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Instrumentaçã
o Industrial I
INSTRUMENTAÇÃO I
Índice
**1. Introdução à instrumentação.
- Simbologia da Instrumentação.** 2.1 - Norma ISA S5. 1 2.2 - Simbologia 3. Medição de Pressão. 3.1 - Definições Básicas. 3.2 - Princípios, Leis e Teoremas da Física. 3.3 - Definição de Pressão. 3.4 - Técnicas de medição de pressão. 3.5 - Tipos de Manômetro Líquido. 3.6 - Manômetro Padrão. 3.7 - Instrumento de transmissão de sinal. 3.8 - Escolha do tipo de Medidor. 3.9 - Recomendações para uso. 3.10 - Instrumentos para Alarme e Intertravamento. 3.11 - Instrumentos Conversores de Sinais. 4. Medição de nível. 4.1 - Classificação e Tipo de Medidores de Nível. 4.2 - Medidores de Nível por Medição Direta. 4.3 - Medidores de Nível por Medição Indireta. 4.4 - Escolha do tipo de Medidor de Nível. 4.5 - Instrumentos para Alarme e Intertravamento. 5. Medição de Temperatura. 5.1 - Conceito de Temperatura. 5.2 - Escalas de Temperatura. 5.3 - Medidores de Temperatura. 5.4 - Termômetro de Dilatação de Líquido. 5.5 - Termômetro a Dilatação de Sólido.
5.6 - Termômetro a Pressão de Gás.
5.7 - Termômetro à Pressão de Vapor. 5.8 - Termômetro Tipo Bulbo de Resistência. 5.9 - Termômetro tipo Termopar. 5.10 - Termômetros de Contato Indireto. 6 – Fluxograma de Engenharia.
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
Competências:
- Relacionar grandezas e leis da eletricidade com grandezas físicas envolvidas
nos processos de Automação, de forma a produzir sinais elétricos processados pelos Controladores eletrônicos.
- Medir grandezas elétricas empregando equipamentos analógicos e digitais, com a precisão nominal de cada Instrumento.
- Dimensionar e interpretar os limites de atuação dos circuitos eletrônicos empregados no pré-processamento e filtragem dos sinais produzidos pelos sensores.
- Identificar e especificar sensores e transdutores empregados em Automação.
- Projetar e montar Sistemas automáticos de aquisição e transmissão de dados até os Controladores de processo.
Habilidades:
- Identificar os principais sensores de uso extensivo em Automação.
- Relacionar a grandeza física a ser medida com o sinal elétrico produzido.
- Identificar as variáveis de um processo automatizado e relacioná-las com os sinais elétricos produzidos pelos sensores.
- Interpretar os sinais padronizados nas redes de interligação Sensor-Controlador- Atuador.
- Detectar falhas de funcionamento em sensores de uso comum em um processo de produção automatizada.
- Substituir Sensores com defeito.
- Especificar Sensores e Atuadores.
- Localizar componentes equivalentes por meio das especificações técnicas do fabricante.
- Identificar cada segmento físico e fase de um processo de produção industrial automatizado e estabelecer um fluxograma descritivo do processo
- Identificar as variáveis de processo e inter-relações entre elas.
- Relacionar segmentos e fases do processo.
- Identificar pontos de estrangulamentos e tempos mortos do processo a ser automatizado ou para ser otimizado.
1 – INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO
Funções dos Instrumentos:
Instrumentos cegos:
São aqueles que não possuem visores de indicação da variável medida.
Sensores (Elementos primários) :
São dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor.
Indicadores:
Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detector, transmissor, etc.
Transmissores:
Instrumento que tem a função de converter sinais do detector (sensor) em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel. Sente uma variável de processo e gera um sinal padrão eletrônico ou pneumático proporcional ao valor da variável.
Registradores :
Instrumento que registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados pelo detector, transmissor, Controlador etc.
Controladores :
Instrumento que compara o valor medido com o desejado e, baseado na diferença entre eles, emite sinal de correção para a variável manipulada a fim de que essa diferença seja igual a zero.
Conversores:
Instrumento que transforma uma forma de energia em outra. Conversor A/D, D/A ou ainda I/P.
Elementos finais de controle:
Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado, atuando diretamente na variável manipulada. Equipamento que está em contato com o processo, recebendo o sinal do controlador. Normalmente é utilizada uma válvula de controle podendo ser utilizada ainda, uma válvula solenóide, damper, etc.
Alarmes (chaves de processo):
Função que o instrumento tem para a um determinado momento de medição da variável, atuar de forma a alarmar sobre um patamar de medição desfavorável para um controle, podendo acionar um equipamento (ligar ou desligar uma bomba) ou só acionar um alarme visual ou sonoro.
Termos usados em instrumentação:
Faixa de medida (Range):
Faixa ou conjunto de valores da variável medida/controlada que estão
compreendidos dentro dos limites superior e inferior de capacidade de medição.
Alcance (Span):
Diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de
medida (range) do instrumento.
Erro (off-set):
É a diferença entre um valor lido ou transmitido e o valor real da variável
medida.
Set-point:
Ponto em que o controlador é ajustado para controlar o processo.
Precisão:
É a tolerância de medição ou de transmissão do instrumento. Define o
limite dos erros cometidos quando o instrumento é utilizado em condições anormais de operação Pode ser expressa em % do span, unidades da variável medida, % da leitura, % do range, % do comprimento da escala.
Sensibilidade:
Valor mínimo que a variável deve mudar para obter-se uma variação na
indicação ou transmissão, expressa em % do span.
Repetibilidade:
É a capacidade de reprodução da indicação ou transmissão ao se medir,
repetidamente, valores idênticos da variável medida, nas mesmas condições de operação.
Histerese:
Diferença máxima que se observa nos valores indicados pelo
instrumento, para um mesmo valor qualquer da faixa medida, quando a variável percorre toda a faixa de escala tanto no sentido crescente como o decrescente.
Elevação do zero:
É o quanto o valor zero da variável supera o valor inferior da faixa de
medida.
Supressão do zero:
É o quanto o valor inferior da faixa de medida supera o valor zero da
variável.
2.2.1.1 – Vantagem:
A grande e única vantagem em se utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão
(centrais de gás, por exemplo).
2.2.1.2 – Desvantagens: a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. b) Necessitam de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc, para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m. d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. e) Não permite conexão direta aos computadores. 2.2.2 - Tipo Hidráulico: Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas. 2.2.2.1 – Vantagens: a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão. b) Resposta rápida. 2.2.2.2 – Desvantagens: a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca. c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc... 2.2.3 - Tipo elétrico: Esse tipo de transmissão é feito utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Em face de tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias, são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utilizais sinais em tensão contínua de 1 a 5V.
2.2.3.1 – Vantagens:
a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.
b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. c) Não necessita de poucos equipamentos auxiliares. d) Permite fácil conexão aos computadores. e) Fácil instalação. f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. g) Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja “lido” por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas destes instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor.
2.2.3.2 – Desvantagens: a) Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. b) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos. c) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. d) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. 2.2.4 - Tipo Digital: Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor e receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação. 2.2.4.1 – Vantagens:
a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento. b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados.
c) Imune a ruídos externos. d) Permitem configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da
malha. e) Menor custo final.
2.2.4.2 – Desvantagens: a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação
e/ou controle de várias malha. 3.2.5 - Via Rádio: Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à uma estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica. 3.2.5.1 – Vantagens: a) Não necessita de cabos de sinal. b) Podem-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. 3.2.5.2 – Desvantagens: a) Alto custo inicial. b) Necessidade de técnicos altamente especializados.
3.2.6 - Via Modem: A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude. 3.2.6.1 – Vantagens a) Baixo custo de instalação. b) Podem-se transmitir dados a longas distâncias.
O significado precisará ser definido somente uma vez e uma legenda para aquele respectivo projeto. (2) – A letra “não-classificada” X é própria para indicar variáveis que serão usadas uma vez, ou de uso limitado. Se usada, a letra poderá ter qualquer número de significados como “primeira letra” e quaisquer números de significados como “letra subseqüente”. Exceto para seu uso como símbolos específicos, seu significado deverá ser definido for do círculo de identificação no fluxograma. Por exemplo: XR-3 pode ser um “registrador de vibração”, XR-2 pode ser um “registrador de tensão mecânica” e XX4 pode ser um “osciloscópio de tensão mecânica”. (3) – Qualquer primeira letra, se usada em combinação com as letras modificadoras D (diferencial), F (vazão) ou Q (totalização ou integração), ou qualquer combinação, será tratada como uma entidade “primeira letra”. Então, instrumentos TDI e TI medem duas diferentes variáveis, que são: temperatura diferencial e temperatura. (4) – A “primeira letra” A, para análise, cobre todas as análises não listadas na Tabela acima e não cobertas pelas letras “indefinidas”. Cada tipo de análise deverá ser definido fora do seu círculo de indefinição no fluxograma. Símbolos tradicionalmente conhecidos como pH, O 2 , e CO, têm sido usados opcionalmente
em lugar da “primeira letra” A. Esta prática pode causar confusão particularmente quando as designações são datilografadas por máquinas que usam somente letras
maiúsculas. (5) – O uso da “primeira letra” U para multivariáveis em lugar de uma combinação
de “primeira letra” é opcional. (6) – O uso dos termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário e
varredura ou seleção é preferido, porém opcional. (7) – O termo “segurança” se aplicará somente para elementos primários de
proteção de emergência e elementos finais de controle de proteção de emergência. Então, uma válvula auto-operada que previne a operação de um
sistema acima da pressão desejada, aliviada a pressão do sistema, será uma PVC, mesmo que a válvula não opere continuamente. Entretanto esta válvula será uma PSV se seu uso for para proteger o sistema contra condições de emergência, isto é, condições que colocam em risco o pessoal ou equipamento, e que não se espera acontecer normalmente. A designação PSV aplica-se para todas as válvulas que são utilizadas para proteger contra condições de emergência em termos de pressão, não importando se a construção e o modo de operação da válvula enquadram-se como válvula de segurança, válvula de alívio ou válvula de segurança e alívio. (8) – A função passiva “visor” aplica-se a instrumentos que dão uma visão direta e não calibrada do processo. (9) – O Termo “indicador” é aplicável somente quando houver medição de uma variável. Um ajuste manual, mesmo que tenha uma escala associada, porém desprovido de medição de fato, não deve ser designado “indicador”. (10) – Uma “lâmpada-piloto” que é a parte de uma malha de instrumentos deve ser designada por uma “primeira letra” seguida pela “letra subseqüente”. Entretanto, se é desejado identificar uma “lâmpada-piloto” que não é parte de uma malha de instrumentos, a “lâmpada-piloto” pode ser designada da mesma maneira ou alternadamente por uma simples letra L. Por exemplo: a lâmpada que indica a operação de um motor elétrico pode ser designada com EL, assumindo que a tensão é a variável medida ou XL assumindo a lâmpada é atuada por contatos elétricos auxiliares do sistema de partida do motor, ou ainda simplesmente L. A ação de uma “lâmpada-piloto” pode ser acompanhada por um sinal audível.
(11) – O uso da “letra subseqüente” U para multifunção em lugar de uma
combinação de outras letras funcionais é opcional. (12) – Um dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos pode ser, dependendo das aplicações, uma chave, um relé, um controlador de duas posições, ou uma válvula de controle. Se o dispositivo manipula uma corrente fluida de processo e não é uma válvula de bloqueio comum atuada manualmente, deve ser designada como uma válvula de controle. Para todas as outras aplicações, o equipamento é designado como: a) Uma chave, quando é atuado manualmente; b) Uma chave ou um controlador de duas posições, se é automático e se é atuado pela variável medida. O termo chave é geralmente atribuído ao dispositivo que é usado para atuar um circuito de alarme, lâmpada-piloto, seleção, intertravamento ou segurança. O termo controlador é geralmente atribuído ao equipamento que é usado para operação de controle normal; c) Um relé se é automático e não atuado pela variável medida, isto é, ele é atuado por uma chave ou por um controlador de duas posições. (13) – Sempre que necessário, as funções associadas, como o uso da “letra subseqüente” Y, devem ser definidas fora do círculo de identificação. Não é necessário esse procedimento, quando a função é por si só evidente, tal como no caso de uma válvula solenóide. (14) – O uso dos termos modificadores, “alto”, “baixo”, “médio” ou “intermediário”, deve corresponder a valores das variáveis medidas e não dos sinais, a menos que de outra maneira seja especificado. Por exemplo: um alarme de nível alto derivado de um transmissor de nível de ação reversa é um LAH, embora o alarme seja atuado quando o sinal alcança um determinado valor baixo. Os termos podem ser usados em combinações apropriadas. (15) – O termo “alto” e “baixo”, quando aplicados para designar a posição de válvulas, é definido, como: Alto: denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente aberta; Baixo: que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente fechada.
4.4 – A NORMA ISA S 5.1:
4.4.1 – CÓDIGO DE IDENTIFIÇÃO DE INSRUMENTOS
Esta norma considera que cada instrumento ou função programada será identificado por um conjunto de letras e um conjunto de algarismos. Exemplo:
PIT-1222-103-A
A primeira letra do conjunto de letras indica a variável medida/controlada e as letras subsequentes indicam a função que o instrumento desempenha na malha de controle. O primeiro conjunto de algarismos, indica a área/fábrica e o segundo indica a malha à qual o instrumento ou a função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo.
IDENTIFICAÇÃO DO INSTRUMENTO
Elementos do Diagrama Funcional
Válvulas de Controle e Manuais
4.4.3 – Balões do Instrumento:
O instrumento completo é simbolizado por um pequeno balão circular, com diâmetro aproximado de 12 mm. Porém, os avanços nos sistemas de controle com instrumentação aplicando microprocessador, computador digital, que permitem funções compartilhadas em um único instrumento e que utilizam ligações por programação ou por elo de comunicação, fizeram surgir outros símbolos de instrumentos e de interligações.
Notas:
a) – satisfeitas as exigências gerais de desenho quanto à clareza e legibilidade, os símbolos de instrumentos ou função programada podem ser desenhados seguindo qualquer orientação. b) – de maneira similar, as linhas de sinal podem ser desenhadas em um diagrama entrando ou saindo da parte apropriada do símbolo, utilizando qualquer ângulo. c) – os blocos funcionais e os números de TAG devem ser sempre desenhados seguindo a horizontal.
d) – devem ser adicionadas setas direcionais às linhas de sinal, quando necessário, para esclarecer a direção do fluxo de informação. O uso criterioso destas setas, especialmente em desenhos complexos, frequentemente facilitará o entendimento.
Exemplos de simbologia:
Medidor de linha tipo Rotâmetro
Registrador montado no painel e transmissor local com transmissão pneumática
Registrador de pressão montado em painel
Indicador de temperatura montado em painel e com transmissão elétrica
Transmissor de vazão
Controlador e registrador de vazão montado em painel comandando válvula de controle, com transmissão pneumática.
Alarme de pressão alta com montagem local
Válvula de temperatura auto-operada
5 - VARIÁVEL PRESSÃO:
5.1 – INTRODUÇÃO:
Como foi dito anteriormente, a Instrumentação é a ciência que se ocupa em desenvolver e aplicar técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos, otimizando a eficiência dos mesmos. Nestas técnicas, são utilizados conhecimentos físicos e ou físico-químicos, e tecnologias que oferecem a possibilidade de medir as variáveis de processo. A variável Pressão é uma destas possibilidades de, utilizando tais tecnologias e baseada em fenômenos físico-químicos, fazer-se medir e controlar num processo industrial, e ainda por ser baseada em seus estudos que, outras variáveis tais como nível e vazão, também sejam medidas e controladas por seus princípios. Para o seu estudo, alguns conceitos da física e química serão utilizados. Apenas como guia para um estudo mais apurado, aí vão alguns destes conhecimentos necessários:
Definições de sólido, líquido, gases, fluido, massa específica, densidade relativa,
peso específico e gravidade específica.
5.2 – TEOREMA DE STEVIN:
Relaciona as pressões estáticas exercidas por um fluido em repouso com a altura da coluna líquida do mesmo em um determinado recipiente. Enunciado: “A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença de cota entre estes dois pontos”.
Neste caso:
P 2 – P 1 = DP =^ δ^. (h 2 -h 1 )
5.3 – TEOREMA DE PASCAL:
A pressão exercida em qualquer ponto de um líquido em forma estática se transmite integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais. Devido os fluidos ser incompreensíveis, a força mecânica desenvolvida em um fluido sob pressão pode ser transmitida.
Interpretação da figura: Um peso de 10 N desloca o fluido em uma altura h 1 na área de secção A 1 = 2cm^2.
Pelo Teorema de Pascal, este mesmo fluido “empurra” o êmbulo de peso 50 N na secção de área A 2 = 10 cm^2 em uma altura h 2.
Pela definição da variável pressão, temos:
Enquanto que. Como se vê, as pressões P 1 e P 2 têm o mesmo valor de. Fazendo P 1 = P^2 → Da mesma forma, em termos de volume deslocado, temos:
E. Assim, como V 1 = V 2 , podemos dispor que:
A 1 X h 1 = A 2 X h (^2)
Tabela de conversão de unidades de Pressão.
5.5 – Técnicas de medição de Pressão:
5.5.1 – Medição Direta:
São dispositivos onde a pressão é medida, comparando-a com a pressão exercida pela coluna de líquido de densidade e altura conhecidas. 5.5.1.1 – Tubo em “U”:
De construção e medição simples, é composto de um tubo transparente de vidro em forma de “U” graduado em milímetros a partir de seu ponto médio e preenchido com um líquido de densidade conhecida como a água (γ = 1gf/cm^2 ).
5.5.1.2 – Tubo Inclinado:
Um tubo de diâmetro “d” é inclinado com um ângulo “α” de maneira a obter-se um grande deslocamento do líquido no tubo inclinado, mesmo no caso de medir pressões muito baixas, da ordem de 0,02 mm de H 2 O. É necessário se manter o manômetro em posição perfeitamente nivelada e sem influência de vibrações.
O cálculo da pressão é dado da seguinte forma:
A equação mostra que para uma determinada pressão, quanto menor for o ângulo F 0 6 1 maior será o deslocamento do líquido no tubo inclinado, pois o valor de sen
F 0 6 1 será tanto menor quanto menor for o ângulo F 06 1.
5.5.2 – Elementos mecânicos elásticos de medição de Pressão:
5.5.2.1 – Lei de Hooke:
Estes dispositivos são baseados no princípio da Lei de Hooke: “Dentro de um
limite definido de elasticidade, a deformação provocada em um corpo sólido é proporcional ao esforço aplicado sobre ele”.
5.5.2.2 – Elemento de Recepção :
Aquele que recebe a pressão a ser medida e a transforma em deslocamento ou força. (Ex: Bourbon, fole, diafragma).
5.5.2.3 – Elemento de Transferência:
Aquele que amplia o deslocamento ou a força do elemento de recepção ou que transforma o mesmo em um sinal único de transmissão do tipo elétrico ou pneumático, que é enviado ao elemento de indicação. (Ex: links mecânicos, relé piloto, amplificadores operacionais.).
5.5.2.4 – Elemento de Indicação:
Aquele que recebe o sinal de transferência e indica ou registra a pressão medida. (Ex: ponteiros, display).
5.5.2.5 – Diafragmas:
São considerados elementos primários de medição e podem ser classificados como metálicos e não-metálicos. Como uma vantagem dos medidores tipo diafragma, é que eles também funcionam como separador do fluido a ser medido. Metálicos: a pressão é medida pela deformação ou deflexão do metal. Consiste de uma lâmina de metal corrugado, onde o número de corrugações, diâmetro da concha, espessura do material utilizado, determinam que uma deflexão seja a mais linear possível com a pressão.
Não-metálicos: movem-se atuando em oposição a uma mola, podendo assim, medir pressões positivas e também o vácuo.
Medidor de pressão utilizando diafragma não metálico
5.5.2.6 – Foles:
Os foles são elementos que sofrem expansão e retração quando submetidos a pressões, sendo o movimento resultante utilizado para medir, indicar, controlar pressão. Os foles são geralmente confeccionados através de estrangulamentos axiais sucessivos, aplicados em um tubo metálico de parede fina e sem costura. Os materiais mais utilizados na confecção de foles são: latão, bronze-fósforo, cobre-berílio, monel e aço inoxidável. A escolha do material é feita considerando- se a pressão a ser medida ou controlada e as condições de corrosão a que o fole estará exposto. Modelo de medidor tipo Fole.
Para uma maior vida útil do elemento, é comum o uso de uma mola em oposição ao movimento do fole, para se evitar um maior desgaste do mesmo.
