MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARTIMO

AUTOMAO APLICADA A NAVIO (AUT-1)

1 edio Belm-PA

2010

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2010 direitos reservados Diretoria de Portos e Costas

Autor: Carlos Rogrio dos Santos Vidal

Reviso Pedaggica: Erika Ferreira Pinheiro Guimares Suzana Reviso Gramatical: Esmaelino Neves de Farias Digitao/Diagramao: Roberto Ramos Smith Designer Grfico: Fernando David de Oliveira

Coordenao Geral: CF Maurcio Cezar Josino de Castro e Souza

____________ exemplares

Diretoria de Portos e Costas Rua Tefilo Otoni, no 4 Centro Rio de Janeiro, RJ 20090-070 http://www.dpc.mar.mil.br secom@dpc.mar.mil.br

Depsito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907 IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL

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SUMRIO 1 FUNDAMENTOS DA AUTOMAO INDUSTRIAL ................................................ 5 1.1 Aspectos iniciais .................................................................................................... 5 1.2 Evoluo das tcnicas industriais .......................................................................... 6 1.3 Elementos da automao industrial ...................................................................... 8 1.4 Impacto da automao na sociedade .................................................................... 9 1.5 Automao aplicada a navios .............................................................................. 10 1.6 Elementos da automao industrial .................................................................... 14

2 SENSORES APLICADOS NA AUTOMAO DE NAVIOS .................................. 26 2.1 Instrumentao industrial .................................................................................... 26 2.2 Caractersticas das medies ............................................................................. 28 2.3 Dispositivos de instrumentao industrial............................................................ 29 2.4 Caractersticas dos instrumentos de medio ..................................................... 31 2.5 Transmisses atravs da malha de controle ....................................................... 36 2.6 Medidores de presso ......................................................................................... 41 2.7 Medidores de temperatura .................................................................................. 55 2.8 Medidores de vazo ............................................................................................ 69 2.9 Medidores de nvel .............................................................................................. 85 2.10 Transdutores ..................................................................................................... 96

3 CONTROLADORES DE PROCESSOS ................................................................. 98 3.1 Introduo ........................................................................................................... 98 3.2 Tipos de controladores industriais ....................................................................... 98

4 COMANDOS PNEUMTICOS E ELETROPNEUMTICOS ............................... 112 4.1 Introduo ......................................................................................................... 112 4.2 Estrutura dos sistemas pneumticos ................................................................. 116 4.3 Smbolos dos componentes pneumticos ......................................................... 145 4.4 Circuitos pneumticos e eletropneumticos. ..................................................... 150

5 COMANDOS HIDRULICOS E ELETROHIDRULICOS ................................... 163 5.1 Introduo ......................................................................................................... 163 5.2 Vantagens e desvantagens da hidrulica .......................................................... 165 5.3 Estrutura dos sistemas hidrulicos .................................................................... 166 5.4 Simbologia hidrulica ........................................................................................ 192 5.5 Circuitos hidrulicos e eletrohidrulicos ............................................................ 196

6 SISTEMAS SUPERVISRIOS ............................................................................ 202 6.1 Introduo ......................................................................................................... 202 6.2 Meios de acessos s plantas ou processos industriais ..................................... 202 6.3 Importncia da utilizao de sistemas supervisrios em navios ....................... 205 6.4 Exemplos ........................................................................................................... 206

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7 AUTOMAO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS EM NAVIOS ........................... 208 7.1 Sistemas de ar de controle ................................................................................ 208 7.2 Sistema de gs inerte ........................................................................................ 211 7.3 Sistemas de controle do MCP ........................................................................... 212 7.4 Sistemas de controle em caldeiras .................................................................... 215 7.5 Sistemas de controle para tratamento de guas ............................................... 217

REFERNCIAS ....................................................................................................... 220

ANEXOS..................................................................................................................223

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1 FUNDAMENTOS DA AUTOMAO INDUSTRIAL

1.1 Aspectos iniciais A automao faz parte do dia-a-dia do homem moderno. Diariamente nos

deparamos com situaes simples que envolvem a automao em algum nvel. Em casa, por exemplo, pela manh, o rdio-relgio automaticamente dispara o alarme para acordarmos; nesse mesmo instante, algum esquenta o po para o caf da manh numa torradeira eltrica, ajustando o tempo de aquecimento; ao final deste tempo, pode-se saborear uma deliciosa torrada preparada sem a interveno humana direta. Esses simples fatos evidenciam como a automao faz parte da vida cotidiana.

A automao uma associao de equipamentos eletrnicos e/ou mecnicos que controlam seu prprio funcionamento, quase sempre sem a interveno humana. Difere da mecanizao, pois esta consiste apenas no uso de mquinas para realizar um trabalho substituindo o esforo fsico do homem. A automao, por sua vez, possibilita realizar um trabalho por meio de mquinas controladas automaticamente ou capazes de se regularem sozinhas.

Foi na pr-histria que surgiram as primeiras tentativas humanas para mecanizar atividades manuais. Invenes como a roda, o moinho (movido por vento ou fora animal) e as rodas dgua foram as primeiras a demonstrar a criatividade do homem para poupar esforo fsico. Mas, somente a partir da segunda metade do sculo XVIII, a automao ganhou destaque na sociedade quando ocorreu a chamada Revoluo Industrial, inicialmente na Inglaterra. Essa revoluo veio substituir o sistema de produo agrrio e artesanal pelo sistema de produo industrial. A partir de ento surgiram dispositivos industriais de operao simples e semiautomticos e somente no incio do sculo XX surgiram os primeiros sistemas inteiramente automticos.

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1.2 Evoluo das tcnicas industriais A necessidade de aumentar a produo e a produtividade industrial deu

origem ao surgimento de uma srie de inovaes tecnolgicas: mquinas modernas, capazes de produzir com maior preciso e rapidez em relao ao trabalho feito mo; utilizao de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicado a mquinas em substituio s energias hidrulica e muscular.

Durante o sculo XX, os computadores, servomecanismos e controladores programveis passaram a integrar a tecnologia da automao industrial. Ento, os computadores passaram a ser os pilares de sustentao de toda a tecnologia da automao contempornea.

A necessidade de automatizar clculos, evidenciada inicialmente no uso de bacos pelos babilnios, entre 2000 e 3000 a.C., a inveno da rgua de clculo e, posteriormente, da mquina aritmtica, que efetuava somas e subtraes por transmisses de engrenagens foram alguns dos fatores diretamente relacionados com as idias para criao do computador. De todas as descobertas humanas a lgebra booleana, desenvolvida por George Boole, que estabelece os princpios aplicados s operaes internas dos computadores (princpios binrios).

Atualmente os computadores tm aplicao em praticamente todas as reas do conhecimento e atividade humana. Por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extrato somos obrigados a interagir com um computador da seguinte forma: passamos o carto magntico, informamos nossa senha e em poucos segundos obtemos a movimentao bancria impressa. Esse procedimento cotidiano ilustrado na figura a seguir.

Figura 1- Fluxo de operaes automticas para retirada de extrato bancrio

A tabela a seguir resume as principais descobertas da humanidade diretamente relacionadas com a evoluo tecnolgica da automao industrial.

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Tabela 1- Evoluo das tcnicas de automao industrial. poca Inovao tecnolgica 1788 James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo de vapor em mquinas.

1870 O setor industrial passou a utilizar a energia eltrica. Esse fato trouxe bastante progresso ao setor de transportes ferrovirio e naval.

1880

Herman Hollerith desenvolveu um novo mtodo, baseado na utilizao de cartes perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulao do censo norte-americano. Os dados foram contabilizados em apenas seis semanas (antes disso, levavam 10 anos). O uso dessa tecnologia foi a base de criao da mquina IBM, bastante parecida com o computador.

1946

Foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrnico. O Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m e pesava 30 toneladas. Funcionava com vlvulas e rels que consumiam 150.000 watts de potncia para realizar cerca de 5.000 clculos aritmticos por segundo. Esta inveno caracterizou o que seria a primeira gerao de computadores, que utilizava tecnologia de vlvulas eletrnicas.

1948

John T. Parsons desenvolveu uma mquina-ferramenta com movimento controlado com cartes perfurados. Aps a demonstrao desse invento, a fora area americana patrocinou uma srie de projetos de pesquisa, coordenada pelo laboratrio de servomecanismos do Instituto Tecnolgico de Massachusetts (MIT). Alguns anos mais tarde, o MIT desenvolveu um prottipo de uma fresadora com trs eixos dotados de servomecanismos de posio.

anos 50

Nasceu a idia da computao grfica interativa (forma de entrada de dados por meio de smbolos grficos com respostas em tempo real). O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catdicos (idntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador.

1952

Surgiu a 2 gerao dos computadores, construdos com transistores. Esses componentes no precisavam ser aquecidos para funcionar, consumiam menos energia e eram mais confiveis do que as vlvulas. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma vlvula, permitindo que os computadores ocupassem menores espaos.

1954 Um rob programvel foi projetado por George Devol, que mais tarde fundou a fbrica de robs Unimation. Poucos anos depois, a General Motors Corporation (ou GM) instalou robs em sua linha de produo para soldagem de carrocerias.

1959 A ou GM comeou a utilizar a computao grfica em seu meio de produo.

anos 60

Comeou a ser utilizado o termo CAD (do ingls Computer Aided Design ou Projeto Auxiliado por Computador) para indicar os sistemas grficos orientados para projetos. Porm, essa dcada foi o perodo mais crtico das pesquisas na rea de computao grfica interativa. Naquela, a grande novidade da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, o qual possibilitou a criao de desenhos e alteraes de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catdicos.

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Tabela 1- Evoluo das tcnicas de automao industrial (continuao). poca Inovao tecnolgica

anos 70 Os primeiros frutos das pesquisas desenvolvidas na dcada anterior comearam a surgir. Setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importncia da computao grfica como forma de aumentar a sua produtividade

1975

Surgiram os chamados chips (circuitos integrados em escala muito grande - VLSI). Os mesmos foram utilizados na construo da quarta gerao de computadores (computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricao) capazes de realizar 50 milhes de clculos por segundo no mesmo tempo em que o Eniac fazia apenas 5 mil clculos.

anos 80

Deu-se inicio s pesquisas voltadas integrao e/ou automatizao dos diversos elementos de projeto e produo industrial a fim de se desenvolver o ambiente industrial moderno. As principais metas das pesquisas nessa poca foram: a expanso das aplicaes dos sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliados por Computador) e a modelagem geomtrica tridimensional com mais aplicaes de engenharia (CAE Engenharia Auxiliada por Computador).

1990 O grupo ISA formou o SP50 Fieldbus Committee para desenvolver um padro de comunicao para integrao dos vrios tipos de dispositivos de campo utilizados na automao industrial.

dias atuais

Atualmente os processos industriais esto interligados a sistemas de superviso que possibilitam gerenciar e interferir nos mesmos a partir de uma sala de controle. Essa rea ainda est em plena expanso.

1.3 Elementos da automao industrial Grande parte dos sistemas automticos modernos extremamente complexa

e requer muitos ciclos de retroao (realimentao). Independentemente do grau de complexidade, os sistemas de automao compem-se de cinco elementos: acionamentos, sensoriamentos, controles, comparadores e programas.

Os elementos de acionamentos so aqueles que fornecem ao sistema automtico energia para atingir determinado objetivo. o caso dos motores eltricos, pistes hidrulicos e outras.

Os elementos de sensoriamento medem o desempenho do sistema de automao ou uma propriedade particular de algum de seus componentes ou grandeza fsica controlada. Como exemplos, tm-se: termopares para medio de temperatura e encoders para medio de velocidade.

Os elementos de controle so aqueles que utilizam as informaes dos sensores para regular o funcionamento dos elementos de acionamento. Por

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exemplo: num sistema de controle de nvel o controlador o elemento responsvel por abrir e fechar uma vlvula para abastecer uma caixa dgua.

O elemento comparador tambm denominado de elemento de deciso e aquele responsvel por comparar os valores medidos com valores preestabelecidos no processo industrial e informar o elemento de controle a fim de que este tome a deciso de quando atuar no sistema. Como exemplos, podemos citar os termostatos e os programas de computadores.

Os programas contm informaes de processo e permitem controlar as interaes entre os diversos componentes. Os programas tambm so denominados de softwares, so conjuntos de instrues lgicas, organizadas de maneira sequencial, que indicam ao controlador a funo que o mesmo deve desempenhar.

Figura 2- Ciclo de funcionamento dos sistemas automticos

1.4 Impacto da automao na sociedade A utilizao da automao em diversos setores da atividade humana trouxe

uma grande quantidade de benefcios sociedade; por exemplo: reduo de custos de produo; aumento da produo industrial; e aumento da segurana dos trabalhadores sujeitos a atividades montonas,

repetitivas ou perigosas.

Porm, a automao tambm trouxe alguns problemas; por exemplo: aumento do nvel de desemprego, principalmente nas reas em que atuam

profissionais de baixo nvel de qualificao; a experincia de um trabalhador torna-se rapidamente obsoleta; extino de muitos empregos que eram importantes; e aumento das ausncias no trabalho, falta de coleguismo, alcoolismo ou

consumo de drogas, que alteram o comportamento dos indivduos no ambiente de trabalho.

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1.5 Automao aplicada a navios A automao aplicada na indstria naval est presente em dois nveis: na

construo e na operao do navio. Tem como objetivos principais: minimizar o esforo humano, aumentar a qualidade, diminuir custos e aumentar a segurana e a comodidade.

A automao naval teve seu incio na indstria naval japonesa. Em meados da dcada de 60 (sculo passado), os construtores de navios do Japo passaram a possuir a maior e mais moderna indstria naval do mundo, porm os fatores econmicos do Japo naquela poca (inflao elevada) e os altos salrios dos trabalhadores altamente qualificados foraram a substituio da mo-de-obra por tcnicas de fabricao automatizadas. A partir de ento, os estaleiros japoneses passaram a construir embarcaes em mdulos, atravs do mtodo de construo em blocos, o que permitiu uma reduo altamente significativa no tempo de construo de um navio. Com o passar dos anos e o desenvolvimento acelerado dos dispositivos de instrumentao e controle industrial essas tcnicas passaram a ser incorporadas tambm na operao da embarcao.

Em nvel da operao de navios, a automao envolve os seguintes aspectos principais:

sistemas navegao; gesto dos motores; controle e monitorao da carga; gerenciamento de energia e de potncia; e posicionamento dinmico.

Os sistemas de navegao dos navios so sistemas complexos e de alto grau de redundncia, possuem estaes de trabalho (Workstations) interligadas atravs de uma rede de transmisso de dados (rede Ethernet, Fieldbus ou Profibus), cujo objetivo : planejar a navegao, corrigir desvios de rota, prevenir e evitar colises, informar dados altamente relevantes para navegao, tais como velocidade do vento, velocidade da embarcao, profundidade, posio etc. Para isso, esse sistema possui RADAR, GPS, cartas nuticas, mapas, medidores de velocidade, sistemas de governo e outros.

A figura a seguir mostra um esquema de interligao dos diversos sistemas utilizados em navios.

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Figura 3 - Exemplo de interligao do sistema de navegao de um navio

O sistema de gesto dos motores de um navio formado por dispositivos eltricos, hidrulicos e pneumticos interligados entre si de tal forma que todo o comando dos motores de propulso automtico. Em outras palavras, o sistema de gesto comanda automaticamente motores, sistemas de ignio, arranque, acelerao, reverso (inverso de marcha) e parada do MCP.

O sistema de controle e monitorao da carga de um navio tem a funo de automatizar o carregamento e descarregamento de produtos dos tanques e pores dos navios. Para isso, em geral, utiliza a tecnologia de medio de nvel por RADAR para medir os nveis de produtos armazenados nos tanques ou pores. Esse sistema de medio de nvel ento conectado via rede a uma estao de trabalho (workstation) instalada no passadio.

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Figura 4 - Exemplo de sistema de controle e monitoramento de carga para navios

O sistema de gesto de energia e potncia de um navio tem como funo principal supervisionar e controlar a operao de geradores eltricos o os gastos de energia eltrica. Para isso, esse sistema responsvel pelo seguinte: controle automtico dos nveis de tenso e frequncia da energia eltrica produzida, armazenamento de energia para as funes vitais e de segurana do navio e da tripulao, seleo da origem da energia eltrica (energia de terra ou de bordo), controle de temperatura e nveis de leo dos motores (Safe Engine Shutdown) e gerao de alarmes no caso de falhas desses sistemas.

O sistema de posicionamento dinmico (ou sistema DP) controla automaticamente a posio e aproamento de uma embarcao atravs de uma propulso ativa. Pode ser operado de forma manual, automtica ou por piloto-automtico. formado por um complexo sistema de controle, composto por sensores (GPS, sonar, anemmetros, giroscpios etc.), atuadores (propulsores e leme) e um processador central responsvel pela execuo do algoritmo de controle e pela interface com o operador. Tambm permite a comunicao com satlites para monitorao da embarcao a distncia.

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Este sistema muito utilizado nas operaes off-shore da indstria do petrleo para posicionamento de navios-tanque com preciso para trabalhos tais como perfurao de poos, mergulho, construo etc. No Brasil, a Petrobrs a pioneira na utilizao desse tipo de sistema na explorao e produo de petrleo em guas profundas.

Figura 5 - Interface de piloto-automtico FONTE: http://www.navsoft.com.br/ Acessado em: 27 de novembro de 2009.

Apesar das inmeras vantagens proporcionadas pela automao, podemos citar os seguintes problemas ocorridos em navios:

os componentes eletrnicos sofrem corroso devido ao do salitre e s infiltraes de gua;

vibraes, calor e rudos excessivos causados pelos motores de grande porte;

fontes de energia limitadas; e baixa repetio na produo de peas, pois cada navio produzido possui

suas particularidades.

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1.6 Elementos da automao industrial

1.6.1 definies Vamos iniciar este item de estudo apresentando conceitos bsicos de

fundamental importncia para os sistemas de automao industrial.

a) sistema o conjunto de elementos dinamicamente relacionados entre si, formando

uma atividade para atingir um objetivo, operando com entradas (informaes, energia, dinheiro, materiais) e fornecendo sadas processadas (modificadas).

b) processo conjunto sequencial e peculiar de aes que objetivam atingir uma meta.

usado para criar, inventar, projetar, transformar, produzir, controlar, manter e usar produtos ou sistemas. Na indstria em geral, processos so procedimentos envolvendo passos qumicos ou mecnicos que fazem parte da manufatura de um ou vrios itens, usualmente em grande escala.

c) comando uma etapa num sistema, mediante o qual uma ou mais grandezas de

entrada influenciam uma ou mais grandezas de sada, de acordo com as caractersticas proprias deste sistema.

Um comando no prev meios para as grandezas de sada atuarem nas entradas no sentido de se garantir s mesmas os valores desejados. Dessa forma, perturbaes externas ao sistema, como variaes de temperatura e foras de trabalho no conseguem ser compensadas ou corrigidas pelos comandos.

Quanto aos tipos de comando, podemos ter: comando manual, mecnico, pneumtico, hidrulico, eltrico ou uma combinao destes. Dessa forma, num sistema de comando, as grandezas de entrada podem ser externas ou internas ao sistema. As grandezas externas podem ser provenientes de vlvulas manuais, botoeiras, interruptores, chaves e sensores diversos. Por sua vez, as grandezas de entradas internas podem ser provenientes de chaves fins de curso e demais sensores do prprio sistema que podem ter seus valores alterados ao longo do processo. Por outro lado, as grandezas de sada de um comando tm como funo

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produzir acionamentos ou outras manifestaes externas atravs de atuadores como cilindros, motores, bombas, lmpadas, vlvulas, posicionadores etc.

d) controle o processo, num sistema, onde o valor de uma grandeza de sada a ser

controlada continuamente comparado com o valor de referncia (valor desejado). O resultado dessa comparao atua na entrada do sistema de tal forma que a sua sada apresente o valor desejado na varivel controlada.

e) servomecanismo todo mecanismo construdo para cumprir sozinho certo programa de ao,

executando seu prprio trabalho a partir de ordens que lhe so dadas. Geralmente, um servomecanismo a associao da mecnica com a eletrnica, portanto, os servomecanismos so sistemas mecnicos controlados eletroeletrnicamente.

f) elementos primrios de controle Os elementos primrios de controle so responsveis pela medio das

grandezas fsicas. Portanto, tm por funo medir alguma propriedade do sistema e convert-la em um sinal que possa ser utilizado para controle. Tipicamente, esto localizados perto do processo, e por isso so denominados "elementos de campo".

De acordo com as caractersticas de funcionais dos elementos primrios, os mesmos podem ser denominados de sensores ou transdutores. Sero denominados sensores quando o sinal gerado for diretamente compatvel com o sistema de controle. E sero denominados de transdutores quando o sinal produzido no for diretamente compatvel com o sistema de controle.

g) transmissores o elemento que transforma a medida do sensor em um sinal padronizado

que pode ser transmitido e interpretado pelo controlador. Muitas vezes o transdutor denominado de transmissor de sinal e em muitos casos, o prprio transmissor tambm o elemento sensor.

h) elementos finais de controle Os elementos finais de controle so aqueles dispositivos que desenvolvem

um trabalho cujo resultado torna possvel modificar o comportamento da grandeza

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fsica controlada. So tambm denominados de atuadores. Esto conectados s sadas dos controladores de processos. Tambm so dispositivos instalados no campo.

i) robtica O termo robtica foi utilizado pela primeira vez na pea de teatro R.U.R.

(Rossum's Universal Robots) estreada em janeiro de 1921 na cidade de Praga. Mais tarde teve sua popularizao em 1948 atravs do escritor de fico cientifica Isaac Asimov, em seu livro "I, Robot" (Eu, Rob).

Atualmente a robtica o ramo da tecnologia que engloba mecnica, eletrnica e computao, que atualmente trata de sistemas compostos por mquinas e partes mecnicas automticas e controlados por circuitos integrados, tornando sistemas mecnicos motorizados, controlados manualmente ou automaticamente por circuitos eltricos.

Esta tecnologia, hoje em dia adotada por muitas fbricas e indstrias em todo o mundo, tem obtido, de um modo geral, xito em questes levantadas sobre a reduo de custos e aumento de produtividade, porm trouxe consigo vrios problemas trabalhistas com funcionrios e aumento do desemprego.

j) ciberntica o ramo da cincia que estuda e desenvolve tcnicas de comunicao e

controle, sejam do homem e demais seres vivos ou do homem com as mquinas. Sendo a comunicao definida como sendo a troca de informaes entre o sistema e o seu meio, e dentro do prprio sistema, ento, a ciberntica uma tentativa de compreender a comunicao e o controle de mquinas, seres vivos e grupos sociais atravs de analogias com as mquinas cibernticas (servomecanismos).

Estas analogias s so possveis para a ciberntica, pois esta estuda o tratamento da informao no interior destes processos atravs de codificao, decodificao, retroao ou realimentao (feedback), aprendizagem etc.

k) diagrama em blocos Atravs de um diagrama em blocos tem-se uma viso geral de que forma os

componentes do sistema esto interagindo entre si. Cada funo principal desempenhada pelo sistema definida como um bloco e representada por um

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desenho especfico de acordo com a aplicao. A interligao entre cada bloco representada atravs de uma linha.

Os diagramas em bloco so utilizados para que possamos compreender como um determinado sistema funciona e como esto interligadas as suas aes. Dessa forma, temos uma rpida e geral viso das sequncias dessas aes, ou seja, atravs dos diagramas em blocos podemos compreender os processos presentes num sistema.

Na indstria, em geral, o diagrama em blocos uma ferramenta de auxlio para projetistas, instaladores, equipe de manuteno e operadores dos sistemas. Atravs desse tipo de representao, possvel conhecer de que forma os diversos automatismos esto conectados e tambm identificar as sequncias das aes desses automatismos.

Um exemplo de diagrama em blocos apresentado na figura 7.

l) automao e automatizao De acordo com as definies anteriores, um sistema de controle dito

automtico quando os mecanismos que verificam seu prprio funcionamento efetuam medies e introduzem correes sem a necessidade de interferncia humana.

bastante comum confundir os termos automatismo e automao. Automatismo um simples sistema destinado a produzir a igualdade de esforo fsico e mental e um maior volume de trabalho; a automao a associao organizada dos automatismos para execuo dos objetivos do progresso humano.

A automao diminui os custos e aumenta a velocidade da produo. Hoje em dia est presente em diferentes ramos de atividades do homem, desde a medicina at a astronomia, ampliando a capacidade de interao com a natureza e os processos.

A automao industrial visa, principalmente, a produtividade, qualidade e segurana em um processo. Pode-se afirmar que todo processo pode, de alguma forma, ser automatizado; ento, a deciso entre a utilizao da automao torna-se uma questo mais de ordem econmico-financeira que propriamente tcnica. Ao longo dos anos a automao tem provocado uma srie de mudanas no ambiente de trabalho como:

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reduo no nvel de emprego de atividades repetitivas e/ou que requerem pouca qualificao;

desaparecimento de algumas profisses; aumento da qualidade e padronizao de produtos; e reduo de custos de produo entre outras.

1.6.2 caractersticas do controle automtico Seja o exemplo de sistema de controle de nvel representado na figura 6.

Observe que sempre ocorrer um escoamento na parte inferior do tanque. Ento, suponha que se deseja manter o nvel de gua em 50% da capacidade do tanque. Para isso, um operador deve monitorar a altura da coluna de gua. Caso o nvel de gua esteja abaixo do valor desejado (50%), o operador deve abrir a vlvula de entrada para que o tanque seja abastecido com gua. Porm, quando o nvel se aproximar (ou se igualar ou ainda ultrapassar) ao valor desejado, o operador deve fechar a vlvula de entrada. Dessa forma, o tanque tende a esvaziar e o operador dever, ento, abrir novamente a vlvula de entrada. Esse ciclo de operao dever ser repetido tanto quanto for necessrio.

Figura 6- Exemplo de sistema de controle de nvel

Esse sistema de controle de nvel pode ser representado atravs do diagrama em blocos apresentado na figura 7. Esse diagrama recebe o nome de diagrama em blocos da malha de controle fechada e mostra os elementos bsicos que compem os sistemas de controle automtico.

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Figura 7- Representao do sistema de controle de nvel atravs do diagrama em blocos da malha de controle

a) sinais da malha de controle Conforme pode ser observado na figura 7, a malha de controle possui 5

(cinco) sinais responsveis pela operao do sistema de controle automtico. So eles: set point, varivel de processo, sinal de erro, varivel manipulada e sinal de realimentao. A seguir apresentamos as definies dos sinais presentes na malha de controle.

O set point corresponde ao valor desejado para a grandeza fsica que se deseja controlar. Tambm chamado de sinal de entrada ou sinal de referncia ou valor de preset da malha de controle e sempre aplicado no bloco de comparao que calcula o sinal de erro e pode ser abreviado pelo termo SP.

Observe no exemplo das figuras 6 e 7 que o set point corresponde ao valor do nvel de gua desejado pelo operador, ou seja, SP=50%, conforme descrio apresentada no pargrafo inicial do item 1.6.2.

A varivel de processo corresponde ao valor real (medido pelo sensor) da grandeza fsica controlada. Tambm recebe o nome de varivel controlada ou sinal de sada e pode ser abreviado pelo termo VP.

Note que, ainda no exemplo referente s figuras 6 e 7, a varivel de processo corresponde ao nvel de gua observado pelo operador, ou seja, o nvel de gua medido visualmente pelo operador.

O sinal de erro corresponde diferena entre o valor desejado e o valor real da grandeza fsica controlada; ou seja, a diferena entre o set point e a varivel de processo (Erro=SP-VP). Esse sinal evidencia a necessidade de correo da varivel de processo e pode ser positivo, negativo ou nulo.

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O sinal de erro calculado pelo bloco detector de erro e aplicado entrada do bloco controlador.

Para o exemplo analisado at este momento, o erro corresponde diferena visual entre o valor do nvel de gua desejado e o valor do nvel de gua observado pelo operador.

A varivel manipulada corresponde ao sinal de sada do bloco controlador da malha de controle. Tambm denominada de sinal de controle ou sinal de correo ou sinal da lei de controle ou sinal da ao de controle, e pode ser abreviada pelo termo VM.

A VM um sinal de correo aplicado ao atuador a fim de alterar o valor da varivel de processo fazendo com que o valor desta seja igual ou aproximadamente igual ao valor do set point e sofre influncia direta do controlador. Em outras palavras, cada tipo de controlador produz um tipo de sinal para varivel manipulada que por sua vez ir corrigir a varivel de processo. Essa correo ter maior ou menor preciso e maior ou menor velocidade dependendo dos ajustes feitos no controlador.

Nota: maiores detalhes sobre este assunto sero abordados no terceiro captulo.

O sinal de realimentao o sinal proveniente da sada do bloco sensor na malha de controle. Corresponde a uma parte ou a totalidade do sinal de sada da malha de controle, isto , o valor do sinal de realimentao igual a uma amostragem do valor da varivel de processo ou ento corresponde a todo o valor da varivel de processo.

Para efeitos de simplificao deste estudo vamos considerar que o valor do sinal de realimentao igual a valor da varivel de processo. Isto pode ser representado matematicamente atravs da seguinte expresso:

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b) hardware da malha de controle O hardware da malha de controle formado por dispositivos e equipamentos

(automatismos) interligados com o objetivo de operar o sistema de controle automtico.

Conforme mostra a figura 7, o hardware da malha de controle possui 6 (seis) elementos. So eles: detector de erro, controlador, atuador, planta ou processo, sensor e linhas de transmisso. Vamos a essas definies!

O detector de erro tem a funo de calcular o valor do sinal de erro da malha de controle. Tambm pode ser denominado de bloco comparador ou somador.

O controlador tem a funo de determinar as tomadas de decises necessrias para corrigir o valor da varivel de processo. As tomadas de decises correspondem ao clculo do sinal da varivel manipulada. Em outras palavras, o controlador o responsvel por produzir um sinal que ser entregue ao atuador a fim de que este altere o valor da varivel de processo de tal forma que ela se iguale ou se aproxime do valor de set point.

O controlador um equipamento que pode ser hidrulico, pneumtico ou eletrnico. E, conforme sua ao de controle pode ser: ON-OFF, proporcional, integral, derivativo ou uma combinao dos trs ltimos.

Existe uma grande variedade de controladores no mercado sendo que aqueles que apresentam uma maior eficincia e versatilidade so os controladores lgicos programveis. Estes, de acordo com seus recursos disponveis, podem executar, atravs de um programa usurio, qualquer uma das aes de controle citadas no pargrafo anterior e ainda executar temporizaes, contagens, acionamentos sequenciais de motores, operaes aritmticas, etc.

A figura 8 mostra alguns modelos de controladores utilizados na indstria.

Figura 8- Modelos de controladores industriais

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O atuador o dispositivo responsvel pela execuo da ao de controle calculada pelo controlador. Em outras palavras, o atuador recebe o sinal da varivel manipulada, proveniente do controlador, e executa um trabalho que ir causar uma alterao no valor da varivel de processo. Tambm recebe o nome de elemento final de controle (E.F.C.).

Os atuadores so dispositivos que podem ser comandados atravs de sinais pneumticos, hidrulicos ou eletrnicos.

A figura 9 mostra alguns tipos de atuadores industriais: bombas, motores, vlvulas e pistes.

Figura 9- Modelos de atuadores industriais

A planta ou processo representa toda estrutura fsica e toda reao fsica ou qumica que influencia no comportamento da varivel de processo.

Nota: no exemplo do sistema de controle de nvel das figuras 6 e 7, a planta caracterizada diretamente pelas dimenses do tanque e pelos dimetros das tubulaes de abastecimento e de esvaziamento do tanque. Para efeito de simplificao da malha de controle, vamos considerar que a planta ou processo representado apenas pelo tanque.

O sensor o dispositivo cuja funo realizar a medio do valor da varivel de processo e transmitir essa informao (sinal de realimentao) entrada da malha de controle (bloco detector de erro).

Existe uma grande variedade de sensores responsveis pelas medies de grandezas fsicas como presso, temperatura, vazo, nvel, posio etc. A figura 10 mostra alguns tipos de sensores industriais.

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Figura 10- Modelos de sensores industriais

As linhas de transmisso so as ligaes entre os blocos da malha de controle as quais indicam a trajetria dos sinais ao longo da mesma.

Nota: maiores detalhes sobre as caractersticas das linhas de transmisso sero apresentadas no prximo captulo.

1.6.3 exemplo de sistema de controle Suponha que um veculo (automvel) est em movimento e que a grandeza

fsica a ser controlada deve ser a velocidade do mesmo. A figura 11 mostra o respectivo diagrama em blocos da malha de controle.

Figura 11- Malha de controle do sistema de controle de velocidade do veculo

Para manter a velocidade do veculo constante em um determinado valor (por exemplo: 80 km/h), o motorista monitora a velocidade atravs do velocmetro do veculo e varia a fora com que ele pisa no pedal do acelerador a fim de manter a velocidade igual ao valor desejado. Se a velocidade passar do valor desejado, o motorista pode diminuir a fora aplicada ao pedal do acelerador (ou ento pode pisar no pedal de freio do veculo). Por outro lado, se a velocidade indicada pelo velocmetro diminuir, o motorista deve aumentar a fora sobre o pedal do acelerador a fim de aumentar a velocidade do veculo. O mesmo tipo de controle pode ser

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realizado pelo motorista quando o veculo estiver subindo ou descendo uma lombada, por exemplo.

Agora imagine que o mesmo automvel est sem velocmetro. O que o motorista dever fazer para controlar a velocidade do veculo?

Resposta: Para manter a velocidade do veculo constante, o motorista deve estimar com qual fora ele dever pisar no pedal do acelerador e manter essa fora. Dependendo da experincia do motorista a velocidade final se manter prxima do valor desejado, porm somente com muita sorte ele conseguir manter a velocidade real prxima do valor desejado.

Nota: esse tipo de controle recebe o nome de controle em malha aberta, pois o valor da varivel de processo no pode ser observado (ou medido) pelo operador (ou controlador) e, portanto, no retorna entrada da malha de controle.

1.6.4 operao de um sistema de controle automtico Todo processo ou sistema de controle automtico pode ser modelado atravs

do diagrama em blocos conforme mostra a figura 12. Este diagrama em blocos denominado de malha de controle fechada, pois o sinal de sada (varivel de processo, VP) desse diagrama medido e transferido para a entrada da malha de controle para ser comparado com um valor de referncia (set point, SP).

O resultado da comparao entre os sinais de referncia e de sada da malha de controle produz um sinal de erro (Erro = SP - VP), que pode ser positivo (SP>VP), negativo (SP

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Figura 12- Diagrama em blocos da malha de controle automtico

Nota: em um sistema de controle automtico, qualquer alterao no valor do sinal de referncia (set point) deve ser corrigida imediatamente na varivel de processo, ou seja, a varivel de processo sempre ir responder s alteraes sofridas pelo valor de referncia a fim de que ambos sejam iguais (ou aproximadamente iguais).

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2 SENSORES APLICADOS NA AUTOMAO DE NAVIOS

2.1 Instrumentao industrial A instrumentao industrial o ramo cientifico responsvel pelo

desenvolvimento de tcnicas ou dispositivos capazes de medir, indicar, registrar e controlar processos de fabricao (ou de produo), com o objetivo de aperfeioar a eficincia desses processos.

A matria-prima para pesquisa e desenvolvimento na rea de instrumentao so os princpios fsicos e qumicos j desvendados pela humanidade. Portanto, pode-se afirmar que todos os equipamentos de instrumentao industrial, atualmente utilizados nas indstrias, em geral, funcionam segundo princpios ou leis fsicas e/ou qumicas conhecidas.

Em resumo, a instrumentao industrial tem como objetivos: melhorar a qualidade dos produtos ou processos industriais; diminuir os custos de produo; diminuir o tempo de fabricao; e reduzir a quantidade de mo-de-obra.

Em outras palavras, a utilizao da instrumentao industrial nos permite: incrementar e controlar a qualidade do produto; aumentar a produo e o rendimento; obter e fornecer dados seguros da matria-prima e da quantidade; obter dados relativos economia dos processos e outras aplicaes.

Conforme j foi estudado nos captulo anterior, em uma malha de controle fechada, necessrio que se faa um acompanhamento contnuo da varivel de processo. Para isso, necessita-se de elementos capazes de converter as alteraes nos valores das diversas variveis em sinais confiveis, facilmente observveis e transmissveis. Os elementos responsveis por esta funo so denominados de sensores.

Os sensores so dispositivos que mudam de comportamento sob a ao de uma grandeza fsica, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica o valor ou estado dessa grandeza fsica.

A necessidade de se desenvolver tcnicas de medio das variveis de processo surgiu com o advento da Revoluo Industrial e do desenvolvimento da

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mquina a vapor. Surgiram, ento, os primeiros instrumentos de medies industriais para indicar a presso de vapor nas caldeiras. Esse instrumento de medio possibilitou a diminuio do nmero de acidentes de trabalho que ocorriam frequentemente devido s constantes exploses das caldeiras.

Ao trmino da dcada de 30 (mais precisamente por volta de 1938), surgiram os primeiros equipamentos de controle automtico. Estes utilizam como fonte de energia um fluido hidrulico pressurizado e, por essa razo, foram denominados controladores hidrulicos.

Posteriormente, surgiram os controladores pneumticos. Estes, por sua vez, utilizam o ar comprimido como fonte de energia.

No incio da dcada de 50, surgiram os instrumentos eletrnicos analgicos. Graas ao surgimento da eletrnica dos semicondutores, os instrumentos pneumticos passaram a ser substitudos gradativamente pelos instrumentos eletrnicos nos processos onde no existia o risco de exploso.

Atualmente, as indstrias de um modo geral esto automatizando suas plantas/processos com sistemas eletrnicos microprocessados, como transmissores inteligentes, controladores lgicos programveis, sistemas Fieldbus e sistemas supervisrios diversos.

A fabricao dos instrumentos eletrnicos evoluiu a ponto de tornar os riscos de exploses bastante reduzidos. Dessa forma, os instrumentos eletrnicos iro gradativamente ser aplicados tambm nas reas com risco de exploso.

A evoluo dos instrumentos industriais para medio, registro e controle das diversas variveis de processo das plantas/processos industriais tem colaborado com o aumento da responsabilidade das equipes envolvidas na instalao e manuteno desses instrumentos. Por isso, se faz necessrio investir, consideravelmente, recursos financeiros em pesquisas e treinamento, pois, para se obter as vantagens que a instrumentao industrial proporciona, os equipamentos devem ser instalados, supervisionados e mantidos em operao por pessoas devidamente qualificadas.

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2.2 Caractersticas das medies Medir uma varivel equivale a comparar a quantidade envolvida da grandeza

associada a esta varivel com uma quantidade estabelecida previamente como padro.

A medio das variveis envolvidas no processo uma etapa fundamental em qualquer sistema de controle; afinal, no se pode controlar aquilo que no se pode medir, mesmo que, s vezes, esta medio ocorra de forma indireta.

Medida o nome dado ao processo que nos permite atribuir um valor numrico a uma propriedade fsica resultante de uma comparao entre quantidades semelhantes, sendo uma delas padronizada e adotada como unidade. Associadas a esse valor numrico, temos as unidades de medidas.

Uma unidade de medida uma grandeza usada como termo de comparao para medies de grandezas de mesma espcie. A unidade de medida o termo que qualifica e caracteriza a grandeza fsica no processo de medio. Por exemplo: massa kg (quilograma)

As unidades de medidas so estabelecidas pelo Sistema Internacional (SI). Este sistema compreende 7 (sete) unidades fundamentais, 2 (duas) suplementares, unidades derivadas, mltiplos e submltiplos de unidades, alm de outras unidades admitidas sem restries de prazo ou temporariamente.

As unidades fundamentais do sistema internacional so aquelas que no so derivadas de nenhuma outra unidade. So elas: metro (comprimento), quilograma (massa), segundo (tempo), ampre (corrente eltrica), Kelvin (temperatura termodinmica), mol (quantidade de matria) e candela (intensidade luminosa). A tabela a seguir mostra alguns exemplos de unidades de medidas que, embora fora do sistema internacional, so bastante utilizadas.

Tabela 2- Unidades de medidas fora do SI

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As medidas de grandezas fsicas podem ser classificadas em duas categorias: medidas diretas e indiretas.

A medida direta de uma grandeza o resultado da leitura de uma magnitude mediante o uso de um instrumento de medida, como por exemplo, um comprimento com uma rgua graduada, ou ainda a de uma corrente eltrica com um ampermetro, a de uma massa com uma balana ou de um intervalo de tempo com um cronmetro.

Por outro lado, uma medida indireta aquela que resulta da aplicao de uma relao matemtica que vincula a grandeza a ser medida com outras diretamente mensurveis. Como por exemplo, a medida da velocidade mdia de um carro pode ser obtida atravs da medida da distncia percorrida e do intervalo de tempo.

Os medidores tambm podem ser classificados em medidores contnuos e medidores descontnuos.

Um medidor contnuo aquele que realiza medies em todos os pontos dentro de uma determinada faixa de medida. Para cada valor dentro da faixa de medida desse tipo de instrumento existe um valor correspondente transmitido pelo instrumento.

Um medidor descontnuo ou medidor discreto aquele em que a medio feita somente para fornecer uma indicao de presena ou ausncia ou, ainda, de mnimo ou mximo valor da grandeza fsica medida. Esse tipo de medidor bastante utilizado no controle de duas posies ou na gerao de alarmes. Esse tipo de medidor s apresenta mudana em sua sada se a grandeza fsica medida assumir um valor nico, previamente calibrado.

2.3 Dispositivos de instrumentao industrial

2.3.1 sensor todo instrumento de medio capaz de responder a um estmulo fsico e

produzir um sinal que permita a indicao do valor desse estmulo de forma direta. Sendo que o valor detectado se torne legvel pelo homem. Por exemplo: um termmetro de coluna lquida de mercrio utilizado nos hospitais.

Um sensor pode ainda ser classificado de acordo com o tipo de energia que detecta. Assim temos: sensores pticos, magnticos, capacitivos, mecnicos, ultrassnicos, eletromagnticos etc.

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2.3.2 transdutor um dispositivo que recebe um sinal e o retransmite, sem que haja a

converso de energia. Porm, costuma-se definir o elemento transdutor como sendo o instrumento de medio capaz de detectar uma grandeza fsica e transform-la em outro tipo de energia. Dessa forma, pode-se definir um transdutor como sendo todo instrumento de medio que realiza medida indireta.

Quanto forma de energia, os transdutores podem ser: eltricos, pneumticos, hidrulicos etc.

Quanto origem da energia, os transdutores podem ser: ativos ou passivos. Transdutores ativos so aqueles que dispem de uma alimentao de energia. Neles, a maior parte da energia de sada provida pela alimentao. Transdutores passivos so aqueles cuja energia de sada proveniente unicamente (ou quase unicamente) da energia de entrada.

Como exemplos de transdutores temos: altofalante, antena, clula fotoelctrica, dnmo, fotoclula, LVDT, strain gauge, termopar etc.

Nota: muitas vezes um sensor composto de um transdutor.

2.3.3 indicador o dispositivo capaz de disponibilizar uma informao medida para

visualizao do operador da planta industrial de modo on-line. Desse modo, o operador fica sabendo o valor da varivel de processo no instante em que visualiza o instrumento indicador no painel de controle.

2.3.4 transmissor o dispositivo capaz de transportar a informao medida por um instrumento

de um ponto a outro no processo industrial para fins de processamento e controle da planta industrial.

2.3.5 registrador o dispositivo capaz de armazenar a informao medida para posterior

visualizao ou anlise do operador e/ou da equipe de manuteno da planta industrial.

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2.3.6 controlador o equipamento que avalia automaticamente a informao medida,

comparando-a com um valor de referncia para posterior tomada de deciso, mediante uma ao previamente programada a partir dos resultados da comparao realizada.

2.4 Caractersticas dos instrumentos de medio As caractersticas dos instrumentos de medio e dos demais dispositivos de

instrumentao e controle de processos podem ser assim classificadas: caractersticas tcnicas e dinmicas. So exemplos de caractersticas tcnicas dos instrumentos de medio: faixa de medio ou RANGE, alcance ou largura de faixa ou SPAN, sensibilidade, linearidade, erro de medida do instrumento, exatido, preciso e repetibilidade. como exemplos de caractersticas dinmicas dos instrumentos: zona morta, supresso de zero, elevao de zero, tempo morto e histerese.

As caractersticas tcnicas e dinmicas dos instrumentos so de fundamental importncia na escolha adequada do tipo de instrumento que ser utilizado. A seguir sero apresentadas as principais caractersticas tcnicas e dinmicas comuns a grande maioria dos instrumentos ou equipamentos industriais.

2.4.1 faixa de medio ou RANGE Denomina-se faixa de medio ou RANGE de um sensor como sendo o

conjunto de valores da varivel de processo compreendidos entre os limites superior e inferior da capacidade de medida, transmisso ou controle do instrumento, sendo expresso pelos seus valores extremos.

Por exemplo: um medidor de temperatura capaz de medir valores de temperaturas entre -20 e 120C, ou seja, esse sensor possui faixa de medio ou RANGE entre -20 e 120C.

Nota: Quanto maior for o valor do range de um instrumento de medio, menor ser a sua preciso. Por isso, deve-se escolher um sensor com RANGE adequado para as medies que se pretende efetuar. Em outras palavras, prefervel que os valores medidos pelo sensor estejam no meio de sua faixa de medida, pois, nessa regio, a preciso do instrumento maior.

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2.4.2 alcance ou largura de faixa ou SPAN Este parmetro determinado pela diferena algbrica entre os limites

superior e inferior da faixa de medio ou RANGE do instrumento. Ou seja, a largura de faixa ou SPAN de um instrumento dada pela seguinte equao:

Por exemplo: para o mesmo medidor de temperatura do item anterior com RANGE entre -20C e 120C, o clculo de seu valor de SPAN feito da seguinte forma:

Nota: o SPAN determina a distncia a qual o instrumento percorre para medir todos os valores entre seus limites mnimo e mximo de leitura.

2.4.3 sensibilidade Um instrumento de medio sempre possui duas regies de trabalho. A

primeira regio formada pelos limites do sinal medido e denominada de faixa de medida ou RANGE do instrumento. A segunda regio formada pelos limites do sinal transmitido pelo sensor e denominada de faixa transmitida. Portanto, podemos afirmar de forma bastante simples que um sensor possui um SPAN de entrada e um SPAN de sada, correspondentes aos sinais medidos e transmitidos, respectivamente, pelo instrumento.

A sensibilidade de um instrumento determinada pela razo entre a variao do valor indicado ou transmitido e a variao da varivel (grandeza fsica) que acionou o instrumento. Ou seja, a sensibilidade determinada pela seguinte equao:

Por exemplo: seja o mesmo medidor de temperatura dos exemplos dos itens anteriores (2.4.1 e 2.4.2), sabendo-se que o mesmo transmite um sinal de 4 a 20mA, o clculo do valor de sua sensibilidade feito da seguinte maneira:

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Neste exemplo, o valor encontrado para a sensibilidade determina que para cada 1 de variao do sinal medido pelo sensor o sinal transmitido varia 0,1143mA. Portanto, o valor de SPAN determina o valor acrescentado (ou diminudo) no valor do sinal transmitido pelo instrumento quando ocorre um incremento (ou decremento) de uma unidade do sinal medido.

Nota: o SPAN no adimensional, isto , possui unidade de medida, a qual formada pela diviso da unidade do sinal transmitido pela unidade do sinal medido.

2.4.4 linearidade A linearidade de um instrumento determinada pelo grau de

proporcionalidade entre o sinal transmitido e a grandeza fsica medida. Quanto maior, mais fiel a resposta do sensor ao estmulo, mais linear o sensor. Os sensores mais usados so os mais lineares, conferindo mais preciso ao sistema de controle. Os sensores no lineares so usados em faixas limitadas, onde os desvios so aceitveis, ou com adaptadores especiais (circuitos de linearizao), que corrigem o sinal.

A figura a seguir mostra curvas de respostas caractersticas de dois medidores de temperatura bastante utilizados. Um desses sensores apresenta comportamento linear, ou seja, a relao entre seus sinais transmitido e medido por esse sensor pode ser representada atravs de uma reta em toda faixa de medida do instrumento. O outro sensor apresenta um comportamento no-linear, ou seja, a relao entre seus sinais transmitido e medido no representada por uma reta em toda faixa de medida do instrumento.

Figura 13- Relao RESISTNCIA x TEMPERATURA para sensores de temperatura tipo resistivos

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2.4.5 erro de medida do instrumento Esta caracterstica a diferena entre o valor real e o valor medido da

grandeza fsica quando se efetua uma medio. O valor medido sempre aproximado, no sendo, portanto, igual ao valor real.

O erro de medida do instrumento pode ser dado de forma absoluta ou relativa. O erro absoluto aquele cujo valor calculado pela diferena algbrica

entre os valores real e medido da grandeza fsica examinada. representado por AE e calculado pela seguinte expresso:

O erro relativo obtido quando se representa o valor do erro absoluto em valores percentuais em relao ao valor real da grandeza fsica medida ou mesmo em relao ao valor de SPAN do instrumento (neste caso denomina-se erro relativo ao SPAN).

O erro relativo dado pela seguinte expresso:

O erro relativo ao SPAN dado pela seguinte expresso:

2.4.6 exatido Esta caracterstica do instrumento de medio exprime o afastamento entre a

medida por ele efetuada do valor de referncia aceito como verdadeiro (valor real). A exatido est diretamente relacionada com as caractersticas prprias do

instrumento, como a forma como foi projetado e construdo. Nos instrumentos de medio, a exatido indicada como classe de

exatido. Nota: quanto mais prxima estiver a leitura realizada pelo instrumento do

valor aceito como verdadeiro, mais exato ser o instrumento de medida.

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2.4.7 preciso Esta caracterstica exprime o grau de reproduo nas indicaes de um

instrumento de uma mesma medida sob as mesmas condies de funcionamento do instrumento.

A preciso, muitas vezes, no indicada nos instrumentos, pois resulta de uma anlise estatstica. Portanto, a preciso est diretamente ligada operao do instrumento e medio da grandeza fsica como um todo.

A preciso pode ainda ser definida como sendo o limite de erro de medio do instrumento.

Nota: a alta preciso implica em repetio de um mesmo valor para vrias leituras realizadas sob as mesmas condies. A preciso um pr-requisito para a exatido, mas no garante a mesma. Portanto, uma medida efetuada pode ser to mais precisa quanto mais exato for o instrumento.

2.4.8 repetibilidade Esta caracterstica determina a capacidade que o instrumento possui de

reproduo de um mesmo valor indicado ou transmitido ao se medir, repetidamente, valores idnticos da grandeza fsica monitorada, nas mesmas condies de operao e no mesmo sentido de variao.

Nota: na prtica, a repetibilidade de um instrumento pode ser expressa como percentagem do SPAN instrumento de medio.

2.4.9 zona morta (dead zone) Esta caracterstica determina a faixa de valores da grandeza fsica medida

que no provoca variao da indicao ou no sinal transmitido pelo instrumento de medio.

Nota: dentro da zona morta, a grandeza fsica pode ser alterada sem ser detectada pelo instrumento de medio.

2.4.10 supresso de zero ou escala de zero suprimido Este parmetro determina a quantidade com que o valor inferior da faixa de

medida (range) do instrumento supera o valor zero ou valor mnimo da grandeza fsica medida.

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O valor de supresso de zero pode ser expresso em unidades da grandeza medida ou em percentagem do SPAN do instrumento de medio.

2.4.11 elevao de zero ou escala de zero elevado Esta caracterstica determina o valor da grandeza fsica medida que

determina a quantidade com que o valor zero ou valor inferior da faixa de medida (range) do instrumento de medio superado.

Este parmetro pode ser expresso em unidades da grandeza fsica medida em percentagem do SPAN do instrumento de medio.

2.4.12 tempo morto (dead time) o valor de tempo que determina o atraso verificado entre a ocorrncia de

uma alterao na grandeza fsica medida e a sua percepo pelo instrumento. Tambm pode ser denominado de atraso de transporte.

2.4.13 histerese a diferena observada entre a medio de uma grandeza fsica quando esta

percorre a faixa de medio do instrumento no sentido crescente e no decrescente. A histerese um parmetro expresso em percentagem do SPAN do

instrumento de medio.

2.5 Transmisses atravs da malha de controle

2.5.1 introduo Em uma malha de controle as informaes so transportadas atravs das

linhas de transmisso. Nestas, as informaes provenientes de diversos tipos de sensores so transportadas para dispositivos de indicao, registro ou controle e, ainda, as informaes provenientes das sadas do dispositivo de controle so transportadas aos diversos tipos de atuadores.

A natureza dessa transmisso determinada pelo tipo de sinal que transmitido, podendo ser de natureza pneumtica, hidrulica e eltrica (em corrente ou tenso).

Nota: atualmente a transmisso eltrica a mais utilizada, principalmente por sua grande velocidade de transmisso, facilidade de converso do sinal e possibilidade de adaptao aos sistemas informatizados.

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2.5.2 tipos de transmisses atravs da malha de controle Os sinais de transmisso so sinais responsveis pelo transporte da

informao medida por um instrumento de um ponto a outro no processo industrial para fins de processamento e controle da planta industrial.

Os tipos de transmisso dos instrumentos de medio de maior interesse na indstria naval so os seguintes:

a) transmisso pneumtica; b) transmisso hidrulica; c) transmisso eltrica; e d) transmisso digital.

a) transmisso pneumtica Nesse tipo de transmisso utilizado um gs comprimido (Ar ou N2), cuja

presso alterada conforme o valor que se deseja representar. O sinal padro de transmisso ou recepo pneumtico de 0,2 a 1,0 Kgf/cm2 (S.I.), que equivale a aproximadamente 3 a 15 psi no sistema ingls. A tabela a seguir apresenta algumas vantagens e desvantagens da transmisso pneumtica.

Tabela 3- Vantagens e desvantagens da transmisso pneumtica Vantagens Desvantagens

pode ser operado com segurana em ambientes explosivos (reas classificadas).

necessita de tubulao e equipamentos auxiliares para suprimento e funcionamento dos instrumentos.

apresenta imunidade s interferncias magnticas ou eletromagnticas.

vazamentos ao longo da linha e nos instrumentos so difceis de serem detectados.

no sofre interferncia da temperatura, como ocorre com os sistemas hidrulicos, onde a viscosidade do fluido alterada com a temperatura.

no pode ser enviado a distncias maiores que 100m sem o uso de reforadores de sinal devido ao atraso na transmisso.

no causa poluio ambiental no caso de vazamentos.

no permite a conexo direta aos computadores.

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b) transmisso hidrulica Semelhante ao tipo pneumtico e com desvantagens equivalentes, o tipo

hidrulico utiliza a variao de presso exercida em leos hidrulicos para transmisso de sinal. O sinal padro de transmisso ou recepo hidrulico tambm de 0,2 a 1,0 Kgf/cm2 (S.I.), aproximadamente 3 a 15 psi no Sistema Ingls. A tabela a seguir apresenta algumas vantagens e desvantagens da transmisso hidrulica.

Tabela 4- Vantagens e desvantagens da transmisso hidrulica Vantagens Desvantagens

pode gerar grandes foras e assim acionar equipamentos de grande porte.

necessita de tubulao de leo para transmisso e recepo de sinal.

possui respostas rpidas (pequeno retardo no tempo), podendo ser operados a longas distncias.

necessita de inspees peridicas do nvel de leo, alm de abastecimento e troca do mesmo.

os atuadores hidrulicos apresentam excelente preciso em todas as velocidades do fluido.

necessita de equipamentos auxiliares tais como bombas, filtros de leo, reservatrios.

o fluido hidrulico tambm atua como elemento de lubrificao e de vedao dos componentes hidrulicos.

o movimento do fluido hidrulico gera calor excessivo no mesmo o que pode causar queda de rendimento devido a alterao da viscosidade do fluido.

c) transmisso eltrica A transmisso eltrica pode ser realizada em tenso ou em corrente eltrica.

Esses sinais so, hoje em dia, largamente utilizados em todas as indstrias nas reas onde no ocorre o risco de exploso. Porm, a evoluo tecnolgica tem permitido construir equipamentos eltricos capazes de funcionar tambm nas reas de risco. A tabela a seguir mostra os sinais padres da transmisso eltrica.

Tabela 5- Sinais padres para a transmisso eltrica Sinal Transmisso discreta Transmisso contnua

Tenso

0 ou 10VDC (NPN ou PNP) 1 a 5 VDC

0 ou 24 VDC (NPN ou PNP) 0 a 10 VDC

0 ou 110 VAC 2 a 10 VDC 0 ou 220 VAC -10 VDC a +10 VDC

Corrente 0 a 20 mA 4 a 20 mA

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Conforme se pde observar na tabela anterior, os sinais utilizados na transmisso eltrica podem ser classificados em discretos e contnuos. A figura a seguir apresenta grficos que mostram as caractersticas dos sinais eltricos utilizados nas transmisses discreta e contnua.

Figura 14- Caractersticas de transio dos sinais para transmisso eltrica: ( a ) transmisso discreta binria; ( b ) transmisso contnua

Nota: como pode ser observado na figura 14-a, o sinal da transmisso discreta possui somente dois valores possveis; por esta razo, esse tipo de transmisso tambm denominada de transmisso digital em tenso; por outro lado, na figura 14-b, pode-se observar que o sinal da transmisso contnua possui infinitos valores entre os seus dois limites (mnimo e mximo); por isso, esse tipo de transmisso tambm denominada de transmisso analgica; como padro de transmisso eltrica a longas distncias, so utilizados sinais de corrente contnua variando de 4 a 20 mA. Para distncias de at 15m aproximadamente, tambm so utilizados sinais de tenso de 1 a 5 Volts.

A tabela a seguir apresenta algumas vantagens e desvantagens da transmisso eltrica.

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Tabela 6- Vantagens e desvantagens da transmisso eltrica Vantagens Desvantagens

necessita de poucos equipamentos auxiliares que so de fcil montagem e manuteno;

necessita de tcnico especializado para sua instalao e manuteno;

a alimentao pode ser feita pelos prprios fios que conduzem o sinal de transmisso;

exige cuidados especiais no encaminhamento dos cabos e/ou fios de sinais;

permite transmisses a longas distncias sem perdas de sinal comum pequeno retardo na transmisso;

necessita de proteo contra rudos e interferncias eltricas, magnticas e eletromagnticas;

pode ser acoplada para a transmisso por fibras pticas; e

necessita de cuidados especiais quando instalada em reas de risco de incndio e/ou exploso; e

permite fcil conexo aos computadores e unidades aritmticas.

alto custo com cabeamento.

d) transmisso digital Neste tipo de transmisso, as informaes sobre a varivel medida so

enviadas a uma estao receptora atravs de pacotes de informao. Esses pacotes de informao so sinais digitais modulados e padronizados. Essa padronizao recebe o nome de protocolo de comunicao.

H diversos tipos de protocolos de comunicao, sendo alguns dos mais conhecidos os seguintes: Profibus, Fieldbus, Modbus, Device Net, entre outros. Cada protocolo de comunicao possui suas caractersticas tcnicas as quais definem suas aplicabilidades. Sero apresentados mais detalhes sobre os protocolos de comunicao no prximo tpico desta unidade de estudo. Por hora, a tabela a seguir mostra as vantagens e desvantagens da transmisso digital.

Tabela 7- Vantagens e desvantagens da transmisso digital Vantagens Desvantagens

no necessita de ligao ponto a ponto para cada instrumento e possui menor custo final de implantao e manuteno;

h vrios protocolos de comunicao no mercado o que dificulta a comunicao entre equipamentos de fabricantes diferentes;

pode utilizar um par tranado ou fibra ptica para transmisso de dados e apresenta imunidade a rudos externos;

caso ocorra o rompimento do cabo de comunicao, pode-se perder a informao e/ou o controle de vrias malhas;

permite a configurao, diagnstico de falhas e ajuste em qualquer ponto da malha de instrumentao.

necessita de conhecimento tcnico avanado em eletricidade, eletrnica e informtica.

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2.6 Medidores de presso

2.6.1 definies A presso pode ser definida como sendo a relao entre a fora exercida em

uma superfcie e a rea da superfcie onde a mesma fora aplicada. Matematicamente, a presso pode ser definida pela seguinte expresso:

Figura 15 Fora exercida sobre uma superfcie.

A presso tambm pode ser definida como o somatrio das presses esttica e dinmica e, assim, denominada presso total. Portanto, vamos s demais classificaes sobre presso!

a) presso esttica a presso exercida em um ponto, em fluidos estticos, que transmitida

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

b) presso dinmica a presso exercida por um fluido em movimento paralelo sua corrente. A

presso dinmica representada pela seguinte equao:

c) presso total a presso resultante do somatrio das presses esttica e dinmica,

exercidas por um fluido que se encontra em movimento.

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d) presso atmosfrica a presso exercida pela atmosfera terrestre medida em um barmetro. Ao

nvel do mar, esta presso de aproximadamente 760 mmHg.

e) presso manomtrica Esta presso muitas vezes denominada de presso de referncia, por ser

a medida de presso em relao presso atmosfrica existente no local, podendo ser positiva ou negativa. Geralmente se coloca a letra G aps a unidade para represent-la. Quando se fala em uma presso negativa em relao presso atmosfrica, chamamos presso de vcuo.

f) presso absoluta a presso positiva a partir do vcuo perfeito, ou seja, a soma da presso

atmosfrica do local com a presso manomtrica. Geralmente coloca-se a letra A aps a unidade. Mas quando representamos presso abaixo da presso atmosfrica por presso absoluta, esta denominada grau de vcuo ou presso baromtrica.

g) presso diferencial o resultado da diferena de duas presses medidas em dois pontos

deferentes. Em outras palavras, a presso medida em qualquer ponto, menos no ponto zero de referncia da presso atmosfrica.

Notas: a presso medida por um instrumento de medio de presso pode ser representada como presso absoluta, presso manomtrica ou presso diferencial; a escolha de uma destas trs depende do objetivo da medio; ento, ao se exprimir um valor de presso, determina-se se a presso relativa ou absoluta. Porm, a grande maioria dos instrumentos de medio de presso utilizada industrialmente omite esta informao, pois medem presses relativas (presses manomtricas).

A unidade de medida de presso no SI o N/m ou Pascal (Pa). Existem outras unidades de medida como: kgf/cm, psi, bar, atm etc. A tabela a seguir mostra a relao para converso entre as unidades de presso.

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Tabela 8- Tbua de converso entre as unidades de medida de presso Kgf/cm psi bar pol Hg pol H2O atm mmHg mmH2O KPa

Kgf/cm 1 14,233 0,9807 28,96 393,83 0,9678 735,58 10003 98,0665 psi 0,0703 1 0,0689 2,036 27,689 0,068 51,71 70329 6,895 bar 1,0197 14,504 1 29,53 401,6 0,98692 750,06 10200 100

pol Hg 0,0345 0,4911 0,03386 1 13,599 0,0334 25,399 345,40 3,3863 pol H2O 0,002537 0,03609 0,00249 0,07348 1 0,002456 1,8685 25,399 0,24884

atm 1,0332 14,696 1,0133 29,921 406,933 1 760,05 103,35 101,325

mmHg 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937 0,5354 0,001316 1 13,598 0,13332 mmH2O 0,000099 0,00142 0,0098 0,00289 0,03937 0,00009 0,07353 1 0,0098

KPa 0,010197 0,14504 0,01 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1

Vamos a um exemplo! Um medidor de presso possui uma escala graduada de 0 a 150 psi. Quais seriam os valores correspondentes se a escala do instrumento fosse graduada em bar?

Resposta: Veja na tabela 8 a clula em destaque (em amarelo)! O valor de 0,0689 o valor de presso em bar equivalente a 1psi. Dessa forma, para substituirmos a escala graduada de 0 a 150 psi devemos multiplicar esses valores por 0,0689. Ento, tm-se:

0 psi = 0 x 0,0689 bar = 0 bar 150 psi = 150 x 0,0689 bar = 10,335 bar

Portanto, a escala do instrumento de presso em bar ser graduada de 0 a 10bar.

2.6.2 princpios fsicos dos medidores de presso A medio de presso pode ser feita de forma direta ou indireta. Os

medidores de presso so construdos de acordo com princpios fsicos diversos como a lei de Hooke, o princpio de Stevin, a lei de Pascal, dentre outros. medida que os tipos de medidores de presso forem sendo apresentados, voc poder conhecer um pouco sobre esses princpios de funcionamento.

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2.6.3 tipos de medidores de presso A maioria dos medidores de presso utiliza um dispositivo mecnico ou

elstico, como tubos de Bourdon, diafragmas, ou foles, como elemento detector bsico. Estes dispositivos se deformam quando aplicada uma fora. O movimento resultante desta deformao posiciona um ponteiro numa escala graduada (dial), no caso de um manmetro, ou cria um sinal eltrico que pode ser facilmente transmitido a um registrador ou a um controlador, no caso dos transmissores de presso.

Sero abordados nesta unidade de ensino os princpios de medio de presso atravs dos tubos em U, manmetros elsticos, manmetros resistivos (clulas extensomtricas), manmetros piezoeltricos e manmetros por capacitncia. Tambm sero apresentadas as principais fontes de erros na medio de presso e os principais acessrios utilizados para proteo dos instrumentos de medio de presso.

a) medidores de presso com coluna lquida Esse instrumento de medio de presso mais conhecido como barmetro.

Foi inventado pelo fsico italiano Evangelista Torricelli, em 1644, ao realizar a experincia de inverter um tubo de vidro, fechado em uma extremidade e cheio de mercrio, em uma cuba tambm cheia de mercrio. Torricelli observou que o nvel do mercrio se estabilizava em um valor constante. Porm, Torricelli no explicou precisamente a causa do fenmeno. Atribuiu ao "peso do ar", sem mais consideraes. Provavelmente esse foi o primeiro medidor de presso inventado.

Em 1648, o fsico e matemtico francs Blaise Pascal encontrou a explicao adequada, isto , a coluna de mercrio era mantida pela presso do ar e ainda previu que ela diminuiria com o aumento da altitude.

Um barmetro formado, basicamente, de um tubo de vidro, contendo certa quantidade de lquido, fixado a uma base com uma escala graduada; a coluna pode ser basicamente de trs tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de "U".

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Figura 16- Formas de construo dos manmetros de coluna lquida

Os lquidos mais utilizados nas colunas so: gua (normalmente com um corante) e mercrio. Quando se aplica uma presso na coluna, o lquido deslocado, sendo que este deslocamento proporcional presso aplicada.

Figura 17- Modelo de manmetro de coluna lquida reta inclinada

b) medidores de presso tipo elsticos Estes tipos de medidores de presso utilizam, basicamente, o princpio da Lei

de Hooke para sua operao. Dentro da zona elstica, a tenso proporcional deformao e a deflexo ento proporcional presso aplicada.

H basicamente trs tipos de medidores de presso desta classe que so: tubos de Bourdon, manmetros de diafragma e manmetros de fole.

Os manmetros de Bourdon funcionam da seguinte maneira: o tubo achatado possui uma extremidade fixa e a outra extremidade

fechada e livre; a extremidade fechada e livre se movimenta se a presso aplicada ao

manmetro for superior presso externa ou atmosfrica;

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o movimento da extremidade fechada e livre causa articulao do conjunto formado por alavancas e engrenagens; e

o movimento das alavancas e engrenagens transmitido ao ponteiro indicador que, por sua vez, registra a presso sobre uma escala graduada.

A figura a seguir mostra trs tipos de manmetros de Bourdon. Conforme pode ser observado, esses instrumentos podem ser construdos com tubo em forma de C, espiral ou helicoidal.

Figura 18- Formas de construo dos manmetros de Bourdon

Figura 19- Modelos de manmetros de Bourdon

Os manmetros de diafragmas possuem um disco flexvel com rea relativamente grande e com excelente vedao. Geralmente esses discos so construdos com material metlico e, para se obter flexibilidade, so construdos com ondulaes concntricas em seu perfil. Acoplado superfcie do diafragma existe um pequeno mbolo ou, mais comumente, uma mola, que calibrada e capaz de indicar determinada faixa de medida de presses (normalmente bastante baixa). Acoplado mola ou ao mbolo, por meios mecnicos, pode-se ter um ponteiro ou outro dispositivo que indique a deformao sofrida pelo diafragma.

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Figura 20- Formas de construo dos manmetros de diafragma

Figura 21- Modelos de manmetros de diafragmas

Os manmetros de fole possuem um elemento elstico, geralmente formado a partir de um tubo de parede fina, sem costura, com corrugaes na sua parede externa. O tamanho dos foles varia de 6 a 30 mm de dimetro, eles podem ser bastante sensveis, porm esse tipo de manmetro , geralmente, indicado para medies de baixas presses (at 3kgf/cm ou 0,3 MPa).

Para garantir ao fole o mximo de durabilidade, seu movimento muitas vezes restrito por uma mola espiral oposta, de modo que somente uma parte do curso mximo usada.

Figura 22- Formas de construo dos manmetros com fole

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c) medidores de presso tipo resistivos ou piezorresistivos ou strain gauges Esses medidores utilizam a variao de resistncia eltrica em funo da

variao do comprimento ou da rea da seco transversal do condutor eltrico para indicar a presso. So tambm denominados de clulas extensomtricas, pois o elemento de deteco de presso construdo de tal forma que quando for submetido a uma presso, sofrer um estiramento o qual produzir uma variao de resistncia diretamente proporcional presso aplicada.

O principio fsico de funcionamento desse tipo de medidor de presso bastante simples e pode ser mais bem compreendido a partir da anlise da equao que determina a resistncia eltrica de um condutor que pode ser calculada pela seguinte equao:

Onde: a resistividade do condutor; L o comprimento do condutor; e A a rea de seo transversal do condutor.

A equao anterior mostra que a resistncia eltrica de um condutor diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional a sua rea de seco transversal. Ou seja, se o comprimento do condutor aumenta, ento sua resistncia eltrica tambm aumenta; por outro lado, se o comprimento do condutor diminui, ento a sua resistncia eltrica tambm diminui. Porm, para variao da rea da seco transversal do condutor, se a sua rea de seco transversal aumenta, ento sua resistncia eltrica diminui e, se sua rea de seco transversal diminui, ento sua resistncia eltrica aumenta. Esse comportamento utilizado na construo dos medidores de presso do tipo clula extensomtrica.

A figura a seguir mostra as formas de construo desse tipo de medidor de presso.

H basicamente duas tcnicas para se construir um medidor de presso do tipo onde um condutor de aproximadamente 0,01mm de dimetro montado sobre

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uma superfcie de material isolante na forma de um filamento (fio de pequeno dimetro) ou na forma de trama pelicular, conforme mostra a figura a seguir.

Quando a clula extensomtrica submetida a um estiramento por presso (fora ou acelerao) ocorre uma mudana no valor de sua resistncia eltrica proporcional ao estiramento sofrido, pois comprimento e rea de seo transversal do condutor sero alterados.

Figura 23- Formas de construo das clulas extensomtricas

Figura 24- Modelos de clulas extensomtricas

A indicao de presso por clulas extensomtricas realizada atravs de circuitos em ponte de Wheatstone conforme mostra a figura a seguir. Na situao de equilbrio, ou seja, sem ao da presso, todas as quatro resistncias possuem valor idntico e, ento, a corrente atravs do ampermetro nula. Por outro lado, quando a clula extensomtrica submetida ao da presso, ento a mesma sofre uma variao de resistncia que provoca o surgimento de corrente eltrica atravs do Ampermetro que diretamente proporcional presso aplicada.

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Figura 25- Circuito de medio de presso atravs de clula extensomtrica

Nota: as clulas extensomtricas podem ser utilizadas em qualquer faixa de presso (normalmente at 3000kgf/cm2 ou 300MPa), podendo ser utilizadas em medies de presses estticas ou dinmicas e podem ser excitados tanto com tenses contnuas como alternadas.

d) medidores de presso piezoeltricos Esses medidores de presso utilizam como princpio de funcionamento o

efeito piezoeltrico que observado em vrios cristais (como o Quartzo xido de Silcio SiO2). Esse efeito tem a seguinte caracterstica: quando o cristal submetido a uma deformao causada pela ao de uma fora (ou presso) o mesmo gera cargas eletrostticas opostas (cargas eltricas positivas e negativas) as quais produzem um campo eltrico que por sua vez produzem uma diferena de potencial (d.d.p) proporcional a deformao produzida. Porm, quando uma d.d.p ou carga eletrosttica for aplicada ao cristal, observa-se o efeito inverso, ou seja, observa-se uma deformao mecnica no cristal.

Figura 26- Funcionamento do medidor de presso piezoeltrico

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Figura 27- Modelos de medidores de presso piezoeltrico

Nota: as amplitudes dos sinais gerados pelo cristal so bastante reduzidas e, por essa razo, so amplificados e adaptados s faixas padres de transmisso eltrica (por exemplo: 4 a 20mA ou 0 a 10V) para poderem finalmente ser utilizados na indicao de presso.

e) medidores de presso capacitivos A figura 28 mostra a construo tpica de um medidor de presso por

capacitncia. Basicamente, esse tipo de medidor de presso formado pelos seguintes componentes:

1 armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido (diafragma isolador);

2 dieltrico formado pelo leo de enchimento (silicone ou fluorube); 3 armadura mvel (diafragma sensor); 4 superfcie metalizada.

Figura 28- Construo tpica do medidor de presso capacitivo

Seu funcionamento o seguinte: uma diferena de presso entre as cmaras de alta (High) e de baixa (Low) presso produz uma fora no diafragma isolador que transmitida pelo lquido de enchimento. A fora atinge a armadura flexvel (diafragma sensor) provocando sua deformao, alterando, assim, o valor das capacitncias formadas pelas armaduras fixa e mvel. Esta alterao medida por

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um circuito eletrnico que gera um sinal proporcional variao de presso aplicada cmara da cpsula de presso diferencial capacitiva.

A principal vantagem dos sensores capacitivos a completa eliminao dos sistemas de alavancas na transferncia da fora/deslocamento entre o processo e o sensor. Como principais desvantagens desse tipo de medidor de presso, temos a exposio da clula capacitiva s rudes condies do processo, principalmente a temperatura do processo e a falta de linearidade entre a capacitncia e a distncia das armaduras graas deformao no-linear da armadura mvel.

f) medidores de presso especiais Conforme foi apresentado neste item, os medidores de presso podem ser de

vrios tipos. Cada um tem sua aplicao recomendada. A evoluo tecnolgica permitiu o desenvolvimento de medidores de presso mais eficientes e com recursos tcnicos interessantes. Podem ter elemento de deteco do tipo elstico, piezorresistivo, piezoeltrico ou capacitivo, podendo ser analgicos ou digitais e, ainda, possuir contato eltrico. Podem medir presses absolutas, relativas, diferenciais, e outras.

Figura 29- Modelos de manmetros especiais (diversos fabricantes)

2.6.4 fontes de erros e acessrios para os medidores de presso Os fatores mais prejudiciais ao funcionamento dos instrumentos de medio

de presso so temperaturas e presses elevadas ou mesmo presses oscilantes nos processos onde esses instrumentos esto instalados. A temperatura elevada de

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fluido, pode, por exemplo, causar dilatao trmica do elemento de deteco de presso e assim causar um erro de medida. A aplicao de presses elevadas ao instrumento de medio de presso pode lev-lo a sua ruptura. Por fim, a variao rpida da presso pode produzir desgaste nas partes mveis do manmetro e ainda tornar difcil a interpretao do valor medido devido s oscilaes no ponteiro indicador do instrumento.

Portanto, muitas vezes os manmetros esto sujeitos a efeitos que comprometem a sua vida til como, por exemplo, variaes de presso e altas temperaturas. Felizmente, h acessrios que podem ser instalados antes dos medidores de presso que visam proteg-los desses efeitos indesejveis. Tais acessrios so denominados: sifes, amortecedores de pulsao, supressores de presso e pressostato. A escolha do tipo de acessrio depender do efeito indesejvel que se deseja eliminar na medio.

Os sifes tm a funo de isolar o calor das linhas de gazes, vapores de gua ou lquidos muito quentes, cuja temperatura supera o limite previsto para o funcionamento do instrumento de medio de presso. No caso dos lquidos, a quantidade que fica retida na curva do tubo-sifo esfria e essa poro que ir ter contato com o sensor elstico do instrumento, no permitindo que a alta temperatura do processo atinja diretamente o mesmo. A figura a seguir mostra alguns modelos de sifes.

Figura 30- Modelos de sifes

Os amortecedores de pulsao tm a funo de restringir a passagem do fluido do processo at um ponto ideal em que a frequncia de pulsao se torne nula ou quase nula. So instalados em conjunto com os manmetros com objetivo de estabilizar ou diminuir as oscilaes do ponteiro em funo do sinal pulsante de presso, com o objetivo de garantir uma leitura precisa da presso e tambm aumentar a vida til do instrumento. Os amortecedores de pulsao podem ser fixos ou regulveis. A figura a seguir mostra alguns modelos de amortecedores de pulsao.

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Figura 31- Modelos de amortecedores de pulsao

Os supressores de presso so dispositivos que visam proteger os manmetros de presses que ultrapassem, ocasionalmente, as suas condies normais de operao. Ele recomendvel nesses casos para evitar ruptura do elemento de deteco de presso.

Figura 32- Modelo de supressor de presso

O pressostato um instrumento de medio de presso utilizado como componente do sistema de proteo de equipamento ou processos industriais. Sua funo bsica de proteger a integridade de equipamentos contra sobrepresso ou subpresso aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. constitudo em geral por um sensor, um mecanismo de ajuste de set-point e uma chave de duas posies (aberto ou fechado). Como mecanismo de ajuste de set-point utiliza-se na maioria das aplicaes uma mola com faixa de ajuste selecionada conforme presso de trabalho e ajuste, e em oposio presso aplicada. O mecanismo de mudana de estado mais utilizado o micro interruptor, podendo ser utilizado tambm ampola

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de vidro com mercrio fechando ou abrindo o contato que pode ser do tipo normal aberto ou normal fechado.

Figura 33- Modelos de pressostatos

2.7 Medidores de temperatura

2.7.1 definies Por definio, temperatura a medida que d uma idia do grau de agitao

das partculas (tomos ou molculas) que constituem o corpo, isto , quanto maior o estado de agitao daquelas partculas, tanto maior ser a sua temperatura.

Cada tomo que forma um material qualquer (slido, ou liquido ou gasoso) capaz de vibrar em torno de sua posio particular. Essa energia de vibrao (ou velocidade) recebe o nome de energia trmica do material.

Portanto, os medidores de temperatura so dispositivos capazes de detectar o grau de vibrao (a energia trmica) dos tomos e molculas que formam um material ou que esto contidos em um ambiente.

As escalas termomtricas mais utilizadas so: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Essas escalas so formadas por um conjunto de pontos de calibrao, que so definidos a partir das condies de equilbrio existente entre o estado slido, lquido e gasoso de vrios materiais puros da natureza. Alguns destes pontos de calibrao so, por exemplo:

oxignio: equilbrio lquido/gs gua: equilbrio slido/lquido gua: equilbrio lquido/gs

A tabela a seguir mostra alguns pontos de calibrao das escalas de temperatura mais usuais.

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Tabela 9- Pontos de calibrao de escalas termomtricas

Pontos de calibrao Temperatura

K F C energia trmica nula 0 -439,6 -273,15 oxignio: lquido/gs 90,18 -297,3 -182,97 gua: slido/lquido 273,15 32 0 gua: lquido/gs 373,15 212 100 ouro:slido/lquido 1336,15 1945,5 1063

Conforme se pode observar, na tabela anterior h vrios pontos de calibrao para as escalas termomtricas. Porm, em geral, as converses de unidades de medida de temperatura so feitas levando-se em considerao os pontos (valores de temperatura) de fuso e de ebulio da gua (temperaturas onde a gua se transforma em gelo e vapor, respectivamente). Veja a tabela a seguir!

Tabela 10- Relaes entre as escalas termomtricas Pontos de Calibrao K F C

Ponto de vapor 373 212 100 Ponto de gelo 273 32 0

2.7.2 princpios fsicos dos medidores de temperatura Os medidores de temperatura utilizam princpios fsicos bsicos que permitem

deduzir a temperatura. Em geral, esses princpios fsicos so: expanso volumtrica de um lquido ou gs ou slido, presso exercida por um vapor ou por um lquido, variao de resistncia eltrica e produo de potencial eltrico.

2.7.3 tipos de medidores de temperatura H instrumentos de medio de temperatura simples e de baixo custo e

outros sofisticados e, por consequncia, de custo elevado. Cada um tem sua vantagem e desvantagem e deve ser escolhido conforme a necessidade real da medio. Neste estudo abordaremos os seguintes medidores de temperatura: termmetros de coluna lquida, termmetros bimetlicos, termmetros a presso, termorresistncias e termopares.

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a) termmetros Os termmetros so simples instrumentos utilizados para medio de

temperatura. Em geral, permitem apenas a visualizao das temperaturas medidas sem