Controle de Temperatura na Indústria

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O controle de temperatura é um dos tipos mais importantes da indústria. É através dele que podemos assegurar a temperatura correta de um processo de fabricação, garantindo que estará em um valor adequado para obtermos o resultado final esperado.

            Por isso, há alguns pontos específicos do processo de controle de temperatura que podem influenciar no resultado, e devemos nos manter atentos a eles.

ESTRUTURA DO CONTROLE DE TEMPERATURA

            Podemos demonstrar o sistema de controle de temperatura em uma estrutura com 4 blocos, onde eles funcionam em uma espécie de malha fechada, onde cada etapa é importante para o acionamento da próxima.

Estrutura de um sistema de controle de temperatura
Estrutura do sistema de controle de temperatura

SENSOR DE TEMPERATURA

            Para obtermos um controle preciso e confiável da temperatura da operação, precisamos escolher corretamente o sensor de temperatura. Cada tipo de sensor possui algumas particularidades, que devem ser observadas na hora de definir qual modelo será utilizado no projeto.

            Alguns pontos que devem ser observados na seleção do sensor, como por exemplo:

            Temperatura de medição: a temperatura em que o sensor irá trabalhar será necessária para definir o tipo de sensor a ser utilizado. Existem tipos de sensores específicos para cada faixa de medição, então deve-se cuidar esta necessidade antes de definir o produto.

            Ambiente de medição: é muito importante garantir que o sensor não sofra ações do ambiente onde se encontra instalado. Seja por conta de líquidos ou vapores que podem interferir na medição, eles devem estar protegidos de qualquer ação. Para isso, existem espécies de “capas”, que podem proteger o sensor de materiais ou partes que não devam ter contato com ele.

            Ponto de medição: indicará como deve ser o formato do sensor para que ele consiga fazer a medição adequada. Caso posicionemos o sensor muito distante do ponto correto, teremos uma medida equivocada da temperatura. Em processos sensíveis, essa diferença pode causar problemas sérios no produto final ou até em partes de máquinas e equipamentos.

TIPOS DE SENSORES

            A medição de temperatura é, em geral, realizada com um de dois tipos de produtos: termopares ou termorresistências. Embora sejam parecidos, os produtos são diferentes, e por isso devemos nos atentar ao mais indicado para a utilização na hora de criarmos um sistema de controle.

Termorresistência Pt100 e Termopar Tipo K
Diferentes tipos de sensores de temperatura:
Termorresistência Pt100 (esq.) e Termopar Tipo K (dir.)

            Os termopares possuem sua medição de temperatura através da junção de dois condutores metálicos (de metais diferentes), unidos em suas extremidades, formando uma espécie de “circuito”. Essas junções do termopar, quando submetidas a temperaturas diferentes, geram uma força eletromotriz. Quanto maior a diferença de temperatura nas extremidades do termopar, maior a energia cinética dos elétrons. Ou seja, quanto maior é essa energia cinética, mais elétrons se acumulam na parte fria do termopar, ocasionando uma diferença de potencial em forma de tensão.

            Existem termopares com uma bainha de isolação mineral, altamente resistente contra vibrações (dependendo do tipo de elemento e das partes em contato com o processo). Os termopares podem ser utilizados em circuitos até 1700ºC, porém cada modelo possui suas características de temperatura suportadas. Devemos sempre verificar se a temperatura existente em nosso processo fica dentro do alcance medido pelo termopar antes de aplicar o produto.

            Já as termorresistências, como o Pt100, possuem um coeficiente positivo de temperatura. Seu funcionamento ocorre a partir do princípio de agitação térmica nos metais, ou seja, com o aumento da temperatura do meio há também o aumento da resistência elétrica da termorresistência. Em geral, termorresistências são capazes de operar entre -200ºC e +600ºC, porém dependem do tipo de produto selecionado, elemento sensor, etc.

Ou seja, as principais diferenças entre os tipos de sensores de temperatura são:

TERMOPAR TERMORRESISTÊNCIA
Baseado na tensão Baseado na resistência
Maior resistência a temperaturas Maior precisão
Mais econômicos Curva de resistência mais linear em função da temperatura

CONTROLADOR DE TEMPERATURA

            Toda a lógica de controle, comparação e acionamento do sistema é realizada nessa parte do processo. O controlador de temperatura faz a parte lógica da operação, recebendo um sinal enviado pelo sensor de temperatura e, com base nesse sinal, aciona os comandos de atuadores. Esses atuadores então, irão aquecer ou resfriar o ambiente, a fim de alcançar ou manter a temperatura desejada. Algumas das características que devemos observar nos controladores são:

Controladores de temperatura mais encontrados no mercado: N1030 da Novus e TC4S da Autonics
Controladores de temperatura N1030, da Novus (esq.) e TC4S, da Autonics (dir.)

            Tipo de sensor: cada controlador aceita um ou mais tipos de sensores de temperatura específicos. Ao escolhermos um controlador, devemos observar se o controlador irá funcionar com o sensor escolhido na etapa anterior.

            Tipo de controle: o tipo de controle é a lógica que o controlador usará para ligar ou desligar o atuador. Alguns modelos funcionam com o comando mais simples e utilizado na indústria, o tradicional “On/Off”, já outros utilizam um método mais complexo e preciso de medição, como o controle “PID”. Devemos observar o tipo de aplicação que iremos necessitar, assim conseguimos utilizar o modo correto para garantir um melhor rendimento do processo.

            Tipo de saída: a saída do controlador é um dos fatores mais importantes. Visto que dependendo do atuador que planejamos utilizar, precisamos de uma saída específica para eles. Por exemplo: em aplicações que haja um contator como atuador do circuito, devemos escolher um controlador com saída a relé. Já nos casos onde nossa saída seja um relé de estado sólido, devemos escolher um controlador que possua uma saída de tensão.

TIPOS DE ATUADOR

            Para cada utilização teremos um tipo diferente de atuador responsável por acionar a carga. E para cada tipo de carga, teremos tipos diferentes de controle adequados. Conheça alguns abaixo:

            Contatores: muito utilizados para comando de resistências elétricas e controles do tipo On/Off, os contatores são indicados para controles onde não ocorram muitos acionamentos diários. Isso ocorre devido ao fato de que sua vida útil pode ser reduzida por um elevado número de acionamentos em sequência.

Contator modelo AF09 da ABB
Contator modelo AF09 da ABB

            Relé de estado sólido (SSR): como não possuem contatos mecânicos para seu acionamento, os relés de estado sólido são recomendados para situações de controle PID, onde trabalhamos com altos números de acionamentos. É necessário dimensionar corretamente o dissipador de calor do relé SSR, pois em casos de correntes elevadas ele irá perder sua capacidade de dissipar o calor através do corpo metálico e poderá vir a ser danificado. Você pode saber mais sobre os relés de estado sólido acessando este link.

Relé de estado sólido montado com e sem dissipador de calor
Relés de Estado Sólido (SSR) com e sem dissipador de calor

OUTROS ATUADORES EXISTENTES

            Válvulas de processo: apesar de não serem muito comuns para esta finalidade indústria, as válvulas estão presentes em diversas aplicações onde o controle de vazão de líquidos e vapores, por exemplo, é exigido.

            Válvulas On/Off: como o nome sugere, as válvulas abrem ou fecham completamente a passagem de líquidos ou vapores que estão sendo controlados. Ela é especialmente indicada para os controladores com tipo de controle On/Off, já que possuem os dois estados do sistema.

            Válvulas proporcionais: ideais para os sistemas que utilizem o controle do tipo PID, as válvulas proporcionais podem receber um comando através de um sinal analógico de 4-20mA, dessa forma temos o controle sobre o percentual de vazão que necessitamos. Com esse tipo de atuador, podemos ter o acionamento de 0 a 100% da vazão, conforme a necessidade do processo identificada pelo controlador.

CARGA

            A carga é o que efetivamente será comandado no processo. Todo o aquecimento ou resfriamento será feito com base na necessidade da carga. Em processos de aquecimento e resfriamento nós podemos ter como cargas:

            Resistência elétrica: um dos meios de aquecimentos mais utilizados na indústria, utilizado para aquecimento em prensas e estufas. Para acionamento de resistências podemos utilizar contatores ou relés de estado sólido.

            Vapor: muito utilizados para aquecimento de tanques e reatores químicos, esses equipamentos são revestidos com uma camada externa para que o vapor circule e aqueça todo o material interno. Para atuar no controle do vapor, devemos utilizar as válvulas específicas para a função.

            Água gelada: utilizada para resfriamento de máquinas e produtos durante o processo de fabricação. Muito encontrada em indústrias de plásticos, para usar a água gelada devemos usar uma lógica de controle e resfriamento adequada a esse tipo de produto.

            Ventilação: alguns controladores de temperatura permitem o uso de ventilação juntamente com resistências, permitindo que o sistema consiga evitar grandes variações na temperatura. Esse tipo de controle pode ser utilizado em sistemas mais robustos e complexos, como ventilação de silos agrícolas, por exemplo.

DICAS

            Retomando tudo o que vimos no artigo de hoje, podemos concluir que cada parte do processo é de extrema importância. Os produtos selecionados devem conversar entre si, garantindo o correto funcionamento da aplicação desejada.

            O sistema de controle de temperatura funciona em malha fechada, e cada parte do sistema depende da outra. Tenha certeza de selecionar os equipamentos com características compatíveis na hora de montar o seu circuito.

            Cada tipo de carga requer um tipo de atuador e controle específico, por isso estude bem sua aplicação para obter o melhor resultado. Isso quer dizer que, se utilizar sempre o mesmo conjunto de componentes e soluções para todas as aplicações, você pode estar perdendo performance no controle da temperatura.

CONHEÇA SEUS EQUIPAMENTOS

            Muita atenção na hora de escolher o sensor de temperatura. Afinal, ele será o responsável por balizar todo o circuito. De nada adianta utilizar os melhores equipamentos do mercado com um sensor incapaz de fornecer com precisão os dados de temperatura.

            Conheça muito bem seus equipamentos utilizados. Conhecer facilidades, aplicações e limitações deles, irá fazer com que você saiba quais as aplicações mais adequadas para cada um, evitando perder tempo em tentativas e erro, e ajudando a obter o melhor resultado no seu controle de temperatura.

Quer saber mais sobre os controladores de temperatura? Assista ao vídeo!

            Em processos que aceitam uma faixa de temperatura um pouco maior sem alterar as propriedades do produto, o tipo mais indicado de controle é o On/Off. Já nos processos com ajuste fino de temperatura, onde a margem de erro deve ser muito reduzida para manter a temperatura estável, o mais indicado é sistema de controle por PID.

            Utilizando o controle PID também temos outra necessidade: um atuador capaz de acionar diversas vezes em sequência. Precisamos de um equipamento que possa responder aos comandos do circuito de forma ágil e rápida, fazendo com que ele se mantenha na temperatura desejada e seja eficiente. Em casos onde não possamos escolher o tipo de atuador, e ele não seja compatível com a velocidade necessária para o controle PID, o mais sensato é trocar o tipo de controle para alguma das formas mais básicas.

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