84
Instrumentação Industrial Volta Redonda - RJ 2004

Apostila de-instrumentacao-industrial

  • Upload
    tabvlae

  • View
    12.895

  • Download
    3

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Apostila de-instrumentacao-industrial

Instrumentação Industrial

Volta Redonda - RJ

2004

Page 2: Apostila de-instrumentacao-industrial

2

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL ................................................................. 2

2. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DOS INSTRUMENTOS........................................................23

3. CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DOS INSTRUMENTOS........................................................28

4. CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS...........................................................................................31

5. GRANDEZAS BASE E PADRÕES ASSOCIADOS.....................................................................32

6. MEDIDAS DE PRESSÃO.............................................................................................................34

7. MEDIDAS DE VAZÃO..................................................................................................................45

Page 3: Apostila de-instrumentacao-industrial

3

1 – INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO

INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de

instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas

em equipamentos nos processos industriais.

Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel,

etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo

com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto

desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo

são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis

de um processo.

1.2 - Classificação de Instrumentos de Medição

Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais

Podemos classificar os instrumentos de medição por:

função

sinal transmitido ou suprimento

tipo de sinal

1.2.1 - Classificação por Função

Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si

para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses

instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função

(vide figura 1). Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados

por função cuja descrição sucinta pode ser verificada na tabela 1.

Page 4: Apostila de-instrumentacao-industrial

4

Figura 1 - Classificação por função de instrumentos que compõe uma malha de instrumentação.

INSTRUMENTAÇÃO

DEFINIÇÃO

Detetor

São dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor.

Transmissor

Instrumento que tem a função de converter sinais do detetor em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel.

Indicador

Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detetor, transmissor, etc.

Registrador

Instrumento que registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados pelo detetor, transmissor, Controlador etc.

Conversor

Instrumento cuja função é a de receber uma informação na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como um sinal de saída proporcional ao de entrada.

Unidade Aritmética

Instrumento que realiza operações nos sinais de valores de entrada de acordo com uma determinada expressão e fornece uma saída resultante da operação.

Page 5: Apostila de-instrumentacao-industrial

5

Integrador

Instrumento que indica o valor obtido pela integração de quantidades medidas sobre o tempo.

Controlador

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.

Elemento Final de Controle

Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado.

Tabela 1 – Classificação dos instrumentos por função.

1.2.2 - Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento

Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu

suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.

1.2.2.1 - Tipo pneumático

Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que

se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente

manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a

variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de

transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizados é de 0,2 a 1,0

kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês).

Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero

para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. O gás

mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e

em casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS).

Vantagem

Page 6: Apostila de-instrumentacao-industrial

6

A grande e única vantagem em seu 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).

Desvantagens

a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e

funcionamento.

b) Necessita 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.

1.2.2.2 - 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.

Vantagens

a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e

dimensão.

b) Resposta rápida.

Desvantagens

Page 7: Apostila de-instrumentacao-industrial

7

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...

1.2.2.3 - Tipo elétrico

Esse tipo de transmissão é feito utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Em

face da 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 20mA) e para distâncias até 15 metros

aproximadamente, também utiliza-se sinais em tensão contínua de 1 a 5V.

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 deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante

do transmissor.

Page 8: Apostila de-instrumentacao-industrial

8

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.

1.2.2.4 - 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 receptor seja realizada com êxito é utilizada

uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação.

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) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha.

e) Menor custo final.

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.

1.2.2.5 - Via Rádio

Page 9: Apostila de-instrumentacao-industrial

9

Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação

receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.

Vantagens

a) Não necessita de cabos de sinal.

b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.

Desvantagens

a) Alto custo inicial.

b) Necessidade de técnicos altamente especializados.

1.2.2.6 - Via Modem

A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela

modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude.

Vantagens

a) Baixo custo de instalação.

b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias.

Desvantagens

a) Necessita de profissionais especializados.

b) baixa velocidade na transmissão de dados.

c) sujeito as interferências externas, inclusive violação de informações.

Page 10: Apostila de-instrumentacao-industrial

10

1.3 - Simbologia de Instrumentação

Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para

representar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhas

de instrumentação, normas foram criadas em diversos países. No Brasil Associação

Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR 8190 apresenta e

sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e

suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. No entanto, como é dada a

liberdade para cada empresa estabelecer/escolher a norma a ser seguida na

elaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação outras são

utilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais

utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrumentation

Society of America).

A seguir serão apresentadas as normas ABNT e ISA, de forma resumida, e que serão

utilizadas ao longo dos nossos trabalhos.

1.3.1 – Finalidades

1.3.1.1 - Informações Gerais:

As necessidades de procedimentos de vários usuários são diferentes. A norma

reconhece essas necessidades quando estão de acordo com os objetivos e fornece

métodos alternativos de simbologia. Vários exemplos são indicados para adicionar

informações ou simplificar a simbologia. Os símbolos dos equipamentos de processo

não fazem parte desta norma, porém são incluídos apenas para ilustrar as aplicações

dos símbolos da instrumentação.

1.3.1.2 - Aplicação na Indústria

A norma é adequada para uso em indústrias químicas, de petróleo, de geração de

energia, refrigeração, mineração, refinação de metal, papel e celulose e muitas outras.

Page 11: Apostila de-instrumentacao-industrial

11

Algumas áreas, tal como astronomia, navegação e medicina usam instrumentos tão

especializados que são diferentes dos convencionais. Não houve esforços para que a

norma atendesse às necessidades dessas áreas. Entretanto, espera-se que a mesma

seja flexível suficientemente para resolver grande parte desse problema.

1.3.1.3 - Aplicação nas atividades de trabalho

A norma é adequada para uso sempre que qualquer referência a um instrumento ou a

uma função de um sistema de controle for necessária com o objetivo de simbolizar a

identificação. Tais referências podem ser aplicadas para as seguintes utilizações (assim

como outras):

Projetos;

exemplos didáticos;

material técnico - papeis, literatura e discussões;

diagramas de sistema de instrumentação, diagramas de malha, diagramas

lógicos;

descrições funcionais;

diagrama de fluxo: processo, mecânico, engenharia, sistemas, tubulação

(processo);

e desenhos/projetos de construção de instrumentação;

Especificações, ordens de compra, manifestações e outras listas;

Identificação de instrumentos (nomes) e funções de controle;

Instalação, instruções de operação e manutenção, desenhos e registros.

A norma destina-se a fornecer informações suficientes a fim de permitir que qualquer

pessoa, ao revisar qualquer documento sobre medição e controle de processo, possa

entender as maneiras de medir e controlar o processo (desde que possua certo

conhecimento do assunto). Não constitui pré-requisito para esse entendimento um

conhecimento profundo/detalhado de um especialista em instrumentação.

Page 12: Apostila de-instrumentacao-industrial

12

1.3.2 - Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190)

1.3.2.1 - Tipos de Conexões

1) Conexão do processo, ligação mecânica ou suprimento ao instrumento.

2) Sinal pneumático ou sinal indefinido para diagramas de processo.

3) Sinal elétrico.

4) Tubo capilar (sistema cheio).

5) Sinal hidráulico.

6) Sinal eletromagnético ou sônico (sem fios).

1.3.2.2 - Código de Identificação de Instrumentos

Cada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifique

funcionalmente (Tabela 2).

Como exemplo, uma identificação representativa é a seguinte:

Page 13: Apostila de-instrumentacao-industrial

13

Tabela 2 – Significado dos códigos de identificação de instrumentos.

Page 14: Apostila de-instrumentacao-industrial

14

Obs 1 : Multifunção significa que o instrumento é capaz de exercer mais de uma função.

Obs 2 : Os números entre parênteses se referem às notas relativas descritas a seguir.

Notas Relativas

1) As letras “indefinidas” são próprias para indicação de variáveis não listadas que

podem ser repetidas em um projeto particular. Se usada, a letra deverá ter um

significado como “primeira - letra” e outro significado como “letra - subsequente”. O

significado precisará ser definido somente uma vez e uma legenda para aquele

respectivo projeto. Por exemplo: a letra N pode ser definida como Módulo de

Elasticidade na “primeira - letra” e na “letra subsequente”.

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 qualquer número de significados como “letra -

subsequente”. Exceto para seu uso como símbolos específicos, seu significado

deverá ser definido fora 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 (razão) 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 1

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, O2, e CO, têm sido usados opcionalmente em lugar da

“primeira - letra” A.

Page 15: Apostila de-instrumentacao-industrial

15

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, aliviando a pressão do sistema, será uma PCV, 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 e o equipamento, ou ambos e que não se esperam 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 subsequente”. 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

Page 16: Apostila de-instrumentacao-industrial

16

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 - subsequente” 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 - subsequente”

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

Page 17: Apostila de-instrumentacao-industrial

17

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) Os termos “alto” e “baixo”, quando aplicados para designar a posição de válvulas,

são definidos como:

alto - denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente aberta;

baixo - denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente

fechada.

1.3.2.3 - Simbologia de Identificação de Instrumentos de Campo e Painel

Page 18: Apostila de-instrumentacao-industrial

18

1.3..2.4 - Instrumentação de Vazão

1.3.2.5 - Válvula de Controle

1.3.2.6 - Alguns Arranjos Típicos de Instrumentos

Vazão

Page 19: Apostila de-instrumentacao-industrial

19

Pressão

Page 20: Apostila de-instrumentacao-industrial

20

Page 21: Apostila de-instrumentacao-industrial

21

Temperatura

Page 22: Apostila de-instrumentacao-industrial

22

Nível

Page 23: Apostila de-instrumentacao-industrial

23

1.3.3 - Simbologia Conforme Norma ISA

1.3.3.1 - Aplicação para Classes e Funções de Instrumentos

As simbologias e o método de identificação desta norma são aplicáveis para toda

classe de processo de medição e instrumentação de controle. Podem ser utilizados não

somente para identificar instrumentos discretos e suas funções, mas também para

identificar funções analógicas de sistemas que são denominados de várias formas

como “Shared Display” (display compartilhado), “Shared Control” (controle

compartilhado), “Distribuided Control” (controle distribuído) e “Computer Control”

(controle por computador).

1.3.3.2 - Conteúdo da Identificação da Função

A norma é composta de uma chave de funções de instrumentos para sua identificação

e simbologia. Detalhes adicionais dos instrumentos são melhores descritos em uma

Page 24: Apostila de-instrumentacao-industrial

24

especificação apropriada, folha de dados, ou outro documento utilizado que esses

detalhes requerem.

1.3.3.3 - Conteúdo de Identificação da Malha

A norma abrange a identificação de um instrumento e todos outros instrumentos ou

funções de controle associados a essa malha. O uso é livre para aplicação de

identificação adicional. tais como, número de serie, número da unidade, número da

área, ou outros significados.

Tabela 3 – Significado dos códigos de identificação de instrumentos (NORMA ISA)

Page 25: Apostila de-instrumentacao-industrial

25

As diferenças básicas entre a tabela da ABNT (tabela 2) e a tabela da norma ISA

(tabela 3) são :

A letra “C” na tabela ABNT indica condutividade elétrica (como primeira letra) para a

norma ABNT e controlador para segunda letra; na norma ISA a primeira letra é

definida pelo usuário;

A letra “D” na tabela ABNT indica densidade ou massa específica (como primeira

letra) e a letra modificadora significa diferencial; já para a norma ISA, a primeira letra

é de escolha do usuário, mantendo-se a letra modificadora como diferencial;

A letra “G” significa medida dimensional para a norma ABNT e é de escolha do

usuário para a norma ISA;

A letra “M” significa umidade para a norma ABNT e é de escolha do usuário para a

norma ISA e a letra modificadora significa momentâneo;

A letra “V” significa viscosidade para a norma ABNT na primeira letra e vibração ou

análise mecânica para a norma ISA.

1.3.3.4 - Símbolos de Linha de Instrumentos

Todas as linhas são apropriadas em relação às linhas do processo de tubulação:

Page 26: Apostila de-instrumentacao-industrial

26

1.3.3.5 - Símbolos opcionais binários (ON - OFF)

Nota: “OU” significa escolha do usuário. Recomenda-se coerência.

São sugeridas as seguintes abreviaturas para denotar os tipos de alimentação.

Essas designações podem ser também aplicadas para suprimento de fluidos.

AS - suprimento de ar

IA - ar do instrumento

PA - ar da planta

ES - alimentação elétrica

GS - alimentação de gás

HS - suprimento hidráulico

NS - suprimento de nitrogênio

SS - suprimento de vapor

WS - suprimento de água

* O valor do suprimento pode ser adicionado à linha de suprimento do instrumento;

exemplo: AS-100, suprimento de ar 100-psi; ES-24DC; alimentação elétrica de 24VDC.

** O símbolo do sinal pneumático se aplica para utilização de sinal, usando qualquer

gás.

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

Page 27: Apostila de-instrumentacao-industrial

27

1.3.3.6 - Símbolos Gerais de Instrumentos ou de Funções

Tabela 3 – Símbolos gerais para instrumentos ou funções, norma ISA.

Page 28: Apostila de-instrumentacao-industrial

28

* O tamanho do símbolo pode variar de acordo com a necessidade do usuário e do tipo

do documento. Sugerimos acima um tamanho de quadrado e círculo para diagramas

grandes.

Recomenda-se coerência.

** As abreviaturas da escolha do usuário, tal como IPI (painel do instrumento n.º 1, IC2

(console do instrumento n.º 2). CC3 (console do computador n.º 3) etc... podem ser

usados quando for necessário especificar a localização do instrumento ou da função.

*** Normalmente, os dispositivos de funções inacessíveis ou que se encontram na parte

traseira do painel podem ser demonstrados através dos mesmos símbolos porém, com

linhas horizontais usando-se os pontilhados.

**** Não é obrigado mostrar um alojamento comum.

***** O desenho (losango) apresenta metade do tamanho de um losango grande.

****** Veja ANSI/ISA padrão S5.2 para símbolos lógicos específicos.

Page 29: Apostila de-instrumentacao-industrial

29

2.0 – CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DOS INSTRUMENTOS

2.1 - Exatidão (Accuracy)

É a aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor

verdadeiro convencional. A exatidão é um conceito qualitativo e normalmente é dada

como um valor percentual do fundo de escala do instrumento.

Ex.: Um voltímetro com fundo de escala 10V e exatidão ±1%. O erro máximo esperado

é de 0,1 V. Isto quer dizer que se o instrumento mede 1V, o possível erro é de 10%

deste valor (0,1V). Por esta razão é uma regra importante escolher instrumentos com

uma faixa apropriada para os valores a serem medidos.

Obs.: O Termo precisão não deve ser utilizado como sinônimo de exatidão.

2.2 - Classe de Exatidão

É a classe de instrumentos de medição que satisfazem a certas exigências

metrológicas destinadas a conservar os erro dentro de limites especificados.

Ex.: Seja o caso dos TPs e dos TCs . A escolha da classe de exatidão dependerá da

aplicação do equipamento, que deverão possuir classe de exatidão igual ou superior.

As aplicações mais comuns são as seguintes:

Page 30: Apostila de-instrumentacao-industrial

30

Tabela 4 – Classe de Exatidão de instrumentos de medidas.

2.3 – Precisão

A precisão é um termo que descreve o grau de liberdade a erros aleatórios, ou seja, ao

nível de espalhamento de várias leituras em um mesmo ponto. A precisão é

freqüentemente confundida com a exatidão. Um aparelho preciso não implica que seja

exato. Uma baixa exatidão em instrumentos precisos decorre normalmente de um

desvio ou tendência (bias) nas medidas, o que poderá ser corrigido por uma nova

calibração.

As figuras a seguir ilustram as características de exatidão e precisão de um instrumento

ou equipamento.

Page 31: Apostila de-instrumentacao-industrial

31

Os graus de repetitividade e de reprodutibilidade são maneiras alternativas de se

expressar a precisão. Embora estes termos signifiquem praticamente a mesma coisa,

eles são aplicados a contextos diferentes.

A repetitividade (mesmas condições) descreve o grau de concordância entre os

resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as

mesmas condições de medição. Estas condições são denominadas condições de

repetitividade e incluem o mesmo procedimento de medição, mesmo observador,

mesmo instrumento de medição utilizado nas mesmas condições, mesmo local e

repetição em curto período de tempo.

A reprodutibilidade expressa o grau de concordância entre os resultados das

medições de um mesmo mensurando, efetuadas sob condições variadas de medição.

Para que uma expressão de reprodutibilidade seja válida, é necessário que sejam

especificadas as condições alteradas, que podem incluir o princípio de medição,

Page 32: Apostila de-instrumentacao-industrial

32

método de medição, observador, instrumento de medição, padrão de referência, local,

condições de utilização e condições climáticas.

2.4 – Incerteza

A incerteza é um parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza

a dispersão dos valores que podem ser fundamentalmente atribuídos a um

mensurando. Este parâmetro pode ser, por exemplo, um desvio padrão (ou múltiplo

dele), ou a metade de um intervalo correspondente a um nível de confiança

estabelecido. Em geral, compreende muitos componentes, incluindo aqueles

resultantes dos efeitos sistemáticos, como os associados com correções, distribuições,

desvios padrões, assumidos com base na experiência ou em outras informações, que

contribuem para a dispersão.

2.5 – Tolerância

A tolerância é um termo muito próximo à exatidão e define o erro máximo que é

esperado em um determinado valor. Embora não seja uma característica estática de

instrumentos, é aqui mencionado porque a exatidão de alguns instrumentos é

especificada em termos de tolerância. Quando aplicado corretamente, a tolerância de

um componente manufaturado descreve o máximo desvio de um valor especificado. Por

exemplo, um resistor escolhido aleatoriamente com valor nominal 1000 ohms, de

tolerância 5%, pode ter seu valor real entre 950 Ohms e 1050 Ohms.

2.6 - Tendência de um instrumento (bias)

A tendência de um instrumento é um erro sistemático da indicação de um instrumento

que ocorre em toda a sua faixa de indicação. A tendência é normalmente estimada pela

média dos erros de indicação de um número apropriado de medições repetidas e

poderão ser removidas através de nova calibração ou simplesmente um ajuste de zero.

Page 33: Apostila de-instrumentacao-industrial

33

2.7 – Discrição

É aptidão de um instrumento em não alterar o valor do mensurando.

2.8 - Linearidade e a não - linearidade

A linearidade é uma característica normalmente desejável onde a leitura de um

instrumento é linearmente proporcional à grandeza sendo medida. O gráfico a seguir

mostra a relação entre uma grandeza e o resultado de medições. Nesta figura pode-se

observar um certo grau de linearidade que pode ser notado mesmo visualmente. No

entanto, utilizar-se-á métodos estatísticos, tais como um coeficiente de correlação, para

saber o quão a curva mostrada se aproxima de uma reta.

A não – linearidade , por sua vez, é definida como o máximo desvio de qualquer uma

das leituras com relação à reta obtida, e é normalmente expressa como uma

percentagem do fundo de escala.

2.7 - Sensibilidade do instrumento

A sensibilidade é definida como a resposta de um instrumento de medição dividida pela

correspondente variação no estímulo. A sensibilidade pode depender do valor do

Page 34: Apostila de-instrumentacao-industrial

34

estímulo. Sendo assim, a sensibilidade pode ser contabilizada como a inclinação da

reta que define a relação entre a leitura e a grandeza medida.

Ex.: A pressão de 2 bar produz uma deflexão de 10 graus em um transdutor de

pressão, a sensibilidade do instrumento é 5 graus/bar, desde que a deflexão seja zero

quando aplica-se zero bar.

2.8 - Sensibilidade a Distúrbios

Todas as calibrações e especificações de um instrumento são válidos somente sob

condições controladas de temperatura, pressão, etc. Estas condições ambientais

padrão são usualmente definidas na especificação do instrumento. Em função da

variação das condições ambientais, certas características estáticas dos instrumentos

podem se alterar lentamente. Sendo assim, a sensibilidade a distúrbios é uma medida

da extensão destas alterações. Tais variações de condições ambientais podem afetar

os instrumentos de duas maneiras, conhecidas como deriva (drift) de zero e deriva de

sensibilidade.

A Deriva de Zero descreve o efeito de como a leitura de zero de um instrumento é

modificada pela alteração nas condições ambientais. Em um voltímetro, por exemplo, a

deriva de zero relacionada à variações de temperatura é dada em Volts/oC. Se o zero

deste voltímetro é modificado em funções de outras condições ambientais, outros

coeficientes deverão ser determinados.

A Deriva de Sensibilidade ou deriva do fator de escala define o quão a sensibilidade

de um instrumento varia em função das condições ambientais. As figuras a seguir

exemplificam a existência de deriva de zero, deriva de sensibilidade, e o caso onde

ambas acontecem, respectivamente.

Page 35: Apostila de-instrumentacao-industrial

35

Page 36: Apostila de-instrumentacao-industrial

36

Exercício

Uma balança de mola é calibrada em um ambiente à temperatura de 20 0C com as

seguintes características deflexão/carga:

Quando usado em um ambiente à temperatura de 30 0C, obtém-se as seguintes

características deflexão/carga:

Determine a deriva de zero e de sensibilidade por 0C.

Solução

A 20 0C - sensibilidade 20 mm/kg; A 30 0C - sensibilidade 22 mm/kg

Tendência (bias) = 5 mm (deflexão a carga zero); Sensibilidade = 2 mm/kg

Deriva de zero / 0C = 5 / 10 = 0,5 mm/ 0C; Deriva de sensibilidade / 0C = 2 / 10

= 0,2 (mm/kg)/ 0C.

2.9 - Faixa de indicação e amplitude

A faixa de indicação ou alcance (range) é o conjunto de valores limitados pelas

indicações extremas, ou seja, entre os valores máximos e mínimos possíveis de serem

medidos com determinado instrumento.

Ex.: Um termômetro pode ter um range de 0 a 100 0C.

Page 37: Apostila de-instrumentacao-industrial

37

Por outro lado, a diferença entre o maior e o menor valor de uma escala de um

instrumento é denominado amplitude da faixa nominal (span) ou varredura.

Ex.: Um instrumento capaz de reagir entre 20 e 200 psi tem um span de 180 psi.

2.10 – Resolução

É a menor diferença entre indicações de um dispositivo mostrador que pode ser

significativamente percebida. Para um dispositivo mostrador digital, é a variação na

indicação quando o dígito menos significativo varia de uma unidade. Este conceito

também se aplica a um dispositivo registrador.

2.11 - Zona morta

É o Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos, sem

produzir variação na resposta de um instrumento de medição. A zona morta pode

depender da taxa de variação e pode, muitas vezes, ser deliberadamente ampliada, de

modo a prevenir variações na resposta para pequenas variações no estímulo.

3.0 – CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DOS INSTRUMENTOS

As características estáticas dos instrumentos se referem somente a medidas em regime

permanente. As características dinâmicas, no entanto, descrevem o seu

comportamento durante o intervalo de tempo em que a grandeza medida varia até o

momento em que o seu valor medido é apresentado. Como nas características

estáticas, as características dinâmicas se aplicam somente

quando os instrumentos são utilizados sob condições ambientais especificadas. Fora

destas condições de calibração pode-se esperar alterações nestas características

dinâmicas. Qualquer sistema de medida linear e invariante no tempo respeita a

seguinte relação entre entrada (qi) e saída (q0) em um tempo t maior que zero.

Page 38: Apostila de-instrumentacao-industrial

38

Se for considerado que a grandeza a ser medida permanece constante durante o tempo

de leitura, então esta equação fica simplificada, podendo ser chamada EQUAÇÃO

DINÂMICA.

Simplificações adicionais podem ser consideradas quando esta equação é aplicada a

classes típicas de instrumentos.

3.1 - Instrumento de ordem zero

A menos de a0, todos os outros coeficientes da equação dinâmica são iguais a zero.

Onde K é uma constante conhecida como sensibilidade do instrumento, definida

anteriormente. Qualquer instrumento que se comporte segundo esta equação é dito ser

de ordem zero. Como exemplo, pode-se citar um potenciômetro usado para medir

movimento; a tensão de saída muda instantaneamente tão logo a haste do

potenciômetro se movimente ao longo de seu curso. Em geral os instrumentos de

ordem zero são formados por elementos com características dissipativas, ou seja, são

elementos passivos, elétricos ou mecânicos, que não possuem capacidade de

armazenamento de energia.

Page 39: Apostila de-instrumentacao-industrial

39

3.2 - Instrumento de primeira ordem

A menos de a0 e a1, todos os outros coeficientes da equação dinâmica são iguais a

zero.

Se “d/dt” for substituído pelo operador “D”, tem-se:

Definindo-se K = b0/a0 como sendo a sensibilidade estática e t = a1/a0 como a

constante de tempo do sistema, tem-se:

Resolvendo-se analiticamente esta equação, a saída q0 em resposta a um degrau na

entrada qi varia de maneira aproximada à figura a seguir. A constante de tempo t da

resposta ao degrau é o tempo tomado quando a saída atinge 63% do seu valor final.

Page 40: Apostila de-instrumentacao-industrial

40

O termopar é um bom exemplo de instrumento de primeira ordem. Se um termopar à

temperatura ambiente for colocado em água fervente, a tensão de saída não irá

instantaneamente para o nível de 100oC, mas irá gradativamente conforme mostrado

na figura anterior até atingir o seu valor definitivo. Um grande número de instrumentos

pertence à classe de instrumentos de primeira ordem e, na maioria destes casos, as

constantes de tempo possuem valores reduzidos. É conveniente salientar que em se

tratando de sistemas de controle, é de fundamental importância que esta constante de

tempo seja levada em consideração. Os instrumentos de primeira ordem são formados

por associações de um elemento, elétrico ou mecânico, que possua característica

dissipativa e um elemento armazenativo. Ou seja, a energia armazenada em um

elemento vai se dissipando em outro, resultando em uma característica exponencial.

Elementos elétricos passivos que armazenam energia são os indutores (campo

magnético) e os capacitores (campo elétrico), os quais possuem os análogos

mecânicos: mola e amortecedor. A perda elétrica por efeito Joule sobre uma resistência

tem como análogo mecânico a perdas por atrito.

3.3 - Instrumento de segunda ordem

A resposta a um degrau de um instrumento de segunda ordem se dá de maneira

oscilatória amortecida sobre uma exponencial amortecida. Este fato se deve

principalmente à presença de pelo menos dois elementos passivos com características

armazenativas, responsáveis pela resposta oscilatória (senoidal), e por pelo menos um

Page 41: Apostila de-instrumentacao-industrial

41

elemento dissipativo, responsável pela característica exponencial amortecida. O sensor

mais comum que se encaixa nesta classificação é o acelerômetro. Nele, a vibração é

sensoreada através do deslocamento observado em um sistema composto por uma

mola e um amortecedor. A característica dissipativa é obtida por atrito.

4.0 – CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS

A Calibração de Instrumentos é um conjunto de operações que estabelece, sob

condições específicas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de

medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida

materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das

grandezas estabelecidas por padrões. Muitas vezes o termo Aferição também é

empregado com o sentido de calibração; no entanto a tendência é o desuso deste, já

que em nível mundial não existe o seu sinônimo em inglês ou em francês como

acontece com o termo calibração (CALIBRATION_ou ÉTALONNAGE).

O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do

mensurando para as indicações, como a determinação das correções a serem

aplicadas. Além disto, uma calibração pode, também, determinar outras propriedades

metrológicas como o efeito das grandezas de influência. O resultado de uma calibração

pode ser registrado em um documento, algumas vezes denominado Certificado de

calibração ou Relatório de calibração.

4.1 – Padrão

Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de

medição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou

mais valores de uma grandeza para servir como referência. Sendo assim, tem-se os

seguintes tipos de padrões:

Page 42: Apostila de-instrumentacao-industrial

42

Padrão de Referência: Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica

disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do qual as

medições lá executadas são derivadas;

Padrão Primário: Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo

as mais altas qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros

padrões de mesma grandeza. Este conceito é igualmente válido para grandezas de

base e para grandezas derivadas;

Padrão Secundário: Padrão cujo valor é estabelecido por comparação a um padrão

primário da mesma grandeza;

Padrão Internacional: Padrão reconhecido por um acordo internacional para servir,

internacionalmente, como base para estabelecer valores a outros padrões da

grandeza a que se refere;

Padrão Internacional: Padrão reconhecido por uma decisão nacional para servir, em

um país, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que

se refere;

Padrão de Trabalho: Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar

medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de transferência.

Um padrão de trabalho é, geralmente, calibrado por comparação a um padrão de

referência. O padrão de trabalho utilizado rotineiramente para assegurar que as

medições estão sendo executadas corretamente é chamado Padrão de Controle;

Padrão de Transferência: Padrão utilizado como intermediário para comparar

padrões. O termo dispositivo de transferência deve ser utilizado quando o

intermediário não é um padrão;

Page 43: Apostila de-instrumentacao-industrial

43

Padrão Itinerário: Padrão, algumas vezes de construção especial, para ser

transportado entre locais diferentes, como, por exemplo, o padrão de freqüência de

césio, portátil, operado por bateria.

4.2 – Rastreabilidade

Propriedade do resultado de uma medição, ou do valor de um padrão, estar relacionado

a referências estabelecidas, geralmente padrões internacionais ou nacionais, através

de uma cadeia contínua de comparações, Cadeia de Rastreabilidade, todas tendo

incertezas estabelecidas. Sendo assim, este padrão pode ser dito Rastreável. A figura a

seguir apresenta um esquema de uma cadeia de rastreabilidade.

Page 44: Apostila de-instrumentacao-industrial

44

5.0 - GRANDEZAS BASE E PADRÕES ASSOCIADOS

O sistema corrente de unidades - Sistema Internacional (SI) - adotado e recomendado

pela Conferência Geral de Pesos e Medidas, se baseia nas sete unidades de base

seguintes.

Page 45: Apostila de-instrumentacao-industrial

45

* Um esterradiano é o ângulo sólido no qual, tendo o seu vértice no centro de uma

esfera, corta uma área da superfície desta esfera igual à área de um quadrado cujos

lados têm o comprimento igual ao raio da esfera.

Através destas unidades base pode-se obter as chamadas unidades derivadas.

6.0 – MEDIDAS DE PRESSÃO

A pressão é, por definição, a relação entre a força normal exercida em uma superfície e

a área desta superfície, por isso, muitas vezes, os métodos de medida de pressão e de

força se confundem. A pressão pode ser apresentada de duas formas. A primeira na

forma de pressão absoluta, ou seja, referida à pressão zero absoluto. A outra,

denominada pressão manométrica, é referida à pressão atmosférica no local da

medição. A figura 6.1 a seguir apresenta as escalas de referência para medidas de

pressão.

Figura 6.1 – Escalas de referência para medidas de pressão

Page 46: Apostila de-instrumentacao-industrial

46

De uma maneira geral, pode-se dizer:

A pressão é provavelmente a grandeza física que possua o maior número de unidades

empregadas para representá-la. As relações entre as principais são mostradas a seguir.

1 [atm] = 1,03323 [kgf/cm2] = 101325 [Pa] = 10,33 [mmH2O] = 760 [mmHg] =

1,01325 [bar] = 14,70 [psi]

Como a definição de pressão emprega o conceito de força, muitos medidores e

transdutores de pressão partem da medição da força sobre um elemento de

determinada área. A seguir serão apresentadas algumas técnicas de medição de

pressão.

6.1 – Manômetro de Coluna

O manômetro de coluna consiste de um tubo de vidro, normalmente no formato da letra

U, contendo em seu interior um fluído específico para cada aplicação (fluído

manométrico). Quando se deseja medir pressão absoluta, a pressão desconhecida é

aplicada em uma extremidade, fazendo-se vácuo entre a outra extremidade selada e o

fluído. Quando este manômetro é utilizado para medir pressão manométrica, ambas as

extremidades do tubo serão abertas, estando a outra exposta à pressão atmosférica.

Este manômetro também pode ser usado para medir diferenças de pressão - pressão

diferencial -, aplicando-se pressões desconhecidas em ambas as extremidades. Tais

alternativas são, respectivamente, mostradas na figura 6.2 a seguir:

Page 47: Apostila de-instrumentacao-industrial

47

Figura 6.2 – Alternativas para medição de pressão usando Manômetro de Coluna.

A diferença entre as pressões aplicadas nas extremidades do manômetro está

relacionada com a diferença da altura - h - entre os níveis do fluído através da seguinte

expressão.

Onde

Aplicando-se esta fórmula à relação anterior , tem-se P2 igual a zero, pressão

atmosférica (1 atm) e pressão desconhecida, respectivamente. A faixa de aplicação

deste tipo de manômetro é bastante extensa, já que o fluído manométrico também pode

ser mudado. Normalmente usa-se água, mercúrio ou álcool. Para a medição de grandes

pressões costuma-se empregar mercúrio, para pressões muito baixas utiliza-se álcool.

Uma alternativa para a medição de pequenas pressões é a utilização do manômetro

em uma posição inclinada (vide figura 6.3), aumentando-se o espectro de medição e

sensibilidade. A equação a ser utilizada deverá ser corrigida com o seno do ângulo de

inclinação:

Page 48: Apostila de-instrumentacao-industrial

48

Figura 6.3 – Manômetro em posição inclinada para medições de pequenas pressões.

A figura 6.4 a seguir apresenta alguns modelos de manômetros de coluna comerciais.

Figura 6.4 – Exemplos de Manômetros de Coluna comerciais

Para automatizar a medida de pressão em um manômetro de coluna com mercúrio,

pode-se usar uma ponte de Wheatstone com duas resistências externas conectadas

por um cabo de alta resistência, como mostrado a seguir na figura 6.5.

Page 49: Apostila de-instrumentacao-industrial

49

Figura 6.5 – Manômetro de coluna com ponte de wheatstone

Chamando r de RW / RREF, a pressão desconhecida poderá ser obtida pela medida da

tensão de saída Vo:

6.2 – Manômetro de Peso Morto

O manômetro de peso morto é um instrumento de zero central, onde massas calibradas

são colocadas na plataforma de um pistão até que duas marcas de referência fiquem

adjacentes. Neste ponto, a força peso exercida pelas massas se iguala à força exercida

pela pressão sobre a superfície interna do pistão. Infelizmente este instrumento não é

muito adequado para aplicação industrial mas, por permitir medidas com alto grau de

exatidão, é muito usado como padrão em laboratórios. A figura 6.6 ilustra o esquema de

Page 50: Apostila de-instrumentacao-industrial

50

um manômetro de peso morto, bem como exemplos de manômetros de peso morto

comerciais.

Figura 6.6 – Manômetro de peso morto utilizado em laboratórios para calibração de

instrumentos.

6.3 – Manômetro de Bourdon

O manômetro de Bourdon é um transdutor de pressão empregando elemento elástico

que é muito comum no meio industrial. Consiste basicamente de um tubo curvo, flexível

e de seção transversal oval, tendo sua tomada de pressão em uma de suas

extremidades, fixada, sendo a outra selada e livre para se movimentar. Quando a

pressão é aplicada em sua entrada, a seção oval vai se tornando circular, havendo

então uma deflexão da extremidade do tubo. Medindo-se esta deflexão pode-se inferir

sobre o valor da pressão. Isto é feito empregando-se um transdutor de deslocamento,

ou mais simplesmente, associando-se um ponteiro à extremidade móvel do tubo. A

figura 6.7 a seguir ilustra o exposto.

Page 51: Apostila de-instrumentacao-industrial

51

Muitas vezes o manômetro de Bourdon vem preenchido com um líquido viscoso com a

finalidade de diminuir o efeito oriundo de vibrações da máquina ou linha onde está

instalado, bem como para manter lubrificada as partes internas do mesmo.

Pode-se também encontrar manômetros de Bourdon de precisão, usados como padrão.

Possuem, neste caso, escalas maiores, com um maior número de divisões, resultando

em alta resolução, como mostram a figura 6.8.

Figura 6.7 – Esquema de Manômetros de Bourdon e Manômetros de Bourdon

comerciais.

Page 52: Apostila de-instrumentacao-industrial

52

Figura 6.8 –Manômetros de Bourdon comerciais de precisão.

6.4 – Transmissores de Pressão

Os transmissores, em geral, são uma junção de um elemento transdutor e um circuito

de transmissão de sinal, seja este sinal em tensão, corrente, freqüência ou outros. A

seguir serão apresentadas várias tecnologias empregadas na construção de

transdutores de pressão.

6.4.1 - Sensores (Transdutores) Capacitivos

Os sensores capacitivos são encontrados em configurações típicas, normalmente em

um encapsulamento compacto contendo duas superfícies metálicas paralelas e

eletricamente isoladas, uma das quais sendo um diafragma capaz de fletir a uma dada

pressão aplicada. O diafragma deve ser construído com material de baixa histerese ou

ligas de vidro e cerâmica. Estas duas superfícies, que se comportam como as placas do

capacitor, são montadas de modo que a uma pequena flexão mecânica, causada pela

aplicação de uma pressão, altera o espaço entre elas criando o efeito de um capacitor

variável. A alteração da capacitância deve ser detectada por um circuito comparador

bastante sensível e amplificado para sinais proporcionais de alto nível. A figura 6.9

abaixo mostra o esquema de um transdutor capacitivo.

Page 53: Apostila de-instrumentacao-industrial

53

Figura 6.9 – Esquema de um Transdutor Capacitivo.

Sabe-se que a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser

expressa em função da área (A) da placa e da distância (d) que as separa como:

Onde ε

considerado que pelo menos uma das placas esteja fixa e que a outra sofra deflexão

em função da pressão submetida, resulta em uma variação da distância entre as placas

e, em última análise, da capacitância do elemento. Sendo assim, ao submeter este

sensor a uma ponte de corrente alternada, pode-se detectar a variação da pressão

como uma função da variação da capacitância do sensor. A figura 6.10 mostra

transdutores de pressão capacitivos comerciais.

Page 54: Apostila de-instrumentacao-industrial

54

Figura 6.10 –Transdutores Capacitivos de pressão comerciais.

6.4.2 - Sensores (Transdutores) Piezoresistivos

Os sensores piezoresistivos (STRAIN-GAUGE) são fabricados usando técnicas de

processamento do silício, comuns na indústria de semicondutores. Por esta razão,

grande parte da tecnologia dos semicondutores é empregada em sua fabricação. Os

sensores piezoresistivos são também freqüentemente denominados sensores

integrados, sensores de estado sólido, sensores monolíticos (formados de um único

cristal de silício) ou, simplesmente, sensores de silício. Este sensor parte do princípio

da deformação de uma estrutura quando sujeita a uma força. Como mostrado na figura

6.11 a seguir.

Figura 6.11 – Atuação de forças de tração e compressão deformando blocos de

materiais.

Page 55: Apostila de-instrumentacao-industrial

55

Nesta figura tem-se uma estrutura livre de forças externas, sofrendo tração e

compressão, respectivamente. A pressão descreve a intensidade da força – STRESS –

em uma estrutura por unidade de área (P=F/A), enquanto a tensão – STRAIN_ –

descreve a deformação como uma variação incremental no comprimento (DL/L). A

resistência de uma barra retangular de comprimento L e área de seção A, com

resistividade volumétrica r é dada por R=Lr/A. Tomando

as derivadas parciais, tem-se:

Rearranjando teremos:

Quando há uma deformação longitudinal haverá também uma deformação na seção do

strain gauge segundo a relação de Poisson. Para pequenas tensões a deformação da

área é o dobro da deformação radial:

Onde ּט é o coeficiente de Poisson. A taxa de variação da resistência será:

Page 56: Apostila de-instrumentacao-industrial

56

O coeficiente de Poisson varia de 0,25 a 0,35 para a maioria dos metais, de modo que

a sensibilidade do strain gauge (G) será da ordem de 1,5 a 2,5. Algumas ligas podem

possuir sensibilidades variando de 0,5 a 6, podendo ser até 150 para semicondutores.

Sendo assim, a pressão à qual uma estrutura está sujeita poderá ser determinada pela

variação da resistência de um sensor. Na maioria dos sensores, quatro resistores são

integrados formando uma ponte de

Wheatstone, de modo que dois resistores aumentam sua resistência e dois diminuem

com o aumento ou decréscimo da pressão aplicada. A figura 6.12 a seguir apresenta

uma configuração de resistor integrado e o sensor.

Figura 6.12 – Detalhes construtivos de um instrumento STRAIN – GAUGE com resistor

integrado.

Quando se deseja medir a intensidade de uma força, bem como a sua direção, usa-se

STRAIN-GAUGES estrategicamente posicionados em direções diferentes

resultando em um sensor multidirecional.

Page 57: Apostila de-instrumentacao-industrial

57

A direção e intensidade da força serão obtidas a partir da decomposição das

deformações nos eixos coordenados. A figura 6.13 a seguir apresenta o aspecto

construtivo de um transdutor de pressão integrado. O deste tipo de dispositivo é o

estado da arte na medição de pressão e suas derivações nas medidas de nível de

vazão.

Figura 6.13 – Dispositivo à base de processamento de silício para medição de Pressão.

Os transmissores de pressão encontram larga aplicação na indústria, com saídas em

corrente, tensão, freqüência ou em barramento. Alguns incorporam recursos de

apresentação numérica em Display do valor da medida. A figura 6.14, ilustra alguns

exemplos de medidores de Pressão Comerciais.

Page 58: Apostila de-instrumentacao-industrial

58

Figura 6.14 – Medidores de Pressão Comerciais.

6.4.3 - Medidas de pressão diferencial

A medição de pressão diferencial é de suma importância em processos industriais. As

suas maiores aplicações se encontram, principalmente, na medição de vazão onde se

utilizam dispositivos do tipo placas de orifício, bocais e venturis, uma vez que fornecem

o valor da vazão como uma função da pressão diferencial medida. A estrutura interna

de um sensor diferencial se assemelha muito à dos sensores convencionais

considerando-se apenas que, nestes últimos, um único diafragma é submetido apenas

à pressão desconhecida. Nos sensores diferenciais, por outro lado, pode-se ter um ou

dois diafragmas sujeitos às pressões que se deseja conhecer a diferença.

A fim de proteger as membranas ou diafragmas dos transdutores, normalmente

emprega-se um conjunto de registros (Manifolds) que, sendo convenientemente

operados, limitam a sobre-pressão impostas nestes elementos pelas operações

Page 59: Apostila de-instrumentacao-industrial

59

rotineiras do processo industrial. A figura 6.15 mostra um esquema de medição

diferencial de pressão com a utilização de Manifolds.

Figura 6.15 – Esquema para medição de Pressão Diferencial usando Manifolds.

Um tipo especial de sensor diferencial que dispensa o uso de Manifold é o sensor

capacitivo apresentado na figura 6.16 a seguir. Nesta concepção, a sobrepressão é

limitada por batentes, evitando o rompimento de diafragmas, provocando uma

saturação do sinal de saída.

Figura 6.16 – Sensor Capacitivo (diuspensa o uso de Manifolds).

Page 60: Apostila de-instrumentacao-industrial

60

O diafragma sensor colocado no centro da célula é, na verdade, uma placa móvel de

um capacitor. Esta deflete em função das pressões aplicadas à direita e à esquerda do

sensor, sobre os diafragmas isoladores, transmitidas através do fluído de

preenchimento, que é incompressível. Considerando CH e CL como capacitâncias de

placas planas, de mesma área paralelas, medidas entre a placa fixa e o diafragma

sensor, tem-se:

Onde e é a constante dielétrica do meio, d é a distância entre as placas fixas e d é a

deflexão sofrida pelo diafragma sensor devido à aplicação da pressão diferencial DP.

7.0 – MEDIDAS DE VAZÃO A medição de vazão é uma das tarefas mais importantes em vários processos

industriais, principalmente nos setores químico e petroquímico – onde possuem um

papel fundamental sobre a receita e a produtividade da empresa –, papel e celulose,

alimentício, água e esgoto, energia e outros.

De uma maneira geral a vazão pode ser definida como vazão volumétrica e vazão

mássica. A vazão volumétrica trata do fluxo de um determinado volume em um intervalo

de tempo, enquanto a vazão mássica trabalha com o fluxo de uma massa em um

determinado intervalo de tempo. Assim:

Vazão volumétrica:

Page 61: Apostila de-instrumentacao-industrial

61

Vazão mássica:

Enquanto a primeira é dada em metros cúbicos por segundo (m3/s), litros por segundo

(l/s) e outros, a segunda é dada em quilos por segundo (kg/s), toneladas por hora (t/h) e

outras. No entanto, uma vazão pode ser relacionada à outra, uma vez que a massa

está relacionada ao volume, através da densidade. Dessa forma, tem-se:

A maioria dos medidores parte da medida da velocidade do fluído ou da variação da

energia cinética para determinar o valor da vazão. A velocidade, por sua vez, depende

da diferença de pressão atuante sobre o fluído que o faz atravessar uma tubulação, um

canal ou um conduto. Uma vez definida a área da seção transversal, A, pode-se obter a

vazão através da velocidade média do fluído, v.

ou, quando a velocidade é variável ao longo da área da seção.

Onde v é a velocidade da linha de fluxo.

Page 62: Apostila de-instrumentacao-industrial

62

A figura 7.1 a seguir mostra como o perfil do escoamento de um fluído varia ao longo da

seção transversal de um turbo ou canal, em condições de escoamento laminar ou

turbulento.

Figura 7.1 – Tipos de escoamento de um fluido em uma tubulação.

O engenheiro e cientista inglês Osborne Reynolds descobriu que, ser um escoamento

laminar ou turbulento, depende apenas da relação entre as forças inerciais e as forças

de origem viscosa (arraste e fricção). Considerando ainda velocidade média do

escoamento (v) e uma dimensão característica (D), resulta em um número adimensional

denominado número de Reynolds:

Onde m é a viscosidade e r é a densidade. A dimensão característica é quatro vezes o

raio hidráulico dado pela relação entre área da seção e o perímetro molhado que se

encosta à parede do tubo ou canal. Para tubulações pressurizadas a dimensão

característica é o seu próprio diâmetro. Vale lembrar que m/ é a chamada viscosidade

cinemática. Escoamentos laminares apresentam número de Reynolds menor que 2000,

enquanto valores maiores que 2000 são usualmente turbulentos. Na verdade, a

transição entre laminar e turbulento não ocorre em um valor específico de número de

Reynolds, mas em uma faixa que começa entre 1000 e 2000 e se estende até entre

3000 e 5000. Características físicas tais como estado da matéria, número de Reynolds,

Page 63: Apostila de-instrumentacao-industrial

63

viscosidade, densidade, temperatura, velocidade média, além do tipo de medida

desejada, restrições mecânicas, processo, meio de medição e outros irão pesar

decisivamente na seleção do melhor método de medida de vazão.

7.1 – Bocais, Venturis e Placas de Orifício

Neste sistema a vazão é obtida provocando-se o estrangulamento das tubulações,

conforme é mostrado na figura 7.2 (ponto 2). Uma vez que a vazão permanece

constante, a velocidade no ponto 2 terá que aumentar, reduzindo-se a pressão. A vazão

será, então, obtida a partir da diferença de pressão verificada. O estrangulamento nas

tubulações deve ser feito em trechos retos dos condutos, onde o escoamento não sofre

as influências das singularidades colocadas a montante e a jusante do medidor.

Considerando-se que a velocidade do fluido é suficientemente subsônica e

desprezando-se as perdas, pode-se aplicar a expressão de Bernoulli (princípios da

conservação da massa) para fluidos incompressíveis entre os pontos 1 e 2 e tendo por

base a figura 7.2 a seguir, temos a relações de vazão em função da variação da

pressão nas duas seções do conduto:

Figura 7.2 – Arranjo do estrangulamento de tubulações para determinação da vazão em

função da variação de pressão.

Page 64: Apostila de-instrumentacao-industrial

64

Com as tomadas de pressão no centro da tubulação, tem-se que z1 é igual a z2,

cancelando-se as parcelas. Tomando-se os diâmetros no ponto 1 e 2, iguais a D1 e D2,

respectivamente, a diferença de pressão será:

Considerando os coeficientes constantes pertinentes a cada arranjo de tubulação em

particular, temos:

As figuras 7.3, 7.4, 7.5 e 7.6 mostram alguns arranjos possíveis para medição de vazão

por diferencial de pressão.

Figura 7.3 – Venturi Longo.

Page 65: Apostila de-instrumentacao-industrial

65

Figura 7.3 – Venturi Curto.

Figura 7.4 – Bocal.

Page 66: Apostila de-instrumentacao-industrial

66

Figura 7.4 – Diafragma em Placa de Orifício.

Um outro sistema de medida de vazão baseado em pressão diferencial é o chamado V-

CONE; a característica fundamental para este tipo de medição de vazão é a imposição

do condicionamento do fluxo anterior à medida, desta forma o V-CONE pode ser

aplicado para diferentes perfis de escoamento. A figura 7.5, 7.6 e 7.7 mostram as

características de instalação e de tomada de pressão para medição da vazão. A

exatidão de um V-CONE é da ordem de 0,5%, com repetibilidade de 0,1% e faixa de

medição de 10:1 ou maior. Pode ser disponibilizado em tamanhos de ½” a 120”. O V-

CONE é utilizado na medição de óleo, gás natural, nos controles de processos em geral

e sistemas de saneamento. A grande vantagem deste sistema são os baixos custos de

manutenção por não existirem partes móveis.

Page 67: Apostila de-instrumentacao-industrial

67

Figura 7.5 – Instalação do V-CONE em tubulações para qualquer tipo de escoamento.

Figura 7.6 – Detalhe de uma tomada de pressão em um V-CONE .

Figura 7.7 – Detalhe de instalação em tubulação ( V-CONE) .

Page 68: Apostila de-instrumentacao-industrial

68

7.2 – Medidas de vazão com Sondas

As sondas, de um modo geral, têm por objetivo determinar a velocidade nos centros de

tubos de correntes do escoamento delimitados pelas dimensões da seção transversal

das sondas. Com estas velocidades medidas em vários pontos de uma mesma seção

transversal, para o escoamento em regime permanente e estacionário, torna-se

possível determinar a velocidade média nesta seção transversal e, portanto a vazão.

De um modo geral, para determinação do número mínimo de medidas ou de sondas a

serem instaladas, por raio ( D/2) em dois diâmetros normais, é recomendado:

· Fluido no estado gasoso

· Fluido no estado líquido

Para determinar o posicionamento das sondas adota-se o critério da divisão de A em

um número 2 × Z S de áreas iguais, para os raios dos anéis:

As sondas, são dispostas ao longo dos dois diâmetros normais nos raios de j impares

(1, 3, 5,...), conforme mostra a figura 7.8 a seguir.

Page 69: Apostila de-instrumentacao-industrial

69

Figura 7.8 – Determinação dos pontos para instalação das sondas.

A vazão será dada pela velocidade integralizada em toda a área da seção do tubo.

Existem um grande número de sondas mecânicas, iônicas e térmicas, dentre outras,

muitas normalizadas, sendo as mais conhecidas denominadas: tubo de Pitot, tubos tipo

O de Prandtl, sondas duplas, sonda venturi. Na figura 7.9 a seguir estão representados

estes dois tipos de tubos com suas principais características, bem como varias pontas

para tubo de Pitot, mostrando o ângulo sólido máximo possível entre a direção da

sonda e do escoamento onde ela pode atuar sem que o resultado da medida seja

afetado. Para os de Prandtl a ponta pode ser uma semi-esfera, ou tronco-cônica.

Page 70: Apostila de-instrumentacao-industrial

70

Figura 7.9 – Tubo de Pitot e Tubo O de Prandtl.

A determinação das vazões parte do cálculo da velocidade do escoamento em cada

ponto de estagnação, e é dada por:

coeficiente ks deve ser determinando na aferição da sonda, podendo ser tomado

igual a um (1) se as sondas observarem as características da figura 7.9 com

expectativa de erro menor que 1 (%).

Page 71: Apostila de-instrumentacao-industrial

71

7.3 – Medidor Hélice (Turbina)

Os medidores hélice, ou turbina, operam pelo princípio da asa de sustentação. A

rotação é estabelecida quando a asa divide o fluído com um ângulo de ataque d em

relação à direção da velocidade do escoamento, v. Uma força de sustentação FS

aparece na asa, em direção perpendicular à velocidade. Esta força é proporcional ao

produto da área da asa pela quadrado da velocidade. Esta proporcionalidade é o

coeficiente de sustentação CS. Se esta asa é fixada em um eixo, conforme a figura 7.10

a seguir, a força de sustentação irá dar origem a um conjugado e a uma velocidade

tangencial, u, a qual irá provocar a rotação da asa.

Figura 7.10 – Princípio de medição de vazão com Turnina.

Esta rotação é relacionada com a velocidade do escoamento, e à vazão, pela

expressão.

Onde n é a velocidade de rotação.

Page 72: Apostila de-instrumentacao-industrial

72

A velocidade de rotação é medida através de um sensor eletromagnético que detecta a

passagem das pás da hélice, como mostra a figura 7.11 a seguir.

Figura 7.10 – Medidor Turbina com sensor magnético.

Nesta figura observam-se também outros componentes comumente encontrados em

um medidor hélice, tais como o alinhador de fluxo e os cones defletores que resultam

em um melhor desempenho do medidor. A figura 7.11 abaixo mostra alguns exemplos

de medidores Turbina ou Hélice comerciais.

Page 73: Apostila de-instrumentacao-industrial

73

Figura 7.11 – Medidores Turbina ou Hélice comerciais.

Page 74: Apostila de-instrumentacao-industrial

74

7.4 – Rotâmetros

Os medidores de vazões do tipo rotâmetros, também conhecidos como medidores de

área variável, baseiam-se nos princípios da impulsão e da conservação da massa.

Assim, a medição da vazão é possível a partir de um corpo sólido em equilíbrio no

interior de um escoamento. Dinamicamente o equilíbrio ocorre, para um corpo de

revolução, quando há igualdade entre a força de arrasto - Fa - e a diferença entre a

força oriunda do peso do corpo - Fc - e a do empuxo de Arquimedes - Far. A figura

7.12 mostra esta relação de forças sobre um corpo em equilíbrio.

Figura 7.12 – Relação de forças sobre um corpo em equilíbrio no interior de um

escoamento.

Onde kr (m2/s) é o coeficiente do rotâmetro.

A figura 7.13 a seguir ilustra alguns tipos de rotâmetros comerciais.

Page 75: Apostila de-instrumentacao-industrial

75

Figura 7.13 – Rotâmetros comerciais.

Os rotâmetros convencionais só permitem a sua instalação na posição vertical. Uma

concepção recente permite a sua montagem em qualquer direção, conforme é

mostrado na figura 7.14.

Page 76: Apostila de-instrumentacao-industrial

76

Figura 7.14 – Rotâmetro para aplicação em qualquer posição.

Neste caso, o medidor se baseia no princípio da área variável. Um orifício de alta

precisão é localizado em torno de um pistão associado a um ímã acoplado

magneticamente a um cursor externo (indicador), que se move acompanhando o

movimento do pistão. Uma mola calibrada se opõe ao fluxo direto. A mola diminui a

sensibilidade com a viscosidade e permite que o instrumento trabalhe em qualquer

posição, inclusive invertida.

7.4 – Medidores de Deslocamento Positivo

Todos os sensores de deslocamento positivo operam usando divisões mecânicas para

deslocar sucessivos e determinados volumes de fluído, a fim de contabilizá-los. Sendo

assim, um fluido pode entrar na câmara de medição por um lado e sair por outro,

Page 77: Apostila de-instrumentacao-industrial

77

fazendo girar os elementos de engrenagem utilizados para a medição. A figura 7.15

ilustra este tipo de medidor de vazão.

Figura 7.15 – Medidor de vazão por deslocamento positivo.

Existe uma grande variedade de arranjos mecânicos para explorar este princípio e,

muito embora apresentem uma perda de carga constante, todos as alternativas devem

oferecer baixo atrito de fricção, baixa manutenção e durabilidade. A figura 7.16 a seguir

apresenta três modelos típicos de medidores de vazão pelo princípio de deslocamento

positivo.

Figura 7.16 – Medidores de vazão por deslocamento positivo comerciais.

Page 78: Apostila de-instrumentacao-industrial

78

Pela sua construção robusta, tais medidores conseguem operar em grandes pressões,

temperaturas e viscosidades.

7.5 – Medidor Coriolis

Os medidores de Coriolis se baseiam no efeito Coriolis (Gaspard Coriolis) que resulta

em uma aceleração complementar ou aceleração de Coriolis (aC ) e é calculada por;

Esta aceleração complementar origina uma força ( F ) que é proporcional a massa do

corpo em deslocamento ( m ) :

Este principio pode teoricamente ser aplicado, considerando que OA, seja o eixo de um

tubo no interior do qual escoa um fluido com velocidade (v), conforme pode ser

observado na figura 7.17 abaixo.

Page 79: Apostila de-instrumentacao-industrial

79

Figura 7.17 – Princípio de Medidores Coriolis.

Admitindo que este tubo oscila entorno de um eixo que lhe é normal com uma

velocidade angular (w), o fluido em escoamento impõe ao tubo uma força (F)

perpendicular a direção do escoamento, de tal modo que uma partícula do fluido

distante de O de ( X1 ) fica submetida a uma certa velocidade normal a direção do

escoamento no tubo. Se esta partícula estiver a uma distância ( X2

> X1) de O, estará submetida a uma velocidade também maior o que dará origem a

uma aceleração que tende reduzir a oscilação do tubo. Seja, ligado ao tubo um sistema

tubular oscilante, em U, (O,A,B,O’), que desvia o escoamento, originando as forças F1 e

F2, as quais tendem a provocar uma torção no tubo principal, torção esta que pode ser

medida, o que permitirá determinar as forças que com a massa ( m ) contida no tubo U,

permitirá determinar a velocidade (v) já que a aceleração ( a ) é calculada pela

expressão. Na figura 7.18 a seguir estão representados os componentes de um

medidor Coriolis.

Page 80: Apostila de-instrumentacao-industrial

80

Figura 7.18 – Componentes de um medidor Coriolis.

A figura 7.19 abaixo melhor demonstra os efeitos das forças geradas em função do

fluxo do fluido no interior do tubo.

Page 81: Apostila de-instrumentacao-industrial

81

Figura 7.19 – Efeito das forças oriundas do fluxo no interior de uma tubulação.

O sensoreamento da torção pode ser feito através de sensores de torque pela

deformação (strain gauge) ou empregando um sistema eletromagnético. Neste caso,

em cada lado do tubo há um sistema ímã-bobina que opera como um detetor de

vibração. O torque é obtido pela diferença de tempo apresentada entre as duas

medições obtidas. Os medidores de massa de Coriolis têm sido utilizados dentro dos

seguintes limites: Precisão 0,2 a 0,4 (%) da grandeza medida. Relação entre Qmax /

Qmin de 25:1. Diâmetros 0,001 a 0,15 (m). Temperatura do fluido __240 a + 200 (oC).

Pressão máxima no fluido 400 (bar). Perda de carga entre 0,004 a 2 (bar). Vazões em

massa entre 3×10-4 e 680 (t/h), com Re entre 25 e 107. Distância mínima de obstáculo

Page 82: Apostila de-instrumentacao-industrial

82

a montante e jusante 10×D. Como a freqüência de ressonância varia com a densidade

do fluído, tem-se que com este medidor também se pode inferir sobre a densidade.

Como desvantagens pode-se citar a perda de carga e a sua baixa eficiência quando

aplicado a fluídos bifásicos. A figura 7.20 a seguir ilustra um modelo comercial deste

tipo de medidor de vazão.

Figura 7.20 – Medidores Coriolis Comerciais.

7.6 – Medidor Vortex

Os medidores vortex utilizam o efeito dinâmico que consiste na geração de uma esteira

de vórtices a jusante de um obstáculo mergulhado no escoamento, conhecido como

Page 83: Apostila de-instrumentacao-industrial

83

esteira de Von Karman, cujas características começaram a ser estabelecidas, em 1911,

por Bérnard Von Karman e que estão mostradas na figura 7.21 a seguir.

Figura 7.21 – Esquema de um medidor Vortex.

A velocidade média no tubo é dada por:

Onde d é o diâmetro da tubulação, f é a freqüência dos vórtices e St é o número de

Strouhal que vale 0,185 para números de Reynolds entre 300 e 200000. Os medidores

vortex, em fase de serem normalizados, podem ser aplicados, em princípio, para

qualquer vazão na faixa Qmax / Qmin < 10, com perda de carga 60 a 80 (%) a

correspondente da placa de orifício, devendo ser instalados em trecho reto do conduto

distante, a montante, mais de 15 × D. A figura 7.22 a seguir mostra alguns exemplos de

medidores Vortex comerciais.

Page 84: Apostila de-instrumentacao-industrial

84

Figura 7.22 - Medidores Vortex Comerciais.