurança, e com custos de produção compatíveis com a grande competitividade do
mercado globalizado.
Mas a influência da temperatura não pára por aí, ela pode ser responsável também pela
eficácia dos processos de esterilização, tratamento térmico de metais, refino de aço e
conservação de alimentos, etc.
A grande quantidade de medidores de temperaturas que existem hoje nos permite
conhecer a temperatura nos processos industriais com relativa rapidez e economia. Esses
medidores são aplicados levando em consideração as exigências do controle da temperatura para
cada caso, como: intervalo de medida, velocidade de resposta, precisão da medida, entre outros.
Os principais medidores de temperatura podem ser divididos em dois grandes grupos a
seguir será apresentado cada um com mais detalhes:
1º Grupo (são os de contato direto do medidor em relação ao que será medido)
Termômetro à dilatação
o de líquidos
o de sólidos
Termômetro à pressão
o de líquido
o de gás
o de vapor
Termômetro a par termoelétrico
Termômetro à resistência elétrica
2º Grupo (contato indireto)
Pirômetro óptico
Pirômetro fotoelétrico
Pirômetro de radiação
Termômetro à dilatação de líquidos (vidro)
Figura 7: Termômetro à dilatação de líquidos (vidro)
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Os termômetros de dilatação de líquido baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um
líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado. O recipiente de contenção do líquido
pode ser de vidro ou metálico, e os líquidos utilizados são:
Tolueno (-80 a 100° C)
Mercúrio (-35 a 750° C) (mais utilizado)
Álcool (-80 a 70° C)
Pentano (-120 a 30°C)
Acetona (-80 a 50°C)
Utilização
O termômetro de vidro industrial é comumente utilizado na indicação de temperatura de pequena
flutuação no processo em que a leitura no próprio local não se constitui problema, bem como
para os casos em que precisão abaixo de ± 1% e resposta rápida não se fizerem necessárias.
Termômetro à dilatação de líquidos (recipiente metálico)
Figura 8: Termômetro à dilatação de líquidos
Já o termômetro de metal é ainda utilizado em algumas indústrias para indicações e
registros, pois permite leituras remotas e por ser o mais preciso dentre os sistemas mecânicos de
medição de temperatura (sua precisão é ± 0,5%).
Elemento de Medição
O elemento usado é o tubo de Bourdon, podendo ser:
a) Tipo C
b) Tipo Helicoidal
c) Tipo Espiral
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Os materiais mais utilizados na confecção desse tipo de termômetro são:
• Bronze Fosforoso;
• Cobre;
• Berílio;
• Aço Inox;
• Aço Carbono.
Vantagens:
O termômetro de vidro é de baixo custo;
O termômetro de metal é o mais preciso dentre os sistemas mecânicos de medição.
Desvantagens:
Tempo de resposta grande (> 5 min.);
Dificuldade de medir objetos em movimento;
Não recomendável para controle;
Grande fragilidade.
Termômetro à dilatação de sólidos (bimetálicos)
Figura 9: Termômetro bimetálicos
A operação deste tipo de termômetro se baseia no fenômeno da dilatação linear dos
metais com a temperatura. Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou
hélice, o que aumenta mais ainda a sensibilidade do sistema. O termômetro mais usado é o de
lâmina bimetálica helicoidal. E consiste de um tubo bom condutor de calor, do interior do qual é
fixada um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.
Normalmente o eixo gira de um ângulo de 270º para uma variação de temperatura que cubra toda
a faixa do termômetro.
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Figura 10: Esquema de um termômetro à dilatação de sólidos
Utilização
Estes termômetros têm aplicação similar às dos termômetros de vidro, porém, por serem
resistentes, admitem condições de trabalho mais pesados. Atualmente é o indicador de
temperatura local mais utilizado na área industrial.
Vantagens:
Baixo preço;
Simplicidade de manuseio;
Alta resistência;
Alta gama global: -30 á 500ºC.
Desvantagens:
Tempo de resposta grande;
Pouco precisos;
Termômetro à pressão de gás
Também é conhecido como sistema termal, é constituído de um manômetro com tubo
Bourdon indicador conectado através de um capilar ao bulbo sensor de temperatura. Os
termômetros à pressão de gás baseiam-se na lei de Charles e Gay-Lussac que diz:
“A pressão de um gás é proporcional à temperatura, se mantivesse constante o volume do gás”.
Variações de temperatura causam variações na pressão do gás, que são sentidos pelo manômetro.
Os gases encontrados nesse tipo de termômetro são: gás hélio, hidrogênio, nitrogênio e dióxido
de carbono.
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Figura 11: Termômetro à pressão de gás
Termômetro à pressão de líquido
É preenchido com um liquido, geralmente mercúrio, variações de temperatura causam
uma dilatação volumétrica do liquido, que ocasiona um movimento no manômetro.
Termômetro à pressão de vapor
É preenchido parcialmente com um líquido de tal maneira que a superfície livre do
mesmo se encontre no bulbo, o volume restante é preenchido com o vapor deste mesmo líquido.
No equilíbrio, a pressão do vapor é relacionada com a temperatura da interface. O Bourdon mede
essa pressão, fornecendo uma indicação que varia de acordo com a temperatura.
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Figura 12: Esquema de funcionamento de um termômetro à pressão de vapor
Utilização
Os termômetros de pressão a líquido são os de aplicação mais geral, dando-se preferência aos
sistemas preenchidos com mercúrio, a não ser que a temperatura a ser medida seja baixa (menor
que -38ºC), ou quando o “span” deva ser estreito (mínimo de cerca de 25ºC) ou quando há perigo
de contaminação por vazamento de mercúrio. Termômetros de pressão a gás podem ser
utilizados em temperaturas mais baixas, o bulbo é em geral maior, o que pode ser uma vantagem
se o objetivo for medir a temperatura media de um volume grande. Entretanto o “span” mínimo é
de cerca de 50ºC. Termômetros de pressão a vapor são os que possuem o custo mais reduzido, a
resposta é rápida a não ser quando a temperatura é próxima do ambiente. A não linearidade da
escala pode ser um fator negativo.
Líquidos mais utilizados e suas características
Líquido Ponto de Fusão (°C) Ponto de ebulição (°C)
Cioreto de metila -139 -24
Butano -135 -0,5
Éter etílico -119 -34
Tolueno -95 -110
Dióxido de enxofre -73 -10
Propano -190 -42
Vantagens:
Baixo preço;
Simplicidade de manuseio;
Alta resistência;
Alta gama global: -30 á 500ºC.
Desvantagens:
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Tempo de resposta grande;
Pouco precisos;
Termômetro a Par Termelétrico (Termopares)
Consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou
ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou
junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m.
(força eletromotriz ou tensão elétrica), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente
elétrica. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é
chamado de junta fria ou de referência.
Figura 13: Termopares
Os termopares seguem o princípio dos efeitos termoelétricos, sendo que o efeito
Seedbeck é o relevante para os termopares. O efeito Seedbeck se produz pelo fato de que os
elétrons livres de um metal diferem de um condutor para outro e depende da temperatura
corrente.
Os termopares podem ser divididos em três grupos:
Termopares básicos;
Termopares nobres;
Termopares especiais.
Termômetro digital termopar e termômetro digital utilizado para medições de temperatura
em redes de telecomunicações e de energia.
Termopares Básicos
São os termopares de maior uso industrial, os fios são de custo relativamente baixo, e sua
aplicação admite um limite de erro maior.
Tipo T:
Composição: (+) Cobre, (-) Constantan
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Aplicações: Criometria (baixas temperaturas), indústrias de refrigeração, química e
petroquímica, pesquisas agronômicas e ambientais.
Tipo J:
Composição: (+) Ferro, (-) Constantan.
Aplicações: Centrais de energia, metalurgia, química, petroquímica e indústrias em gerais.
Tipo E:
Composição: (+) Chromel, (-) Constantan.
Aplicações: Química e petroquímica.
Tipo K:
Composição: (+) Chromel, (-) Alumel
Aplicações: Metalurgias, siderúrgicas, fundição, usina de cimento e cal, vidros, cerâmicas e
indústrias em geral.
Termopares Nobres
São aqueles que os pares são constituídos de platina, possuem custo elevado e exigem
instrumentos receptores de alta sensibilidade, apresentam uma altíssima precisão.
Tipo S:
Composição: (+) Platina e Rhodio, (-) Platina
Aplicações: Metalurgia, siderúrgicas, fundição, usina de cimento e cal, vidros, cerâmicas e
pesquisas cientificas.
Tipo R:
Composição: (+) Platina e Rhodio, (-) Platina
Aplicações: Mesmas do tipo S.
Tipo B:
Composição:(+) Platina (70%) e Rhodio (30%), (-) Platina (94%) e Rhodio (6%)
Aplicações: Vidro, siderúrgica, alta temperatura em geral.
Termopares Especiais
São novos tipos de termopares desenvolvidos para atender as condições de processo onde os
termopares básicos não podem ser utilizados. Podem ser de tungstênio-rhênio, irídio, ouro,
nicrosil/nisil.
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Figura 14: Esquema de um termopar
Utilização
Os termopares são os sensores de temperatura mais amplamente utilizados. Encontram aplicação
nos mais variados processos, em ampla faixa de temperatura. Deve-se atentar para a tolerância
do processo a ser medido.
Vantagens
Elevadas amplitudes de temperatura
Tempos de resposta rápidos
Design compacto
Elevada resistência à vibração
Elevada robustez
Desvantagens
Baixa tensão de saída;
Requer referência.
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Figura 15: Termopar tipo T
Figura 16: Termopar tipo J
Termômetro à Resistência Elétrica (Termo resistências)
A medição da temperatura com termômetros de resistência assenta na propriedade de
todos os condutores e semicondutores alterarem a sua resistência elétrica em função da
temperatura. Esta característica é mais ou menos pronunciada nos diferentes materiais. Esta
alteração da resistência elétrica em função da temperatura (dR/dt) é designada por coeficiente de
temperatura. O seu valor não permanece constante ao longo da amplitude de temperatura de
interesse; ele próprio é uma função da temperatura. Da relação entre resistência e temperatura
resulta um polinômio matemático de elevada ordem.
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Figura 17; Grafico da relação entre resistência e temperatura de um resistor
Nesse tipo de sensor utiliza-se a resistência como propriedade termométrica, ele é
constituído por um núcleo de cerâmica, vidro ou outro material isolante, em torno do qual se
enrola um fio ou filme metálico. Sua sigla é RTD “resistance thermal detector”, os metais mais
utilizados são cobre, níquel e platina. É o mais preciso de todos os métodos para medida de
temperatura nos processos industriais.
Figura 18: Termo resistência
Utilização
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Praticamente as termo resistências possuem as mesmas aplicações que os termopares,
observando que em casos que temos temperaturas até 850° C as termo resistências obtêm um
melhor resultado.
Vantagens
Alta precisão;
Alta resistência;
Não tem limite de distância de operação;
Podem ser utilizados para medidas próximas da temperatura ambiente.
Desvantagens
Alto custo;
Tempo de resposta longo;
Auto-aquecimento.
Pirômetros
É o equipamento utilizado para medir temperatura quando não há contato direto entre
instrumento de medição e objeto a ser medido. Na indústria esse tipo de medidor é aplicado em
processos de temperatura muito alta.
Figura 19: Vários tipos de pirômetros
Utilização
Pode ser utilizado em diversas situações, em processos de fabricação: metais e tratamento
térmico, vidro, alimentos, cura e secagem de pinturas, em manutenção de fabricas e instalações:
motores, bombas e mancais, em transporte terrestre e aéreo: sistemas hidráulicos, freios, sistemas
de refrigeração de motores, sistemas de aquecimento, ar-condicionado, armazenamento e
transporte de alimentos. Muito úteis em situações em que os locais para medição são de difícil
acesso e também para medir temperaturas médias de grandes superfícies.
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Figura 20: Diagrama simplificado de um termovisor genérico.
Pirômetro Óptico
O pirômetro ótico determina a temperatura da superfície pela cor da radiação emitida. O
ponto de máximo da curva de radiação de corpo negro se move em direção aos comprimentos de
onda menores à medida que a temperatura cresce, o que corresponde a uma mudança de cor na
radiação emitida. A lei de Wien estabelece esta relação.
Figura 21: Tipo de sensor óptico
Figura 22: Tipo de sensor óptico
Figura 23: Transmissores infravermelho de temperatura e Pirômetro Óptico
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Pirômetro de Radiação
Este pirômetro é baseado na determinação da temperatura de equilíbrio de um alvo sobre
o qual a radiação térmica incide. Termopilhas ou termômetros de resistência são utilizados como
sensores de temperatura. A energia térmica líquida radiativa é equilibrada pelas perdas por
condução e convecção. Um procedimento de calibração relaciona a temperatura de equilíbrio do
alvo com a temperatura desejada da fonte emissora. Este tipo de instrumento é normalmente
utilizado para temperaturas superiores a 550ºC.
Figura 24: Pirômetro de Radiação
Figura 25: Termogramas de uma conexão defeituosa e uma conexão normal
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Pirômetro Fotoelétrico
Os pirômetros fotoelétricos normalmente empregam sensores que atuam na faixa do
infravermelho, e, portanto, abrangem uma faixa de temperatura maior do que os pirômetros de
radiação total e ótico; além disso, são mais rápidos, respondendo na casa dos milissegundos.
Portanto, sensores de infravermelho não só operam em altas temperaturas, mas também podem
ser usados nos chamados processos industriais a frio (forjamento, extrusão, trefilação,etc..). Sua
faixa de uso pode ser descrita de 0 a 3.600 °C. Os pirômetros fotoelétricos possuem basicamente
a mesma estrutura de um pirômetro de radiação total, só que a termopilha, por exemplo, é
substituída por um fotodiodo, e, conseqüentemente o circuito de leitura/processamento do sinal é
um pouco diferente. Atualmente são o tipo de pirômetro mais utilizados.
Figura 26: Pirômetro Fotoelétrico
Termômetro infravermelho (mede de -18ºC até 2000ºC)
Vantagens
Medição à distância;
Vasto range;
Rapidez.
Desvantagens
Custo elevado;
Necessita conhecer a emissividade do corpo;
Escala não linear.
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Bibliografia
KARDEC, A. & NASCIF, J.A. Manutenção – função estratégica. 3.ª ed. Rio de Janeiro:
Qualitymark Editora Ltda., 2009.
MATTOS, JC., TOLEDO. J. C. Custos da qualidade: diagnóstico nas empresas com certificação
ISO 9000. Revista Gestão & Produção. Vol. 5, Nº 3. São Carlos, 1998.
FEIGENBAUM, A. V. Controle da Qualidade Total: gestão e sistemas. Vol.1. São Paulo:
Makron Books, 1994.
Santos, L – Termografia Infravermelha em Subestações em alta tensão Desabrigada.
Universidade Federal de Itajubá.
Apostila: Prof. Júnior Omodei, “Medidores de Temperatura”, Faculdade de Tecnologia de
Botucatu.