Apostila_CPI

5/8/2018 Apostila_CPI - slidepdf.com

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O controle de processos químicosO controle de processos químicosO controle de processos químicosO controle de processos químicosPor definição, o processo químico é toda unidade de processamento (ou a combinação de

várias unidades de processamento) usada para converter matéria-prima em produto acabadoatravés de mudanças químicas, físicas, mecânicas ou térmicas (Figura 1).

Figura 1 – Representação de um processo químico

Os processos químicos são por natureza "dinâmicos”, ou seja, estão variandocontinuamente no tempo, seja por interferências externas seja por mudanças (voluntária einvoluntárias) na operação. Desta forma, para alcançar os objetivos básicos da operação de um

processo químico faz-se necessário “monitorar” e ser hábil para “induzir mudanças” em certasvariáveis chaves do processo que estão relacionadas à segurança, taxas de produção e qualidadedos produtos.

As duas tarefas - “monitorar certas variáveis do processo” e “induzir mudanças emvariáveis adequadas do processo” - são as funções primordiais do Sistema de Controle.

O controle de processos se destina basicamente a:

manter os processos em seus pontos operacionais mais eficientes e econômicos

prevenir condições instáveis no processo que podem pôr em risco pessoas e equipamentos

exibir dados sobre o processo aos operadores da planta, para que se possa conservar o ritmoseguro e eficiente

Para que estes objetivos possam ser alcançados envolvem-se:

manter os valores das variáveis do processo dentro de uma faixaaceitável para sua operação conveniente

uscar, dentro de cada faixa, o valor ótimo para cada variável →valor desejado ou ponto de ajuste ou set point

CCCCCCCCOOOOOOOONNNNNNNNTTTTTTTTR RR R R RR R OOOOOOOOLLLLLLLLEEEEEEEE DDDDDDDDEEEEEEEE PPPPPPPPR RR R R RR R OOOOOOOOCCCCCCCCEEEEEEEESSSSSSSSSSSSSSSSOOOOOOOO atuação sobre o processo, ou sobre as condições nas quais ele está sujeito,

de modo a se atingir algum objetivo



gerente da planta visa baixos custos, lucratividade e a imagem da companhia

engenharia de projetos procura conceber um projeto que resulte na produção eficiente,com baixo custo e o mínimo de alterações durante a sua implantação

engenharia de processos aumentar a produtividade dos equipamentos de processo,

prevenindo condições instáveis que possam pôr em risco pessoas e equipamentos operador da planta operação estável (conservação do ritmo seguro e eficiente)

manutenção instrumentação e controle confiável e de fácil manutenção

Exemplo 1: Num reator, deseja-se manter a temperatura num determinado valor, mesmoque os efeitos externos tentem desviá-lo desta condição para atender os requisitos de qualidade esegurança de processo.

O que faz o sistema de controle?- fornece medidas das variáveis para as quais existem medidores- executa programas que produzem, a partir de determinados sinais recebidos, um

sinal emitido- manda abrir e fechar válvulas

Contudo, uma perturbação no processo, seja ela voluntária ou involuntária, pode desviá-lo de sua condição e, muitas vezes, há uma demora na resposta do sistema (sinal emitido). Estasdistorções na resposta são devido aos denominados atrasos (lags), que podem ser de 3 tipos:

• atrasos relativos ao próprio processo - os processos, normalmente, nãoconseguem absorver ou devolver energia de modo instantâneo, o que

provoca um atraso na resposta do sistema a uma dada alteração na entrada.Um exemplo clássico pode ser ilustrado por um processo de aquecimento no

qual uma variação na vazão de vapor determina uma alteração natemperatura do fluido que está sendo aquecido. Tanto a condução do calor

pelas paredes do tubo da serpentina de vapor como a própria dinâmica detroca térmica pelo volume do líquido no vaso determinam uma resposta como perfil mostrado na Figura 2

Figura 2 – resposta da temperatura a uma variação em degrau na vazão de vapor

• atrasos na medição das variáveis do processo - no caso da temperatura, esteatraso é influenciado pela capacidade térmica do elemento de detecção e davelocidade de transmissão do calor entre o elemento e a superfície de fluidoque o circula. Para visualizar, a Figura 3 mostra a comparação das respostasde um termopar colocado diretamente na corrente de processo (termopar nu)

e o mesmo inserido em um poço termométrico de aço inox. Nota-se que o poço de proteção funciona como uma resistência à trandferência de calor,retardando a resposta do conjunto de detecção.



Figura 3 – Resposta de um termopar com e sem poço de proteção

• atrasos na transmissão dos valores das variáveis medidas - estes atrasos são próprios de sistemas pneumáticos, uma vez que sistemas eletrônicos praticamente não introduzem atrasos no sistema de controle

O controlador do processo deverá se encarregar de compensar estes problemas,garantindo uma boa sintonia do sistema de controle com o processo em si.

Os processos industriais são variados, ou seja, englobam diversos tipos de produtos eexigem controle preciso dos produtos gerados. Usualmente, os maiores usuários deinstrumentação são as indústrias que atuam nas áreas de petróleo, química, petroquímica,alimentos, cerâmica, siderúrgica, celulose e papel, têxtil e geração de energia elétrica. Para atuar no processo, deve-se ter noção clara dos objetivos, ou seja, saber o que se deseja obter, pois cada

processo tem seu objetivo específico.

Em todos esses processos, é indispensável se controlar e manter constantes as principaisvariáveis, tais como pressão, nível, vazão, temperatura, pH, condutividade, velocidade, umidade,

etc. Estas variáveis de um processo, no que diz respeito ao sistema de controle, podem ser classificadas segundo o fluxo de informação, como:

i) Variáveis de entrada – são as variáveis que estimulam o sistema e podem induzir mudanças nas condições internas do processo. As variáveis de entrada podem ser aindaclassificadas como:

Variáveis manipuladas – são aquelas que estão dispostas para seremmanipuladas livremente.

Variáveis distúrbios – são aquelas que interferem as condições dosistema, mas não estão dispostas para serem manipuladas.

ii) Variáveis de saída – são as variáveis pelas quais são obtidas informações sobre oestado interno do processo.

iii) Variáveis de estado – podem ser definidas como o conjunto mínimo de variáveisessenciais para descrever completamente a condição interna de um processo. Uma variável desaída pode ser a medida (informação) de uma única variável de estado (como por exemplo,temperatura ou pressão) ou a medida de uma combinação de variáveis de estado (como por exemplo, viscosidade).

No âmbito da disponibilidade de informação, as variáveis de entrada e de saída podem ser ainda classificadas como: variáveis medidas e não medidas. É importante salientar que, para

efeito de sistema de controle, as variáveis que não são mensuradas com uma freqüênciaadequada são consideradas variáveis não medidas. Um exemplo típico desta situação é quando amedida do processo é obtida por amostragem com posterior análise em laboratório (off-line). A



depender do tempo de análise, a informação desejada para efeito de controle só é obtida algumtempo depois do fato e, portanto, qualquer operação para correção do processo seria uma açãoatrasada.

Em linhas gerais, a entrada e a saída de um processo é a representação do fluxo deinformação que o mesmo recebe e gera, respectivamente. Um exemplo bastante simples e que

permitirá um entendimento do que é um processo e a que se destina o controle do processo é ocaso do chuveiro que possui duas válvulas: uma de água fria e outra de água quente. Com esteequipamento (conjunto formado pelo chuveiro e pelas válvulas), é possível tomar banho com aágua na temperatura e quantidade desejadas. Para tanto, basta que seja encontrada a posiçãocorreta de cada válvula (água quente e fria). Desta forma, é possível descrever tal chuveiro comoum processo cujas variáveis de saída são a temperatura e a quantidade de água do banho e asvariáveis de entrada (manipuladas) são as vazões de água quente e fria obtidas pela abertura efechamento de cada válvula, conforme mostra a Figura 4.

Figura 4 – Exemplo de um processo.

Admitindo-se agora que o chuveiro faça parte de uma complexa instalação hidráulica deum hotel onde a demanda de água quente oriunda da caldeira varia em diferentes horários. Comoconseqüência da demanda, a água quente que chega ao chuveiro pode sofrer uma variação natemperatura e, portanto, não é possível estipular uma combinação única de vazões nas válvulasde água quente e água fria que permita alcançar a mesma temperatura do banho em diferentes

dias e horários. Além disso, a temperatura da água fria está sujeita a variações externassignificativas, conforme a maior incidência ou não de raios do sol em diferentes horas do dia eestações do ano. Desta forma, uma representação mais ampla para o processo pode ser vista naFigura 5.

Figura 5 – Exemplo de um processo – representação mais completa

Conforme já mencionado, do ponto de vista do controle, as entradas do processo sãoclassificadas em dois tipos: variáveis manipuladas e distúrbios. As variáveis manipuladas noexemplo em questão são as vazões de água quente e fria, já que se tem liberdade de modificá-las

para “controlar” o processo ou, em outras palavras, levar as saídas do processo (temperatura do banho e vazão do banho) a um valor desejado. Os distúrbios, no exemplo em questão, são astemperaturas das águas quente e fria, pois estas variáveis não são susceptíveis de atuação e não

podem ser modificadas pelo controlador do processo. Como foi visto, os distúrbios variamdevido a efeitos externos ao processo e o que resta ao controlador é compensar os efeitos destes

distúrbios na saída do processo pela atuação nas variáveis manipuladas.Desta forma, no exemplo abordado, é possível abrir ou fechar as válvulas de água quente

e fria para levar a temperatura e a quantidade de água do banho ao valor desejado, mas não é



possível modificar as temperaturas das águas quente e fria para este fim. Ao contrário, se por umfator externo qualquer a temperatura de uma das correntes for alterada, só restará ao controlador modificar as vazões para compensar a alteração (compensar o distúrbio).

A definição do problema de controle para este exemplo pode ser formulada da seguintemaneira: informa-se ao controlador a temperatura e a quantidade de água desejada para o banho( set points) e este terá que tomar as ações de controle (atuando nas vazões de água quente e friaatravés das válvulas) para levar as saídas do processo (temperatura e quantidade de água do

banho) até os valores desejados, mesmo que ocorram distúrbios.

O controle de processo usado aqui como exemplo inicial pode parecer trivial, mas trata-sede apenas um exemplo cotidiano para fazer desenvolver o entendimento. Na prática, o controledos processos industriais costuma ser bem mais complexo, podendo apresentar instabilidades,respostas inversas, distúrbios em grande freqüência, muitas variáveis de entrada e saída, além detantos outros fatores complicadores. A tentativa de controlar manualmente um processo maiscomplexo é praticamente impossível e economicamente inaceitável.

O sistema de controle de processos é a entidade que tem a responsabilidade de monitorar as variáveis de saída, fazer decisões sobre como melhor manipular as variáveis de entrada (dotipo manipuladas) para obter o comportamento de saída desejado e efetivamente implementar tais decisões no processo. Uma representação esquemática é disposta na Figura 6.

Figura 6 – Representação esquemática simplificada de um sistema de controle de processo

Quando tais tarefas são realizadas por um operador, tem-se um sistema de controlemanual. No entanto, quando tais tarefas são realizadas por uma máquina, tem-se um sistema decontrole automático.

No caso do sistema de controle automático, o mesmo é constituído pelos seguinteselementos:

• Sensores: são os dispositivos usados para adquirir informações das variáveis do

processo, principalmente das variáveis de saída. Na maioria das aplicações de controle de processos os sensores são para medir pressão (transdutores de pressão), temperatura (termoparese termoresistências), nível (sensores de nível por pressão diferencial), vazão (fluxímetro,rotâmetros), composição (cromatografia, espectrofotometria, densimetria) etc.

• Controladores: são os dispositivos responsáveis pela tomada de decisão de quantomudar as variáveis manipuladas. São geralmente equipamentos eletrônicos com rotinas dedecisão implementadas. Podem ser computadores ou equipamentos similares com capacidade de

processamento.

•

Transmissores: são dispositivos que transmitem os sinais dos sensores e doscontroladores. Podem ser eletrônicos (quando transmitem sinais padrões de 4 a 20 mA ou 1 a 5



Vcc) ou pneumáticos (quando o sinal transmitido é um fluxo de ar com pressão padrão de 3 a 15 psi).

• Elementos finais de controle: são os dispositivos com a tarefa de implementar no processo o comando de mudança enviado pelo controlador. Podem ser válvulas de controle,

relés, bombas, ventiladores, resistências elétricas, alarmes, etc.

Tipos de sistemas de controle

- sistema em malha aberta aqueles em que o sinal de saída não exerce nenhuma açãode controle no sistema, ou seja, o sinal de saída não é medido nem realimentado paracomparação com a entrada. Um exemplo comum para este tipo de configuração de controle sãoos semáforos de trânsito. O tempo de abertura e fechamento dos semáforos não é uma respostade controle baseada na medida de fluxo de carros, mas sim uma resposta baseada num tempo

predefinido de abertura e fechamento. Outro exemplo é a máquina de lavar roupas – as

operações de colocar de molho, lavar e enxaguar em uma lavadora são executadas em umafunção do tempo. A lavadora não mede o sinal de saída, ou seja, não verifica se as roupas estão bem lavadas.

- sistema em malha fechada (realimentação) a função fundamental é manipular a relaçãoentrada/saída de energia ou material, de maneira que a variável controlada do processo sejamantida dentro dos limites estabelecidos. O controle em malha fechada pode ser realizado por um operador (manual) ou mediante a realização de instrumentação (controle automático)

Figura 7 – Sistema de controle de temperatura do fluido

O controle automático economiza energia, pois elimina o superaquecimento de fornos efornalhas e de secadores. Os instrumentos garantem a conservação da energia e a otimização desua utilização.

O controle ou regulação automática de processos industriais trata do controle, por meiode dispositivos automáticos, das diversas variáveis físicas e/ou químicas ocorrentes nos

processos industriais.



Auto-regulação: processo cuja manutenção ou mudança de uma característica ocorre seminterferência externa. Um processo sem a característica de auto-regulação ao sofrer uma

perturbação não encontra um novo estado de equilíbrio.

As vantagens da regulação automática são:

- melhoria da qualidade do produto

* eliminação de erros decorrentes da interferência humana: cansaço, distração,treinamento

* padronização- aumento da produtividade

* evitam-se perdas * motivação

- segurança

Princípio de funcionamento da auto-regulação:

Controle regulatório e controle servo

As variáveis de processo mais importantes que são selecionadas para receber a atenção dosistema de controle, tipicamente, possuem valores de interesse que são chamados de set points.Manter estas variáveis chaves do processo em seus valores preestabelecidos ( set points) é o

principal objetivo do sistema de controle, seja ele manual ou automático. No entanto, como já foidito, os processos são dinâmicos por natureza e as variáveis de saída desviam-se dos set points ao longo da operação, ou como respostas aos efeitos dos distúrbios ou por conta de mudanças de

set-points.

Tem-se um controle regulatório quando a tarefa do sistema de controle é unicamentecontra-agir os efeitos dos distúrbios, buscando manter a saída no set point estabelecido (Figura8a).



Tem-se um controle servo quando, numa mudança de set point , o sistema de controle tema capacidade de fazer com que a variável de controle (saída) siga em direção ao novo valor de set

point (Figura 8b).

(a) (b)

Figura 8 – Representação típica de resposta para controlador (a) regulatório e (b) servo.

Definições importantes:

Variáveis de processo: quaisquer propriedades variáveis de um processo. Dividem-se emvariáveis controladas, variáveis observadas e variáveis manipuladas.

Instrumento: dispositivo usado para medir e/ou controlar uma variável de processo.

Malha: combinação de 2 ou mais instrumentos ou funções de controle, arranjadas de tal forma a

medir e/ou controlar uma variável de processo.

Range (faixa medida): conjunto de valores compreendidos entre o limite inferior e o limite

superior da capacidade de medida ou transmissão de um instrumento. Expressa-se determinadoos valores extremos. Ex: 40 – 120°C, 0 – 20 PSI

Span (alcance): diferença algébrica entre o valor inferior e o valor superior da capacidade de uminstrumento. Ex: o span de um instrumento cujo range é 40 – 120°C é 80°C

Erro: diferença entre o valor lido ou transmitido por um instrumento e o valor real da variávelmedida

- erro estático: erro derivado de um processo em regime permanente, que pode ser positivo ou negativo

- erro dinâmico: erro derivado do atraso da transferência da energia do meio para o processo

Precisão: maior valor do erro estático de um instrumento na sua faixa de trabalho

* precisão em porcentagem do alcance (span) precisão de ± 0,5% do span de uminstrumento cujo alcance é 200°C (0,5/100)*200 = ± 1°C logo se lê indicar 80°C atemperatura estará entre 79°C e 81°C

* precisão em unidade variável precisão de ± 2°C

* precisão em porcentagem do valor medido precisão de ± 0,5% do valor de 80°Cmedido em um instrumento cujo alcance é 200°C (0,5/100)*80 = 80 ± 0,4°C logotemperatura estará entre 79,6°C e 80,4°C. Esta precisão pode variar ao longo da escala doinstrumento



* precisão em porcentagem do fundo de escala ou span (alcance ) máximo precisãode ± 0,5% do valor medido em um instrumento cujo range é 50 – 250°C (0,5/100)*250 = ±1,25°C logo se ele estiver indicando 80°C a temperatura estará, de fato, entre 78,75°C e81,25°C

* precisão em porcentagem do alcance (span) precisão de ± 0,5% do span de uminstrumento cujo alcance é 200°C (0,5/100)*200 = ± 1°C logo se lê indicar 80°C atemperatura estará entre 79°C e 81°C

Zona morta: é a maior variação permitida que não produza movimentação perceptível noinstrumento. Ex: um instrumento com range de 0 a 200°C possui uma zona morta de 0,1% dospan (0,1/100)*200 = ± 0,2°C logo se a temperatura variar em até 0,2°C o instrumento nãoapresentará resposta alguma

Sensibilidade: razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e avariação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Ex: um termômetrode vidro de range 0 a 500°C possui uma escala de leitura de 50cm

Sensibilidade = (50cm/ 500°C) = 0,1 cm/°C

Histeresis: é a diferença máxima apresentada por um instrumento, para o mesmo valor deentrada, quando a variável percorre toda a sua escala nos sentidos ascendente e descendente

nesse instrumento, com range de 0 a 200°C,a histeresis é 0,2%

Repetitividade: desvio percentual máximo com o qual uma mesma medição é indicada, sendotodas as condições reproduzidas exatamente da mesma maneira. Expressa-se em porcentagem dospan

Conformidade: desvio percentual máximo com o qual uma determinada variável se afasta dacurva característica

Reprodutibilidade: máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável



Classe dos instrumentos

manual ou automático

alimentado ou não alimentado

pneumático ou eletrônico

analógico ou digital

montado no campo ou na sala de controle



Simbologia de instrumentação

O uso correto da simbologia de representação de instrumentos é fundamental para a correta

apresentação de documentos na área de controle e instrumentação. Toda esta simbologia é padronizada pelos órgãos normativos, no caso a ISA ( Instrument Society of America) e a ABNT

(Associação Brasileira de Normas Técnicas).

Em geral, a notação é utilizada lado a lado com a representação dos equipamentos de processo,

formando um documento denominado diagrama P&I ( Process and Instrumentation / Piping and

Instrumentation)

Os símbolos de instrumentação são encontrados principalmente em:

fluxogramas de processo e de engenharia

desenhos de detalhamento de instrumentação - instalação, diagramas de ligação,

plantas de localização, diagramas lógicos de controle, listagem de instrumentos

painéis sinópticos e semigráficos na sala de controle

diagramas de telas de vídeo de estações de controle

Os objetivos da simbologia são:

estabelecer uma maneira uniforme de identificação dos instrumentos e

sistemas de instrumentação

facilitar o entendimento dos diagramas e malhas de instrumentação

viabilizar a comunicação entre usuários, projetistas e fornecedores

Os locais de montagem dos instrumentos são:

campo área industrial/ rocesso

elemento sensor

transmissores

válvulas de controle

robustezresistência à corrosão

pintura e acabamentos especiaislocal de fácil acessoà prova de tempo



painel

Sensores

Elemento sensor é um dispositivo integrante de um instrumento que converte um sinal não-

padrão em outro sinal não padrão, ou seja, recebe e responde a um estímulo ou um sinal.Exemplos de sensores:

tubo bourdon - deforma-se elasticamente quando submetido a uma pressão. Ex:manômetro

strain gauge - varia a resistência elétrica em função da pressão exercida por ele. Ex: atecnologia do strain gauge numa balança digital é quem proporciona a precisão

sensor bimetal - varia o formato em função da variação de temperatura medida. Ex.:termômetro bimetálico industrial

termopar - gera uma militensão em função da diferença de temperatura entre dois

pontos. Ex.: termômetro digital placa de orifício - gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão

volumétrica que passa no seu interior. Ex.: sensores mecânicos

Características desejáveis do sensor:

o elemento sensor deve reconhecer e detectar somente o sinal da variável a ser medida eser insensível aos outros sinais presentes simultaneamente na medição o sensor não deve alterar a variável a ser medida o sinal de saída do sensor deve ser facilmente modificado para ser facilmente indicado,

registrado, transmitido e controlado. Por isso, os sensores eletrônicos são mais preferidos que os pneumáticos o sensor deve ter boa exatidão, conseguida por fácil calibração

atrás do painel (armário cego/rack)

instrumentos inacessíveis ao operador,localizados no interior do painel ou emarmários separados

conjunto de instrumentos montados em estruturas, que abriga a interface do

operador com o processo

montados em estantes padronizadasmanipulam sinais padronizados

menor número de reserva (estoque)estrutura mais frágil

menores ue os instrumentos de cam o

instrumentos de leitura (display) - fornece informações

instrumentos cegos (rack) – executam funções inteligentes, mas não apresentaminformações diretas ao operador



o sensor deve ter boa precisão, constituída por linearidade, repetitividade ereprodutibilidade o sensor deve ter linearidade de amplitude o sensor deve ter boa resposta dinâmica, respondendo rapidamente às variações da

medição

o sensor não deve induzir atraso entre os sinais de entrada e de saída, ou seja, não deve

provocar distorção de fase o sensor deve suportar o ambiente hostil do processo sem danificar e sem perder suas

características. Deve ser imune à corrosão, erosão, pressão, temperatura e umidade ambiente o sensor deve ser facilmente disponível e de preço razoável

Modificadores de sensor

Possíveis variáveis medidas

Tipo ou restrição da

quantidade medida

Princípio de

transduçãoelétrica envolvida

Característica especial ou

propriedade relevante aceleração análise (composição, pH) atitude condutividade elétrica corrente elétrica deslocamento força (peso) fluxo de calor frequência luz

nível do líquido nº de Match (velocidaderelativa) posição potência pressão e vácuo queima combustão radiação nuclear temperatura tempo tensão elétrica

torque umidade vazão velocidade vibração viscosidade

absoluta(temperatura, pressão)

angular (velocidade)

diferencial(pressão, tensão) escalar

(velocidade)

gauge (pressão) infravermelha

(luz)

intensidade

linear mássica (vazão)

radiante relativa

(densidade, pressão) superfície

total vetorial

(velocidade)

volumétrica(vazão)

capacitivo

eletromagnético

indutivo

ionizante

fotocondutivo

fotovoltáico

piezoelétrico

potenciométrico

relutante

resistivo

strain gauge

termelétrico

amplificador autogerador cápsula chave colado dobrável elemento exposto fole giro incremento discreto integrante saída ca (corrente alternada) saída cc (corrente contínua) saída digital saída dual saída frequência semicondutor servo soldável

tubo bourdon turbina ultra-sônico vibrante

Transmissor

Rigorosamente, o transmissor não é necessário nem sob o ponto de vista de medição nem

sob o ponto de vista de controle. A transmissão serve somente como uma conveniência de

operação para tornar disponíveis os dados do processo em uma sala de controle centralizada,



num formato padronizado. Na prática, por causa das grandes distâncias envolvidas, as funções de

medição e de controle estão freqüentemente associadas aos sinais dos transmissores.

O transmissor é geralmente montado no campo, próximo ao processo. Porém, ele também

pode ser montado na sala de controle, como ocorre com o transmissor de temperatura com otermopar ou com a resistência elétrica.

O transmissor oferece muitas vantagens em comparação com o uso do controlador ligado

diretamente ao processo, tais como a segurança, a economia e a conveniência.

1. os transmissores eliminam a presença de fluidos flamáveis, corrosivos, tóxicos malcheirosos e de alta pressão na sala de controle.

2. as salas de controle tornam-se mais práticas, com a ausência de tubos capilarescompridos, protegidos, compensados e com grande tempo de atraso.

3. há uma padronização dos instrumentos receptores do painel; os indicadores, osregistradores e os controladores recebem o mesmo sinal padrão dos transmissores de campo.

O transmissor é também chamado erradamente de transdutor e de conversor. Transdutor é

um termo genérico que designa um dispositivo que recebe informação na forma de uma ou mais

quantidades físicas, modifica a informação, a sua forma ou ambas e envia um sinal de saída

resultante. Este termo é genérico e segundo este conceito, o elemento primário, transmissor, relé,

conversor de corrente elétrica para pneumático e a válvula de controle são transdutores,convertendo o sinal elétrico em pneumático (I/P), ou vice-versa (P/I). O conversor é o

instrumento que transforma sinais de natureza elétrica para formas diferentes. Por exemplo:

conversor analógico/digital: transforma sinais de natureza analógica (contínuo) em sinais digitais

(pulso descontínuo)

Há uma norma na instrumentação, ANSI/ISA S37.1-1978 (R1982) que estabelece umanomenclatura uniforme e consistente entre si e para elemento sensor, transmissor, conversor,transdutor.

Sinais padrão de transmissão:

- eletrônico 4 a 20 mA cc

- pneumático 20 a 100 kPa ou 3 a 15 psig ou 0,2 a 1,0 kgf/cm2

O transmissor pneumático recebe um sinal que pode ser um movimento ou uma força da

tomada de impulso, transforma essa variável num impulso (sinal) pneumático e envia ao receptor (controlador). Baseiam-se em dois princípios básicos:



* na força exercida pelo elemento de medição – balanço de força

* no movimento de um elemento de medição – balanço de movimento

balanço de força balanço de movimento

As vantagens de um transmissor pneumático são:

- evita que haja no controlador o líquido ou gás cuja variável se quer medir

- obtém-se um sinal pneumático, de 3 a 15 psi, correspondente à medida da variável em

questão, que vai permitir a padronização dos controladores pneumáticos no controle das mais

diversas variáveis

Os transmissores eletrônicos são do tipo:

• indutivo

• capacitivo



• fio ressonante

• com sensor a circuito integrado

• com sensor piezolétrico

a aplicação típica do sensor piezoelétrico é nomedidor de vazão vortex. É piezoelétrico o sensor que detecta a freqüência criada pelos vórticesde De Karmann.

Os tipos básicos de transmissores eletrônicos, além do digital híbrido, que possui,

simultaneamente, os sinais digital e analógico, são apresentados no quadro abaixo

analógico descartável analógicoconvencional

digital inteligente(microprocessador embutido)

Reguladores ou controladores são o principal componente da malha de controle. A eleschegam as informações das medidas efetuadas pelas tomadas de impulso, comparam com o valor desejado ( set point ) ajustável externamente e, em seguida, enviam um sinal para o elemento finalde controle, o qual irá agir no sentido de anular a discrepância entre a medida efetuada e o valor

padrão imposto ao regulador.

Para executar estas tarefas, o controlador deve possuir os seguintes blocos funcionais:1. medição2. ponto de ajuste2. comparação3. geração do sinal de saída

4. atuação manual opcional5. fonte de alimentação6. escalas de indicação



As dificuldades de controle do processo variam muito e por isso são disponíveis controladorescomerciais de vários tipos e modos de controle.

• controlador liga/desliga

• controlador de intervalo diferencial análogo ao liga/desliga porém, em vez de ter um

único ponto de referência, possui dois pontos de atuação um para ligar o elemento e outro para desligar. Entre os dois pontos há um intervalo. O principal objetivo é evitar asoperações freqüentes de partida e parada do operador final.

• contolador proporcional (P) nesse regulador obtém-se um sinal pneumático proporcionalao erro entre o set point e a tomada de impulso. Apresenta um fole proporcionador , cujaação é chamada realimentação negativa, pois o fole age contra a medida. Faixa

proporcional ou banda proporcional é a variação percentual da variável controlada,necessária para abrir e fechar completamente a válvula de regulação

• controlador proporcional + integral (P+I) é constituído de um fole reset e uma válvulareset que são adicionadas ao regulador proporcional e cuja ação reset pode ser chamada derealimentação positiva retardada. A finalidade da válvula é retardar a ação do fole reset

• controlador proporcional + derivativo (P+D) é constituído de uma válvula colocada paralimitar a vazão no fole proporcional . A ação derivativa é chamada realimentação negativa

retardada

• controlador proporcional + integral + derivativo (P+I+D) é constituído da combinaçãodas três ações



Para entendimento da norma e padronização da simbologia são necessárias algumas definições:

Acessível (acessible) termo aplicado a um dispositivo ou função programada quepoderá ser visto ou utilizado pelo operador com o propósito de acompanhamento doprocesso ou atuação em ações de controle

Alarme indicação da existência de condição anormal

Binário (binary) termo aplicado a um dispositivo ou sinal que tem somente 2posições ou estados. Representa os estados “LIGA/DESLIGA” ou “ALTO/BAIXO”, isto é,não representa uma contínua variação da quantidade

Chave (switch) dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um oumais circuitos, manualmente ou automaticamente

Configurável termo aplicado a um dispositivo ou sistema cuja estrutura oucaracterística funcional poderão ser selecionadas ou rearranjadas através de programaçãoou outros métodos

Comutável logicamente (assignable) termo aplicado a uma característica quepermite, logicamente, o direcionamento de um sinal ou dispositivo para outro, semnecessidade de comutação manual, ligação provisória ou mudança na fiação

Controlador multi-malha (compartilhado) controlador com algoritmos pré-programados, geralmente acessíveis, configuráveis e comutáveis logicamente, contendovárias entradas e saídas

Controlador programável (programable logic computer) controladorcom múltiplas entradas e saídas, contendo um programa que poderá ser configurado

Conversor (converter) dispositivo que emite um sinal de saída padronizadomodificado em relação à natureza do correspondente sinal de entrada, tambémpadronizado. Transforma o sinal analógico em digital (A/D) ou vice-versa (D/A).

Digital designação aplicada a dispositivos ou sinais que utilizam dígitos binários

para representar valores contínuos ou estados discretos

sonorovisualambos



Estação de controle (control station) estação manual de controle providade chave de transferência de controle manual para automático e vice-versa. Instrumentocujo sinal de saída é gerado arbitrariamente pelo operador

Lâmpada piloto (pilot light) lâmpada que indica estados operacionais de um

sistema ou dispositivo

Malha (loop) combinação de dois ou mais instrumentos ou funções de controlepara medir e/ou controlar uma variável de processo

Mostrador compartilhado (shared display) parte do dispositivo (usualmente umatela de vídeo) que permite apresentar ao operador as informações de diversas malhas decontrole

Ponto de teste (test point) tomada de conexão do sensor ao processo ondenormalmente se instala um instrumento de caráter temporário ou intermitente paramedição de uma variável de processo

Relé (relay) dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou maiscircuitos elétricos

Transmissor (transmiter) dispositivo que sente uma variável deprocesso por meio de um elemento primário e que produz uma saída cujo valor égeralmente proporcional ao valor da variável de processo.

Varredura função que consiste em amostrar, intermitentemente e de umamaneira pré-determinada, cada uma das variáveis de um grupo

Identificação (TAG)

cada instrumento ou função programada deve ser identificado por um conjunto de letras,que o classifica funcionalmente, e por um conjunto de algarismos, que indica a malha a qual

pertence o instrumento ou função programada

1. Identificação funcional - conjunto de letras1ª letra identifica a variável medida ou iniciadora2ª e 3ª letras identificam as funções do instrumento ou função programada

função passiva – elemento primário, orifício de restrição, poço função de informação –

alarme, indicador, registrador função ativa ou de saída – controlador, transmissor, chave4ª letra função modificadora 9opcional)

Exemplo: TRC

PDAL

indicar o estado ou valor das variáveis

T – variável medida ou iniciadora: TEMPERATURAR – função passiva ou de informação: REGISTRADOR C – função ativa ou de saída: CONTROLADOR

P – variável medida ou iniciadora: PRESSÃOD – modificadora da variável medida, quando necessário: DIFERENCIAL

A – função passiva ou de informação: ALARMEL – modificadora da função passiva ou de informação: BAIXO (LOW)



Um dispositivo com funções múltiplas deve ser representativo com tantos símbolos quantoforem as variáveis medidas, saídas ou funções. Assim, um controlador de temperatura com umachave deverá ser representado por 2 identificações:

TIC - controlador indicador de temperaturaTSH - chave manual de temperatura (associada ao controlador)

todas as letras de identificação dos instrumentos são maiúsculas

a identificação funcional deverá ser composta de no máximo 4 letras

- instrumentos com funções múltiplas podem ser divididos em subgrupos

- instrumento com indicação e registro da mesma variável pode omitir a letra I

2. Identificação da malha - número que identifica a malha a qual pertence

1º conjunto de números identifica a área de atividade (onde está localizada amalha)

2 º conjunto de números identifica o número seqüencial da malha

Exemplo: TRC 210 02

Sempre que numa malha houver mais que um instrumento com a mesma identificação, deveráser utilizado um sufixo para identificar cada um dos instrumentos.Por exemplo, se a mesma malha de vazão tem um extrator de raiz quadrada e um transdutor corrente para pneumático, o primeiro pode ser FY-101-A e o segundo FY-101-B. Quando se temum registrador multiponto, com n pontos, é comum numerar as malhas como TE-18-1, TE-18-2,TE-18-3 até TE-18-n

Pode haver diferenças de detalhes de identificação

T – variável medida ou iniciadora: TEMPERATURAR – função passiva ou de informação: REGISTRADOR

C – função ativa ou de saída: CONTROLADOR 210 – área de atividade ou fábrica onde o instrumento atua02 – número seqüencial da malha



Letras de Identificação de Instrumento ou Função Programada



Símbolos gerais dos instrumentos



Exemplos:- Observe a representação simplificada (b) e a completa (a) de uma malha de controle de

pressão

Esta malha de controle e indicação de pressão (PIC) é controlada por um sistema de controle

distribuído compartilhado O ponto de ajuste deste controlador é estabelecido por umcomputador supervisório através de um highway de dados compartilhados que fornece o elo de

programação entre o computador e o sistema de controle compartilhado. O número da malha decontrole é único e igual a 211, que pode indicar 11 como a malha da área 200. Todos oscomponentes da malha possuem este mesmo número, ou seja:

1. transmissor PT 2112. transdutor i/p PY 2113. controlador PIC 211

No diagrama completo, o transmissor PT 211 está ligado ao processo através de uma válvula de bloqueio de ½ " (13 mm) e sente a pressão de 0 a 300 psi e gera na saída o sinal padrão decorrente eletrônica de 4 a 20 mA cc. O sinal de saída do transmissor é recebido e identificado nomultiplexador do sistema compartilhado como a entrada analógica #17 (AI- 17). O controlador PIC 211 se encontra no console #2 (C-2) do sistema compartilhado e tem as funções de controlePI. O sistema compartilhado também fornece um sinal de alarme de alta e uma variação de

pressão de alta (dP/dt) desta medição (PAH). No lado da saída do controlador, o sinal que deixao multiplexador do sistema é identificada como a saída analógica (AO-21), que ainda é o sinal de20 mA cc que é recebido por um transdutor i/p, que o converte para o sinal pneumático de 20 a100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi), que está montado na válvula de controle PCV 211. A



válvula em si é linear, em falha ela fecha ( fail close - FC) e possui um posicionador (P). Otransdutor i/p requer a alimentação pneumática (AS - air supply), típica de 140 kPa (22 psi).

- A representação simplificada (b) e a completa (a) de uma malha de aquecimento

Na representação completa, todos os elementos são mostrados. O registro da vazão é obtido de:1. uma placa de orifício (elemento de vazão, FE-1, não mostrado),2. transmissor de vazão, montado no campo, FT-1,3. extrator de raiz quadrada, montado atrás do painel do operador 4. registrador com duas penas, uma para a vazão (FR-1) e outra para a pressão (PR-2),

montado no painel de leitura.O registro da pressão é obtido do transmissor de pressão, PT-2, montado no campo. A tomada da

pressão usa a tomada de alta ou de baixa da placa de orifício. Todos os sinais envolvidos são pneumáticos, padrão de 20 a 100 kPa.A temperatura da saída do gás é medida por um detector de temperatura a resistência (RTD),montada em um poço, ligado diretamente ao registrador e controlador de temperatura (TRC-3).A saída elétrica do controlador (4 a 20 mA cc) modula a abertura de uma válvula esfera (TV-3),com atuador a cilindro. O controlador registrador de temperatura tem uma chave de temperatura(termostato TSL-3), que atua um alarme no painel (TAL-3), com a temperatura baixa.

A representação (b) usa uma simbologia simplificada para mostrar que um gás é aquecido e suatemperatura é controlada por um controlador de painel. O fluido de aquecimento é modulado por



uma válvula de controle e registra a vazão do gás, pressão e temperatura de saída e há um alarmeque atua com temperatura baixa.A identificação dos instrumentos segue uma norma padrão, mas cada empresa a coloca de umaforma. Vamos citar o exemplo da AMBEV, onde a identificação é representada por:

X – YYY – ZZZ – LLL

onde X representa a área da fábrica onde o equipamento está localizado, YYY representa aunidade de manutenção, ZZZ representa o equipamento e LLL representa o número seqüencial.A Tabela abaixo mostra a codificação da área e dos equipamentos

Área EquipamentosA – estocagem/beneficiamentoB – brassagemC – adega de fermentoD – adega fermentação/maturaçãoE – filtraçãoF – adega de pressãoI – envasamento retornávelQ – subestaçãoR – ETA (estação de tratamento de água)S – vapor T – condensadores evaporativosU – ar comprimidoV – CO2 W – ETEI (estação de tratamento de efluentesindustriais)

AV – válvula automáticaB – motores (bombas)CIT – transmissor indicador de condutividadeCT – transmissor de condutividadeDT – transmissor de densidadeF – filtroFIT – indicador/transmissor de vazãoFT – transmissor de vazãoFT – transmissor de vazãoFV – válvula de controle de fluxo/vazãoLT – transmissor de nívelMV – válvula manual

NT – transmissor de turbidezOS – pressostatoPHT – transmissor de pHPI – indicador de pressão (manômetro)

PSH – pressostato de altaPSL – pressostato de baixaPSV – válvula de segurançaPT – transmissor de pressãoPV – válvula de controle de pressãoSG – visor de vidroTE – termoelementoTI – indicador de temperaturaTQ - tanqueTT – transmissor de temperaturaTV – válvula de controle de temperatura

WT – célula de carga / balançaXIT – dosadores

A Figura a seguir mostra um exemplo do diagrama do processo de estocagem defermento em sua representação na planta e na área industrial para que tenham uma idéia real davivência em uma fábrica.







PressãoPressãoPressãoPressãoPressão é a força normal exercida em um corpo por unidade de área

(A)Área (F)ForçaPressão =

usualmente, exprime-se pressão em termos das unidades de força e área ou mediante a altura deuma coluna de líquido em cuja base esteja sendo aplicada a mesma pressão.

A pressão do fluido é transmitida com igual intensidade em todas as direções e age perpendicular a qualquer plano.

Unidade de pressão no Sistema Internacional de Unidades (SI) tem-se:

* força – expressa em Newton (N) e definida como a força que comunica à massa de 1 kg

a aceleração de 1 m/s2 (N = kg.m/s2) na direção da força.* área – expressa em metro quadrado (m2) e definida como a área de um quadrado cujo

lado tem 1 m de comprimento

* pressão – expressa em Pascal (Pa) e definida como exercida por uma força de 1 N,uniformemente distribuída sobre uma superfície plana de 1m2 de área, perpendicular à direção daforça (Pa = N/m2)

Conceito de pressão

Os sistemas de unidades podem ser classificados em 3 tipos:1 – Absolutos utilizam unidades de massa, comprimento e tempo

* Sistema Internacional (SI) – Pascal (Pa ou N/m2), que equivale à pressãoexercida por uma coluna d'água de altura de 0,1 mm. Ela equivale a pressão de uma cédula de

dinheiro sobre uma superfície plana. Por ser uma unidade muito pequena, na prática, usa-se okilopascal (kPa) e o megapascal (MPa).

* sistema inglês – lb/in2 (psi, psig, psia)

* sistema métrico – kgf/cm2

2 – Gravitacionais ou técnicos utilizam unidades de força, comprimento e tempoEnquadram-se o sistema métrico industrial e o sistema inglês industrial

3 – Sistemas mistos utilizam unidades de massa, força, comprimento e tempo

Manométrica (gauge)

absoluta



A nova unidade de pressão, pascal (N/m2) é estranha mesmo para técnicos e engenheiros.

A grande vantagem do uso do pascal, no lugar do psi (lbf/in2), kgf/cm2 e mm de coluna líquida é

que o pascal não depende da aceleração da gravidade do local e da densidade do liquido. A

gravidade não está envolvida na definição de pascal, tendo o mesmo valor em qualquer lugar da

Terra, enquanto as unidades como psi, kgf/cm2 e mm H2O dependem da aceleração da gravidade

do local.

Em Instrumentação, também se usam o bar e o milibar (mbar). É também comum se usar

altura de coluna d'água ou de mercúrio para expressar pequenas pressões. Dimensionalmente é

errado expressar a pressão em comprimento de coluna líquida, mas subentende-se que a pressão

de 100 mm H2O significa a pressão igual à pressão exercida por uma coluna de água com altura

de 100 mm.

Curiosidadea calibração dos pneus é expressa em psi, masse fala simplesmente libra, que é o modo

preguiçoso de dizer lbf/in2. Se seu pneu écalibrado com 26 libras, o sugerido pelo SIseria pedir ao borracheiro para enchê-lo com179 kPa

1 atm = 1, 0133 x 105 Pa = 1,033 kgf/in2 = 14,69 psi = 760 mm Hg = 1,0133 bar



Definições de pressão:

pressão manométrica ou relativa é a pressão medida em relação à pressão

atmosférica. Pode assumir valores positivos (maiores que a atmosférica) e negativos, também

chamado de vácuo maioria dos instrumentos industriais

pressão absoluta é toda pressão medida acima do zero absoluto ou vácuo perfeito. Só

pode assumir valores positivos

pressão atmosférica é a força exercida sobre uma unidade de área da superfície

da terra pelo peso da atmosfera

Pressões estática, dinâmica, total e diferencial

• pressão estática é a sobrepressão ou depressão relativa criada pela atuação de umequipamento ou pela altura da coluna de um líquido

caso não haja circulação do fluido,a pressão será a mesma em todos os

pontos. Se houver circulação, a pressão deverá ser medida atravésde um orifício de pressão, com eixo perpendicular à corrente do fluido,

de forma que a medição não sejainfluenciada pela componentedinâmica da circulação

pode ser manométrica (fluidos incompressíveis) ou absoluta (fluidos compressíveis)

Quando se utiliza a pressão atmosférica como referência, as pressões medidas a acima destareferência são chamadas pressões relativas, pressões manométricas ( gauge pressures), pressões

efetivas ou pressões positivas, enquanto as pressões abaixo são chamadas de vácuo ou pressõesnegativas. O vácuo é, simplesmente, uma redução da pressão atmosférica

pressão absoluta = pressão relativa + pressão atmosférica

existente sempre que um fluido estiver circulando em um duto, devido a ação de um

ventilador, exaustor, compressor, bomba, etc



• pressão dinâmica ou cinética é a pressão devido à velocidade de um fluido emmovimento em um duto. Atua sobre a superfície de um orifício de pressão colocado nosentido da corrente do fluido, aumentando a pressão estática de um valor proporcional aoquadrado da velocidade do fluido. Também denominada pressão de impacto.

)(kgf/m 2.g

V.γ Pd

)(N/m 2

V.ρ

Pd2

2

22

=

=

onde:Pd = pressão dinâmicaρ = massa específica do fluido (kg/m3)V = velocidade do fluido (m/s)γ = peso específico do fluido (kgf/m3)g = aceleração da gravidade (9,8 m/s2)

• pressão total é a soma das pressões estática e dinâmica. O tubo Pitot é um dosinstrumentos que consegue medir as pressões estática, dinâmica e total

• pressão diferencial é a diferença de pressão medida em dois pontos de um dutoou equipamento, também chamado ∆P

a existência de um obstáculo à passagem dofluido (placa de orifício, fltro, válvula)

instalado em um duto gera uma perda decarga. A perda de carga pode ser medida

conectando-se um lado de um manômetro detubo em “U” à montante e outro à jusante doobstáculo. O valor indicado será a pressão

diferencial.

• pressão hidrostática é a pressão exercida por líquidos no interior de vasos etanques. Neste caso, a pressão é normal à superfície que contém o líquido

• pressão de vapor pressão parcial criada pelas moléculas de vapor quando háevaporação dentro de um espaço fechado. Depende da temperatura e aumenta quando atemperatura aumenta

• pressão com faixa composta é aquela que tem pressões de vácuo (pressõesnegativas) e pressões positivas em sua faixa de medição -200 a 200 mm Hg

Objetivos da medição de pressão

proteção de equipamento proteção de pessoal medição de outra variável, por inferência



controle do processo, para a obtenção do produto dentro das especificações exigidasSão disponíveis comercialmente vários elementos sensores de pressão. Os critérios de

escolha devem considerar os aspectos econômicos e técnicos do processo. econômicos custos da instalação, manutenção, energia, além do custo inicial

do instrumento.

técnicos faixa da medição, a aplicação do sistema e as condições do processo

O primeiro ponto a esclarecer é qual o tipo da pressão a ser medida, se absoluta,

manométrica ou relativa. Depois, os valores máximo e mínimo da faixa, a largura da faixa e

finalmente o grau de precisão, a repetitividade, a rangeabilidade e outros parâmetros associados

ao desempenho.

A escolha do mecanismo básico de medição da pressão depende da aplicação do sistema

indicação local, indicação remota, controle, alarme, proteção.

Como o elemento sensor da pressão fica em contato direto com o processo ou a pressão

entra dentro do elemento sensor, é importante considerar o grau de corrosão, toxidez e sujeira do

fluido do processo, para a escolha adequada do material de construção do elemento. Às vezes,

deve-se usar o selo de pressão para isolar o fluido do processo do elemento sensor.

Em muitos processos as variáveis pressão e temperatura são dependentes, e por isso deve-

se conhecer a faixa da temperatura na medição da pressão. Quando a temperatura é elevada,

exige-se que o instrumento fique afastado do processo, principalmente quando o instrumento é

eletrônico. Para resolver este problema, usa-se um tubo capilar de ligação e selagem.

Ainda com relação ao processo, é importante definir a exigência de proteção de sobre

faixa (over range). Há elementos sensores que naturalmente apresentam proteção para sobre

faixa, ou seja, são especificados para operar em uma faixa normal de trabalho e podem ser

submetidos a pressões mais elevadas, durante curtos períodos de tempo de situações anormais.

Classificação dos sensores de pressão:• sensores mecânicos - sentem a variável de processo e geram na saída uma força ou um

deslocamento mecânico

elementos mecânicos de medição direta de pressão

elementos mecânicos elásticos de medição de pressão

• sensores eletrônicos - sentem a variável de processo e geram na saída uma militensão ou

alteram o valor de um parâmetro passivo, como resistência elétrica, capacidade, indutância



Elementos mecânicos de medição direta de pressão

São dispositivos nos quais a pressão é medida, comparando-a com a pressão exercida por

uma coluna de líquido com densidade e altura conhecidas (manômetro de tubo em “U”,

manômetro de tubo inclinado, etc). Neste tipo de instrumento, o líquido a ser utilizado é escolhido considerando-se o seu

peso específico (γ) e o valor da pressão a ser medida. As características desejáveis do líquido

são:

ser quimicamente inerte e compatível com o meio do processo

ter interface visível e clara, sem revestir a superfície do vidro

ter tensão superficial pequena para minimizar efeitos capilares

ser fisicamente estável, não volátil sob as condições de temperatura e vácuo de trabalho

não congelar em baixas temperaturas

ter densidade constante com temperatura e pressão

Normalmente, utilizam-se os seguintes líquidos nestes instrumentos:

- água γ = 1 gf/cm3

- álcool γ = 0,8 gf/cm3

- mercúrio γ = 13,6 gf/cm3

As vantagens dos manômetros de líquido são a simplicidade, o custo moderado, a grande

precisão e sensibilidade e adequação para medição de pequenas faixas. Serem de bancada e

pouco flexíveis, inadequados para altas pressões, além de não possuírem proteção contra sobre

faixa, são as principais desvantagens. Assim, são pouco utilizados no processo, mas bastante

utilizados em oficinas para calibração.

a) manômetro de tubo em “U” é o mais simples e barato dos instrumentos de

medição direta de baixas pressões. É formado por um tubo de material transparente, dobrado em

forma de “U”, fixado sobre uma placa graduada a partir do seu ponto médio, com um líquido

com peso específico conhecido (água, álcool, mercúrio). As leituras são feitas medindo-se a

diferença de nível do líquido, nos dois braços do manômetro.



para uma mesma pressão, a diferença de nível estabelecida entre

os dois braços do manômetro de tubo em “U” será tanto maior

quanto menor for o peso específico do líquido utilizado no

manômetro

P = γ . h

onde:

h = diferença entre os dois braços do tubo em “U”

γ = peso específico do líquido utilizado

P = pressão medida

b) manômetro de tubo em “U” com diâmetros diferentes ao se utilizar 2 tubos com

diâmetros diferentes, para uma mesma pressão, a variação de nível do tubo que está em contato

com o fluido diminui à medida que seu diâmetro aumenta.

nesse caso, a equação de equilíbrio é dada por

P = γ . h. .(1 + d2/D2)

onde D e d são os diâmetros dos tubos

Os instrumentos deste tipo geralmente possuem uma

escala de leitura que leva em consideração odeslocamento do zero (considera/corrige o fator (1 +

d2/D2), possibilitando, assim, a leitura direta e precisa

da pressão na escala existente no tubo de menor

diâmetro (d)

c) manômetro de tubo inclinado nesse caso, o tubo de pequeno diâmetro (d) é

inclinado com um certo ângulo α, de maneira a se obter um grande deslocamento do líquido notubo inclinado, mesmo no caso de medição de pressões muito pequenas.



Este instrumento permite medir pressões da ordem de 0,02 mm de coluna de H2O. Para

seu uso, é necessário se trabalhar com o instrumento perfeitamente nivelado e evitar que ele seja

submetido a vibrações.

A equação de equilíbrio do manômetro de tubo inclinado é dada pela fórmulaP = γ . h. .(1 + d2/D2) . sen α

que demonstra que, para uma pressão determinada, quanto menor for o ângulo α, maior será o

deslocamento do líquido no tubo inclinado, pois o valor de sen α será tanto menor quanto menor

for o ângulo α.

Elementos mecânicos elásticos de medição de pressão

São dispositivos (diafragma, fole, tubo bourdon, elemento espiral, elemento helicoidal

etc) que se deformam em função da pressão exercida sobre eles pelo fluido medido.

Baseiam seu funcionamento na Lei de Hooke, cujo enunciado é “dentro de um limite

definido de elasticidade, a deformação provocada em um corpo sólido é proporcional ao esforço

aplicado sobre ele”.

a) diafragmas é um disco flexível, liso ou com corrugações concêntricas, feito de

lâmina metálica ou não metálica com dimensões exatas. Nos diafragmas metálicos, a pressão é

medida com base na deflexão do próprio diafragma. No caso dos diafragmas não metálicos, eles

geralmente são instalados em oposição a uma mola calibrada ou outro elemento elástico.



São muito usados para medição de tiragem de fornos / caldeiras e projetado para detectar

pequenas faixas de pressão e suportar altíssimas pressões estáticas.

A sensibilidade do diafragma aumenta proporcionalmente com o seu diâmetro. Quanto

maior a cápsula ou o diafragma, menores faixas e diferenças de faixas de pressão podem ser medidas. Precisão: ± 1% do fundo de escala

A sensibilidade de um elemento de diafragma metálico pode ser melhorada ao se

aumentar o número de corrugações e diminuir a altura, havendo, entretanto, um sacrifício na

linearidade. A máxima sensibilidade para pequena deflexão é obtida utilizando-se um diafragma

liso, sem corrugações. Entre os diversos materiais que podem ser utilizados na confecção,

destacam-se o latão, bronze-fosforoso, cobre berílio, aço inoxidável, monel e hastelloy.

Os materiais não metálicos usualmente utilizados na confecção de diafragmas são teflon,

neoprene e polietileno.

As vantagens do diafragma são:- alta proteção sobre faixa- boa linearidade- adaptável para medição de pressão absoluta e diferencial- disponível em materiais com boa resistência e substituível no campo (película

facilmente removível)- pequenos tamanhos

As desvantagens:- baixa resistência a choques e vibrações mecânicas- dificuldade de reparo (se quebra o corpo, normalmente não tem mais jeito)- capacidade limitada (o espiral e o helicoidal medem pressões maiores)



b) foles consiste, basicamente, em um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado.

Sofrem expansão e retração quando submetidos a pressões, sendo o movimento resultante

utilizado para indicar / medir / controlar a pressão. São geralmente confeccionados através deestrangulamentos axiais sucessivos, aplicados a um tubo metálico de parede fina e sem costura.

Os materiais mais utilizados na confecção dos foles são: latão, bronze-fosforoso, cobre-berílio,

monel e aço inoxidável. A escolha do material a ser utilizado depende da pressão a ser medida /

controlada e das condições de corrosão a que o fole estará exposto.

O principal uso é como elemento receptor do indicador, registrador e controlador

pneumático. É o componente mais usado na instrumentação pneumática.

Precisão: ± 1% do fundo de escala Faixa de medição: 0,03 a 2,0 kg/cm2

Vantagens do fole:- custo moderado- adaptável para medição de pressão absoluta e diferencial- excelente para medição de pressão com faixa moderada e pequena- compacto- substituível no campo

Desvantagens:- sofre influência da temperatura ambiente necessita de compensação de

temperatura- fragilidade para trabalho em ambiente pesado e adverso

- requer mola para exata calibração- não podem ser aplicados para altas pressões- material limitado

c) tubos Bourdon são compostos de um tubo com seção oval, disposto na forma de

arco de circunferência, tendo uma de suas extremidades fechada e a outra aberta e conectada ao

processo cuja pressão será medida. Com a pressão atingindo o interior do tubo Bourdon, ocorre

um movimento em sua extremidade fechada, que é transmitido através de engrenagens a um

ponteiro ou mecanismo que, por sua vez, irá indicar / transmitir a medida de pressão. Estedispositivo foi patenteado, em 1852, por E. Bourdon.



Este elemento não é adequado para baixas pressões, vácuo ou medições compostas

(pressões negativa e positiva), porque o gradiente da mola do tubo Bourdon é muito pequeno para medições de pressões menores que 200 kPa (30 psig).

Os tubos Bourdon podem ser fabricados nos seguintes tipos/formas:

Os materiais usados para a confecção dos tubos Bourdon incluem Ni-Span C, bronze,

monel, ligas (cobre-berílio) e aços inoxidáveis (316 e 304) e sua escolha depende da faixa de

pressão a ser medida. Usam-se materiais de Teflon® ou nylon® para minimizar os desgastes e as

folgas.



Recomendações de uso dos tubos Bourdon para assegurar maior vida útil do instrumento:

não ultrapassar 2/3 do valor máximo de medição do manômetro quando a pressão a

medir for razoavelmente constante

não ultrapassar metade do valor máximo de medição do manômetro quando a pressão amedir for bastante variável



equipar o manômetro com válvula de bloqueio de três vias de boa qualidade

caso o manômetro seja submetido a golpes de aríete ou a variações bruscas de pressão

de grande amplitude, instalar amortecedor de choques. Em alguns casos, utilizam-se

manômetros com mecanismo imerso em óleo não submeter o manômetro a temperatura superior àquela que permita o toque da mão

sobre sua caixa. No caso de temperaturas excessivas, deve-se utilizar o sifão ou

serpentina de resfriamento

proteger o manômetro contra calor radiante e gelo

Principais vantagens do tubo Bourdon

baixo custo do instrumento e de instalação

mais experimentado

aplicável para instrumentos eletrônicos

boa precisão

Desvantagens do tubo Bourdon

sensível a choques mecânicos e vibrações

possibilidade de histerese, provocada pela perda de elasticidade do material

Os tubos Bourdon helicoidal e espiral são Bourdon C modificados, sendo mais utilizados

em registradores e controladores. O Bourdon helicoidal pode medir pressões altíssimas (até

100000psi) e possui proteção de sobre faixa elevada. O bourdon espiral pode medir pressão de

vácuo (0 - 760 mm Hg)

As variações na temperatura ambiente são responsáveis por alterações na deflexão do

tubo Bourdon. A maioria dos materiais elásticos tem seu módulo de elasticidade diminuído com

a temperatura. O erro introduzido pela temperatura é dado por

E = 0,02 . T . P/Ps

onde:E = erro porcentual do BourdonT = variação da temperatura sofrida pelo BourdonP = pressão aplicadaPs = alcance de pressão do Bourdon

este erro pode ser compensado utilizando-se um bimetal



e) elementos mecânicos elásticos na medição de pressão de fluidos corrosivos e/ou

viscosos na medição de pressão de determinados fluidos de processo faz-se necessário

impedir o contato do fluido com o elemento de medição, seja em virtude da natureza corrosiva

do fluido (a corrosividade pode afetar o elemento de medição), seja em virtude da alta

viscosidade do fluido, que poderia levar ao seu endurecimento dentro do elemento de medição,

falseando a medida indicada.

Para eliminar este problema, são utilizados selos de proteção:

- líquidos de menor ou maior densidade que aquele cuja pressão se deseja medir

- utilização de membrana / diafragma instalada entre o fluido do processo e o

elemento de medição

As funções principais de um selo químico são as de

1. proteger o fluido de processo de congelamento e endurecimento devidos às variações

da temperatura.

2. isolar materiais de processo venenoso, tóxico, corrosivo, mal cheiroso do sensor de

pressão que é de material de construção padrão, não compatível com o fluido do processo.

3. evitar que fluidos viscosos e sujos entrem e entupam o elemento detector de pressão.

As características do líquido de selagem devem ser

1. líquido não-compressível, para transmitir a pressão.

2. pequeno coeficiente de temperatura

3. baixa viscosidade para operar mesmo em baixas temperaturas

4. quimicamente estável, mesmo em altas temperaturas

Os líquidos normalmente utilizados para selagem são: glicerina

mistura de glicerina e água

mistura de etileno-glicol e água

m-xileno

querosene



Sensores elétricos

Os sensores de pressão eletrônicos podem ser de dois tipos distintos: ativos e passivos.

O sensor ativo é aquele que gera uma militensão sem necessitar de nenhuma polarização

ou alimentação. O elemento mais usado é o cristal piezolétrico.

O cristal piezoelétrico é um elemento que gera uma militensão em função da pressão

mecânica aplicada. Na prática, ele é pouco usado em medições industriais, por causa de seu alto

Custo (feito com material cristalino assimétrico, como titanato de bário, quartzo ou turmalina).

Ele é tipicamente usado em agulhas de toca-discos.

O sensor passivo é aquele que varia a resistência, capacitância ou indutância em função

da pressão aplicada. Ele necessita de uma tensão de alimentação para funcionar.

O strain gauge é elemento sensor de pressão eletrônico mais usado. Ele varia sua

resistência elétrica quando submetido à pressão positiva (compressão) ou negativa

(descompressão). O strain gauge pode ser usado para medir torque, peso, velocidade, aceleração,

além da pressão. O strain gauge é ligado ao circuito detector clássico da Ponte de Wheatstone,

que requer a tensão de polarização em corrente contínua ou alternada.

Para selecionar um sistema de pressão, deve-se:

1. determinar a função desejada indicação local ou remota, registro, controle, proteção,alarme

2. determinar a faixa de pressão de trabalho, valor máximo, amplitude de faixa composta, pressão absoluta ou relativa

3. consultar tabela de elementos, selecionando o tipo e material tecnicamente adequado eeconomicamente vantajoso

4. considerar a natureza do fluido do processo e comparar o que é mais vantajoso usar elemento sensor de material especial não corrosivo (obviamente mais caro) ou usar elementosensor padronizado e selo especial. Considerar, neste caso, os custos da instalação do selo, asegurança e a manutenção.

O pressostato é uma chave elétrica acionada pela pressão, usado para energizar / desenergizar

circuitos elétricos, como uma função da relação entre a pressão de processo e um valor ajustado

pré-determinado.

Os pressostatos são disponíveis para detectar pressão absoluta, composta, manométrica ou

diferencial, com precisões típicas de ±0,5% da amplitude de faixa e mudar o estado de um

contato (geralmente elétrico), na saída.

As características elétricas de um pressostato típico são: 115 V, com correntes de 0,3 a 10A em

corrente contínua ou alternada.

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