Apostila Instrumentação e Controle Paracatu

Instrumentao e controle do processo

Centro de Formao Profissional Epitcio Cardoso Naves

PARACATU

2010

Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI

Petrnio Machado Zica

Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conhecimento e Tecnologia

Alexandre Magno Leo dos Santos

Gerente de Educao e Tecnologia

Edmar Fernando de Alcntara Unidade Operacional Centro de Formao Profissional Epitcio Cardoso Naves

Apresentao Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do conhecimento. Peter Drucker O ingresso na sociedade da informao exige mudanas profundas em todos os perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produo, coleta, disseminao e uso da informao. O SENAI, maior rede privada de educao profissional do pas,sabe disso , e ,consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a gide do conceito da competncia: formar o profissional com responsabilidade no processo produtivo, com iniciativa na resoluo de problemas, com conhecimentos tcnicos aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e conscincia da necessidade de educao continuada. Vivemos numa sociedade da informao. O conhecimento , na sua rea tecnolgica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualizao se faz necessria. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliogrfico, da sua infovia, da conexo de suas escolas rede mundial de informaes internet- to importante quanto zelar pela produo de material didtico. Isto porque, nos embates dirios,instrutores e alunos , nas diversas oficinas e laboratrios do SENAI, fazem com que as informaes, contidas nos materiais didticos, tomem sentido e se concretizem em mltiplos conhecimentos. O SENAI deseja , por meio dos diversos materiais didticos, aguar a sua curiosidade, responder s suas demandas de informaes e construir links entre os diversos conhecimentos, to importantes para sua formao continuada ! Gerncia de Educao e Tecnologia

NDICE

Introduo Instrumentao e Controle de Processos ........................................................................ 5

Conceitos Bsicos em Instrumentao e Controle de Processos ............................................................... 6

Classes de Instrumentos aplicados em Instrumentao e Controle de Processos ...................................... 7

Classificao por Funo .............................................................................................................. 7

Classificao por Sinal de Transmisso ou de Suprimento .......................................................... 8

Terminologia aplicada em Instrumentao e Controle de Processos ........................................................ 11

Simbologia aplicada a Instrumentao e Controle de Processos ............................................................... 15

Fluxograma de Processo e Instrumentao (P&I) ..................................................................................... 19

Sistemas de Unidades de Medidas ............................................................................................................. 20

Definio das Unidades de Medida no Sistema Internacional (SI) ........................................................... 20

Presso ...................................................................................................................................................... 21

Introduo .................................................................................................................................................. 21

Definies Bsicas ..................................................................................................................................... 21

Conceito de Presso ................................................................................................................................... 22

Unidades de Presso .................................................................................................................................. 23

Fatores de Converso de Unidades de Presso .......................................................................................... 24

Medidas de Presso ................................................................................................................................... 25

Princpios e Teoremas da Fsica aplicados medio de Presso ............................................................. 26

Tipos de Presso ........................................................................................................................................ 28

Classificao dos Elementos Medidores de Presso ................................................................................. 30

Manmetro de Tubo em U ........................................................................................................................ 30

Manmetro de Tubo em U com dimetros diferentes ............................................................................... 31

Manmetro de Tubo Inclinado .................................................................................................................. 32

Tubos de Bourdon ..................................................................................................................................... 33

Diafragmas ................................................................................................................................................ 34

Foles .......................................................................................................................................................... 35

Manmetros com selagem ......................................................................................................................... 36

Transmissores de Presso .......................................................................................................................... 37

Transmissores de Presso Eletrnicos ....................................................................................................... 37

Fita Extensomtrica Strain Gauges......................................................................................................... 37 Sensor Piezoeltrico .................................................................................................................................. 38

Clula Capacitiva ....................................................................................................................................... 39

Instalao de Transmissores ...................................................................................................................... 40

Instalao de Transmissores Conexo Eltrica....................................................................................... 40 Protocolo HART ........................................................................................................................................ 42

Acessrios teis para medio de Presso ................................................................................................. 44

A chave de Presso O Pressostato .......................................................................................................... 47 Nvel .......................................................................................................................................................... 49

Introduo .................................................................................................................................................. 49

Classificao dos Elementos Medidores de Nvel ..................................................................................... 49

Rgua ou Gabarito ..................................................................................................................................... 51

Visores de Nvel ........................................................................................................................................ 51

Visor de Vidro Transparente Tubular ........................................................................................................ 51

Visor de Vidro Transparente Plano ........................................................................................................... 52

Visor de Vidro Reflectivo ou Reflex ......................................................................................................... 53

Bias ou Flutuadores ................................................................................................................................. 55

Medio de Nvel por Presso Hidrosttica............................................................................................... 56

Medio em Tanques Abertos ...................................................................................................... 56

Medio em Tanques Fechados .................................................................................................... 56

Elevao de zero ........................................................................................................................... 57

Supresso de zero ......................................................................................................................... 57

Potes de selagem X Potes de drenagem ..................................................................................................... 58

Medio de Nvel por Empuxo O Deslocador ........................................................................................ 60 Medio de Nvel por Borbulhador ........................................................................................................... 63

Medio de Nvel por Sensor Capacitivo .................................................................................................. 64

Medio de Nvel por Efeito Ultrasnico ou Ecossnico .......................................................................... 66

Medio de Nvel por Pesagem ................................................................................................................. 67

Chaves de Nvel ......................................................................................................................................... 68

Vazo ........................................................................................................................................................ 71

Introduo .................................................................................................................................................. 71

Definies .................................................................................................................................................. 71

Relaes Matemticas ............................................................................................................................... 73

Converso de Unidades Vazo Volumtrica X Vazo Gravimtrica ..................................................... 73 Mtodos de Medio de Vazo ................................................................................................................. 75

Propriedade dos Fluidos ............................................................................................................................ 76

Densidade dos Lquidos ................................................................................................................ 77

Viscosidade dos Lquidos ............................................................................................................. 78

Viscosidade absoluta .................................................................................................................... 78

Viscosidade cinemtica ................................................................................................................ 79

Densidade dos Gases .................................................................................................................... 79

Densidade dos Gases midos ....................................................................................................... 81

Coeficiente Isentrpico ................................................................................................................. 83

Viscosidade dos Gases .................................................................................................................. 84

Regimes de Escoamento de Fluidos em Tubulaes ................................................................................. 85

Regime Laminar e Regime Turbulento ..................................................................................................... 86

O Nmero de Reynolds ............................................................................................................................. 86

Equaes com Unidades Usuais para Clculo do Nmero de Reynolds ................................................... 86

Distribuio das Velocidades .................................................................................................................... 88

Leis e Teoremas da Fsica utilizados na medio de vazo ...................................................................... 90

Equao da Continuidade .......................................................................................................................... 90

Equao de Bernoulli Lei da Conservao de Energia ........................................................................... 90 Equao de Bernoulli para Fluidos Reais .................................................................................................. 95

Fator de Expanso Isentrpica ................................................................................................................... 96

Medio de Vazo por Presso Diferencial ............................................................................................... 97

Compensao da Presso e Temperatura na Medio de Vazo ............................................................... 100

Placa de Orifcio ........................................................................................................................................ 101

Dimensionamento de Placas de Orifcio ................................................................................................... 107

Orifcio Integral ......................................................................................................................................... 114

Tubo Venturi ............................................................................................................................................. 117

Bocal de Vazo .......................................................................................................................................... 121

Tubo de Pitot ............................................................................................................................................. 123

Annubar ..................................................................................................................................................... 125

Rotmetros ................................................................................................................................................. 127

Turbinas ..................................................................................................................................................... 132

Medidor Eletromagntico de Vazo .......................................................................................................... 135

Temperatura ............................................................................................................................................ 138

Introduo .................................................................................................................................................. 138

Conceitos ................................................................................................................................................... 138

Formas de Transferncia de Calor ............................................................................................................. 139

Escalas de Temperatura ............................................................................................................................. 139

Especificao de um Sistema de Medio de Temperatura ....................................................................... 140

Classes de Medidores de Temperatura ...................................................................................................... 142

Termmetro de Dilatao de Slidos - Termmetros Bimetlicos............................................................ 143

Termmetros de Dilatao de Lquidos: .................................................................................................. 144

Termmetros de Vidro .................................................................................................................. 144

Sistemas Bulbo Capilar................................................................................................................. 145

Termoresistncias ...................................................................................................................................... 147

Termistores ................................................................................................................................................ 151

Termopares ................................................................................................................................................ 152

Efeito Seebeck .............................................................................................................................. 152

Efeito Peltier ................................................................................................................................. 153

Lei do Circuito Homogneo ......................................................................................................... 153

Lei dos Metais Intermedirios ...................................................................................................... 154

Lei das Temperaturas Intermedirias ............................................................................................ 154

Potncia Termoeltrica ................................................................................................................. 155

Grupos de Termopares .................................................................................................................. 155

Tipos de Termopares .................................................................................................................... 155

Caractersticas de Termopares Bsicos......................................................................................... 156

Caractersticas de Termopares Nobres ......................................................................................... 157

Termopares Especiais ................................................................................................................... 158

Correo da Junta de Referncia .................................................................................................. 159

Fios e Cabos de Extenso ............................................................................................................. 160

Fios e Cabos de Compensao ..................................................................................................... 160

Associao de Termopares ........................................................................................................... 162

Associao Srie .............................................................................................................. 162

Associao em Srie Oposta ............................................................................................ 162

Associao em Paralelo ................................................................................................... 163

Erros nas Ligaes de Termopares ............................................................................................... 164

Montagem de Termopares ............................................................................................................ 166

Termopares Isolao Mineral ....................................................................................................... 166

Tubo de Proteo de Termopares ................................................................................................. 168

pH .............................................................................................................................................................. 169

Analisadores de pH .................................................................................................................................... 169

Teoria de Funcionamento .......................................................................................................................... 169

Mtodos de Medio de pH ....................................................................................................................... 170

Potencial de Assimetria ............................................................................................................................. 175

Elementos de um Analisador de pH .......................................................................................................... 175

Aplicaes ................................................................................................................................................. 178

Exemplo de Aplicao ............................................................................................................................... 179

ELETROELETRNICA ____________________________________________________________

TCNICO 5

INTRODUO INSTRUMENTAO E CONTROLE DE PROCESSOS:

A necessidade do aumento na produo industrial visando atender demanda sempre crescente, a busca

contnua pelo baixo custo e a criao e fabricao de novos produtos, propiciou o aparecimento de um

nmero cada vez maior de indstrias. Estas indstrias s puderam surgir devido ao controle automtico de

processos industriais, sem o qual a produo no seria de boa qualidade e mesmo alguns produtos no

poderiam ser fabricados.

O controle automtico de processos industriais cada vez mais empregado por aumentar a produtividade,

baixar os custos, eliminar erros que seriam provocados pelo elemento humano e manter automtica e

continuamente o balano energtico de um processo.

Para poder controlar automaticamente um processo precisamos saber como ele est se comportando para

podermos corrigi-lo, fornecendo ou retirando dele alguma forma de energia, como por exemplo, presso ou

calor. Essa atividade de medir, comparar e controlar grandezas feita por equipamentos e instrumentos que

so objeto de estudo da INSTRUMENTAO.

Nas indstrias de processos tais como a siderrgica, petroqumica, alimentcia, papel, etc., a

INSTRUMENTAO responsvel pelo rendimento mximo de um processo, fazendo com que toda

energia cedida seja transformada em trabalho na elaborao do produto desejado.

As principais grandezas medidas e controladas dentro de um processo industrial so: PRESSO, NVEL,

VAZO, TEMPERATURA, pH, DENSIDADE, etc.; as quais so comumente denominadas como

variveis de processo.


TCNICO 6

CONCEITOS BSICOS EM INSTRUMENTAO E CONTROLE DE PROCESSOS:

INSTRUMENTAO:

a cincia que aplica e desenvolve tcnicas para adequao de instrumentos de medio, transmisso,

indicao, registro e controle de variveis em processos industriais. a arte e a cincia que projeta, constri,

instala, opera e mantm estes instrumentos.

VARIVEL DE PROCESSO:

Qualquer fenmeno fsico ou fsico/qumico cuja quantidade, propriedade ou condio fsica medida a fim

de que se possa efetuar sua indicao e/ou o controle de um processo (tambm chamada de varivel

controlada). As principais variveis de processos encontradas em ambientes industriais so: vazo,

temperatura, presso, nvel, densidade, pH, condutividade, etc.

VARIVEL MANIPULADA:

a varivel que operada com a finalidade de manter a varivel controlada no valor desejado.

PROCESSO:

SET POINT:

um valor desejado estabelecido previamente como referncia no qual a varivel controlada deve

permanecer.

DISTRBIO:

uma condio que tende a afetar adversamente o valor da varivel controlada.

DESVIO:

Representa o valor resultante da diferena entre o valor desejado e o valor da varivel controlada. Tambm

chamado erro.

GANHO:

Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudana na sada e a taxa de mudana na entrada

que a causou. Ambas, a entrada e a sada devem ser expressas na mesma unidade.

TOMADA DE IMPULSO:

Uma tomada de impulso um determinado ponto em um processo industrial (torre, vaso, tubulao, etc.) em

que se pode tomar uma medida de uma varivel fsica qualquer, seja um valor de presso, uma temperatura,

uma densidade ou qualquer outra disponvel.

Qualquer operao ou seqncia de operao

envolvendo uma mudana de estado,

composio, dimenso ou outras

propriedades que possam ser definidas

relativamente a um padro. Pode ser

contnuo ou em bateladas.

Fig.1: exemplo tpico de um processo


TCNICO 7

CLASSES DE INSTRUMENTOS APLICADOS EM INSTRUMENTAO E CONTROLE DE

PROCESSOS:

CLASSIFICAO POR FUNO:

ELEMENTO PRIMRIO:

Parte de uma malha ou de instrumento que primeiro sente o valor da varivel de processo e que assume uma

correspondncia pr-determinada de estado ou sinal de sada inteligvel. O elemento primrio tambm

conhecido como detector ou sensor.

INDICADOR:

Instrumento que nos fornece o valor de uma varivel de processo, na forma de um ponteiro e uma escala, ou

nmeros ou bar graph (grfico de barras), etc.

REGISTRADOR:

Instrumento que registra o valor da varivel de processo em uma carta grfica, por meio de um trao

contnuo ou pontos.

TRANSMISSOR:

Dispositivo que detecta uma varivel de processo por meio de um elemento primrio e que tem uma sada

cujo valor proporcional ao valor da varivel de processo.

ELEMENTO FINAL DE CONTROLE:

Dispositivo que altera diretamente o valor da varivel manipulada de uma malha de controle

CONTROLADOR:

Dispositivo que tem um sinal de sada (MV) que funo da diferena entre o sinal de entrada (PV) e o valor

desejado para a varivel controlada (SP) quando em modo automtico. Utilizado para alterar o estado de um

elemento final de controle e sua varivel manipulada visando manter a varivel controlada dentro de limites

especificados.

CONVERSOR:

Dispositivo que recebe uma informao na forma de um sinal, altera a forma da informao e o emite como

um sinal de sada. O conversor trabalha com sinais de entrada/sada padres em Instrumentao.

REL DE COMPUTAO:

Instrumento que recebe um ou mais sinais de outros instrumentos, realiza operaes matemticas, de lgica

ou de seleo de sinais e envia o resultado a outro instrumento.

TRANSDUTOR:

Termo genrico aplicado ao instrumento que pode no trabalhar com sinais padres na entrada e sada. Como

possvel observar, o elemento primrio e o transmissor, entre outros, podem ser considerados transdutores,

porm com funes especficas.


TCNICO 8

CLASSIFICAO POR SINAL DE TRANSMISSO OU DE SUPRIMENTO:

Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir

sero descritos os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.

PNEUMTICO: neste tipo utilizado um gs comprimido, cuja presso alterada conforme o valor que se deseja representar. Neste caso a variao da presso do gs linearmente manipulada numa faixa

especfica, padronizada internacionalmente, para representar a variao de uma grandeza desde seu limite

inferior at seu limite superior. O padro de transmisso ou recepo de instrumentos pneumticos mais

utilizado de 0,2 a 1,0 kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15 PSI no sistema ingls). O gs mais utilizado para

transmisso o AR COMPRIMIDO, sendo tambm utilizado o NITROGNIO e em casos especficos o

GS NATURAL (Petrobras). A grande e nica vantagem em se utilizar atualmente instrumentos

pneumticos est no fato de se poder oper-los com segurana em reas onde existem riscos de exploso reas classificadas - como centrais de gs, por exemplo.

Desvantagens:

a) Necessita de tubulao de ar comprimido (ou outro gs) para seu suprimento e funcionamento.

b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc., para fornecer

aos instrumentos ar seco e sem partculas slidas.

c) Devido ao atraso que ocorre na transmisso do sinal, este no pode ser enviado longa distncia, sem uso

de reforadores. Normalmente a transmisso limitada a aproximadamente 100 m.

d) Vazamentos ao longo da linha de transmisso ou mesmo nos instrumentos so difceis de serem

detectados.

e) No permite conexo direta aos computadores.

NOTA: Os sinais de transmisso analgica normalmente comeam em um valor acima do zero para garantir

o rpido reconhecimento em casos de rompimento do meio de comunicao. o chamado ZERO VIVO.

HIDRULICO: similar ao tipo pneumtico e com desvantagens equivalentes, o tipo hidrulico utiliza-se da variao de presso exercida em leos hidrulicos para transmisso de sinal. especialmente utilizado

em aplicaes onde torque elevado necessrio ou quando o processo envolve presses elevadas.

Vantagens:

a) Pode gerar grandes foras e assim acionar equipamentos de grande peso e dimenses.

b) Resposta rpida.

Desvantagens:

a) Necessita de tubulaes de leo para transmisso e suprimento.

b) Necessita de inspeo peridica do nvel de leo bem como sua troca.

c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatrio, filtros, bombas, etc.


TCNICO 9

ELTRICO: este tipo de transmisso feito utilizando sinais eltricos de corrente ou tenso. Em face da tecnologia disponvel no mercado em relao fabricao de instrumentos eletrnicos microprocessados,

hoje, este tipo de transmisso largamente utilizado em todas as indstrias.

Assim, como na transmisso pneumtica, o sinal linearmente modulado em uma faixa padronizada

representando o conjunto de valores entre o limite mnimo e mximo de uma varivel de processo qualquer.

Como padro para transmisso a longas distncias so utilizados sinais em corrente contnua variando de 4 a

20 mA e para distncias at 15 metros aproximadamente, tambm utilizam-se sinais em tenso contnua de 1

a 5V.

Vantagens:

a) Permite transmisso para longas distncias sem perdas.

b) A alimentao pode ser feita pelos prprios fios que conduzem o sinal de transmisso.

c) Necessita de poucos equipamentos auxiliares.

d) Permite fcil conexo aos computadores.

e) Fcil instalao.

f) Permite de forma mais fcil a realizao de operaes matemticas.

Desvantagens:

a) Necessita mo de obra especializada para sua instalao e manuteno.

b) Exige utilizao de instrumentos e cuidados especiais em instalaes localizadas em reas de risco.

c) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais.

d) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra rudos eltricos.

DIGITAL: neste tipo, pacotes de informaes sobre a varivel medida so enviados para uma estao receptora, atravs de sinais digitais modulados e padronizados.

Para que a comunicao entre o elemento transmissor receptor seja realizada com xito utilizada uma

linguagem padro chamada protocolo de comunicao.

Vantagens:

a) No necessita ligao ponto a ponto por instrumento.

b) Pode utilizar um par tranado ou fibra ptica para transmisso dos dados.

c) Imune a rudos externos.

d) Permite configurao, diagnsticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha.

e) Menor custo final.

Desvantagens:

b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicao pode-se perder a informao e/ou controle de vrias

malhas.

RDIO: neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos so enviados sua estao receptora via ondas de rdio em uma faixa de freqncia especfica.

Vantagens:

a) No necessita de cabos de sinal.

b) Pode-se enviar sinais de medio e controle de mquinas em movimento.

Desvantagens:

a) Alto custo inicial.

b) Necessidade mo de obra altamente especializada.


TCNICO 10

MODEM: a transmisso dos sinais feita atravs de utilizao de linhas telefnicas pela modulao do sinal em freqncia, fase ou amplitude.

Vantagens:

a) Baixo custo de instalao.

b) Pode-se transmitir dados a longas distncias.

Desvantagens:

a) Necessita de profissionais especializados.

b) Baixa velocidade na transmisso de dados.

c) Sujeito a interferncias externas, inclusive violao de informaes.


TCNICO 11

TERMINOLOGIA APLICADA EM INSTRUMENTAO E CONTROLE DE PROCESSOS:

FAIXA DE MEDIDA (RANGE):

Conjunto de valores da varivel medida, que esto compreendidos dentro do limite superior e inferior da

capacidade de medida ou de transmisso do instrumento. O range expresso determinando-se os valores

extremos de sua faixa de trabalho.

Exemplos: Termmetro com faixa de medida de 0C a 150C.

Manmetro com faixa de medida de 10 a 100 PSI.

URL (UPPER RANGE LIMIT): Limite superior da faixa nominal - mximo valor de medida que pode ser ajustado para a indicao de um

instrumento de medir.

URV (UPPER RANGE VALUE): Valor superior da faixa nominal - mximo valor que pode ser indicado por um instrumento de medir. O URV

ajustado em um instrumento sempre menor ou igual ao URL do instrumento.

LRL (LOWER RANGE LIMIT): Limite inferior da faixa nominal - mnimo valor de medida que pode ser ajustado para a indicao de um

instrumento de medir.

LRV (LOWER RANGE VALUE): Valor inferior da faixa nominal - mnimo valor que pode ser indicado por um instrumento de medir. O LRV

ajustado em um instrumento sempre maior ou igual ao LRL do instrumento.

ALCANCE (SPAN):

a diferena algbrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida do instrumento.

Exemplos: Um termmetro com range de 100C a 500C tem um SPAN de: 500 100 = 400C. Um manmetro com range de 0 a 10.000 mmH2O tem um SPAN de: 10.000 0 = 10.000 mmH2O.

ERRO:

a diferena entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relao ao valor real da varivel medida.

Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de ERRO ESTTICO, que pode ser positivo ou

negativo, dependendo da indicao do instrumento (que pode estar indicando a mais ou a menos).

Quando tivermos a varivel variando, teremos um atraso na transferncia de energia do meio para o medidor.

O valor medido estar geralmente atrasado em relao ao valor real da varivel. Esta diferena entre o valor

real e o valor medido chamada de ERRO DINMICO.

Quando a varivel no estiver variando pode-se ter somente erro esttico.

Quando a varivel estiver variando, pode-se ter tanto o erro dinmico quanto o erro esttico.

Fig.2: grfico indicativo de erro

Curva ideal

ERRO

Valor Medido X

Valor Indicado

Tempo

Curva ideal

ERRO

Valor Medido X

Valor Indicado

Tempo


TCNICO 12

EXATIDO:

a aptido de um instrumento de medio para dar respostas prximas a um valor verdadeiro convencional.

A exatido um conceito qualitativo e normalmente dada como um percentual do fundo de escala do

instrumento.

Exemplo: Um voltmetro com fundo de escala 10V e exatido de (mais ou menos) 1%. O erro mximo

esperado de 0,1V. Isto quer dizer que se o instrumento mede 1V, o possvel erro de 10% deste valor

(0,1V). Por esta razo uma regra importante escolher instrumentos com uma faixa apropriada para os

valores a serem medidos.

Observao: o termo exatido no deve ser usado como sinnimo de preciso.

CLASSE DE EXATIDO:

a classe de instrumentos de medio que satisfazem a certas exigncias metrolgicas destinadas a

conservar os erros dentro de limites especificados.

PRECISO:

A preciso o termo que descreve o grau de liberdade a erros aleatrios, ou seja, ao nvel de espalhamento

de vrias leituras em um mesmo ponto. A preciso freqentemente confundida com a exatido. Um

aparelho preciso no implica que seja exato. Uma baixa exatido em instrumentos precisos decorre

normalmente de um desvio ou tendncia (bias), o que poder ser corrigido por um novo ajuste.

Os graus de repetitividade e de reprodutibilidade so maneiras alternativas de se expressar a preciso.

Embora estes termos signifiquem praticamente a mesma coisa, eles so aplicados a contextos diferentes.

A REPETITIVIDADE descreve o grau de concordncia entre os resultados de medies sucessivas de um

mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condies de medio. Estas condies so denominadas

condies de repetitividade e incluem o mesmo procedimento de medio, mesmo observador, mesmo

instrumento de medio utilizado nas mesmas condies, mesmo local e repetio em curto perodo de

tempo.

A REPRODUTIBILIDADE expressa o grau de concordncia entre os resultados das medies de um

mesmo mensurando, efetuadas sob variadas condies de medio. Para que uma expresso de

reprodutibilidade seja vlida, necessrio que sejam especificadas as condies alteradas, que podem incluir

o princpio de medio, padro de referncia, local, condies de utilizao e condies climticas.

A preciso pode ser expressa em:

Porcentagem do alcance (SPAN):

Um instrumento possui um SPAN de 100C e est indicando 80C. Sua preciso de 0,5%. Assim, sabemos

que a temperatura estar entre 79,5C e 80,5C.

Diretamente em unidades da varivel:

Preciso de (mais ou menos) 2C.

Porcentagem do valor medido:

Preciso de (mais ou menos) 1%. Para 80C teremos uma margem de (mais ou menos) 0,8C.

Porcentagem do valor mximo da escala do instrumento:

Preciso de 1%. Range de 50 a 150C.

A preciso ser, ento, de (mais ou menos) 1,5C.

Porcentagem do comprimento da escala:

Se o comprimento da escala de um instrumento fosse de 30 cm, com range de 50 a 150C e preciso de 1%,

teramos uma tolerncia de (mais ou menos) 0,3 cm na escala do instrumento.

Podemos ter a preciso variando ao longo da escala do instrumento, podendo o fabricante indicar seu valor

em algumas faixas da escala do instrumento.


TCNICO 13

Exemplo: um manmetro pode ter uma preciso de (mais ou menos) 1% em todo seu range e ter na faixa

central de sua escala uma preciso de 0,5%.

RANGEABILIDADE:

a relao entre o valor mximo e o valor mnimo, lidos com a mesma preciso na escala de um

instrumento.

Exemplo: um medidor de vazo com range de 0 a 200 m3/h com preciso de 1% do valor medido e

rangeabilidade de 10:1 significa que a preciso de 1% do valor medido ser respeitada entre os 200 m3/h e 20

m3/h, pois 200m

3/h : 20 m

3/h = 10:1.

A rangeabilidade pode ser entendida tambm como a relao entre os valores mximo e mnimo em que a

resposta de um dispositivo qualquer acompanha a sua curva ideal, obedecendo a um desvio mximo pr-

definido.

Nas vlvulas de controle, a relao entre os valores mximo e mnimo em que a vazo real da vlvula

acompanha a caracterstica de vazo inerente, dentro do desvio mximo tolervel (alcance de faixa inerente).

Uma vlvula que capaz de manter controle satisfatrio quando a vazo aumenta de 100 vezes em relao ao

valor da vazo controlvel mnima tem uma rangeabilidade inerente de 100:1. A rangeabilidade pode

tambm neste caso, ser definida como a relao entre os coeficientes mximo e mnimo de vazo

controlvel.

TENDNCIA DE UM INSTRUMENTO (BIAS):

um erro sistemtico da indicao de um instrumento que ocorre em toda sua faixa de indicao. A

tendncia normalmente estimada pela mdia dos erros de indicao de um nmero apropriado de medies

repetidas e poder ser removida atravs de novo ajuste.

HISTERESE:

Diferena mxima que se observa nos valores indicados pelo instrumento, para um mesmo valor qualquer da

faixa de medida, quando a varivel percorre toda a escala tanto no sentido crescente como no decrescente. A

histerese geralmente expressa em porcentagem do alcance (SPAN).

SENSIBILIDADE:

Valor mnimo que a varivel deve mudar para obter-se uma variao na indicao ou transmisso.

Normalmente expressa em porcentagem do alcance (SPAN).

Ex.: um termmetro de vidro com range de 0 a 500C possui uma escala de leitura de 50cm.

Sensibilidade = 50cm/500C = 0,1cm/C

RESOLUO:

a menor diferena entre as indicaes de um dispositivo mostrador que pode ser significativamente

percebida. Para um dispositivo mostrador digital, a variao na indicao quando o dgito menos

significativo varia de uma unidade.

No instrumento cuja curva de histerese est representada

ao lado, e cujo range de 0 a 200C a histerese igual a

0,2% do SPAN.

Fig.3: grfico de histerese

80 1000

79,8

80,2

100

Entrada C

Leitura ou sada C

80 1000

79,8

80,2

100

Entrada C

Leitura ou sada C

79,8

80,2

100

Entrada C

Leitura ou sada C


TCNICO 14

ZONA MORTA:

a maior variao permitida que no produza alterao perceptvel na indicao do instrumento.

Ex.: um instrumento com range de 0C a 200C, possui uma zona morta de 0,1% do SPAN = 0,2C. Portanto,

se a temperatura variar em at 0,2C o instrumento no apresentar nenhuma alterao em sua indicao.

RASTREABILIDADE: Propriedade de um resultado de medio que consiste em poder referenciar-se a padres apropriados

geralmente internacionais ou nacionais por meio de uma cadeia de comparaes, segundo uma hierarquia

metrolgica.

AJUSTE (de um instrumento) Operao destinada a fazer com que um instrumento de medir tenha um funcionamento e justeza adequados

sua utilizao.

CALIBRAO (de um instrumento): Conjunto de operaes que estabelece, sob condies especificadas, a relao entre os valores indicados por

um instrumento de medio e os valores correspondentes das grandezas Estabelecidos por padres. O

resultado de uma calibrao permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicaes,

como a determinao das correes a serem aplicadas. Quando registrada em um documento, temos um

certificado de calibrao ou relatrio de calibrao.

TEMPO DE RESPOSTA: Intervalo de tempo entre o instante em que um estmulo submetido a uma variao brusca e o instante em

que a resposta alcana seu valor final e nele permanece, dentro de limites especificados.


TCNICO 15

SIMBOLOGIA APLICADA INSTRUMENTAO E CONTROLE DE PROCESSOS:

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

configuraes das malhas de instrumentao, normas foram criadas em diversos pases.

No Brasil a Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT) atravs de sua norma NBR 8190 apresenta e

sugere o uso de smbolos grficos para representao dos diversos instrumentos e suas funes ocupadas nas

malhas de instrumentao.

Este trabalho mostra a seguir a essncia da NBR 8190, que est em conformidade com a S.5.1

(Instrumentation Symbols and Identification) da Instruments Society of America (ISA).

De acordo com a norma, cada instrumento ou funo programada ser identificado por um conjunto de letras

que o classifica funcionalmente, de acordo com a tabela abaixo.

Fig.4: tabela para identificao funcional de instrumentos


TCNICO 16

A tabela a seguir mostra um resumo destas classificaes.

Alm do conjunto de letras, a identificao de um instrumento ou funo programada ser completada por

um conjunto de nmeros que indicaro a rea de atividade a que pertence o instrumento e outro conjunto de

nmeros que indicaro a qual malha de controle o instrumento faz parte. Eventualmente, para completar a

identificao, poder ser utilizado um sufixo.

Exemplo de Identificao de Instrumento:

T: varivel medida ou iniciadora: temperatura;

R: funo passiva ou de informao: registrador;

C: funo ativa ou de sada: controlador;

210: rea de atividades, onde o instrumento ou funo programada atua;

02: nmero seqencial da malha;

A: sufixo.

Varivel Sensor Transmissor Indicador Controlador Registrador Chave Vlvulas de

Controle

Vlvulas de Segurana

Presso PE PT ou PIT ou PDT

PI PIC PR PSH ou PSL

PCV PSV

Vazo FE FT ou FIT FI FIC FR LSH ou LSL

FCV FSV

Temperatura TE TT TI TIC TR TSH ou TSL

TCV TSV

Nvel LE LT ou LIT LI ou LG LIC LR LSH ou LSL

LCV LSV

Densidade DE DT DI DIC DR DSH ou DSL

DCV DSV

pH AE ou XE

AT, AIT, XT, XIT

AI, XI AIC, XIC AR, XR ASH, ASL ACV ASV

Vibrao VE ou XE

VT ou XT VI, XI VIC, XIC VR, XR VSH,VSL, XSH, XSL

VCV VSV

Posio ZE ZT ZI ZIC ZR ZSH, ZSL DCV DSV Tenso EE ET EI EIC ER ESH,ESL Corrente IE IT II IIC IR ISH, ISL Potncia JE JT JI JIC JR JSH, JSL

IDENTIFICAO DO INSTRUMENTO

IDENTIFICAO DA MALHAIDENTIFICAO FUNCIONAL

SUF

IXO

NSEQUENCIAL DA MALHA

REA DE ATIVIDADES

FUNOVARIVEL

A2210RCT

IDENTIFICAO DO INSTRUMENTO

IDENTIFICAO DA MALHAIDENTIFICAO FUNCIONAL

SUF

IXO

NSEQUENCIAL DA MALHA

REA DE ATIVIDADES

FUNOVARIVEL

A2210RCT

Fig.5: tabela resumida para identificao funcional de instrumentos

Fig.6: exemplo de identificao completa de instrumentos


TCNICO 17

A tabela abaixo mostra os smbolos gerais utilizados para representar instrumento ou funo programada, de

acordo com o tipo e sua localizao.

A tabela abaixo mostra os smbolos gerais utilizados para representar as funes de processamento de sinais.

Fig.7: smbolos utilizados em fluxogramas de instrumentao e processo



TCNICO 18

Os smbolos abaixo so utilizados para representar as linhas de interligao entre instrumentos.

* As abreviaes seguintes so sugeridas para especificar o tipo de alimentao:

AS: ar de alimentao;

IA: ar de instrumento;

PA: ar da planta;

ES: alimentao eltrica;

GS: alimentao de gs;

HS: alimentao hidrulica;

NS: alimentao de nitrognio;

SS: alimentao de vapor;

WS: alimentao de gua.

Observao:

O nvel de alimentao pode ser adicionado abreviao do tipo de alimentao. Exemplo: ES24VDC - Alimentao Eltrica de 24 Volts Contnua.

** O smbolo de sinal pneumtico aplica-se para qualquer gs de mdio sinal. Se um outro gs usado, este

pode ser identificado por uma nota no smbolo do sinal ou de outra maneira.

*** Fenmeno eletromagntico inclui aquecimento, ondas de rdio, radiao nuclear e luz.

Para todos os tipos usuais de vlvulas, vasos, equipamentos, instrumentos, etc., existem convenes de

desenho, geralmente de acordo com as convenes da Instruments Society of America ISA e podem ser encontradas nas normas ISA S5.1 e NBR 8190.

NOTA: a edio atual da NBR 8190 data de outubro de 1983.



TCNICO 19

FLUXOGRAMA DE PROCESSO E INSTRUMENTAO (P&I):

Fluxogramas so as representaes simblicas do processo para fins de localizao, identificao e anlise do funcionamento de seus componentes. Os fluxogramas so desenhos esquemticos sem escala que mostram toda a rede de tubulaes e os diversos vasos, bombas, instrumentos e todo equipamento pertencente ao processo.

Nos Fluxogramas de Processo e Instrumentao deve estar contido:

As tubulaes principais com indicao do fluido contido, o sentido do fluxo e suas dimenses principais.

Todos os vasos (tanques, tambores, vasos, reatores) com indicao das caractersticas bsicas, como tipo, dimenses principais, temperatura e presso de trabalho, nmero de bandejas, etc.

As principais vlvulas de bloqueio, regulagem, controle, segurana, alvio, etc.

Todos os equipamentos importantes (bombas, compressores, ejetores, filtros, trocadores de calor, etc.) com indicao das caractersticas bsicas como vazo, temperatura, presso, carga trmica, etc.

Todos os instrumentos principais devero estar indicados por sua simbologia e nomenclatura.

HV 15 103B

LG 103A

H L

FIT 103A

FI 103C

FI 103B

B1 103B

B2 103A

RS1 103

TQ1 103

FE 103B

FCV 103A

IA

I

P

ATM

HV 02 103B

HV 05 103B

HV 04 103B

HV 06

103B

HV 07

103B

HV 08 103B

HV 09 103B

HV 10 103B

HV 12 103B

HV 11 103B

HV 13 103B

HV 22 103C

HV 24 103C

HV 23 103C

HV 29 103

LG 103A

LIT 103A

LIC LY FICSP MV

PV

SPR MV

PV

HV 03 103B

HV 15 103B

LG 103A

H L

FIT 103A

FI 103C

FI 103B

B1 103B

B2 103A

RS1 103

TQ1 103

FE 103B

FCV 103A

IA

I

P

I

P

ATM

HV 02 103B

HV 05 103B

HV 04 103B

HV 06

103B

HV 07

103B

HV 08 103B

HV 09 103B

HV 10 103B

HV 12 103B

HV 11 103B

HV 13 103B

HV 22 103C

HV 24 103C

HV 23 103C

HV 29 103

LG 103A

LIT 103A

LIC LY FICSP MV

PV

SPR MV

PV

HV 03 103B

Fig.10: exemplo de um fluxograma de processo e instrumentao


TCNICO 20

SISTEMAS DE UNIDADES DE MEDIDAS:

DEFINIO DAS UNIDADES DE MEDIDA NO SISTEMA INTERNACIONAL (SI): O Sistema Internacional de Unidades, abreviao SI, o sistema desenvolvido pela Conferncia Geral de

Pesos e Medidas e adotado em quase todas as naes industrializadas do mundo. As correspondncias de

cada unidade fundamental no SI so:

METRO: o comprimento igual a 1.650.763,73 comprimentos de onda no vcuo, de radiao correspondente transio entre os nveis 2p

10 e 5d

5 do tomo de Criptnio - 86.

SEGUNDO: a durao de 9.192.631.770 perodos de radiao, correspondente transio entre os dois nveis hiperfinos do estado fundamental do tomo de Csio - 133.

QUILOGRAMA: a massa do prottipo internacional do quilograma. Este prottipo conservado no Bureau Internacional de Pesos e Medidas em Svre na Frana.

NEWTON: a fora que d a um corpo de um quilograma de massa, a acelerao de um metro por segundo ao quadrado.

WATT: a potncia que d origem produo de energia na taxa de um joule por segundo.

JOULE: o trabalho realizado quando o ponto de aplicao de uma fora igual a um Newton desloca-se de um metro na direo da fora.

Segundo (s)Segundo (s)Segundo (s)Segundo (s)Tempo

Joule (J)Dina-centmetroou erg

(1 joule = 107

ergs)

Newton-metro(N.m) ou Joule (J)

(0,7376 p-libra)

P-libra (ft-lb)

(1,356 joules)

Energia

Kelvin (K)

K = 273,15 + C)

Celsius (C)Celsius (C)

( 5/9 (F 32))

Fahrenheit (F)

(9/5 . C + 32)

Temperatura

Newton (N)DinaNewton (N)

(100.000 dinas)

Libra (lb)

(4,45 N)

Fora

Quilograma (Kg)Grama (g)Quilograma (Kg)

(1.000 g)

Slug

(14,6 Kg)

Massa

Metro (m)Centmetro (cm)

(2,54 cm = 1 pol.)

Metro (m)

(39,37 pol.)

(100 cm)

Jarda (yd)

(0,914 m)

Comprimento

SICGSMKS

MtricoInglsUnidades

Segundo (s)Segundo (s)Segundo (s)Segundo (s)Tempo

Joule (J)Dina-centmetroou erg

(1 joule = 107

ergs)

Newton-metro(N.m) ou Joule (J)

(0,7376 p-libra)

P-libra (ft-lb)

(1,356 joules)

Energia

Kelvin (K)

K = 273,15 + C)

Celsius (C)Celsius (C)

( 5/9 (F 32))

Fahrenheit (F)

(9/5 . C + 32)

Temperatura

Newton (N)DinaNewton (N)

(100.000 dinas)

Libra (lb)

(4,45 N)

Fora

Quilograma (Kg)Grama (g)Quilograma (Kg)

(1.000 g)

Slug

(14,6 Kg)

Massa

Metro (m)Centmetro (cm)

(2,54 cm = 1 pol.)

Metro (m)

(39,37 pol.)

(100 cm)

Jarda (yd)

(0,914 m)

Comprimento

SICGSMKS

MtricoInglsUnidades

Fig.11: tabela comparativa entre sistemas de unidades


TCNICO 21

PRESSO:

INTRODUO:

Como j foi visto, a Instrumentao a cincia que se ocupa em desenvolver e aplicar tcnicas de medio,

indicao, registro e controle em processos de transformao, visando a otimizao da eficincia dos

mesmos.

Essas tcnicas so normalmente suportadas teoricamente em princpios fsicos e ou fsico-qumicos e para

viabilizar os diversos tipos de instrumentos para medio de variveis industriais utiliza-se das mais

avanadas tecnologias de fabricao.

Dentre essas variveis encontra-se a presso cuja medio possibilita no s a sua monitorao e controle

como tambm a de outras variveis tais como nvel, vazo e densidade.

Assim por ser sua compreenso, a base para o entendimento de outras reas da Instrumentao iniciaremos

revisando alguns conceitos fsicos importantes para medio de presso.

DEFINIES BSICAS:

HIDROSTTICA: cincia que estuda as propriedades dos fluidos em repouso.

HIDRODINMICA: cincia que estuda as propriedades dos fluidos em movimento.

FLUIDO: um fluido uma substncia que pode fluir, isto , escoar facilmente. O termo fluido inclui os lquidos, os gases e os vapores.

SLIDO: toda matria cuja forma no muda facilmente quando submetida a uma fora.

LQUIDOS: toda matria cuja forma pode ser mudada facilmente quando submetida a uma fora, porm

sem mudar o volume. Os lquidos oferecem uma resistncia muito grande compresso.

VAPORES E GASES: toda matria cuja forma e volume podem ser mudados facilmente quando submetida

a uma fora. Os gases so facilmente compressveis.

MASSA ESPECFICA: tambm chamada de densidade absoluta a relao entre a massa e o volume de

uma determinada substncia. representada pela letra grega (r) e no SI pela unidade kg/m3.

DENSIDADE RELATIVA: relao entre a massa especfica de uma substncia A e a massa especfica de

uma substncia de referncia, tomadas mesma condio de temperatura e presso. A densidade relativa

adimensional, ou seja, no apresenta unidade de medida e pode ser indicada por dr.

NOTA:

1 - Para lquidos a densidade de uma substncia tem como referncia a gua destilada a 4C e 1 atm cujo

valor foi convencionado ser igual a unidade.

2 - Para gases e vapores a densidade de uma substncia tem como referncia o ar a 15C e 1 atm cujo valor

foi convencionado ser igual a unidade.


TCNICO 22

PESO ESPECFICO: a relao entre o peso e o volume de uma determinada substncia. representado

pela letra grega (gama) e no SI pela unidade kgf/m3.

CONCEITO DE PRESSO:

Quando uma fora aplicada de forma distribuda sobre uma superfcie, dizemos que existe uma presso

exercida nessa superfcie.

A presso p exercida sobre uma superfcie igual ao quociente da fora F aplicada perpendicularmente rea A da superfcie. Para uma mesma fora, quanto menor for a rea de sua aplicao, maior ser a presso exercida.

Caso a fora aplicada no seja perpendicular a superfcie, preciso calcular a fora equivalente FP aplicada perpendicularmente.

FP ser igual ao produto da fora F pelo seno do ngulo de inclinao entre a superfcie e a direo da

fora F aplicada, ou seja: FP = F.sen .


TCNICO 23

UNIDADES DE PRESSO:

No Sistema Internacional de Unidades (SI), temos:

Fora - expressa em Newton (smbolo N) e definida como a fora que comunica massa de um

quilograma a acelerao de um metro por segundo ao quadrado na direo da fora

(N = Kg . m/s2).

rea - expressa em metro quadrado (smbolo m2) e definida como a rea de um quadrado cujo lado tem

um metro de comprimento.

Presso - expressa em Pascal (smbolo Pa) e definida como a presso exercida por uma fora de um

Newton, uniformemente distribuda sobre uma superfcie plana de um metro quadrado de rea, perpendicular

direo da fora (Pa = N/m2).

A unidade de presso usualmente utilizada no sistema mtrico industrial o kgf/cm2, e no sistema ingls

industrial se utiliza o PSI (lbf/pol2). A converso de uma unidade em outra pode ser facilmente realizada se

lembrarmos que 1 libra = 0,4536Kg e 1 polegada = 2,54cm.

Diversas outras unidades so utilizadas para expressar medidas de presso. As mais usuais so:

cm H2O = centmetro de coluna de gua a 4C

mmH2O = milmetro de coluna de gua a 4C.

pol.H2O = polegada de coluna de gua a 4C.

mmHg ou Torr = milmetro de coluna de mercrio a 0C.

pol.Hg = polegada de coluna de mercrio a 0C.

bar = corresponde aproximadamente presso da gua do mar a 10 metros de profundidade.

atm = atmosfera normal, equivale presso exercida por uma coluna de 760 mmHg, com massa

volumtrica de 13,5951 g/cm3.

Uma importante observao a ser feita que a medio de presso atravs da coluna de um fluido depende

diretamente da densidade do fluido, e esta por sua vez depende da temperatura.

Portanto, ao medirmos uma presso atravs da coluna lquida e esta exigir preciso, devemos especificar qual

a temperatura de referncia e efetuar sua correo caso esta seja diferente da temperatura de trabalho.

A tabela abaixo apresenta valores com as variaes da densidade do mercrio e da gua em funo da

temperatura, de 0 a 40C.

Por exemplo, se uma coluna de mercrio indica 200,0 mmHg temperatura ambiente de 25C, qual seria a

altura da coluna 0C?

Resoluo:

1 . g . h1 = 2 . g . h2

0,9922513,496940

0,9940613,509135

0,9956813,521330

0,9970813,533625

0,9982313,545820

0,9991313,558115

0,9997313,570410

0,999913,58275

0,9998713,59510

Densidade H2O (g/cm3)

Densidade Hg (g/cm3)

Temperatura (C)

0,9922513,496940

0,9940613,509135

0,9956813,521330

0,9970813,533625

0,9982313,545820

0,9991313,558115

0,9997313,570410

0,999913,58275

0,9998713,59510

Densidade H2O (g/cm3)

Densidade Hg (g/cm3)

Temperatura (C)

Fig.12: tabela densidades X temperatura


TCNICO 24

1 . h1 = 2 . h2 h2 = (1 . h1)/ 2 = 199,1 mmHg

1 = densidade do mercrio 25C - h1 = altura do mercrio 25C 2 = densidade do mercrio 0 - h2 = altura do mercrio 0C

FATORES DE CONVERSO DE UNIDADES DE PRESSO:

1101,9987,500620,0098690,010,145040,010197KPa

0,009810,073530,000090,000980,001420,00010mmH2O

0,13313,60410,001320,001330,019340,00136mmHg

101,32510.335760,0611,013314,691,0332atm

10010.197750,060,98692114,5041,0197bar

6,8948703,2951,710,0682,03610,0703PSI

98,066510.003735,580,96780,980714,2331Kgf/cm2

KPammH2OmmHgatmbarPSIKgf/cm2

1101,9987,500620,0098690,010,145040,010197KPa

0,009810,073530,000090,000980,001420,00010mmH2O

0,13313,60410,001320,001330,019340,00136mmHg

101,32510.335760,0611,013314,691,0332atm

10010.197750,060,98692114,5041,0197bar

6,8948703,2951,710,0682,03610,0703PSI

98,066510.003735,580,96780,980714,2331Kgf/cm2

KPammH2OmmHgatmbarPSIKgf/cm2

Fig.13: tabela fatores de converso unidades de presso


TCNICO 25

MEDIDAS DE PRESSO:

Existem duas referncias para a medio de presso:

PRESSO ABSOLUTA = a presso positiva a partir do vcuo perfeito.

PRESSO ATMOSFRICA = em torno da Terra h uma camada de gases com cerca de 50km de extenso

que exerce presso sobre toda a superfcie terrestre denominada atmosfera. A parte inferior desta camada

gasosa, que se encontra na superfcie terrestre, exerce ao nvel do solo, uma presso correspondente ao peso

total desta coluna gasosa. Ao nvel do mar, em condies de intensidade normal de gravidade (acelerao de

9,80665 m/s2) e 0C de temperatura, esta presso equivale a 1 atm, ou 14,69 psia, ou 1,033 kgf/cm

2 abs., ou

760 mm de coluna de Hg.

A dificuldade desta referncia decorre do fato de que ela varia com a altitude e com as condies ambientais

do local.

Quando se utiliza a presso atmosfrica como referncia, as presses medidas a partir desta referncia (acima

desta referncia) so chamadas presses relativas, presses manomtricas (gauge pressures), presses

efetivas ou presses positivas.

As presses abaixo desta referncia so chamadas vcuo ou presses negativas. O vcuo simplesmente

uma reduo da presso atmosfrica. O instrumento utilizado para medio de vcuo denomina-se

vacumetro.

Das definies anteriores, conclui-se que:

PRESSO ABSOLUTA = PRESSO RELATIVA + PRESSO ATMOSFRICA

Obs.: Ao se escrever um valor de presso, importante definir se a presso absoluta ou relativa

(manomtrica), atravs da referncia das letras a para presso absoluta e g para presso manomtrica. Na indstria, quando se omite a referncia, fica implcito que a presso manomtrica.

A figura abaixo mostra graficamente a relao entre os trs tipos de presses medidas:

0 mmHg (vcuo

perfeito ou

absoluto)

760 mmHg abs

ou 0 mmHg

relativo presso

atmosfrica

Presso absoluta

Grau de vcuo

Presso de vcuo

Presso manomtrica

Presso diferencial

0 mmHg (vcuo

perfeito ou

absoluto)

760 mmHg abs

ou 0 mmHg

relativo presso

atmosfrica

Presso absoluta

Grau de vcuo

Presso de vcuo

Presso manomtrica

Presso diferencial

Fig.14: grfico da relao entre as presses


TCNICO 26

PRINCPIOS E TEOREMAS DA FSICA UTILIZADOS NA MEDIO DE PRESSO:

Teorema de STEVIN:

Este teorema foi estabelecido por Simon Stevin (1548 a 1620) e relaciona as presses estticas exercidas por

um fluido em repouso com a altura da coluna do mesmo em um determinado reservatrio.

Seu enunciado diz:

A diferena de presso entre dois pontos de um fluido em repouso igual ao produto do peso

especfico do fluido () pela diferena de cota entre os dois pontos

Resumidamente, temos que a presso exercida no fundo de um reservatrio por um lquido em repouso, pode

ser dada pelo produto da altura do lquido e o seu peso especfico.

Princpio de PASCAL:

A presso exercida em qualquer ponto por um lquido em forma esttica, se transmite integralmente em todas as direes e produz a mesma fora em reas iguais.

Este princpio a base da hidrulica. Na hidrulica utilizam-se fluidos incompressveis; assim, a fora

mecnica desenvolvida em um fluido pode ser transmitida, multiplicada ou controlada.

2

1

A1 = 2 cm2

A2 = 10 cm2

F1

F2h1

h2

10 Kgf

50 Kgf

2

11

A1 = 2 cm2

A2 = 10 cm2

F1

F2h1

h2

10 Kgf

50 Kgf

2

11

A1 = 2 cm2

A2 = 10 cm2

F1

F2h1

h2

10 Kgf

50 Kgf

2

11

A1 = 2 cm2

A2 = 10 cm2

F1

F2h1

h2

10 Kgf

50 Kgf

Fig.15: esquemtico bsico de um macaco hidrulico

ou seja,

h

Presso

P0

h

Presso

P0

P = . h . h P0 +


TCNICO 27

Se aplicarmos uma fora F1 = 10kgf sobre o pisto 1, o pisto 2 levantar um peso de 50 kgf devido ter o

mesmo uma rea 5 vezes maior que a rea do pisto 1.

Ou seja:

Como P1 = F1/A1 e P2 = F2/A2, e sendo P1 = P2, ento:

Logo:

F2 = (F1/A1) . A2

F2 = (10kgf/2cm2) . 10cm

2

F2 = 50kgf

Outro exemplo:

Sabendo-se que F2 = 20 Kgf, A2 = 100 cm2 e A1 = 10 cm

2, calcular F1:

F1/A1 = F2/A2, logo F1 = F2 x A1/A2 = 20 Kgf x 10 cm2/100 cm

2 = 2Kgf

F1

A1

F2

A2=

F1

A1

F1

A1

F2

A2

F2

A2=


TCNICO 28

TIPOS DE PRESSO:

Sempre que um fluido estiver circulando em um duto, devido a ao de um ventilador, exaustor, compressor,

bomba, etc., existir presso esttica, presso dinmica ou cintica, presso total e presso diferencial.

PRESSO ESTTICA a presso exercida em um ponto, em fluidos estticos, que transmitida

integralmente em todas as direes e produz a mesma fora se aplicada em reas iguais.

Caso no haja circulao do fluido, a presso ser a mesma em todos os pontos do duto. Caso haja

circulao, a presso esttica dever ser medida, atravs de um orifcio de presso, com eixo perpendicular

corrente do fluido, de forma que a medio no seja influenciada pela componente dinmica da circulao.

PRESSO DINMICA: a presso devida velocidade de um fluido em movimento em um duto.

Sua resultante pode ser calculada por uma das seguintes frmulas:

Pd = . V2 /2 (N/m2); ou Pd = . V2 /2g (kgf/m2); onde:

Pd = presso dinmica

= massa especfica do fluido (kg/m3) V = velocidade do fluido (m/s)

= peso especfico do fluido (kgf/m3) g = acelerao da gravidade (9,8 m/s

2)

PRESSO TOTAL:

a soma das presses esttica e dinmica.

NOTA: O instrumento que mede as presses

esttica e total, para determinao da velocidade de

um fluido em movimento em uma tubulao o

tubo de Pitot. O tubo de Pitot um dispositivo

utilizado para medio de vazo e ser visto com

maiores detalhes adiante.

Fig.17: esquemtico para medio de presso esttica, dinmica e total

Presso Esttica Presso Dinmica Presso TotalPresso Esttica Presso Dinmica Presso Total

Fig.16: pontos de medio de presso esttica

hh


TCNICO 29

PRESSO DIFERENCIAL:

a diferena de presso medida em dois pontos de um duto ou equipamento, tambm chamado de P (delta P).

A existncia de um obstculo passagem do fluido (placa de orifcio, filtro, vlvula, etc.), instalado em um

duto, gera uma perda de carga. Esta perda de carga pode ser medida conectando-se um lado de um

manmetro de tubo em U montante e o outro lado jusante do obstculo. O valor indicado ser uma medida da presso diferencial.

P

Fig.18: delta P criado em um

obstculo percorrido por um fluido.


TCNICO 30

CLASSIFICAO DOS ELEMENTOS MEDIDORES DE PRESSO:

Os dispositivos usados nas tomadas de impulso para medio de presso podem ser classificados de acordo

com seus princpios de funcionamento:

a) por equilbrio de uma presso desconhecida contra uma fora conhecida:

Colunas de lquido (Manmetros de tubo em U)

b) por meio da deformao de um material elstico:

Tubo de Bourdon (em forma de C, espiral ou helicoidal) Membrana Fole

c) por meio de variao de uma propriedade fsica:

Clula Strain Gauge Clula Piezoeltrica

d) d/p cell (clula de presso diferencial):

Clulas Capacitivas

MANMETRO DE TUBO EM U:

Ele montado sobre uma base onde uma escala milimetrada fixada com valores crescentes e decrescentes a

partir do referencial ZERO (ponto de nivelamento do fluido) e ir trabalhar sempre na vertical sendo o

prumo obedecido.

O tubo ento cheio, at seu ponto mdio, com um lquido de peso especfico conhecido (gua, lcool,

mercrio, etc.).

Depois de introduzido o fluido, a escala ser movimentada para cima ou para baixo atravs de um ajuste

mecnico para melhor convenincia do ajuste de zero.

Em funo do peso especfico do lquido de enchimento e tambm da fragilidade do tubo de vidro que limita

seu tamanho, esse instrumento utilizado somente para medio de baixas presses. Em termos prticos, a

altura de coluna mxima disponvel no mercado de 2 metros e assim a presso mxima medida de 2

mH2O caso se utilize gua destilada, e 2 mHg com utilizao de mercrio.

O manmetro de tubo em U o mais simples e mais barato dos instrumentos de medio direta de baixas presses.

O instrumento consiste de um tubo com duas sees retas e

paralelas, com uma curvatura de 180 em sua base.

O manmetro de tubo em U o mais simples e mais barato dos instrumentos de medio direta de baixas presses.

Tipicamente o dimetro interno do tubo 1/4 de polegada e

para que se alcance uma boa preciso a seo interna deve ser

rigorosamente uniforme, o que ir promover linearidade entre

os ramos visto que o desequilbrio do fluido manomtrico

quem determinar o valor da presso desconhecida.

0

1

2

3

4

1

2

3

4

5

5

h

h2

h1

Atmosfera Presso

Fig.19: representao de um

manmetro de tubo em U


TCNICO 31

importante conhecer o ponto correto do ajuste de zero pela visualizao do menisco (ponto de referencial

do fluido), pois os fluidos apresentam diferenas em funo das foras de agregao molecular.

ATENO: O dimensional permanece mmCA pois a densidade do mercrio relativa densidade da gua,

ou seja, 13,62 vezes maior que esta.

MANMETRO DE TUBO EM U COM DIAMETROS DIFERENTES:

Neste caso, o objetivo medir e ler presses mdias (em torno de 3 kgf/cm2).

Pela figura anterior, temos:

P1 = P2 + g . (h + h1)

Logo,

0

1

2

3

4

1

2

3

4

5

5

h

h2

h1

Atmosfera Presso

Considerando na figura do manmetro ao lado cada subdiviso da

escala igual a 10 cm, o valor da presso aplicada ser dada pelo

desnvel h multiplicado pela densidade relativa do fluido

manomtrico utilizado.

Caso o fluido fosse gua ( = 1g/cm3), o valor da presso seria de 60cm de coluna dgua ou 600 mmCA.

Caso o fluido fosse, por exemplo, mercrio (Hg = 13,62g/cm3), ao multiplicarmos a mesma cota por 13,62 teramos como resultado um

valor de presso de 4.086 mmCA.

Fig.20: referencial de leitura em manmetro de tubo em U

Menisco com a

utilizao de GUA

como fluido manomtrico.

Ponto

referencial

para leitura

Ponto

referencial

para leitura

Menisco com a

utilizao de

MERCRIO como

fluido manomtrico.

0

P1

P2

D

d

D

0

P1

P2

d

h

h1

Fig.21: esquema de manmetro de tubo em U com dimetros diferentes

P1 = 0 P1 > 0


TCNICO 32

P1 - P2 = g . (h + h1) (I)

Como a relao de volumes deslocados em cada ramo :

( . (D/2)2) . h = ( . (d/2)2) . h1

Rescrevendo em funo de h, temos:

h = ( . (d/2)2) . h1/ ( . (D/2)2), logo:

h = (d2 / D

2) . h1

Substituindo h em (I), temos:

P1 - P2 = g ((d2 / D2) . h1 + h1)

Colocando h1 em evidncia:

P1 - P2 = g . h1 ((d2 / D2) + 1)

De onde extramos a frmula para o clculo da presso:

NOTA: Os instrumentos deste tipo, geralmente, possuem uma escala de leitura que leva em considerao o

deslocamento do zero, ou seja, a escala j considera/corrige o fator (1 + d2/D2), possibilitando a leitura direta e precisa da presso na escala existente no tubo de menor dimetro.

MANMETRO DE TUBO INCLINADO:

O princpio de funcionamento deste tipo de manmetro o mesmo que aquele de tubo em U com dimetros diferentes.

Neste caso, o tubo de pequeno dimetro (d) inclinado com um certo ngulo , de maneira a obter-se um grande deslocamento do lquido no tubo inclinado, mesmo no caso de medio de presses muito pequenas.

Este instrumento permite medir presses da ordem de 0,02 mmCA.

P = . h1 .d2

D2(1 + )P = . h1 .

d2

D2

d2

D2(1 + )

0

d

P1

P2

D

0

d

P1

P2

D

h

L

Fig.22: esquema de manmetro de tubo em U com tubo inclinado

P1 = 0

P1 > 0


TCNICO 33

Neste tipo de manmetro necessrio se trabalhar com o instrumento perfeitamente nivelado e deve-se evitar

que ele seja submetido a vibraes.

A equao de equilbrio do manmetro de tubo inclinado dada pela frmula:

Esta equao demonstra que, para uma presso determinada, quanto menor for o ngulo maior ser o deslocamento do lquido no tubo inclinado, pois o valor de sen ser tanto menor quanto menor for o ngulo .

MEDIDORES DE PRESSO POR ELEMENTOS ELSTICOS:

TUBOS DE BOURDON:

Os tubos de Bourdon geralmente so compostos de um tubo com seo oval, disposto na forma de arco de

circunferncia, tendo uma de suas extremidades fechada e a outra extremidade aberta e conectada ao

processo cuja presso ser medida.

O seu funcionamento, independente do seu formato, baseia-se no fato de ao aplicarmos presso na

extremidade aberta, ocorre um movimento em sua extremidade fechada, que tenta desenrolar. Este movimento transmitido atravs de engrenagens a um ponteiro ou mecanismo que, por sua vez, ir

indicar/transmitir a medida de presso.

P = h . . (1 + d2/D2) . sen P = h . . (1 + d2/D2) . sen

Tipo C Tipo Espiral Tipo Helicoidal

Fig.23: ilustraes de tubos de Bourdon


TCNICO 34

O tubo de Bourdon tipo C o mais utilizado e tem uma faixa de trabalho que varia de 0,5 a 7000 kgf/cm2.

Como o deslocamento do tubo de Bourdon tipo C relativamente pequeno, ele no adequado para medio

de pequenas presses.

Isto j no acontece com os dois outros tipos que apresentam maior sensibilidade devido ao formato de cada

um deles proporcionar um efeito de soma de vrios tubos de Bourdon tipo C, resultando em um maior

deslocamento da extremidade livre.

Os elementos geralmente so fabricados de bronze para presses entre 0,5 a 50 kgf/cm2 e ao comum, ao

inoxidvel ou monel para presses at 7000 kgf/cm2.

DIAFRAGMAS:

Nos medidores de presso industriais utilizando elementos primrios elsticos, so utilizados dois tipos

bsicos de diafragmas, metlicos e no metlicos.

Medidor de presso com diafragma metlicoDiafragma elstico

Fig.24: ilustrao dos internos de um manmetro

com tubo de Bourdon

Fig.25: esquema de um manmetro com tubo de

Bourdon

Fig.26: esquemas de medidores de presso com diafragmas


TCNICO 35

DIAFRAGMAS METLICOS:

Na confeco de um elemento de diafragma, os elementos acima so levados em conta, no sentido de se

obter uma deflexo que tenha a relao mais linear possvel com a presso aplicada. A mxima sensibilidade

para pequena deflexo obtida utilizando-se um diafragma liso, sem corrugaes.

DIAFRAGMAS NO METLICOS:

Os diafragmas no metlicos so conectados ao processo em que se quer medir/controlar a presso e se

movem atuando em oposio a uma mola calibrada ou algum outro elemento elstico.

Os materiais no metlicos usualmente utilizados na confeco de diafragmas so teflon, neoprene,

polietileno, etc.

FOLES:

Os foles so elementos elsticos que sofrem expanso e retrao quando submetidos a presses, sendo o

movimento resultante utilizado para indicar/medir/controlar a presso.

Os foles so, geralmente, confeccionados atravs de estrangulamentos axiais sucessivos aplicados a um tubo

metlico de parede fina e sem costura.

Os materiais mais utilizados na confeco de foles so: lato, bronze-fosforoso, cobre-berlio, monel e ao

inoxidvel.

A escolha do material a ser utilizado feita considerando-se a presso a ser medida/controlada e as

condies de corroso a que o fole estar sujeito.

O diafragma metlico um dispositivo primrio

elstico, geralmente utilizado para medir presses

relativamente baixas.

Consiste basicamente de um diafragma simples de

lmina de metal corrugado.

Diversos tipos de materiais podem ser utilizados na

confeco de diafragmas metlicos. Os mais

utilizados so: lato, bronze-fosforoso, cobre-

berlio, ao inoxidvel, monel, hastelloy, etc.

Fig.28: ilustrao de um manmetro com fole

Fig.27: ilustrao do diafragma de selo de um manmetro


TCNICO 36

MANMETROS COM SELAGEM:

Em processos industriais que manipulam fluidos corrosivos, viscosos, txicos, sujeitos alta temperatura

e/ou radioativos, a medio de presso com manmetro tipo elstico se torna impraticvel, pois o Bourdon

no adequado para esta aplicao, seja em funo dos efeitos da deformao proveniente da temperatura,

seja pela dificuldade de escoamento de fluidos viscosos, ou seja, pelo ataque qumico de fluidos corrosivos.

Neste caso, a soluo recorrer utilizao de algum tipo de isolao para impedir o contato direto do fluido

do processo com o Bourdon.

Existem basicamente dois tipos de isolao (que tecnicamente so chamados de selagem). Um com selagem

lquida, utilizando um fluido lquido inerte em contato com o Bourdon e que no se mistura com o fluido do

processo. Nesse caso usado um pote de selagem conforme a figura abaixo.

E outro, tambm com selagem lquida, porm utilizando um diafragma como selo. O fluido de selagem mais

utilizado nesse caso a glicerina, por ser inerte a quase todos os fluidos.

NOTA: Nos casos em que o manmetro opera em linhas com grande vibrao, usual preencher todo o

invlucro do manmetro com glicerina de forma a evitar que as vibraes da linha causem qualquer dano ao

Bourdon ou ao dispositivo indicador.

Fig.29: esquema de selagem lquida

Fig.30: outros tipos de selos em medidores de presso


TCNICO 37

TRANSMISSORES DE PRESSO:

Basicamente, os instrumentos transmissores de presso podem ser classificados em pneumticos e

eletrnicos.

Os dois tipos de transmissores baseiam seu funcionamento no movimento/deformao que os elementos

mecnicos elsticos sofrem quando submetidos a uma presso/esforo.

Este movimento/deformao, que proporcional presso aplicada (Lei de Hooke), convertido atravs de

um transdutor em um sinal pneumtico ou eletrnico padronizado, que transmitido para indicao e/ou

controle distncia.

H alguns anos, os transmissores eram todos pneumticos, ou seja, recebiam o sinal de entrada entre zero e

100% e transmitiam um sinal de sada padronizado em 3 a 15 PSI.

Atualmente em quase todas as aplicaes industriais existentes, encontramos transmissores eletrnicos, cujo

sinal de sada pode ser o padro de 4 a 20 mA ou um sinal digital como em malhas de controle atravs de

redes de campo, como por exemplo a rede FIELDBUS. Por este motivo vamos nos ater apenas aos

transmissores eletrnicos.

TRANSMISSORES DE PRESSO ELETRNICOS:

1) FITA EXTENSOMTRICA STRAIN GAUGES:

um dispositivo que mede a deformao elstica sofrida pelos slidos quando estes so submetidos ao

esforo de trao ou compresso.

So na realidade fitas metlicas fixadas adequadamente nas faces de um corpo a ser submetido ao esforo de

trao ou compresso e que tem sua seo transversal e seu comprimento alterado devido a esse esforo

imposto ao corpo.

Estas fitas so interligadas em um circuito tipo ponte de WHEATSTONE ajustada e balanceada para

condio inicial e que ao ter os valores de resistncia da fita mudada com a presso, sofre desbalanceamento

proporcional variao desta presso.

So utilizadas na confeco destas fitas extensomtricas, metais que possuem baixo coeficiente de

temperatura para que exista uma relao linear entre resistncia e tenso numa faixa mais ampla.

Este tipo utilizado como padro para presses maiores que 3000 kgf/cm2. Por ter pouca histerese e no

possuir atraso de indicao apropriado para medies de presses variveis.

Estes transmissores utilizam elementos de transferncia

que convertem o sinal de presso detectado em sinal eltrico

padronizado de 4 a 20 mAdc. Existem vrios princpios

fsicos relacionados com as variaes de presso que podem

ser utilizados como elementos de transferncia. Os mais

utilizados nos transmissores mais recentes so:

Fig.31: imagem de um transmissor de presso eletrnico

Fig 32: esquemtico de um strain gauge.


TCNICO 38

Princpio de Funcionamento:

2) SENSOR PIEZOELTRICO:

A medio de presso utilizando este tipo de sensor se baseia no fato dos cristais assimtricos ao sofrerem

uma deformao elstica ao longo do seu eixo axial, produzirem internamente um potencial eltrico

causando um fluxo de carga eltrica em um circuito externo.

A quantidade eltrica produzida proporcional presso aplicada, sendo esta relao linear, o que facilita

sua utilizao. Outro fator importante para sua utilizao est no fato de se utilizar o efeito piezoeltrico de

semi-condutores, reduzindo assim o tamanho e peso do transmissor, sem perda de preciso.

Cristais de turmalina, cermica policristalina sinttica, quartzo e quartzo cultivado podem ser utilizados na

sua fabricao, porm o quartzo cultivado o mais empregado por apresentar caractersticas ideais de

elasticidade e linearidade.

3) CLULA CAPACITIVA:

o sensor mais utilizado em transmissores de presso. Nele um diafragma metlico de medio se move

entre duas placas metlicas fixas. Entre as placas fixas e o diafragma mvel, existe um lquido de enchimento

que funciona como o dieltrico dos capacitores formados pelas duas placas metlicas fixas e o diafragma

metlico mvel.

Ao receber a presso do processo, o diafragma mvel tem a sua distncia em relao s placas fixas

modificada. Isso provoca modificao na capacitncia de um circuito de medio, e ento se tem a referncia

para a medio da presso.

L1

L2

R2

R1

F

L1 + L0

L2 - L0

L1 = L2

R1 = R2

L1 + L0 > L2 L0

L1

L2

R2

R1

L1

L2

R2

R1

F

L1 + L0

L2 - L0

F

L1 + L0

L2 - L0

L1 = L2

R1 = R2

L1 + L0 > L2 L0

Fig 33: esquemtico de um strain gauge.

Fig 34: circuito com sensor piezoeltrico.


TCNICO 39

Para que ocorra a medio, o circuito eletrnico alimentado por um sinal AC atravs de um oscilador e

ento se modula a freqncia ou a amplitude do sinal em funo da variao da capacitncia (em

conseqncia da variao da presso) para se ter a sada em corrente ou em sinal digital. Como lquido de

enchimento utiliza-se normalmente glicerina, ou fluor-oil.

Fig 35: esquema de uma clula capacitiva em corte.

Fig 36: esquema de uma clula capacitiva em corte


TCNICO 40

Gs Lquido Vapor

INSTALAO DE TRANSMISSORES:

Uma das aplicaes mais comuns para transmissores de presso diferencial na medio e transmisso de

vazo. Geralmente os transmissores j vm de seu fabricante com placas de montagem adequadas sua

instalao. Mesmo assim algumas recomendaes so importantes no que tangem correta posio de

medio de alguns fluidos.

Documents

Apostila Instrumentação e Controle Paracatu