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Prevenindo Danos por Vibração em Termopares e Sensores PT-100

Resistência a Vibração Termopares funcionam baseados no princípio do efeito Seebeck, que afirma que dois metais diferentes unidos em duas junções geram uma força eletromotriz (FEM) entre as junções, pois os metais reagem a mudanças na temperatura produzindo uma voltagem FEM relacionada à diferença na temperatura em cada junção. Os PT-100 funcionam com base no preceito de que a resistência elétrica aumenta com o aumento da temperatura. Os tipos de metais usados para fabricar o sensor têm influência na precisão, no intervalo de medição, no tempo de resposta e na resistência aos fatores de stress do ambiente, como vibração.
Junção Aterrada
Junção Aterrada,
Sondas OMEGACLAD™
Junção Não Aterrada
Junção Não Aterrada,
Sondas OMEGACLAD™
Os PT-100 de fio enrolado de vidro 1PT100G
PT-100 de fio enrolado de vidro 1PT100G
PT-100 de Película Fina TDF mostrado ampliado
PT-100 de Película Fina TDF mostrado ampliado
Junções de termopares podem ser aterradas ou não aterradas. Frequentemente elas estão cobertas com metal protetor mas podem ser deixadas expostas para melhorar o tempo de resposta. O aterramento é frequentemente necessário para evitar o acúmulo de eletricidade estática, que pode afetar negativamente a precisão. Entretanto, se o termopar for aterrado a máquinas ou outros equipamentos que funcionam eletricamente, ruído de circuitos pode interferir na medição. Numerosas combinações de metais são usadas na fabricação de termopares. Cada uma é classificada segundo o intervalo de temperatura e os ambientes de medição aceitáveis. Termopares revestidos de metal são consideravelmente robustos e, na média, muito menos vulneráveis a vibração que os PT-100.

Os PT-100 estão disponíveis nos tipos de fio enrolado e película fina. Sensores de fio enrolado são altamente precisos. Eles são feitos enrolando-se fios de cobre, níquel ou platina ao redor de um núcleo de vidro ou cerâmica ao qual o fio também está ligado. Sensores de núcleo de vidro podem ser submersos na maioria dos líquidos sem proteção, enquanto que aqueles com núcleo de cerâmica proporcionam estabilidade para medições de temperaturas excepcionalmente altas. O de platina é o fio que tem a maioria das preferências, pois proporciona a melhor precisão com o mais amplo intervalo de temperatura. ASTM E1137 é o padrão internacional que define tolerâncias para sensores de resistência de platina. Ele é frequentemente usado como um dos critérios para seleção do sensor de temperatura, pois os PT-100 fabricados e testados de acordo com essa especificação oferecem confiabilidade superior e melhor desempenho.

Os PT-100 de película fina oferecem substancialmente mais proteção contra vibração que Os PT-100 de fio enrolado. Eles são produzidos depositando-se uma fina película de platina passivada em uma superfície de cerâmica. Um circuito elétrico é gravado dentro do material para criar a resistência escolhida. Estes sensores mostram uma curva de temperatura-resistência praticamente linear. Portanto, eles proporcionam medições consistentes e altamente precisas em um amplo intervalo de temperatura. Seu tamanho compacto lhes dá a vantagem de ter tempos de resposta mais rápidos e maior resistência a choque térmico e vibração.

Desafios Apresentados à Medição de Temperatura na Presença de Vibração

A vibração pode causar stress mecânico nos fios de termopares e os PT-100. Termopares estão sujeitos a fadiga de vibração, o que pode levar a falha de isolação e curto-circuitos. Isso pode ficar evidente pelas leituras altas intermitentes que resultam do fato da medição ser feita a partir do curto e não da junção. Os PT-100 de fio enrolado são especialmente suscetíveis a dano por vibração. O fio de platina fino usado para enrolar o sensor tem um diâmetro típico de 15 a 35 mícrons e é consideravelmente frágil. Um fio de sensor PT-100 quebrado ou danificado pode resultar em:
  • Um circuito aberto
  • Sinais com ruído
  • Medições de alta temperatura esporádicas
Descalibração é outro problema que pode ocorrer em termopares expostos a vibração. Este é o processo pelo qual a estrutura do fio é alterada até um ponto onde as características de voltagem-temperatura não mais estão em conformidade com os padrões internacionais. A grande preocupação em relação à descalibração é que as medições de temperatura parecem ser precisas. As leituras vão se desviando gradualmente ao longo do tempo. O teste do termopar em uma temperatura conhecida é o método mais comum de detectar descalibração.

Tipos de Vibrações que Afetam Sensores

Vibrações de máquinas são comuns em processos industriais. Elas podem surgir do movimento de motores, bombas ou compressores. A propensão a causar danos é proporcional à amplitude e frequência da vibração. A amplitude é a força aplicada a um objeto que está produzindo a vibração. Por exemplo, a velocidade de rotação em um motor elétrico vai contribuir para a amplitude da vibração. Quanto mais rápido o motor girar, maior a amplitude. A frequência também é um fator quanto à severidade da vibração. Ela é a taxa na qual um equipamento mecânico se move para trás e para a frente sob a ação de forças. Uma máquina pode vibrar em múltiplas direções com variadas taxas de amplitude e frequência.

Vibrações acústicas são geradas por um grande número de sistemas mecânicos, como turbinas e motores, assim como por vozes humanas e trânsito de veículos. Quando ruído acústico influencia uma estrutura, ele se torna vibração estrutural. Ondas de som podem chegar até qualquer lugar onde haja fluxo de ar; portanto, elas podem vir de qualquer direção. Reverberação é a continuação do som após o original ter cessado. Ela é o resultado de ondas sonoras refletindo em superfícies. Características acústicas podem variar dependendo do tamanho e da forma dos objetos nos quais houve a reflexão, o que torna difícil prever como as ondas sonoras irão reagir.

Vibrações induzidas por fluxo resultam da interação de forças entre o fluxo de fluido e a inércia de estruturas imersas nele ou que o transportam. O fluxo de fluido é uma fonte de energia capaz de produzir vibração mecânica e estrutural. Em estruturas cilíndricas, as vibrações são classificadas como induzidas por fluxo axial ou induzidas por fluxo transversal, dependendo do ângulo de fluxo interno em relação ao eixo do cilindro.

Termopares Resistentes a Vibração e PT-100

O PT-100 PR-21SL da OMEGA está projetado para uso em cápsulas termométricas e apresenta carga de mola para sustentar o contato entre a sonda e a cápsula termométrica na presença de estática e vibração. Isso garante transferência de calor otimizada entre a cápsula termométrica e a sonda e isola o sensor em relação a vibração. O PT-100 PR-21SL pode ser usado em aplicações de dois, três ou quatro fios e é adequado para cápsulas termométricas de furo de 0,26 polegadas padrão. Uma mola ajustável y com autofixação permite que ele seja usado em cápsulas termométricas mais curtas.

A sonda PR-31 PT-100 da OMEGA é flexível e resistente a vibração. A sonda é feita de aço inoxidável 316, e o cabo com isolamento mineral permite que a sonda seja curvada. O PT-100 PR-31 PT-100 é testado quanto a vibração pelo MIL-STD-202G, Método 204D, Condição A e tem um intervalo de medição entre -50 e 500°C. Está disponível em 100 e 1000 Ω e pode ser usado em aplicações de 2, 3 ou 4 fios.

As sondas de termopar M12M Series podem ser usadas expostas, montadas dentro do processo, ou em uma cápsula termométrica. As sondas estão disponíveis como um termopar de tipo K com coberturas Inconel 600 ou como um de tipo J com coberturas de aço inoxidável 304. O de tipo K tem um intervalo de temperatura entre -40 e 1150°C, e o de tipo J tem um intervalo de temperatura entre -40 e 600°C. A M12M vem como padrão com uma junção não aterrada; uma junção aterrada é opcional.
Célula de Carga
PR-21SL PT-100
 
Célula de Carga
Sonda PR-31 PT-100
 
Célula de Carga
Sonda de Termopar M12M

Conclusão

Escolher o PT-100 ou termopar correto para sua aplicação otimizará o desempenho e prevenirá danos no sensor. Termopares são um meio de medição de temperatura versátil e com um bom custo-benefício, e oferecem a melhor proteção contra vibração. Os PT-100 de fio enrolado oferecem precisão superior e um intervalo de medição mais amplo mas não são tão resilientes. Os PT-100 de película fina proporcionam dados altamente precisos e consistentes e oferecem resistência a vibração maior que os PT-100 de fio enrolado. A OMEGA também tem soluções especialmente adaptadas ao cliente no caso de ambientes com vibração muito severa.

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