Inst Apostila

8/13/2019 Inst Apostila

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Instrumentao Industrial

Volta Redonda - RJ

2004


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1 $ INTRODUO INSTRUMENTAO

INSTRUMENTAO a cincia que aplica e desenvolve tcnicas para adequao de

instrumentos de medio, transmisso, indicao, registro e controle de variveis

fsicas em equipamentos nos processos industriais.

Nas indstrias de processos tais como siderrgica, petroqumica, alimentcia, papel,

etc.; a instrumentao responsvel pelo rendimento mximo de um processo, faendo

com que toda energia cedida, se!a transformada em tra"al#o na ela"orao do produto

dese!ado. $s principais grandeas que traduem transferncias de energia no processo

so% &'())*+, N-(, -$/*+, 0(1&('$02'$; as quais denominamos de variveis

de um processo.

3.4 5 6lassificao de 7nstrumentos de 1edio

(xistem vrios mtodos de classificao de instrumentos de medio. 8entre os quais

&odemos classificar os instrumentos de medio por%

funo

sinal transmitido ou suprimento

tipo de sinal

1.2.1 % C&'(()*)+',- /0 ,-

6onforme ser visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si

para realiar uma determinada tarefa nos processos industriais. $ associao desses

instrumentos c#ama5se '&' e em uma mal#a cada instrumento executa uma funo

9vide figura 3:. +s instrumentos que podem compor uma mal#a so ento classificados

por funo cu!a descrio sucinta pode ser verificada na ta"ela 3.

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igura 3 5 6lassificao por funo de instrumentos que comp


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7ntegrador 7nstrumento que indica o valor o"tido pela integrao dequantidades medidas so"re o tempo.

6ontrolador 7nstrumento que compara o valor medido com o dese!ado

e, "aseado na diferena entre eles, emite sinal decorreo para a varivel manipulada a fim de que essadiferena se!a igual a ero.

(lemento inal de6ontrole

8ispositivo cu!a funo modificar o valor de uma varivelque leve o processo ao valor dese!ado.

0a"ela 3 ? 6lassificao dos instrumentos por funo.

1.2.2 % C&'(()*)+',- /0 S)'& 67 T0'()((- S/0)7

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

suprimento. $ seguir ser descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.

1.2.2.1 - Tipo pneumtico

Nesse tipo utiliado um gs comprimido, cu!a presso alterada conforme o valor que

se dese!a representar. Nesse caso a variao da presso do gs linearmente

manipulada numa faixa especfica, padroniada internacionalmente, para representar a

variao de uma grandea desde seu limite inferior at seu limite superior. + padro de

transmisso ou recepo de instrumentos pneumticos mais utiliados de @,4 a 3,@

AgfBcm4 9aproximadamente C a 3Dpsi no )istema 7ngls:.

+s sinais de transmisso analEgica normalmente comeam em um valor acima do ero

para termos uma segurana em caso de rompimento do meio de comunicao. + gs

mais utiliado para transmisso o ar comprimido, sendo tam"m o N70'+FGN7+ eem casos especficos o FH) N$02'$ 9&(0'+I'$):.

-antagem

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$ grande e nica vantagem em seu utiliar os instrumentos pneumticos est no fato de

se poder oper5los com segurana em reas onde existe risco de exploso 9centrais de

gs, por exemplo:.

8esvantagens

a: Necessita de tu"ulao de ar comprimido 9ou outro gs: para seu suprimento e

funcionamento.

": Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador,

etc. ..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partculas sElidas.

c: 8evido ao atraso que ocorre na transmisso do sinal, este no pode ser enviado =longa dist>ncia, sem uso de reforadores. Normalmente a transmisso limitada a

aproximadamente 3@@ m.

d: -aamentos ao longo da lin#a de transmisso ou mesmo nos instrumentos so

difceis de serem detectados.

e: No permite conexo direta aos computadores.

1.2.2.2 - Tipo Hidrulico

)imilar ao tipo pneumtico e com desvantagens equivalentes, o tipo #idrulico utilia5se

da variao de presso exercida em Eleos #idrulicos para transmisso de sinal. J

especialmente utiliado em aplica


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a: Necessita de tu"ulancias sem perdas.

": $ alimentao pode ser feita pelos prEprios fios que conduem o sinal de

transmisso.

c: No necessita de poucos equipamentos auxiliares.

d: &ermite fcil conexo aos computadores.

e: cil instalao.

f: &ermite de forma mais fcil realiao de opera


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8esvantagens

a: Necessita de tcnico especialiado para sua instalao e manuteno.

": (xige utiliao de instrumentos e cuidados especiais em instala


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Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos so enviados = sua estao

receptora via ondas de rdio em uma faixa de freqPncia especfica.

-antagens

a: No necessita de ca"os de sinal.

": &ode5se enviar sinais de medio e controle de mquinas em movimento.

8esvantagens

a: $lto custo inicial.

": Necessidade de tcnicos altamente especialiados.

1.2.2.6 - Via Modem

$ transmisso dos sinais feita atravs de utiliao de lin#as telefKnicas pela

modulao do sinal em freqPncia, fase ou amplitude.

-antagens

a: Iaixo custo de instalao.

": &ode5se transmitir dados a longas dist>ncias.

8esvantagens

a: Necessita de profissionais especialiados.

": "aixa velocidade na transmisso de dados.

c: su!eito as interferncias externas, inclusive violao de informa


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3.C 5 )im"ologia de 7nstrumentao

6om o"!etivo de simplificar e glo"aliar o entendimento dos documentos utiliados para

representar as configura


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$lgumas reas, tal como astronomia, navegao e medicina usam instrumentos to

especialiados que so diferentes dos convencionais. No #ouve esforos para que a

norma atendesse =s necessidades dessas reas. (ntretanto, espera5se que a mesma

se!a flexvel suficientemente para resolver grande parte desse pro"lema.

1.3.1.3 - A#$!%a&o nas a)!*!'a'es 'e )ra+a$,o

$ norma adequada para uso sempre que qualquer referncia a um instrumento ou a

uma funo de um sistema de controle for necessria com o o"!etivo de sim"oliar a

identificao. 0ais referncias podem ser aplicadas para as seguintes utilia


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1.3.2 % S)9&:)' C*07 N0' ABNT ;NBR%81

3.C.4.3 5 0ipos de 6onexnica ou suprimento ao instrumento.

4: )inal pneumtico ou sinal indefinido para diagramas de processo.

C: )inal eltrico.

L: 0u"o capilar 9sistema c#eio:.

D: )inal #idrulico.

T: )inal eletromagntico ou sKnico 9sem fios:.

3.C.4.4 5 6Edigo de 7dentificao de 7nstrumentos

6ada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifique

funcionalmente 90a"ela 4:.

6omo exemplo, uma identificao representativa a seguinte%

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0a"ela 4 ? )ignificado dos cEdigos de identificao de instrumentos.

+"s 3 % 1ultifuno significa que o instrumento capa de exercer mais de uma funo.

+"s 4 % +s nmeros entre parnteses se referem =s notas relativas descritas a seguir.

Notas 'elativas

3: $s letras !n'ef!n!'asO so prEprias para indicao de variveis no listadas que

podem ser repetidas em um pro!eto particular. )e usada, a letra dever ter um

significado como #r!me!ra - $e)raO e outro significado como $e)ra - s+seen)eO. +

significado precisar ser definido somente uma ve e uma legenda para aquelerespectivo pro!eto. &or exemplo% a letra N pode ser definida como 1Edulo de

(lasticidade na #r!me!ra - $e)raO e na $e)ra s+seen)eO.

4: $ letra n&o %$ass!f!%a'aO, U, prEpria para indicar variveis que sero usadas uma

ve, ou de uso limitado. )e usada, a letra poder ter qualquer nmero de

significados como #r!me!ra - $e)raO e qualquer nmero de significados como $e)ra -

s+seen)eO. (xceto para seu uso como sm"olos especficos, seu significado

dever ser definido fora do crculo de identificao no fluxograma. &or exemplo% U'5

C pode ser um /re0!s)ra'or 'e *!+ra&oO, U'54 pode ser um re0!s)ra'or 'e )ens&o

me%n!%aO e UUL pode ser um os%!$os%#!o 'e )ens&o me%n!%aO.

C: Vualquer primeira 5 letra, se usada em com"inao com as letras modificadoras 8

9diferencial:, 9rao: ou V 9totaliao ou integrao:, ou qualquer com"inao,

ser tratada como uma entidade #r!me!ra - $e)raO. (nto, instrumentos 087 e 07

medem duas diferentes variveis, que so% temperatura diferencial e temperatura.

L: $ #r!me!ra - $e)raO $, para anlise, co"re todas as anlises no listadas na 0a"ela 3

e no co"ertas pelas letras !n'ef!n!'asO. 6ada tipo de anlise dever ser definido

fora do seu crculo de indefinio no fluxograma. )m"olos tradicionalmente

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con#ecidos como pW, +4, e 6+, tm sido usados opcionalmente em lugar da

#r!me!ra - $e)raO $.

D: + uso da /#r!me!ra - $e)raO 2 para multivariveis em lugar de uma com"inao de

#r!me!ra $e)raO opcional.

T: + uso dos termos modificadores alto, "aixo, mdio ou intermedirio e varredura ou

seleo preferido, porm opcional.

X: + termo /se0ranaO se aplicar somente para elementos primrios de proteo de

emergncia e elementos finais de controle de proteo de emergncia. (nto, uma

vlvula auto 5 operada que previne a operao de um sistema acima da pressodese!ada, aliviando a presso do sistema, ser uma &6-, mesmo que a vlvula no

opere continuamente. (ntretanto esta vlvula ser uma &)- se seu uso for para

proteger o sistema contra condi


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alternadamente por uma simples letra . &or exemplo% a l>mpada que indica a

operao de um motor eltrico pode ser designada com (, assumindo que a

tenso a varivel medida ou U assumindo a l>mpada atuada por contatos

eltricos auxiliares do sistema de partida do motor, ou ainda simplesmente . $ aode uma $m#a'a - #!$o)oO pode ser acompan#ada por um sinal audvel.

33: + uso da $e)ra - s+seen)eO 2 para m$)!fn&oO em lugar de uma com"inao

de outras letras funcionais opcional.

34: 2m dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos pode ser,

dependendo das aplica


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3L: + uso dos termos modificadores a$)oO, +a!oO, m'!oO ou !n)erme'!r!oO, deve

corresponder a valores das variveis medidas e no dos sinais, a menos que de

outra maneira se!a especificado. &or exemplo% um alarme de nvel alto derivado de

um transmissor de nvel de ao reversa um $W, em"ora o alarme se!a atuadoquando o sinal alcana um determinado valor "aixo. +s termos podem ser usados

em com"ina


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3.C..4.L 5 7nstrumentao de -ao

3.C.4.D 5 -lvula de 6ontrole

3.C.4.T 5 $lguns $rran!os 0picos de 7nstrumentos

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-ao

&resso

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0emperatura

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Nvel

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1.3.3 % S)9&:)' C*07 N0' ISA

3.C.C.3 5 $plicao para 6lasses e un


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compartil#ado:, 8istri"uided 6ontrolO 9controle distri"udo: e 6omputer 6ontrolO

9controle por computador:.

3.C.C.4 5 6ontedo da 7dentificao da uno

$ norma composta de uma c#ave de fun


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0a"ela C ? )ignificado dos cEdigos de identificao de instrumentos 9N+'1$ 7)$:

$s diferenas "sicas entre a ta"ela da $IN0 9ta"ela 4: e a ta"ela da norma 7)$

9ta"ela C: so %

$ letra 6O na ta"ela $IN0 indica condutividade eltrica 9como primeira letra: para a

norma $IN0 e controlador para segunda letra; na norma 7)$ a primeira letra

definida pelo usurio;

$ letra 8O na ta"ela $IN0 indica densidade ou massa especfica 9como primeira

letra: e a letra modificadora significa diferencial; ! para a norma 7)$, a primeira letra

de escol#a do usurio, mantendo5se a letra modificadora como diferencial;

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$ letra FO significa medida dimensional para a norma $IN0 e de escol#a do

usurio para a norma 7)$;

$ letra 1O significa umidade para a norma $IN0 e de escol#a do usurio para a

norma 7)$ e a letra modificadora significa moment>neo;

$ letra -O significa viscosidade para a norma $IN0 na primeira letra e vi"rao ou

anlise mec>nica para a norma 7)$.

3.C.C.L 5 )m"olos de in#a de 7nstrumentos

0odas as lin#as so apropriadas em relao =s lin#as do processo de tu"ulao%

3.C.C.D 5 )m"olos opcionais "inrios 9+N 5 +:

Nota% +2O significa escol#a do usurio. 'ecomenda5se coerncia.

)o sugeridas as seguintes a"reviaturas para denotar os tipos de alimentao.

(ssas designa


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$) 5 suprimento de ar

7$ 5 ar do instrumento

&$ 5 ar da planta() 5 alimentao eltrica

F) 5 alimentao de gs

W) 5 suprimento #idrulico

N) 5 suprimento de nitrognio

)) 5 suprimento de vapor

Z) 5 suprimento de gua

[ + valor do suprimento pode ser adicionado = lin#a de suprimento do instrumento;

exemplo% $)53@@, suprimento de ar 3@@5psi; ()54L86; alimentao eltrica de 4L-86.

[[ + sm"olo do sinal pneumtico se aplica para utiliao de sinal, usando qualquer

gs.

[[[ enKmeno eletromagntico inclui calor, ondas de rdio, radiao nuclear e lu.

3.C.C.T 5 )m"olos Ferais de 7nstrumentos ou de un


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0a"ela C ? )m"olos gerais para instrumentos ou fun


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[ + taman#o do sm"olo pode variar de acordo com a necessidade do usurio e do tipo

do documento. )ugerimos acima um taman#o de quadrado e crculo para diagramas

grandes.

'ecomenda5se coerncia.

[[ $s a"reviaturas da escol#a do usurio, tal como 7&7 9painel do instrumento n.\ 3, 764

9console do instrumento n.\ 4:. 66C 9console do computador n.\ C: etc... podem ser

usados quando for necessrio especificar a localiao do instrumento ou da funo.

[[[ Normalmente, os dispositivos de fun


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2.= $ CARACTERSTICAS ESTTICAS DOS INSTRUMENTOS

2.1 % E?')6- ;A++0'+@>

J a aptido de um instrumento de medio para dar respostas prEximas a um valor

verdadeiro convencional. $ exatido um conceito qualitativo e normalmente dada

como um valor percentual do fundo de escala do instrumento.

(x.% 2m voltmetro com fundo de escala 3@- e exatido ]3^. + erro mximo esperado

de @,3 -. 7sto quer dier que se o instrumento mede 3-, o possvel erro de 3@^

deste valor 9@,3-:. &or esta rao uma regra importante escol#er instrumentos comuma faixa apropriada para os valores a serem medidos.

+"s.% + 0ermo preciso no deve ser utiliado como sinKnimo de exatido.

2.2 % C&'((7 67 E?')6-

J a classe de instrumentos de medio que satisfaem a certas exigncias

metrolEgicas destinadas a conservar os erro dentro de limites especificados.

(x.% )e!a o caso dos 0&s e dos 06s . $ escol#a da classe de exatido depender da

aplicao do equipamento, que devero possuir classe de exatido igual ou superior.

$s aplica


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0a"ela L ? 6lasse de (xatido de instrumentos de medidas.

2.3 $ P07+)(-

$ preciso um termo que descreve o grau de li"erdade a erros aleatErios, ou se!a, ao

nvel de espal#amento de vrias leituras em um mesmo ponto. $ preciso freqPentemente confundida com a exatido. 2m aparel#o preciso no implica que se!a

exato. 2ma "aixa exatido em instrumentos precisos decorre normalmente de um

desvio ou tendncia 9"ias: nas medidas, o que poder ser corrigido por uma nova

cali"rao.

$s figuras a seguir ilustram as caractersticas de exatido e preciso de um instrumento

ou equipamento.

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+s graus de repetitividade e de reproduti"ilidade so maneiras alternativas de se

expressar a preciso. (m"ora estes termos signifiquem praticamente a mesma coisa,

eles so aplicados a contextos diferentes.

$ 07/7)))6'67 9mesmas condincia entre os

resultados de medi


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especificadas as condimetro pode ser, por exemplo, um desvio padro 9ou mltiplo

dele:, ou a metade de um intervalo correspondente a um nvel de confiana

esta"elecido. (m geral, compreende muitos componentes, incluindo aquelesresultantes dos efeitos sistemticos, como os associados com correncia. Vuando aplicado corretamente, a toler>ncia de

um componente manufaturado descreve o mximo desvio de um valor especificado.

&or exemplo, um resistor escol#ido aleatoriamente com valor nominal 3@@@ o#ms, de

toler>ncia D^, pode ter seu valor real entre RD@ +#ms e 3@D@ +#ms.

4.T 5 0endncia de um instrumento 9"ias:

$ tendncia de um instrumento um erro sistemtico da indicao de um instrumento

que ocorre em toda a sua faixa de indicao. $ tendncia normalmente estimada pela

mdia dos erros de indicao de um nmero apropriado de medi


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4.X ? 8iscrio

J aptido de um instrumento em no alterar o valor do mensurando.

4.Q 5 inearidade e a no 5 linearidade

$ &)7'0)6'67 uma caracterstica normalmente dese!vel onde a leitura de um

instrumento linearmente proporcional = grandea sendo medida. + grfico a seguir

mostra a relao entre uma grandea e o resultado de medi


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estmulo. )endo assim, a sensi"ilidade pode ser conta"iliada como a inclinao da

reta que define a relao entre a leitura e a grandea medida.

(x.% $ presso de 4 "ar produ uma deflexo de 3@ graus em um transdutor depresso, a sensi"ilidade do instrumento D grausB"ar, desde que a deflexo se!a ero

quando aplica5se ero "ar.

4.Q 5 )ensi"ilidade a 8istr"ios

0odas as cali"ra


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(xerccio

2ma "alana de mola cali"rada em um am"iente = temperatura de 4@ @6 com as

seguintes caractersticas deflexoBcarga%

Vuando usado em um am"iente = temperatura de C@ @6, o"tm5se as seguintes

caractersticas deflexoBcarga%

8etermine a deriva de ero e de sensi"ilidade por @6.

S&,-

$ 4@ @6 5 sensi"ilidade 4@ mmBAg; $ C@ @6 5 sensi"ilidade 44 mmBAg

0endncia 9"ias: _ D mm 9deflexo a carga ero:; )ensi"ilidade _ 4 mmBAg

8eriva de ero B @6 _ D B 3@ _ @,D mmB @6; 8eriva de sensi"ilidade B @6 _ 4 B 3@

_ @,4 9mmBAg:B @6.

4.R 5 aixa de indicao e amplitude

$ faixa de indicao ou alcance 9ran0e: o con!unto de valores limitados pelas

indica


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(x.% 2m termKmetro pode ter um ran0ede @ a 3@@ @6.

&or outro lado, a diferena entre o maior e o menor valor de uma escala de um

instrumento denominado amplitude da faixa nominal 9s#an: ou varredura.

(x.% 2m instrumento capa de reagir entre 4@ e 4@@ psi tem um s#ande 3Q@ psi.

4.3@ ? 'esoluo

J a menor diferena entre indica


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din>micas. Vualquer sistema de medida linear e invariante no tempo respeita a

seguinte relao entre entrada 9qi: e sada 9q@: em um tempo t maior que ero.

)e for considerado que a grandea a ser medida permanece constante durante o tempo

de leitura, ento esta equao fica simplificada, podendo ser c#amada (V2$`*+

87N176$.

)implificamica so iguais a ero.

+nde b uma constante con#ecida como sensi"ilidade do instrumento, definidaanteriormente. Vualquer instrumento que se comporte segundo esta equao dito ser

de ordem ero. 6omo exemplo, pode5se citar um potenciKmetro usado para medir

movimento; a tenso de sada muda instantaneamente to logo a #aste do

potenciKmetro se movimente ao longo de seu curso. (m geral os instrumentos de

ordem ero so formados por elementos com caractersticas 6)(()/')'(ou se!a, so

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elementos passivos, eltricos ou mec>nicos, que no possuem capacidade de

armaenamento de energia.

3.2 % I(07 67 /0)7)0' 067

$ menos de a@ e a3, todos os outros coeficientes da equao din>mica so iguais a

ero.

)e dBdtO for su"stitudo pelo operador 8O, tem5se%

8efinindo5se b _ "@Ba@ como sendo a sensi"ilidade esttica e t _ a3Ba@ como a

constante de tempo do sistema, tem5se%

'esolvendo5se analiticamente esta equao, a sada q@ em resposta a um degrau na

entrada qi varia de maneira aproximada = figura a seguir. $ constante de tempo t da

resposta ao degrau o tempo tomado quando a sada atinge TC^ do seu valor final.

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+ termopar um "om exemplo de instrumento de primeira ordem. )e um termopar =

temperatura am"iente for colocado em gua fervente, a tenso de sada no ir

instantaneamente para o nvel de 3@@o6, mas ir gradativamente conforme mostrado

na figura anterior at atingir o seu valor definitivo. 2m grande nmero de instrumentos

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

constantes de tempo possuem valores reduidos. J conveniente salientar que em se

tratando de sistemas de controle, de fundamental import>ncia que esta constante de

tempo se!a levada em considerao. +s instrumentos de primeira ordem so formados

por associanico, que possua caractersticadissipativa e um elemento armaenativo. +u se!a, a energia armaenada em um

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

(lementos eltricos passivos que armaenam energia so os indutores 9campo

magntico: e os capacitores 9campo eltrico:, os quais possuem os anlogos

mec>nicos% mola e amortecedor. $ perda eltrica por efeito oule so"re uma resistncia

tem como anlogo mec>nico a perdas por atrito.

3.3 % I(07 67 (7:6' 067

$ resposta a um degrau de um instrumento de segunda ordem se d de maneira

oscilatEria amortecida so"re uma exponencial amortecida. (ste fato se deve

principalmente = presena de pelo menos dois elementos passivos com caractersticas

armaenativas, responsveis pela resposta oscilatEria 9senoidal:, e por pelo menos um

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elemento dissipativo, responsvel pela caracterstica exponencial amortecida. + sensor

mais comum que se encaixa nesta classificao '+7&7070. Nele, a vi"rao

sensoreada atravs do deslocamento o"servado em um sistema composto por uma

mola e um amortecedor. $ caracterstica dissipativa o"tida por atrito.

4.= $ CALIBRAO DE INSTRUMENTOS

$ 6ali"rao de 7nstrumentos um con!unto de opera


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&adro de 'eferncia% &adro, geralmente tendo a mais alta qualidade metrolEgica

disponvel em um dado local ou em uma dada organiao, a partir do qual as

medi


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&adro 7tinerrio% &adro, algumas vees de construo especial, para ser

transportado entre locais diferentes, como, por exemplo, o padro de freqPncia de

csio, porttil, operado por "ateria.

4.2 $ R'(07'9)&)6'67

&ropriedade do resultado de uma medio, ou do valor de um padro, estar relacionado

a referncias esta"elecidas, geralmente padr


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5.= % GRANDEZAS BASE E PADRES ASSOCIADOS

+ sistema corrente de unidades 5 )istema 7nternacional 9)7: 5 adotado e recomendado

pela 6onferncia Feral de &esos e 1edidas, se "aseia nas sete unidades de "aseseguintes.

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[ 2m esterradiano o >ngulo sElido no qual, tendo o seu vrtice no centro de uma

esfera, corta uma rea da superfcie desta esfera igual = rea de um quadrado cu!os

lados tm o comprimento igual ao raio da esfera.

$travs destas unidades "ase pode5se o"ter as c#amadas unidades derivadas.

!.= $ MEDIDAS DE PRESSO

$ presso , por definio, a relao entre a fora normal exercida em uma superfcie e

a rea desta superfcie, por isso, muitas vees, os mtodos de medida de presso e de

fora se confundem. $ presso pode ser apresentada de duas formas. $ primeira naforma de presso a"soluta, ou se!a, referida = presso ero a"soluto. $ outra,

denominada presso manomtrica, referida = presso atmosfrica no local da

medio. $ figura T.3 a seguir apresenta as escalas de referncia para medidas de

presso.

igura T.3 ? (scalas de referncia para medidas de presso

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8e uma maneira geral, pode5se dier%

$ presso provavelmente a grandea fsica que possua o maior nmero de unidades

empregadas para represent5la. $s rela


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igura T.4 ? $lternativas para medio de presso usando 1anKmetro de 6oluna.

$ diferena entre as pressngulo de inclinao%

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igura T.C ? 1anKmetro em posio inclinada para medi


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igura T.D ? 1anKmetro de coluna com ponte de #eatstone

6#amando r de 'Z B ''(, a presso descon#ecida poder ser o"tida pela medida datenso de sada -o%

!.2 $ M'70 67 P7( M0

+ manKmetro de peso morto um instrumento de ero central, onde massas cali"radas

so colocadas na plataforma de um pisto at que duas marcas de referncia fiquem

ad!acentes. Neste ponto, a fora peso exercida pelas massas se iguala = fora exercida

pela presso so"re a superfcie interna do pisto. 7nfelimente este instrumento no

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

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exatido, muito usado como padro em la"oratErios. $ figura T.T ilustra o esquema de

um manKmetro de peso morto, "em como exemplos de manKmetros de peso morto

comerciais.

igura T.T ? 1anKmetro de peso morto utiliado em la"oratErios para cali"rao de

instrumentos.

!.3 $ M'70 67 B06

+ manKmetro de Iourdon um transdutor de presso empregando elemento elstico

que muito comum no meio industrial. 6onsiste "asicamente de um tu"o curvo, flexvele de seo transversal oval, tendo sua tomada de presso em uma de suas

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

presso aplicada em sua entrada, a seo oval vai se tornando circular, #avendo

ento uma deflexo da extremidade do tu"o. 1edindo5se esta deflexo pode5se inferir

so"re o valor da presso. 7sto feito empregando5se um transdutor de deslocamento,

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ou mais simplesmente, associando5se um ponteiro = extremidade mEvel do tu"o. $

figura T.X a seguir ilustra o exposto.

1uitas vees o manKmetro de Iourdon vem preenc#ido com um lquido viscoso com a

finalidade de diminuir o efeito oriundo de vi"ra


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igura T.Q ?1anKmetros de Iourdon comerciais de preciso.

!.4 $ T0'()((07( 67 P07((-

+s transmissores, em geral, so uma !uno de um elemento transdutor e um circuito

de transmisso de sinal, se!a este sinal em tenso, corrente, freqPncia ou outros. $

seguir sero apresentadas vrias tecnologias empregadas na construo de

transdutores de presso.

T.L.3 5 )ensores 90ransdutores: 6apacitivos

+s sensores capacitivos so encontrados em configura


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igura T.R ? (squema de um 0ransdutor 6apacitivo.

)a"e5se que a capacit>ncia de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser

expressa em funo da rea 9$: da placa e da dist>ncia 9d: que as separa como%

+nde a constante dieltrica do meio existente entre as placas do capacitor. )e for

considerado que pelo menos uma das placas este!a fixa e que a outra sofra deflexo

em funo da presso su"metida, resulta em uma variao da dist>ncia entre as placas

e, em ltima anlise, da capacit>ncia do elemento. )endo assim, ao su"meter este

sensor a uma ponte de corrente alternada, pode5se detectar a variao da presso

como uma funo da variao da capacit>ncia do sensor. $ figura T.3@ mostra

transdutores de presso capacitivos comerciais.

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igura T.3@ ?0ransdutores 6apacitivos de presso comerciais.

T.L.4 5 )ensores 90ransdutores: &ieoresistivos

+s sensores pieoresistivos 9)0'$7N5F$2F(: so fa"ricados usando tcnicas de

processamento do silcio, comuns na indstria de semicondutores. &or esta rao,

grande parte da tecnologia dos semicondutores empregada em sua fa"ricao. +s

sensores pieoresistivos so tam"m freqPentemente denominados sensores

integrados, sensores de estado sElido, sensores monolticos 9formados de um nico

cristal de silcio: ou, simplesmente, sensores de silcio. (ste sensor parte do princpio

da deformao de uma estrutura quando su!eita a uma fora. 6omo mostrado na figura

T.33 a seguir.

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igura T.33 ? $tuao de foras de trao e compresso deformando "locos de

materiais.

Nesta figura tem5se uma estrutura livre de foras externas, sofrendo trao ecompresso, respectivamente. $ presso descreve a intensidade da fora ? )0'()) ?

em uma estrutura por unidade de rea 9&_B$:, enquanto a tenso ? )0'$7N ?

descreve a deformao como uma variao incremental no comprimento 98B:. $

resistncia de uma "arra retangular de comprimento e rea de seo $, com

resistividade volumtrica r dada por '_rB$. 0omando

as derivadas parciais, tem5se%

'earran!ando teremos%

Vuando # uma deformao longitudinal #aver tam"m uma deformao na seo do

strain gauge segundo a relao de &oisson. &ara pequenas tens


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+nde o coeficiente de &oisson. $ taxa de variao da resistncia ser%

+ coeficiente de &oisson varia de @,4D a @,CD para a maioria dos metais, de modo que

a sensi"ilidade do strain gauge 9F: ser da ordem de 3,D a 4,D. $lgumas ligas podem

possuir sensi"ilidades variando de @,D a T, podendo ser at 3D@ para semicondutores.

)endo assim, a presso = qual uma estrutura est su!eita poder ser determinada pela

variao da resistncia de um sensor. Na maioria dos sensores, quatro resistores so

integrados formando uma ponte deZ#eatstone, de modo que dois resistores aumentam sua resistncia e dois diminuem

com o aumento ou decrscimo da presso aplicada. $ figura T.34 a seguir apresenta

uma configurao de resistor integrado e o sensor.

igura T.34 ? 8etal#es construtivos de um instrumento STRAIN : AUEcom resistor

integrado.

Vuando se dese!a medir a intensidade de uma fora, "em como a sua direo, usa5se

STRAIN-AUESestrategicamente posicionados em dire


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$ direo e intensidade da fora sero o"tidas a partir da decomposio das

deforma


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igura T.3L ? 1edidores de &resso 6omerciais.

T.L.C 5 1edidas de presso diferencial

$ medio de presso diferencial de suma import>ncia em processos industriais. $s

suas maiores aplica


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rotineiras do processo industrial. $ figura T.3D mostra um esquema de medio

diferencial de presso com a utiliao de Man!fo$'s.

igura T.3D ? (squema para medio de &resso 8iferencial usando Man!fo$'s.

2m tipo especial de sensor diferencial que dispensa o uso de Man!fo$' o sensor

capacitivo apresentado na figura T.3T a seguir. Nesta concepo, a so"represso

limitada por "atentes, evitando o rompimento de diafragmas, provocando uma

saturao do sinal de sada.

igura T.3T ? )ensor 6apacitivo 9diuspensa o uso de 1anifolds:.

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+ diafragma sensor colocado no centro da clula , na verdade, uma placa mEvel de

um capacitor. (sta deflete em funo das press


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-ao mssica%

(nquanto a primeira dada em metros c"icos por segundo 9mCBs:, litros por segundo

9lBs: e outros, a segunda dada em quilos por segundo 9AgBs:, toneladas por #ora 9tB#: e

outras. No entanto, uma vao pode ser relacionada = outra, uma ve que a massa

est relacionada ao volume, atravs da densidade. 8essa forma, tem5se%

$ maioria dos medidores parte da medida da velocidade do fludo ou da variao da

energia cintica para determinar o valor da vao. $ velocidade, por sua ve, depende

da diferena de presso atuante so"re o fludo que o fa atravessar uma tu"ulao, um

canal ou um conduto. 2ma ve definida a rea da seo transversal, $, pode5se o"ter a

vao atravs da velocidade mdia do fludo, v.

ou, quando a velocidade varivel ao longo da rea da seo.

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+nde v a velocidade da lin#a de fluxo.

$ figura X.3 a seguir mostra como o perfil do escoamento de um fludo varia ao longo da

seo transversal de um tur"o ou canal, em condi


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'eSnolds, mas em uma faixa que comea entre 3@@@ e 4@@@ e se estende at entre

C@@@ e D@@@. 6aractersticas fsicas tais como estado da matria, nmero de 'eSnolds,

viscosidade, densidade, temperatura, velocidade mdia, alm do tipo de medida

dese!ada, restrinicas, processo, meio de medio e outros iro pesardecisivamente na seleo do mel#or mtodo de medida de vao.

".1 $ B+')( #70)( 7 P&'+'( 67 O0)*K+)

Neste sistema a vao o"tida provocando5se o estrangulamento das tu"ula


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6om as tomadas de presso no centro da tu"ulao, tem5se que 3 igual a 4,

cancelando5se as parcelas. 0omando5se os di>metros no ponto 3 e 4, iguais a 83 e 84,

respectivamente, a diferena de presso ser%

6onsiderando os coeficientes constantes pertinentes a cada arran!o de tu"ulao em

particular, temos%

$s figuras X.C, X.L, X.D e X.T mostram alguns arran!os possveis para medio de vao

por diferencial de presso.

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igura X.C ? -enturi ongo.

igura X.C ? -enturi 6urto.

igura X.L ? Iocal.

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igura X.L ? 8iafragma em &laca de +rifcio.

2m outro sistema de medida de vao "aseado em presso diferencial o c#amado -5

6+N(; a caracterstica fundamental para este tipo de medio de vao a imposio

do condicionamento do fluxo anterior = medida, desta forma o -56+N( pode ser

aplicado para diferentes perfis de escoamento. $ figura X.D, X.T e X.X mostram as

caractersticas de instalao e de tomada de presso para medio da vao. $

exatido de um -56+N( da ordem de @,D^, com repeti"ilidade de @,3^ e faixa de

medio de 3@%3 ou maior. &ode ser disponi"iliado em taman#os de hO a 34@O. + -5

6+N( utiliado na medio de Eleo, gs natural, nos controles de processos em geral

e sistemas de saneamento. $ grande vantagem deste sistema so os "aixos custos de

manuteno por no existirem partes mEveis.

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igura X.D ? 7nstalao do -56+N( em tu"ula


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".2 $ M76)6'( 67 '- + S6'(

$s sondas, de um modo geral, tm por o"!etivo determinar a velocidade nos centros detu"os de correntes do escoamento delimitados pelas dimens


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igura X.Q ? 8eterminao dos pontos para instalao das sondas.

$ vao ser dada pela velocidade integraliada em toda a rea da seo do tu"o.

(xistem um grande nmero de sondas mec>nicas, iKnicas e trmicas, dentre outras,

muitas normaliadas, sendo as mais con#ecidas denominadas% tu"o de &itot, tu"os tipo

+ de &randtl, sondas duplas, sonda venturi. Na figura X.R a seguir esto representados

estes dois tipos de tu"os com suas principais caractersticas, "em como varias pontas

para tu"o de &itot, mostrando o >ngulo sElido mximo possvel entre a direo da

sonda e do escoamento onde ela pode atuar sem que o resultado da medida se!aafetado. &ara os de &randtl a ponta pode ser uma semi5esfera, ou tronco5cKnica.

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igura X.R ? 0u"o de &itot e 0u"o + de &randtl.

$ determinao das va


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".3 $ M76)60 J&)+7 ;T09)'>

+s medidores #lice, ou tur"ina, operam pelo princpio da asa de sustentao. $

rotao esta"elecida quando a asa divide o fludo com um >ngulo de ataque ' em

relao = direo da velocidade do escoamento, *. 2ma fora de sustentao ;S

aparece na asa, em direo perpendicular = velocidade. (sta fora proporcional ao

produto da rea da asa pela quadrado da velocidade. (sta proporcionalidade o

coeficiente de sustentao 6). )e esta asa fixada em um eixo, conforme a figura X.3@

a seguir, a fora de sustentao ir dar origem a um con!ugado e a uma velocidadetangencial, , a qual ir provocar a rotao da asa.

igura X.3@ ? &rincpio de medio de vao com 0urnina.

(sta rotao relacionada com a velocidade do escoamento, e = vao, pela

expresso.

+nde n a velocidade de rotao.

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$ velocidade de rotao medida atravs de um sensor eletromagntico que detecta a

passagem das ps da #lice, como mostra a figura X.33 a seguir.

igura X.3@ ? 1edidor 0ur"ina com sensor magntico.

Nesta figura o"servam5se tam"m outros componentes comumente encontrados em

um medidor #lice, tais como o alin#ador de fluxo e os cones defletores que resultam

em um mel#or desempen#o do medidor. $ figura X.33 a"aixo mostra alguns exemplos

de medidores 0ur"ina ou Wlice comerciais.

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igura X.33 ? 1edidores 0ur"ina ou Wlice comerciais.

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X.L ? 'ot>metros

+s medidores de vametros, tam"m con#ecidos como medidores derea varivel, "aseiam5se nos princpios da impulso e da conservao da massa.

$ssim, a medio da vao possvel a partir de um corpo sElido em equil"rio no

interior de um escoamento. 8inamicamente o equil"rio ocorre, para um corpo de

revoluo, quando # igualdade entre a fora de arrasto 5 ;a5 e a diferena entre a

fora oriunda do peso do corpo 5 ;% 5 e a do empuxo de $rquimedes 5 ;ar. $ figura

X.34 mostra esta relao de foras so"re um corpo em equil"rio.

igura X.34 ? 'elao de foras so"re um corpo em equil"rio no interior de um

escoamento.

+nde Ar 9m4Bs: o coeficiente do rot>metro.

$ figura X.3C a seguir ilustra alguns tipos de rot>metros comerciais.

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igura X.3C ? 'ot>metros comerciais.

+s rot>metros convencionais sE permitem a sua instalao na posio vertical. 2ma

concepo recente permite a sua montagem em qualquer direo, conforme

mostrado na figura X.3L.

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igura X.3L ? 'ot>metro para aplicao em qualquer posio.

Neste caso, o medidor se "aseia no princpio da rea varivel. 2m orifcio de alta

preciso localiado em torno de um pisto associado a um m acoplado

magneticamente a um cursor externo 9indicador:, que se move acompan#ando o

movimento do pisto. 2ma mola cali"rada se opmara de medio por um lado e sair por outro,

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faendo girar os elementos de engrenagem utiliados para a medio. $ figura X.3D

ilustra este tipo de medidor de vao.

igura X.3D ? 1edidor de vao por deslocamento positivo.

(xiste uma grande variedade de arran!os mec>nicos para explorar este princpio e,

muito em"ora apresentem uma perda de carga constante, todos as alternativas devem

oferecer "aixo atrito de frico, "aixa manuteno e dura"ilidade. $ figura X.3T a seguir

apresenta trs modelos tpicos de medidores de vao pelo princpio de deslocamento

positivo.

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igura X.3T ? 1edidores de vao por deslocamento positivo comerciais.

&ela sua construo ro"usta, tais medidores conseguem operar em grandes press


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igura X.3X ? &rincpio de 1edidores 6oriolis.

$dmitindo que este tu"o oscila entorno de um eixo que l#e normal com uma

velocidade angular 9:, o fluido em escoamento imp


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igura X.3Q ? 6omponentes de um medidor 6oriolis.

$ figura X.3R a"aixo mel#or demonstra os efeitos das foras geradas em funo do

fluxo do fluido no interior do tu"o.

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igura X.3R ? (feito das foras oriundas do fluxo no interior de uma tu"ulao.

+ sensoreamento da toro pode ser feito atravs de sensores de torque pela

deformao 9strain gauge: ou empregando um sistema eletromagntico. Neste caso,em cada lado do tu"o # um sistema m5"o"ina que opera como um detetor de

vi"rao. + torque o"tido pela diferena de tempo apresentada entre as duas

medincia varia com a densidade

do fludo, tem5se que com este medidor tam"m se pode inferir so"re a densidade.

6omo desvantagens pode5se citar a perda de carga e a sua "aixa eficincia quando

aplicado a fludos "ifsicos. $ figura X.4@ a seguir ilustra um modelo comercial deste

tipo de medidor de vao.

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igura X.4@ ? 1edidores 6oriolis 6omerciais.

X.T ? 1edidor -ortex

+s medidores vortex utiliam o efeito din>mico que consiste na gerao de uma esteira

de vErtices a !usante de um o"stculo mergul#ado no escoamento, con#ecido como

esteira de -on barman, cu!as caractersticas comearam a ser esta"elecidas, em 3R33,por Irnard -on barman e que esto mostradas na figura X.43 a seguir.

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igura X.43 ? (squema de um medidor -ortex.

$ velocidade mdia no tu"o dada por%

+nde d o di>metro da tu"ulao, f a freqPncia dos vErtices e )t o nmero de

)trou#al que vale @,3QD para nmeros de 'eSnolds entre C@@ e 4@@@@@. +s medidores

vortex, em fase de serem normaliados, podem ser aplicados, em princpio, para

qualquer vao na faixa Vmax B Vmin 3@, com perda de carga T@ a Q@ 9^: acorrespondente da placa de orifcio, devendo ser instalados em trec#o reto do conduto

distante, a montante, mais de 3D j 8. $ figura X.44 a seguir mostra alguns exemplos de

medidores -ortex comerciais.

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igura X.44 5 1edidores -ortex 6omerciais.

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