Instrumentação, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Instrumentação Básica - AMBEV

 SENAI-SP, 2003

Trabalho elaborado pela Escola Senai “Luiz Simon” - Jacareí / SP

Coordenação Geral Pedro Humberto Pontieri Filho

Equipe responsável

Coordenação Norberto C. Coiado

Elaboração Ervalino M. Sousa Frederico L.Costa

Conteúdo técnico Frederico Leal Costa Ervalino Matos Sousa

Colaboração Núcleo de Automação Industrial UFP 1.

Versão Básica para Operadores de Processos

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Escola SENAI “Luiz Simon” Rua Prof.º Hélio Augusto de Souza, 105 - Jd. Emília CEP 12.300-000 - Jacareí, SP senaijacarei@sp.senai.br

Introdução

Conceito e Finalidade

Nos últimos tempos, a necessidade do aumento de produção para atender a sempre crescente demanda e o baixo custo, a criação e fabricação de novos produtos, propiciou o aparecimento de um número cada vez maior de indústrias. Estas indústrias só puderam surgir devido ao Controle Automático de Processos Industriais, sem o qual a produção não seria de boa qualidade e mesmo alguns produtos não poderiam ser fabricados.

O Controle Automático dos Processos Industriais é cada vez mais empregado por aumentar a produtividade, baixar os custos, eliminar erros que seriam provocados pelo elemento humano e manter automática e continuamente o balanço energético de um processo.

Para poder controlar automaticamente um processo precisamos saber como está ele se comportando para poder corrigi-lo, fornecendo ou retirando dele alguma forma de energia, como por exemplo: pressão ou calor. Essa atividade de medir e comparar grandezas é feita por equipamentos ou instrumentos que veremos a seguir.

Instrumentação: é a arte e a ciência que projeta, constrói, instala, opera e mantêm os instrumentos.

Instrumentos: medem variáveis de processo. Em instrumentação, quando dizemos "medir" geralmente queremos dizer indicar, registrar, totalizar ou controlar. Medida é o tipo mais comum de controle. Os instrumentos de controle industrial, trabalham só ou em combinação para sentir e controlar o trabalho das variáveis do processo. Os mostradores são os indicadores e registradores.

Variáveis de Processos: são Fenômenos físicos que chamamos simplesmente variáveis, por exemplo: vazão, temperatura, pressão, nível, densidade, etc. Cada sistema de Instrumentos pode ser compreendido em termos do que ele faz, por exemplo: indicar temperatura ou totalizar vazão ou registrar pressão, ou controlar nível. Cada uma dessas questões é a base da descrição de sistema de instrumentos.

Processo: operação ou série de operações no qual o valor de uma quantidade ou condição é controlada. Inclui todas variáveis das funções que, direta ou indiretamente, afetam o valor da Variável Controlada.

ÁGUA FRIA

ÁGUA QUENTE

VAPOR

CONDENSADO

TT

TIC

PROCESSO

CONTROLADOR

ELEMENTOPRIMÁRIO

TRANSMISSOR

(VÁLVULA DE DIAFRAGMA)E.F.C.

Fluxogramas de Processo

Fluxogramas são as representações simbólicas do processo para fins de localização, identificação e análise do funcionamento de seus componentes. Os fluxogramas são desenhos esquemáticos sem escala que mostram toda a rede de tubulações e os diversos vasos, bombas, instrumentos e todo equipamento pertencente ao processo.

Nos fluxogramas de processo deve estar contido o seguinte.

• As tubulações principais com indicação do fluido contido e do sentido do fluxo
• As principais válvulas de bloqueio, regulagem, controle, segurança, alívio etc.
• Todos os vasos (tanques, torres, tambores, reatores etc.) com indicação das características básicas, como tipo, dimensões principais, temperatura e pressão de trabalho, número de bandejas etc.
• Todos os equipamentos importantes (bombas, compressores, ejetores, filtros, trocadores de calor etc.) com indicação das características básicas, como vazão, temperatura, pressão, carga térmica etc.
• Todos os instrumentos principais deverão estar indicados por sua simbologia e nomenclatura.

Para todos os tipos usuais de vasos, equipamentos, válvulas, instrumentos etc., existem convenções de desenho, geralmente de acordo com as convenções da Sociedade de Instrumentos da América - ISA.

Identificação e Símbolos de Instrumentos Norma S.5. As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas, que deverão ser utilizados nos diagramas de malhas de controle de projetos de instrumentação.

Para facilitar o entendimento do texto deste trabalho, mostra-se a seguir, a essência da norma S.5.1 ( Instrumentation Symbols and Indentification ) da Instrument Society of America (ISA). De acordo com esta norma, cada instrumento ou função programada será identificado por um conjunto de letras que classifica funcionalmente (Ver tabela.) é um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou na função programada pertence.

Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. A figura mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma em referência.

T RC^210 2 A VARIÁVEL FUNÇÃO (^) ÁREA DE ATIVIDADES

NO SEQUENCIAL DA MALHA IDENTIFICAÇÃO IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL DA MALHA IDENTIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS

S U F I X O

Exemplo de identificação de instrumento Onde: T - variável medida ou iniciadora: temperatura; R - função passiva ou de informação: registrador; C - função ativa ou de saída: controlador; 210 - área de atividades, onde o instrumento ou função programada atua; 02 - número seqüencial da malha; A – sufixo

1 O^ GRUPO DE LETRAS 2 O^ GRUPO DE LETRAS VARIÁVEL MEDIDA OU INDICADORA FUNÇÃO Letra 1 a^ LETRA MODIFICADORA PASSIVA OU DE ATIVA OU DE SAÍDA MODIFICADORA INFORMAÇÃO A ANÁLISE ALARME B CHAMA

PRINCIPALLOCAÇÃO NORMALMENTEACESSÍVEL AO OPERADOR INSTRUMENTOS DISCRETOS

INSTRUMENTOS COMPARTILHADOS

COMPUTADOR DE PROCESSO

CONTROLADOR PROGRAMÁVEL

NO CAMPOMONTADO

LOCAÇÃOAUXILIAR NORMALMENTEACESSÍVEL AO OPERADOR

LOCAÇÃOAUXILIAR NORMALMENTENÃO ACESSÍVEL TIPO AO OPERADOR

LOCALIZAÇÃO

SÍMBOLO FUNÇÃO SÍMBOLO

SOMA

MÉDIA

SUBTRAÇÃO

PROPORCIONAL

INTEGRAL

DERIVATIVO

SELETOR DE SINAL ALTO SELETOR DE SINAL BAIXO POLARIZAÇÃO FUNÇÃO TEMPO

FUNÇÃO

MULTIPLICAÇÃO

DIVISÃO

EXTRAÇÃO DE RAIZ QUADRADA EXTRAÇÃO DE RAIZ EXPONENCIAÇÃO FUNÇÃO NÃO LINEAR LIMITE SUPERIOR LIMITE INFERIOR LIMITADOR DE SINAL CONVERSÃO DE SINAL

Σ/x

Σ OU^ +

OU −

Κ OU P

OU I

dtd OU D

x

• :

N

x N f(x)

<

< f(t) n n

SUPRIMENTO OU IMPULSO

---

SINAL PNEUMÁTICO

---

SINAL HIDRÁULICO

SINAL ELETROMAGNÉTICOOU SÔNICO (TRANSMISSÃO GUIADA)***

SINAL BINÁRIO PNEUMÁTICO

SINAL NÃO DEFINIDO

SINAL ELÉTRICO

TUBO CAPILAR SINAL ELETROMAGNÉTICOOU SÔNICO (TRANSMISSÃO NÃOGUIADA)

---

SINAL BINÁRIOELÉTRICO

LIGAÇÃO CONFIGURADAINTERNAMENTE AO (LIGAÇÃO POR SOFTWARE)SISTEMA LIGAÇÃO MECÂNICA

***** As abreviações seguintes são sugeridas para denotar o tipo de alimentação. Essas designações também podem ser aplicadas para alimentação de fluido de purga.

AS - Ar de alimentação IA - Ar de instrumento PA - Ar da planta Opcional ES - Alimentação elétrica GS - Alimentação de gás HS - Alimentação Hidráulica NS - Alimentação de Nitrogênio SS - Alimentação de vapor WS - Alimentação de água

O nível de alimentação pode ser adicionado na linha de alimentação do instrumento, exemplo: AS-100. ou ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA DE 24 VOLTS CONTÍNUA.

****** O símbolo de sinal pneumático aplica-se para qualquer gás de médio sinal. Se um outro gás é usado, este pode ser identificado por uma nota no símbolo do sinal ou de outra maneira.

******* Fenômeno eletromagnético inclui aquecimento, ondas de rádio, radiação nuclear e luz.

Valor Verdadeiro (de uma grandeza) - Valor que caracteriza uma grandeza perfeitamente definida nas condições existentes quando ela é considerada. O valor verdadeiro de uma grandeza é um conceito ideal e não pode ser conhecido exatamente.

Valor Verdadeiro Convencional (de uma grandeza) - Valor de uma grandeza que para um determinado objetivo pode substituir o valor verdadeiro. Um valor verdadeiro convencional é, em geral, considerado como suficientemente próximo do valor verdadeiro para que a diferença seja insignificante para determinado objetivo.

Quanto ao Instrumento de Medir

Instrumento de Medir - Dispositivo destinado a fazer uma medição, sozinho ou em conjunto com outros equipamentos.

Escala - Conjunto ordenado de marcas, associado a qualquer numeração, que faz parte de um dispositivo indicador. Valor de uma Divisão - Diferença entre os valores da escala correspondentes a duas marcas sucessivas. Ajuste (de um instrumento) - (calibração) Operação destinada a fazer com que um instrumento de medir tenha um funcionamento e justeza adequados à sua utilização. Calibração (de um instrumento) - (aferição) Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões. O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicações, como a determinação das correções a serem aplicadas. Quando registrada em um documento, temos um certificado de calibração ou relatório de calibração.

Quanto às Características dos Instrumentos de Medir

Faixa Nominal - (faixa de medida , RANGE ) Conjunto de valores da grandeza medida que pode ser fornecido por um “instrumento de medir”, consideradas todas as suas faixas nominais de escala. A faixa nominal é expressa em unidades da grandeza a medir, qualquer que seja a unidade marcada sobre a escala e é normalmente especificada por seus limites inferior e superior, como por exemplo 100°C a 200°C.

Amplitude da Faixa Nominal - (alcance, SPAN) Módulo da diferença entre os dois limites de uma faixa nominal de um “instrumento de medir”.

Exemplo: faixa nominal: -10 V a 10 V amplitude da faixa nominal: 20 V

URL (Upper Range Limit) - Limite superior da faixa nominal - máximo valor de medida que pode ser ajustado para a indicação de um instrumento de medir.

URV (Upper Range Value) - Valor superior da faixa nominal - máximo valor que pode ser indicado por um instrumento de medir. O URV ajustado num instrumento é sempre menor ou igual ao URL do instrumento.

LRL (Lower Range Limit) - Limite inferior da faixa nominal - mínimo valor de medida que pode ser ajustado para a indicação de um instrumento de medir.

LRV (Lower Range Value) - Valor inferior da faixa nominal - mínimo valor que pode ser indicado por um instrumento de medir. O LRV ajustado num instrumento é sempre maior ou igual ao LRL do instrumento.

Condições de Referência - Condições de utilização de um instrumento de medir prescritas para ensaios de funcionamento ou para assegurar a validade na comparação de resultados de medição. Sensibilidade - Quociente da variação da resposta de um instrumento de medir pela variação correspondente do estímulo. A sensibilidade pode depender do estímulo.

Limiar - Menor variação de um estímulo que provoca uma variação perceptível na resposta de um instrumento de medir. Exemplo: Se a menor variação da carga que provoca um deslocamento perceptível do ponteiro de uma balança é de 90 mg, então o limiar de mobilidade da balança é de 90 mg. Exatidão Podemos definir como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento possa ter ao longo de sua faixa de trabalho. Podemos expressá-la de diversas maneiras:

Em porcentagem do alcance ( Span ) Um instrumento que possui um SPAN de 100ºC e está indicando 80ºC; sua precisão é de 0,5%. Portanto, sabemos que a temperatura estará entre 79,5ºC e 80,5ºC.

Podemos ter também a precisão dada diretamente em unidades da variável. Ex.: Precisão de ± 2ºC.

Histerese - Propriedade de um instrumento de medir pela qual a resposta a um dado estímulo depende da seqüência dos estímulos precedentes. Num instrumento de medir, é o erro máximo apresentado pelo instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre a escala nos sentidos ascendente ou descendente. Ex.: Num instrumento com range de - 50ºC a 100ºC e histerese de ± 0,3%. o erro será de 0,3% de 150ºC = ± 0,45ºC. O termo "zona morta" está incluído na histerese.

curva ideal valor indicado ou sinal de saída

variável medida

ascendente

descendente^ MÁXMÍN

Repetibilidade É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histerese.

curva ideal valor indicado ou sinal de saída

variável medida

ascendente

descendente^ MÁXMÍN

Tempo de Resposta - Intervalo de tempo entre o instante em que um estímulo é submetido a uma variação brusca e o instante em que a resposta alcança seu valor final e nele permanece, dentro de limites especificados.

Quanto aos Padrões

Padrão - Medida materializada, instrumento de medir ou sistema de medição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou vários valores conhecidos de uma grandeza a fim de transmiti-lo por comparação, a outros instrumentos de medir. Exemplos: a) padrão de massa: 1 kg; b) resistência padrão: 100 Ω; c) amperímetro padrão.

Padrão Primário - Padrão que possui as mais altas qualidades metrológicas num campo específico. Esse conceito é válido tanto para unidades de base quanto para unidades derivadas.

Padrão Secundário - Padrão cujo valor é determinado por comparação com um padrão primário.

Padrão Internacional - Padrão reconhecido por um acordo internacional para servir internacionalmente de base no estabelecimento dos valores de todos os demais padrões da grandeza a que se refere.

Padrão Nacional - Padrão reconhecido por uma decisão nacional oficial em país para servir de base no estabelecimento dos valores de todos os demais padrões da grandeza a que se refere.

Sistemas de Unidades

É todo conjunto de unidades das grandezas que intervém no setor de ciência considerado. Existem sistemas de unidades mecânicas, termológicas, ópticas, elétricas, etc.

Cada grandeza física liga-se a outras mediante uma definição ou uma Lei, (exemplo: sistemas CGS, MKS e FPS são base de comprimento, massa e tempo. Sistema MK*S são base de comprimento, força e tempo).

Sistema Internacional MKS (metro, kilograma, segundo)

• Unidades fundamentais comprimento: metro (m) massa: quilograma (kg) tempo: segundo (s)
• Unidades derivadas Velocidade: m/s aceleração: m/s^2 gravidade normal: 9,81 m/s^2 força: kg.m/s^2 trabalho: N.m (Joule) potência: J/s (Watt) pressão: N/m^2 (Pascal)

MTS (metro, tonelada, segundo)

• Unidades fundamentais comprimento: metro (m) massa: tonelada (t) tempo: segundo (s)
• Unidades derivadas