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CENTRO DE TREINAMENTO SMAR – Revisão 2.
CONCEITOS BÁSICOS DE INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE
1 – INTRODUÇÃO
1 - MALHA DE CONTROLE FECHADA
2 - DEFINIÇÕES EM INSTRUMENTAÇÃO
2.1 - C LASSES DE INSTRUMENTOS
2.2 - F AIXA DE MEDIDA ( R ANGE )
2.3 - ALCANCE ( SPAN )
2.4 - ERRO
2.5 - R EPETITIVIDADE
2.6 - E XATIDÃO
2.7 - R ANGEABILIDADE ( LARGURA DE F AIXA )
2.8 - T ERMINOLOGIA
2.9 - SÍMBOLOS UTILIZADOS NOS F LUXOGRAMAS DE PROCESSO
2.10 - SIMBOLOGIA G ERAL EM INSTRUMENTAÇÃO
2.11 - T ABELA DE IDENTIFICAÇÃO F UNCIONAL DOS INSTRUMENTOS
3 - PRINCIPAIS SISTEMAS DE MEDIDA
3.1 - SISTEMA MÉTRICO DECIMAL
3.2 - SISTEMA FÍSICO OU C EGESIMAL
3.3 - SISTEMA INDUSTRIAL F RANCÊS
3.4 - SISTEMA PRÁTICO OU GRAVITATÓRIO
3.5 - SISTEMAS INGLESES
4 - EXERCÍCIOS
5 - APÊNDICE
T ABELA 1 - SISTEMAS DE U NIDADES G EOMÉTRICAS E MECÂNICAS
DIAGRAMA DE VAZÃO TÍPICO
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INTRODUÇÃO
Os processos industriais exigem controle na fabricação de seus produtos. Os processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos como pôr exemplo: a fabricação dos derivados do petróleo, produtos alimentícios, à indústria de papel e celulose, etc. Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter constante as variáveis do processo com os seguintes objetivos: melhoria em qualidade do produto, aumento em quantidade do produto, segurança e melhoria do meio ambiente. No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através de controle manual destas variáveis utilizando somente instrumentos simples, manômetro, termômetro e válvulas manuais, etc. e isto era suficiente porque os processos eram simples. Com o passar do tempo os processos foram se complicando exigindo um aumento da automação nos processos industriais, através dos instrumentos de medição e controle. Enquanto isto os operadores iam se liberando de sua atuação física direta no processo e ao mesmo tempo ia permitindo a centralização das variáveis em uma única sala. Devido à centralização das variáveis do processo podemos fabricar produtos que seriam impossíveis através do controle manual. Mas para atingir o nível que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram grandes transformações tecnológicas como veremos a seguir: controle manual, controle mecânico e hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrônico e atualmente controle digital. Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e processos descontínuos. Em ambos os tipos, devem-se manter as variáveis próximo aos valores desejados. O sistema de controle que permite fazer isto é definido como aquele que compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio existente sem que a operação intervenha. Para que se possa fazer esta comparação e conseqüentemente a correção é necessário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle no processo.
1.1 - Malha de Controle Fechada
Este conjunto de unidades forma uma malha de controle. A malha de controle pode ser aberta ou fechada. No exemplo acima vemos uma malha de controle fechada e no exemplo da próxima página vemos uma malha de controle aberta.
Elemento final de controle
Unidade de medida
Processo
Unidade de controle
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e) Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida, diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.
f) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle.
OBS : Também são classificados em instrumentos de painel, de campo, à prova de explosão, de poeira, de líquidos, etc. Combinações dessas classificações são efetuadas formando instrumentos conforme as necessidades.
2.2 - Faixa de Medição (Range)
Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Se expressa determinando os valores extremos. Exemplos: 100 a 500^0 C ou 0 a 20 PSI ou 0 a 60 m 3 /h, etc.
2.3 - Alcance (SPAN)
É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Exemplos: Um instrumento com range de 100 - 500^0 C. Seu Span é de 400 0 C. Ou um transmissor de pressão, cujo range é de – 30 a +30 mm.c.a., seu span será de 60 mm.c.a.
2.4 - Erro
É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente chamaremos de erro estático que poderá ser positivo ou negativo dependente da indicação do instrumento o qual poderá estar indicando a mais ou menos. Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de erro dinâmico.
2.5 - Repetitividade
Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição.
2.6 - Exatidão
Podemos definir como sendo a aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro. A exatidão pode ser descrita de três maneiras:
Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.).
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Percentual do Span (% do Span). Percentual do Valor Lido (% do V.L.).
Exemplo: Para um sensor de temperatura com Range de 50 a 250 oC, o valor medido é 100 oC. Determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições:
a) Exatidão 1% do Fundo de Escala Valor real = 100 o C ± (0,01. 250) = 100 o C ± 2, o C
b) Exatidão 1% do Span Valor real = 100 oC ± ( 0,01. 200 ) = 100 oC ± 2,0 oC
c) Exatidão 1% do Valor Lido (Instantâneo) Valor real = 100 oC ± ( 0,01. 100 ) = 100 oC ± 1,0 oC
2.7 – Rangeabilidade (Largura de Faixa)
É a relação entre o valor máximo e o valor mínimo lido com a mesma exatidão na escala de um instrumento. Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM, com exatidão de 1% do Span e rangeabilidade 10: 1 significa que a exatidão será respeitada entre os valores de 30 e 300 GPM.
2.8 - Terminologia
As normas de instrumentação estabelecem símbolos, gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas que deverão ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. De acordo com a norma ISA-S5, cada instrumento ou função programada será identificada pôr um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. A figura na próxima página mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma pré-estabelecida.
P RC 001 02 A
Variável Função Área da Atividade N 0 Seqüencial da Malha
S
U
F
Identificação Funcional Identificação da Malha
I
X
O
Identificação do Instrumento
Onde: P - Variável medida - Pressão R - Função passiva ou de informação - Registrador C - Função ativa ou de saída - Controlador 001 - Área de atividade, onde o instrumento atua 02 - Número seqüencial da malha A - Sufixo
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2.10 - Simbologia Geral em Instrumentação
Painel Principal Acessível ao operador
Montado no Campo
Painel Auxiliar Acessível ao operador
Painel Auxiliar Não acessível ao operador
Instrumentos Discretos
Instrumentos Compartilhados
Computador de Processo
Controlador Lógico Programável
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2.11 - Tabela de Identificação Funcional dos Instrumentos
1 A^ LETRA LETRAS SUCESSIVAS
Variável Medida
Letra de Modificação
Função de Leitura Passiva
Função de Saída
Letra de Modificação A Analisador Alarme B Queimador (Chama) C Condutibilidade Elétrica Controlador D Densidade ou Peso Específico Diferencial E Tensão (Fem) Elemento Primário F Vazão Relação G Medida Dimensional Visor H Comando Manual Alto I Corrente Elétrica Indicação ou Indicador J Potência Varredura K Tempo ou Programa
Estação de Controle L Nível Lâmpada Piloto Baixo M Umidade Médio ou Intermediário O Placa de Orifício P Pressão Tomada de Impulso Q Quantidade Integração R Radioatividade Registrador S Velocidade ou Freqüência Segurança Chave ou Interruptor T Temperatura Transmissão Transmissor U Multivariáveis Multifunção Multifunção Multifunção V Viscosidade Válvula W Peso ou Força Poço Y Relê ou Computador Z Posição Elemento Final de Controle
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3.2 - Sistema Físico ou Cegesimal
Criado pelo 1^0 Congresso Internacional de Eletricistas, reunido em Paris, em 1.881, que aprovou proposta de Lord Kelvin. Tem como unidades fundamentais o centímetro, o grama e o segundo (C.G.S.).
- Centímetro: Centésima parte do metro - padrão. - Grama: Milionésima parte da massa do quilograma - padrão. - Segundo: Tem a mesma definição citada anteriormente.
3.3 - Sistema Industrial Francês
Tem como unidades fundamentais o metro, a tonelada e o segundo (M.T.S.), definidas em função do sistema métrico decimal.
3.4 - Sistema Prático ou Gravitatório
Sancionado em 1.901 pela 3 a^ Conferência Geral de Pesos e Medidas, surgiu pelo desvirtuamento do sistema decimal, em conseqüência da confusão entre peso e massa. A unidade de massa do sistema decimal, definida em função da massa do decímetro cúbico de água, passou a ser considerada como peso do decímetro cúbico de água. Como sabemos, o peso é uma força que varia de um lugar para outro, em função da gravidade. As derivadas do sistema decimal foram, no entanto, estabelecidas em função do quilograma - peso e não do quilograma
- massa, como deveria ser. As verdadeiras derivadas do sistema decimal nunca foram usadas e as definidas em função do quilograma - peso tornaram-se de uso universal. Em 1901, fixou-se então, o valor do quilograma - peso e ficou oficializado o sistema. Suas unidades fundamentais são: o metro, o quilograma - força e o segundo (M. Kgf. S).
OBS : O quilograma - força é o peso do quilograma - padrão na latitude de 45 0 ou força que, atuando sobre a massa do quilograma - padrão, imprime-lhe a aceleração de 9,80665 metros pôr segundo, em cada segundo. O metro e o segundo são do sistema decimal.
3.5 - Sistemas Ingleses
Enquanto as diversas nações foram sucessivamente oficializando o sistema decimal com exclusão de qualquer outro, as nações da língua inglesa, tornaram-no legal apenas, conservando, no entanto o sistema tradicionalmente em uso. Devemos considerar na Inglaterra o sistema absoluto e o prático.
3.5.1 - Sistema Absoluto
Tem como unidades fundamentais: o pé (foot), a libra (pound) e o segundo (second).
a) Foot: Um terço da distância entre os eixos de dois traços paralelos gravados transversalmente numa barra de bronze, reconhecida como a Imperial Standard Yard (Jarda Padrão) e depositada no Board of Trade, em Londres. A medida deve ser efetuada a temperatura de 62 0 F. Divide-se em 12 polegadas (inches) e equivale a 0,3048 metros.
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b) Pound: Massa de um cilindro de platina iridiada reconhecida como a Imperial Standard Pound (libra-padrão) e depositada na Board of Trade, em Londres. Divide-se em 16 onças e equivale a 453,592 gramas.
c) Second: É a mesma fração de tempo dos outros sistemas.
3.5.2 - Sistema Prático
Surgiu da mesma confusão entre peso e massa que originou a deturpação do sistema métrico - decimal. É o sistema realmente usado e a libra - peso assim se define:
a) Pound Force: É o peso Imperial Standard Pound na latitude de 45 0 ou é a força que atuando sobre a massa da Imperial Standard Pound lhe imprime a aceleração de 32,174 m/seg.
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11 - Defina o que é exatidão.
12- Defina o que é rangeabilidade.
13 - Defina o que é indicador.
14 - Defina o que é registrador.
15 - Defina o que é transmissor.
16 - Defina o que é transdutor.
17 - Defina o que é controlador.
18 - Defina o que é elemento final de controle.
19 - O que estabelecem as normas de instrumentação?
20 - Qual a função de cada um dos instrumentos abaixo, de acordo com a sua identificação.
a) WT -
b) FIC -
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c) TI -
d) PIT -
e) LR -
f) TSL -
g) PSLL -
h) TIR -
i) TT -
j) PIC -
l) FR -
m) LT -
n) FSHH -
o) LSH -
p) FY -
21 - Defina a localização dos equipamentos e tipos de sinais de transmissão de cada malha de controle, além da sua função (equipamento).
a)
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22 - Quais são os dois principais sistemas de medidas quanto à natureza das unidades?
23 - Quais são as unidades fundamentais do sistema L.M.T.?
24 - Quais são as unidades fundamentais do sistema L.F.T.?
25 - A sigla M.K.S. define que tipo de sistema de medida?
26- A sigla C.G.S. define que tipo de sistema de medida?
27 - A sigla M.T.S. define que tipo de sistema de medida?
28 - A sigla M. Kgf. S. define que tipo de sistema de medida?
29 - Quais são as unidades fundamentais do sistema inglês absoluto?
30 - Quais são as unidades fundamentais do sistema inglês prático?
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1.5 – APÊNDICE:
Tabela 1 - Sistemas de Unidades Geométricas e Mecânicas
Grandezas
Definição
Dimensão
Físico (C.G.S.)
Decimal (M.K.S.)
Gravitatório (M.Kgf.S)
Prático Inglês
Comprimento
L
L
centímetro (cm)
metro (m)
Mícron (
μ )= 10
m
Angstrom (A)=
m
metro (m)
foot (ft)
=1/3 Yd = 12in 30,48 cm
Massa
M
M
grama (g)
quilograma (kg)
(9,81 kg)
(32,174 pd)
Tempo
T
T
segundo (seg.)
segundo (seg.)
segundo 9seg)
second (sec)
Superfície
S
(^2)
S
(^2)
cm (^2)
m (^2)
m (^2)
square-foot=929 cm
(^3)
square-inch=6,45 cm
(^2)
Volume
V
(^3)
V
(^3)
cm (^3)
m (^3)
m (^3)
cubic-foot=28317 cm
3
cubic-inch=16,39 cm
3
Velocidade
v= e
t
LT
em/seg
m/seg
m/seg
1m/seg=197 ft/min
foot per second (ft/sec) ft/min=0,5076 cm/s
Aceleração
y = v
t
LT
cm/seg
(^2)
m/seg
(^3)
m/seg
(^2)
ft/sec
2
Força
F = m y
M L T
dina (d)
(m=1 g:y=1 cm/ss) Megadina (M) = 10
g dinas
_____GIORGI_____
Newton (n)
(m=1kg;y=1m/seg
(^5) d
(m=1kg;y=9,81m/ segquilograma - força(kgf)
)^2
x 10
(^3) x 981 = dinas
x 10
x 9,81 = sth^
pound
(pd)*^
(m=1pd;y=32,174 ft/sec
=0,4536kgf=444981d
=7000 grains
Trabalho
= F x e
M S
(^2) T
erg
(F=1 d; e = 1cm)
Joule (j)
F=1 n; e=1m)
(^2) ergs
quilogrâmetro (kgm) (F=1kgf; e = 1m) = 9,81 Joules
(f = 1 pd; e = 1 ft)foot - pound (ft.pd)
=0,1383kgm=1,3563 j
Potência
W = __
_
t
M S
T^2
erg/seg
=1 erg;t=1seg)
Watt (w)
= 1 j; 1= 1seg)
(^2) ergs/seg
= 44,8 ft. pd/min
kgm/seg
Cavalo-vapor (C.V.)
= 736 watts= 75 Kgm/seg
foot pound per second = 76kgm/seg (75)Horse Power (H.P.) =33000 ft.pd/min
Pressão
P = F
A
M L
T
bária
(F=1 d; S
=1 cm^2
Bar = 10
g bárias
(F=1M; s
(^) =1cm (^2)
Pascal
F= 1n; S
=1m^2
(^) ) 2
= 10 bárias
kgf/cm
(^) =1000 gf/cm 2
2
kgf/m
(^2)
atm = 1033 gf/cm
(^2)
(em Hg = 76cm)
pd/in
=70.308 gf/cm^2
2
pd/ft
2
atm = 11.692 pd/in
2
(em Hg = 0 n)
