APOSTILA INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE(U4)

8/2/2019 APOSTILA INSTRUMENTAO E CONTROLE(U4)

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Aspectos geraisda rea de

instrumentao

Aspectos geraisda rea de

instrumentao

s processos industriais exigem controle na fabricao de seus produ-

tos. Estes processos so muito variados e abrangem diversos tipos de pro-

dutos, como, por exemplo, a fabricao dos derivados do petrleo, produ-

tos alimentcios, a indstria de papel e celulose etc.

Em todos estes processos absolutamente necessrio controlar e manter

constantes algumas variveis, tais como: presso, vazo, temperatura,

nvel, pH, condutividade, velocidade, umidade etc. Os instrumentos demedio e controle permitem manter constantes as variveis do proces-

so, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do

produto e a segurana.

No princpio da era industrial, o operrio atingia os objetivos citados

atravs de controle manual destas variveis, utilizando somente instrumen-

tos simples (manmetro, termmetro, vlvulas manuais etc.), e isto era su-

ficiente, por serem simples os processos. Com o passar do tempo, estes fo-

ram se complicando, exigindo um aumento da automao nos processos

industriais, atravs dos instrumentos de medio e controle. Enquanto isso,

os operadores iam se liberando de sua atuao fsica direta no processo e,

ao mesmo tempo, ocorria a centralizao das variveis em uma nica sala.

Devido centralizao das variveis do processo, podemos fabricar

produtos que seriam impossveis por meio do controle manual. Mas, para

atingir o nvel em que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram gran-

des transformaes tecnolgicas, como: controle manual, controle mec-

nico e hidrulico, controle pneumtico, controle eltrico, controle eletr-

nico e atualmente controle digital.

Unidade 4

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Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos con-

tnuos e descontnuos. Em ambos os tipos devem-se manter as variveis

prximas aos valores desejados.O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que

compara o valor da varivel do processo com o valor desejado e toma uma

atitude de correo de acordo com o desvio existente, sem a interveno

do operador.

Para que se possa realizar esta comparao e conseqentemente a cor-

reo, necessrio que se tenha uma unidade de medida, uma unidade

de controle e um elemento final de controle no processo.

Este conjunto de unidades forma uma malha de controle, que pode ser

aberta ou fechada. Na Figura 1 vemos uma malha fechada, e na Figura 2,

uma malha de controle aberta.

FIGURA 1 MALHA DE CONTROLE FECHADA

FIGURA 2 MALHA DE CONTROLE ABERTA

Unidade demedidaProcesso

Elemento finalde controle

Unidade decontrole

Unidade demedidaProcesso

Indicao


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TerminologiaOs instrumentos de controle empregados na indstria de processos (qu-

mica, siderrgica, papel etc.) tm sua prpria terminologia. Os termosutilizados definem as caractersticas prprias de medida e controle dos

diversos instrumentos: indicadores, registradores, controladores, transmis-

sores e vlvulas de controle.

A terminologia empregada unificada entre os fabricantes, os usuri-

os e os organismos que intervm direta ou indiretamente no campo da

instrumentao industrial.

FAIXADEMEDIDA(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. Expressa-se determinando os valores extremos.

ALCANCE(span) a diferena algbrica entre o valor superior e o inferior da faixa de me-

dida do instrumento.

ERRO

a diferena entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em rela-

o ao valor real da varivel medida. Se tivermos o processo em regime

permanente, chamaremos de erro esttico, que poder ser positivo ou ne-

gativo, dependendo da indicao do instrumento, o qual poder estar in-

dicando a mais ou menos. Quando tivermos a varivel alterando seu va-

lor ao longo do tempo, teremos um atraso na transferncia de energia do

EXEMPLO

100 a 500m3 0 a 20psi

EXEMPLO

Em um instrumento comrangede 100 a 500m 3, seuspan de 400m3


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meio para o medidor. O valor medido estar geralmente atrasado em re-

lao ao valor real da varivel. Esta diferena entre o valor real e o valor

medido chamada de erro dinmico.

EXATIDOPodemos definir como a aptido de um instrumento de medio para dar

respostas prximas a um valor verdadeiro. A exatido pode ser descrita

de trs maneiras:

Percentual do Fundo de Escala (% do FE)

Percentual do Span (% do span)

Percentual do Valor Lido (% do VL)

RANGEABILIDADE(largura de faixa)

a relao entre o valor mximo e o valor mnimo, lidos com a mesma

exatido na escala de um instrumento.

EXEMPLO

Para um sensor de temperatura com rangede 50 a 250oCe valor medindo 100oC, determine o intervalo provveldo valor real para as seguintes condies :

Exatido 1% do Fundo de Escala

Valor real = 100C (0,01 x 250) = 100C 2,5C

Exatido 1% do Span

Valor real = 100C (0,01 x 200) = 100C 2,0C

Exatido 1% do Valor Lido (Instantneo)

Valor real = 100C (0,01 x 100) = 100C 1,0C

EXEMPLO

Para um sensor de vazo cuja escala 0 a 300gpm (gales porminuto), com exatido de 1% do spane rangeabilidade 10:1,a exatido ser respeitada entre 30 e 300gpm


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ZONA MORTA

a mxima variao que a varivel pode ter sem que provoque alterao

na indicao ou sinal de sada de um instrumento.

SENSIBILIDADE a mnima variao que a varivel pode ter, provocando alterao na

indicao ou sinal de sada de um instrumento.

HISTERESE

o erro mximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor

em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a varivel percorre toda

a escala nos sentidos ascendente e descendente.

Expressa-se em percentagem do span do instrumento.

Deve-se destacar que a expresso zona morta est includa na histerese.

EXEMPLO

Um instrumento com rangede 0 a 200C e umazona morta de:

1000,01% = 0,1 x 200 = 0,2C

EXEMPLO

Um instrumento com rangede 0 a 500C e comuma sensibilidade de 0,05% ter valor de:

1000,05% = 500 = 0,25C

EXEMPLO

Num instrumento com rangede 50C a100C, sendo sua histerese de 0,3%,o erro ser 0,3% de 150C = 0,45C


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FIGURA 3 INDICADOR

REPETIBILIDADE a mxima diferena entre diversas medidas de um mesmo valor da va-

rivel, adotando sempre o mesmo sentido de variao. Expressa-se em per-centagem do span do instrumento. O termo repetibilidade no inclui a

histerese.

FUNESDEINSTRUMENTOSPodemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instru-

mentao de acordo com a funo que desempenham no processo.

Instrumento que dispe de um

ponteiro e de uma escala gra-

duada na qual podemos ler o

valor da varivel. Existem tam-

bm indicadores digitais que

mostram a varivel em forma

numrica com dgitos ou bar-

ras grficas, como podemos

observar na Figura 3.

Instrumento que registra a varivel

atravs de um trao contnuo ou

pontos em um grfico, como pode-

mos observar na Figura 4.

A Figura 5 apresenta um instrumen-

to que determina o valor de uma va-

rivel no processo atravs de um ele-

mento primrio, tendo o mesmo sinal

de sada (pneumtico ou eletrnico),

cujo valor varia apenas em funo da

varivel do processo.

INDICADOR

REGISTRADOR FIGURA 4 REGISTRADOR

TRANSMISSOR


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Temos na Figura 6 um instrumento que recebe informaes na forma de

uma ou mais quantidades fsicas, modifica, caso necessrio, estas infor-

maes e fornece um sinal de sada resultante. Dependendo da aplicao,o transdutor pode ser um elemento primrio, um transmissor ou outro dis-

positivo. O conversor um tipo de transdutor que trabalha apenas com

sinais de entrada e sada padronizados.

A Figura 7 mostra um instrumen-

to que compara a varivel contro-

lada com um valor desejado e

fornece um sinal de sada a fim

de manter a varivel controlada

em um valor especfico ou entre

valores determinados. A varivel

pode ser medida diretamente

pelo controlador ou indiretamen-

te atravs do sinal de um trans-

missor ou transdutor.

TRANSDUTOR

FIGURA 5 TRANSMISSOR FIGURA 6 TRANSDUTOR

CONTROLADOR FIGURA 7 CONTROLADOR


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Observe na Figura 8 esse instru-

mento. Ele modifica diretamen-te o valor da varivel manipula-

da de uma malha de controle.

Alm dessas denomina-

es, os instrumentos podem

ser classificados em instrumen-

tos de painel, campo, prova

de exploso, poeira, lquido

etc. Combinaes dessas clas-

sificaes so efetuadas for-

mando instrumentos de acor-

do com as necessidades.

Identificao de instrumentos

As normas de instrumentao estabelecem smbolos, grficos e codifica-

o para identificao alfanumrica de instrumentos ou funes progra-

madas, que devero ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle deprojetos de instrumentao. De acordo com a norma ISA-S5, cada instru-

mento ou funo programada ser identificado por um conjunto de letras

que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica

a malha qual o instrumento ou funo programada pertence.

Eventualmente, para completar a identificao, poder ser acrescido

um sufixo. O Quadro 1 mostra um exemplo de instrumento identificado

de acordo com a norma preestabelecida.

ELEMENTO FINAL DE CONTROLE FIGURA 8 ELEMENTO FINAL DE CONTROLE

QUADRO 1 IDENTIFICAO DE INSTRUMENTOSDe acordo com a Norma ISA-S5

P = Varivel medida PressoR = Funo passiva ou de informao RegistradorC = Funo ativa ou de sada Controlador

001 = rea de atividade onde o instrumento atua02 = Nmero seqencial da malhaA = Sufixo

P R C 001 02 A

Varivel Funo rea da atividade N seqencial da malha

Sufixo

Identificao funcional Identificao da malha

Identificao do instrumento


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FIGURA 9 SINAIS UTILIZADOS NOS FLUXOGRAMAS DE PROCESSO

FIGURA 10 SMBOLOS DE INSTRUMENTOS

Utilizados nos fluxogramas de processo

As simbologias apresentadas nas Figuras 9 e 10 so utilizadas em flu-

xogramas de processo e engenharia e seguem a Norma ANSI/ISA-S5.1.

Suprimento ouimpulso

Sinal pneumtico

Sinal hidrulico

Sinal eletromagnticoou snico guiado

Ligao por software

Sinal binriopneumtico

Sinal no-definido

Sinal eltrico

Tubo capilar

Sinal eletromagnticoou snico no-guiado

Ligao mecnica

Sinal binrio eltrico

Instrumentosdiscretos

Instrumentoscompartilhados

Computador deprocesso

Controladorlgico programvel

Instrumentos Painel principalacessvel ao

operador

Montado nocampo

Painel auxiliaracessvel ao

operador

Painel auxiliarno-acessvelao operador


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QUADRO 2 IDENTIFICAO FUNCIONAL DOS INSTRUMENTOS

EXEMPLO

T = TemperaturaF = Vazo

Como se nota no Quadro 2, pode-se obter combinaes possveis de

acordo com o funcionamento dos dispositivos automticos.

R = RegistradorV = Vlvula

P = PressoL = Nvel

I = IndicadorG = Visor

PRIMEIRA LETRA LETRAS SUCESSIVASVarivelmedida

Letra demodificao

Funo deleitura passiva

Funode sada

Letra demodificao

Analisador Alarme AlarmeA

Queimador (chama) Boto de pressoB

ControladorC Condutibilidadeeltrica

DiferencialD Densidade oupeso especfico

Elemento primrioE Tenso (Fem)

RelaoF Vazo

VisorG Medida dimensional

Entrada manualH Comando manual

Indicao ouIndicador

I Corrente eltrica

VarreduraJ Potncia

Clculos emsistema digital

K Tempo ouprograma

Lmpada piloto BaixoL Nvel

Mdia Mdio ouintermedirio

M Umidade

N Vazo molar

O Orifcio ou restrio

Percentual Tomada de impulsoP Presso

IntegraoQ QuantidadeRegistradorR Remoto

Velocidade/Chave de segurana

Interruptor ouchave

S Velocidade oufreqncia

TransmissoTransmissor

T Temperatura

Clculo feito porcomputador

Multifuno MultifunoU Multivarivel

VlvulaV Vibrao

PooW Peso ou fora

Solenide /Conversor de sinal

Rel oucomputador

X ou Y Escolha do usurio

El. final decontrole

Z Posio /Deslocamento

Alto


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Principais sistemas de medidasOs sistemas podem ser classificados quanto natureza de suas unidades

fundamentais, quanto ao valor dessas unidades e tambm quanto s re-laes escolhidas na determinao dos derivados.

Os principais sistemas so:

SISTEMA MTRICO DECIMAL

Tem como unidadesfundamentais o metro,

o quilograma e o segundo (MKS)

SISTEMA FSICO OU CEGESIMAL

Tem como unidadesfundamentais o centmetro,o grama e o segundo (CGS)

SISTEMA INDUSTRIAL FRANCS

Tem como unidades fundamentaiso metro, a tonelada e o segundo

(MTS), definidas em funodo sistema mtrico decimal

SISTEMA INGLS

Tem como unidadesfundamentais o p (foot),

a libra (pound) eo segundo (second)

TelemetriaChamamos de telemetria a tcnica de transportar medies obtidas no

processo a distncia, em funo de um instrumento transmissor.

A transmisso a distncia dos valores medidos est to intimamente re-

lacionada com os processos

contnuos, que a necessidade e

as vantagens da aplicao da

telemetria e do processamen-

to contnuo se entrelaam.

Um dos fatores que se des-

tacam na utilizao da teleme-

tria a possibilidade de cen-

tralizar instrumentos e contro-

les de um determinado proces-

so em painis de controle ou

em uma sala de controle.

VANTAGENS DA TELEMETRIA

Os instrumentos agrupados podem serconsultados mais fcil e rapidamente,possibilitando operao uma visoconjunta do desempenho da unidade

Podemos reduzir o nmero de operadores comsimultneo aumento da eficincia do trabalho

Cresce, consideravelmente, a utilidade e aeficincia dos instrumentos em face daspossibilidades de pronta consulta, manutenoe inspeo, em situao mais acessvel,mais protegida e mais confortvel


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Transmissores

Os transmissores so instrumentos que medem uma varivel do processo

e a transmitem, a distncia, a um instrumento receptor, indicador, regis-trador, controlador ou a uma combinao destes. Existem vrios tipos de

sinais de transmisso: pneumticos, eltricos, hidrulicos e eletrnicos.

TRANSMISSOPNEUMTICAEm geral, os transmissores pneumticos geram um sinal pneumtico va-

rivel, linear, de 3 a 15psi (libras fora por polegada ao quadrado) para uma

faixa de medidas de 0 a 100% da varivel. Esta faixa de transmisso foi

adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associa-

o de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de

transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto,

encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmisso. Por

exemplo: de 20 a 100kPa.

Nos pases que utilizam o sistema mtrico decimal, adotam-se as fai-

xas de 0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15psi.

O alcance do sinal no sistema mtrico cerca de 5% menor que o si-

nal de 3 a 15psi. Este um dos motivos pelos quais devemos calibrar os

instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final decontrole etc.), sempre utilizando uma mesma norma.

Note-se que o valor mnimo do sinal pneumtico tambm no zero, e

sim 3psi ou 0,2kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente

o instrumento, comprovando sua correta calibrao e detectando vazamen-

tos de ar nas linhas de transmisso.

Percebe-se que, se tivssemos um transmissor pneumtico de tempe-

ratura de range de 0 a 2000C e o mesmo mantivesse o bulbo a 00C e um

sinal de sada de 1psi, este estaria descalibrado.

Se o valor mnimo de sada fosse 0psi, no seria possvel fazermos esta

comparao rapidamente. Para que pudssemos detect-lo, teramos de

esperar um aumento de temperatura para que tivssemos um sinal de sada

maior que 0 (o qual seria incorreto).

TRANSMISSO ELETRNICA

Os transmissores eletrnicos geram vrios tipos de sinais em painis, sendo

os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discre-

pncias nos sinais de sada entre diferentes fabricantes, porque tais ins-


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trumentos esto preparados para uma fcil mudana do seu sinal de sa-

da. A relao de 4 a 20 mA, 1 a 5 V est na mesma relao de um sinal de

3 a 15psi de um sinal pneumtico.O zero vivo utilizado, quando adotamos o valor mnimo de 4 mA,

oferece a vantagem tambm de podermos detectar uma avaria (rompi-

mento dos fios), que provoca a queda do sinal, quando ele est em seu

valor mnimo.

PROTOCOLO HART(Highway Adress Remote Transducer)Consiste num sistema

que combina o padro

4 a 20 mA com a comu-

nicao digital. um

sistema a dois fios com

taxa de comunicao de

1.200 bits/s (BPS) e mo-

dulao FSK (Frequency

Shift Keying). O Hart

baseado no sistema mestre/escravo, permitindo a existncia de dois mes-

tres na rede simultaneamente.As desvantagens so que existe uma limitao quanto velocidade de

transmisso das informaes e a falta de economia de cabeamento (pre-

cisa-se de um par de fios para cada instrumento).

FIELDBUS

um sistema de comunicao digital bidirecional, que interliga equipa-

mentos inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipa-

mentos localizados na sala de controle, como mostra a Figura 11.

Este padro permite comunicao entre uma variedade de equipamen-

tos, tais como: transmissores, vlvulas, controladores, CLP etc. Eles podem

ser de fabricantes diferentes (interoperabilidade) e ter controle distribu-

do (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e

enviar informaes a outros instrumentos para correo de uma varivel

presso, vazo, temperatura etc.).

Uma grande vantagem a reduo do nmero de cabos do controla-

dor aos instrumentos de campo. Apenas um par de fios o suficiente para

a interligao de uma rede fieldbus, como se pode observar na Figura 11.

VANTAGENS DO PROTOCOLO HART

Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e

para a comunicao digital

Usa o mesmo tipo de cabo empregado na

instrumentao analgica

Dispe de equipamentos de vrios fabricantes


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TABELA 1 SISTEMA DE UNIDADES GEOMTRICAS E MECNICAS

Comprimento

FIGURA 11 SISTEMA FIELDBUS

Na Tabela 1, voc encontrar alguns sistemas de unidades geomtri-

cas e mecnicas que o ajudaro na aplicao de alguns conceitos bsicos.

L L centmetro (cm) metro (m)mcron () = 106mangstrom(A) = 1010m

metro (m) foot (ft) =1/3 Yd = 12 in =30,48 cm

GRANDEZAS DEFINIO DIMENSO FSICO (CGS) DECIMAL (MKS) GRAVITATRIO (MKFS) PRTICO INGLS

Massa M M grama (g) quilograma (kg) (9,81 kg) (32,174 pd)

Tempo t t segundo (seg) segundo (seg) segundo (seg) second (sec)

Superfcie S2 S2 cm2 m2 m2 square-foot = 929cm2square-inch = 6,45cm2

Volume V3 V3 cm3 m3 m3 cubic-foot = 28.317cm3

cubic-inch = 16,39cm3

Velocidade v = LT1 cm/seg m/seg m/seg1m/seg = 197 ft/min

foot per second (ft/sec)ft/min = 0,5076 cm/s

Acelerao LT2 cm/seg2 m/seg3 m/seg2 ft/sec2y =

Fora M L T2 dina (d)(m = 1g:y = 1cm/ss)Megadina (M)= 10g dinas

GiorgiNewton (n)(m = 1kg; y = 1m/seg2)= 105 d

quilograma-fora(kgf)(m = 1kg; y = 9,81m/ seg2)x 103 x 981 = dinasx 10-3 x 9,81 = sth

pound (pd)(m = 1pd; y = 32,174 ft/sec2)= 0,4536kgf = 444981d= 7000 grains

F = m y

Trabalho M S2 T3 erg(F = 1 d; e = 1cm)

Joule (j)(F = 1n; e = 1m)= 102 ergs

quilogrmetro (kgm)(F = 1kgf; e = 1m)= 9,81 joules

foot-pound (ft.pd)(f = 1 pd; e = 1 ft)= 0,1383kgm = 1,3563 j

= F x e

Potncia M S2 T3 erg/seg( = 1 erg; t = 1seg)

Watt (w)(= 1j; 1 = 1seg)= 102 ergs/seg= 44,8 ft. pd/min

kgm/segCavalo-vapor (C.V.)= 75 kgm/seg= 736 watts

foot pound per secondHorse Power (HP)= 76kgm/seg (75)= 33000 ft.pd/min

w =t

te

tv

Presso M L1 T2 bria(F = 1 d; S2 = 1 cm2)Bar = 109 brias(F = 1M; s2 = 1cm2)

PascalF = 1n; S2 = 1m2)= 10 brias

kgf/cm2 = 1000 gf/cm2kgf/m2atm = 1033 gf/cm2

(em Hg = 76cm)

pd/in2 = 70.308 gf/cm2pd/ft2atm = 11.692 pd/in2

P =AF

ESTAO DE MANUTENOESTAO DE OPERAO

FEEDBACKALARME

FEEDBACK SADA

DADOS DEDIAGNSTICO

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