Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    1/232

     

    INSTRUMENTISTA DESISTEMAS

    INSTRUMENTAÇÃO BÁSICA

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    2/232

     

    2

     

    INSTRUMENTISTA DE SISTEMAS

    INSTRUMENTAÇÄO BÁSICA

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    3/232

     

    3

     © PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610, de 19.2.1998.

    É proibida a reprodução total ou parcial, por quaisquer meios, bem como a produção de apostilas, semautorização prévia, por escrito, da Petróleo Brasileiro S.A. – PETROBRAS.

    Direitos exclusivos da PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.

    TEIXEIRA, Paulo Roberto FradeACOSTA, Simone M. (adaptação e revisão)

    FARIA, Rubens Alexandre de (adaptação e revisão)Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, 2006.

    232 p.:il.

    PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.

    Av. Almirante Barroso, 81 – 17º andar – CentroCEP: 20030-003 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    4/232

     

    4

     

    ÍNDICE

    1  Apresentação............................................................................................................................8 1.1  Histórico ....................................................................................................................................8 1.2  Classes de instrumentos...........................................................................................................9 1.3  Terminologia ...........................................................................................................................12 1.4  Identificação e símbolos de instrumentos ..............................................................................14 1.4.1  Identificação funcional ............................................................................................................14 1.4.2  Identificação da malha............................................................................................................15 1.4.3  Símbolos.................................................................................................................................19 1.5  Principais sistemas de medida ...............................................................................................22 1.5.1  Sistema métrico decimal.........................................................................................................23 1.5.2  Sistema físico ou cegesimal ...................................................................................................23 1.5.3  Sistema industrial francês.......................................................................................................23 1.5.4  Sistema prático ou gravitatório ............................................................................................... 24 1.5.5  Sistemas ingleses...................................................................................................................24 

    1.5.5.1  Sistema absoluto ....................................................................................................................24 1.5.5.2  Sistema prático .......................................................................................................................25 1.6  Telemetria...............................................................................................................................25 1.6.1  Transmissores.........................................................................................................................25 1.6.1.1  Transmissão pneumática........................................................................................................25 1.6.1.2  Transmissão eletrônica...........................................................................................................26 2  Pressão...................................................................................................................................28 2.1  Medição de pressão ...............................................................................................................28 2.2  Pressão atmosférica ...............................................................................................................28 2.3  Pressão manométrica ou relativa ...........................................................................................29 2.3.1  Pressão relativa negativa ou vácuo........................................................................................30 2.4  Pressão absoluta ....................................................................................................................31 2.5  Pressão diferencial .................................................................................................................32 

    2.6  Pressão estática .....................................................................................................................32 2.7  Pressão dinâmica ...................................................................................................................33 2.8  Unidades de pressão..............................................................................................................34 2.9  Dispositivos para medição de pressão...................................................................................34 2.9.1  Tubo de Bourdon ....................................................................................................................34 2.9.2  Membrana ou diafragma.........................................................................................................36 2.9.3  Fole .........................................................................................................................................36 2.9.4  Coluna de líquido....................................................................................................................37 2.9.5  Sensor tipo Piezoelétrico ........................................................................................................38 2.9.6  Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo ...........................................................................39 2.9.7  Sensor tipo capacitivo.............................................................................................................42 2.9.8  Sensor tipo silício ressonante.................................................................................................44 3  Nível........................................................................................................................................48 

    3.1  Métodos de medição de nível de líquido................................................................................48 3.1.1  Medição de nível direta...........................................................................................................48 3.1.1.1  Régua ou gabarito ..................................................................................................................48 3.1.1.2  Visores de nível ......................................................................................................................49 3.1.1.3  Bóia ou flutuador.....................................................................................................................55 3.1.2  Medição de nível indireta........................................................................................................56 3.1.2.1  Medição de nível por pressão................................................................................................. 56 3.1.2.2  Medição de nível por pressão diferencial em tanques fechados e pressurizados................. 58 3.1.2.3  Medição de nível com Borbulhador ........................................................................................61 3.1.2.4  Medição de nível por empuxo.................................................................................................62 3.1.2.5  Medição de nível de interface.................................................................................................65 3.1.2.6  Medição de nível com raios gama..........................................................................................66 

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    5/232

     

    5

    3.1.2.7  Medição de nível capacitivo....................................................................................................68 3.1.2.8  Medidor de nível por ultra som ...............................................................................................69 3.1.2.9  Medição de nível por radar.....................................................................................................70 3.1.3  Medição descontínua de nível................................................................................................71 3.1.3.1  Medição de nível com eletrodos.............................................................................................71 3.1.3.2  Medição de nível com bóias ...................................................................................................72 

    3.1.3.3  Medição de nível com sensor capacitivo................................................................................73 3.1.3.4  Medição de nível com chave vibratória ..................................................................................73 3.2  Métodos de medição de nível de sólidos ...............................................................................74 3.2.1  Medição de nível eletromecânica ...........................................................................................74 3.2.2  Medição de nível com célula de carga ...................................................................................74 4  Vazão......................................................................................................................................77 4.1  Medição de vazão...................................................................................................................77 4.2  Tipos de medidores de vazão.................................................................................................78 4.2.1  Medidores de quantidade .......................................................................................................78 4.2.1.1  Medidores de quantidade por pesagem .................................................................................78 4.2.1.2  Medidores de quantidade volumétrica....................................................................................79 4.2.2  Medidores volumétricos..........................................................................................................79 4.2.2.1  Medição de vazão por pressão diferencial.............................................................................80 

    4.2.2.2  Medidores de vazão por pressão diferencial constante (área variável) .................................97 4.2.3  Medidores de vazão em canais abertos...............................................................................100 4.2.3.1  Vertedor ................................................................................................................................101 4.2.3.2  Calha Parshall.......................................................................................................................101 4.2.4  Medidores especiais de vazão..............................................................................................102 4.2.4.1  Medidor eletromagnético de vazão.......................................................................................102 4.2.4.2  Medidor tipo turbina ..............................................................................................................113 4.2.4.3  Medidor tipo vórtex ...............................................................................................................115 4.2.4.4  Medidores ultra-sônicos........................................................................................................118 4.2.4.5  Medidor por Efeito Coriolis....................................................................................................122 5  Tubulação de impulso e sistemas de selagem.....................................................................128 5.1  Tubulação de impulso...........................................................................................................128 5.1.1  Instalação..............................................................................................................................128 

    5.1.2  Constituição da tubulação de impulso..................................................................................130 5.2  Sistemas de selagem............................................................................................................132 5.2.1  Selo líquido ...........................................................................................................................132 5.2.2  Selo de ar..............................................................................................................................134 5.2.3  Selo volumétrico ...................................................................................................................134 5.2.4  Manômetro petroquímico......................................................................................................135 5.2.5  Selo sanitário ........................................................................................................................136 5.3  Purga.....................................................................................................................................137 5.3.1  Purga com gás......................................................................................................................137 5.3.2  Purga com líquido.................................................................................................................138 5.4  Sangria..................................................................................................................................139 6  Temperatura..........................................................................................................................140 6.1  Conceitos básicos.................................................................................................................140 

    6.1.1  Temperatura e calor..............................................................................................................140 6.1.2  Escalas de temperatura........................................................................................................141 6.1.2.1  Escalas..................................................................................................................................142 6.1.2.2  Conversão de escalas ..........................................................................................................143 6.1.2.3  Escala internacional de temperatura ....................................................................................144 6.1.2.4  Normas..................................................................................................................................145 6.2  Medidores de temperatura por dilatação/expansão.............................................................145 6.2.1  Termômetro a dilatação de líquido .......................................................................................145 6.2.1.1  Características......................................................................................................................145 6.2.1.2  Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro...............................................146 6.2.1.3  Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico................................................ 147 

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    6/232

     

    6

    6.2.2  Termômetros à pressão de gás............................................................................................151 6.2.2.1  Princípio de funcionamento ..................................................................................................151 6.2.2.2  Características......................................................................................................................152 6.2.3  Termômetro à pressão de vapor...........................................................................................153 6.2.3.1  Principio de funcionamento...................................................................................................153 6.2.4  Termômetros à dilatação de sólidos (termômetros bimetálicos).......................................... 154 

    6.2.4.1  Princípio de funcionamento ..................................................................................................154 6.2.4.2  Características de construção ..............................................................................................154 6.3  Medição de temperatura com termopar ...............................................................................156 6.3.1  Efeitos termoelétricos ...........................................................................................................157 6.3.1.1  Efeito termoelétrico de Seebeck...........................................................................................157 6.3.1.2  Efeito termoelétrico de Peltier...............................................................................................158 6.3.1.3  Efeito termoelétrico de Thomson..........................................................................................159 6.3.1.4  Efeito termoelétrico de Volta.................................................................................................159 6.3.2  Leis termoelétricas................................................................................................................159 6.3.2.1  Lei do circuito homogêneo....................................................................................................159 6.3.2.2  Lei dos metais intermediários ...............................................................................................160 6.3.2.3  Lei das temperaturas intermediárias ....................................................................................161 6.3.3  Correlação da f.e.m. em função da temperatura..................................................................161 

    6.3.4  Tipos e características dos termopares................................................................................162 6.3.4.1  Termopares básicos .............................................................................................................162 6.3.4.2  Termopares nobres...............................................................................................................164 6.3.4.3  Termopares epeciais ............................................................................................................165 6.3.5  Correção da junta de referência ...........................................................................................166 6.3.6  Fios de compensação e extensão........................................................................................168 6.3.7  Erros de ligação....................................................................................................................168 6.3.7.1  Usando fios de cobre............................................................................................................168 6.3.7.2  Inversão simples...................................................................................................................170 6.3.7.3  Inversão dupla ......................................................................................................................170 6.3.8  Termopar de isolação mineral ..............................................................................................171 6.3.9  Associação de termopares...................................................................................................174 6.3.9.1  Associação série...................................................................................................................174 

    6.3.9.2  Associação série–oposta......................................................................................................174 6.3.9.3  Associação em paralelo........................................................................................................175 6.4  Medição de temperatura por termoresistência.....................................................................175 6.4.1  Princípio de funcionamento ..................................................................................................175 6.4.2  Construção física do sensor .................................................................................................176 6.4.3  Características da termoresistência de platina.....................................................................178 6.4.4  Vantagens e desvantagens ..................................................................................................178 6.4.5  Princípio de medição ............................................................................................................179 6.4.5.1  Ligação a dois fios................................................................................................................179 6.4.5.2  Ligação a três fios.................................................................................................................180 6.5  Medição de temperatura por radiação .................................................................................181 6.5.1  Radiação eletromagnética....................................................................................................182 6.5.1.1  Hipóteses de Maxwell...........................................................................................................182 

    6.5.1.2  Ondas eletromagnéticas.......................................................................................................182 6.5.1.3  Espectro eletromagnético .....................................................................................................183 6.5.2  Teoria da medição de radiação............................................................................................183 6.5.3  Pirômetros ópticos ................................................................................................................188 6.5.4  Radiômetro ou pirômetros de radiação ................................................................................189 7  Elementos finais de controle.................................................................................................192 7.1  Válvulas de controle..............................................................................................................193 7.1.1  Partes principais de uma válvula de controle.......................................................................194 7.1.2  Atuador..................................................................................................................................194 7.1.2.1  Atuador pneumático tipo mola diafragma............................................................................. 194 7.1.2.2  Atuador pneumático tipo pistão ............................................................................................195 

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    7/232

     

    7

    7.1.2.3  Atuador pneumático de dupla ação ......................................................................................196 7.1.2.4  Atuador elétrico.....................................................................................................................197 7.1.2.5  Atuador hidráulico.................................................................................................................198 7.1.3  Corpo ....................................................................................................................................198 7.2  Válvulas de deslocamento linear da haste ...........................................................................199 7.2.1  Válvulas globo.......................................................................................................................199 

    7.2.1.1  Válvulas globo sede simples.................................................................................................200 7.2.1.2  Válvula globo sede dupla......................................................................................................203 7.2.2  Válvula globo tipo gaiola.......................................................................................................204 7.2.2.1  Válvula globo tipo gaiola sede simples não balanceada......................................................205 7.2.2.2  Válvula globo tipo gaiola sede simples balanceada .............................................................205 7.2.3  Válvula de controle tipo diafragma ou Saunders.................................................................. 206 7.2.4  Válvula de controle tipo guilhotina........................................................................................207 7.2.5  Válvula de controle 3 vias.....................................................................................................208 7.3  Válvulas de deslocamento rotativo da haste ........................................................................208 7.3.1  Válvula de controle tipo borboleta ........................................................................................208 7.3.2  Válvula de controle esfera ....................................................................................................210 7.3.3  Válvula de controle tipo obturador rotativo excêntrico..........................................................212 7.4  Internos das válvulas ............................................................................................................213 

    7.4.1  Obturador..............................................................................................................................213 7.4.1.1  Tipos de obturadores............................................................................................................213 7.4.1.2  Obturadores torneados.........................................................................................................214 7.4.1.3  Obturadores com entalhes em “V”........................................................................................214 7.4.1.4  Obturadores simples estriados ou perfilados .......................................................................215 7.4.1.5  Obturadores de abertura rápida............................................................................................215 7.4.1.6  Obturadores com disco ou O-Ring .......................................................................................216 7.4.2  Obturadores tipo gaiola.........................................................................................................217 7.4.3  Anel de sede .........................................................................................................................218 7.4.4  Classes de vazamentos........................................................................................................219 7.5  Castelo..................................................................................................................................219 7.5.1  Castelo normal......................................................................................................................220 7.5.2  Castelo aletado.....................................................................................................................220 

    7.5.3  Castelo alongado..................................................................................................................221 7.5.4  Castelo com fole ...................................................................................................................221 7.6  Caixa de gaxetas ..................................................................................................................222 7.7  Gaxetas.................................................................................................................................222 7.7.1  Teflon (TFE)..........................................................................................................................223 7.7.2  Amianto impregnado.............................................................................................................223 7.8  Características de vazão ......................................................................................................224 7.8.1  Introdução.............................................................................................................................224 7.8.2  Característica de vazão ........................................................................................................224 7.8.3  Características de vazão inerentes ......................................................................................225 7.8.4  Característica de vazão instalada das válvulas de controle................................................. 226 7.8.5  Alcance de faixa da válvula ..................................................................................................227 7.9  Coeficiente de vazão (CV)....................................................................................................227 

    7.10  Posicionadores .....................................................................................................................228 7.10.1  Posicionador inteligente........................................................................................................230 

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    8/232

     

    8

     

    CAPÍTULO I

    1  Apresentação1.1  Histórico

    Os processos industriais exigem sistemas de controle na fabricação de seus produtos. Estes

    processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos como, por exemplo, a fabricação

    dos derivados do petróleo, os produtos alimentícios, a indústria de papel e celulose, entre outros.  

    Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas

    variáveis, tais como, pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade etc.

    Os instrumentos de medição e controle são os elementos que permitem manter controladas as

    variáveis do processo com os objetivos de melhorar a qualidade do produto, aumentar em quantidade

    produzida, manter a segurança e melhorar do meio ambiente.

    No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através do controle manual

    destas variáveis utilizando somente instrumentos simples, como manômetros, termômetros e válvulas

    manuais, e isto era suficiente porque os processos eram simples.

    Com o passar do tempo, os processos foram se sofisticando e exigindo a automação cada vez

    maior dos instrumentos de medição e controle. Os operadores foram liberados de sua atuação física

    direta no processo e, ao mesmo tempo, ocorreu um movimento de centralização do monitoramentodas variáveis em uma única sala.

    Devido à centralização das variáveis do processo, podemos fabricar produtos que seriam

    impossíveis através do controle manual. Para atingir os níveis que estamos hoje, os sistemas de

    controle sofreram grandes transformações tecnológicas passando do controle manual, para o controle

    mecânico e hidráulico, o controle pneumático, o controle elétrico, o controle eletrônico e, atualmente,

    o controle digital.

    Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e processos

    descontínuos. Em ambos, devem-se manter as variáveis próximas aos valores desejados. O sistema

    de controle que permite fazer isto compara o valor de uma variável qualquer do processo com um

    valor desejado para ela naquele momento e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio

    encontrado, sem a intervenção do operador.

    Para fazer esta comparação e, conseqüentemente, a correção, é necessário que o sistema de

    controle possua uma unidade de medição, uma unidade de controle e um elemento final de controle

    no processo.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    9/232

     

    9

    Este conjunto de unidades forma uma malha de controle. A malha de controle pode ser aberta

    ou fechada. Na Figura 1.1 temos uma malha de controle fechada e na Figura 1.2, uma malha de

    controle aberta.

    Elemento finalde controle

    Unidade demedição

    Processo

    Unidade decontrole

    Figura 1.1 - Malha de controle fechada

    Processo

    Unidade deIndicação

    Unidade de

    medida

    Figura 1.2 - Malha de controle aberta

    1.2  Classes de instrumentos

    Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo

    com a função que o mesmo desempenha no processo.

    a) Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual

    podemos ler o valor da variável, Figura 1.3. Existem também indicadores digitais que indicam a

    variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas.

    Figura 1.3 – Instrumento indicador analógicoFonte: Wika do Brasil

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    10/232

     

    10

    b) Registrador: Instrumento que registra a(s) variável(is) através de um traço contínuo ou

    pontos em um gráfico, Figura 1.4. Um instrumento registrador pode, também, apresentar uma

    indicação.

    Figura 1.4 – Instrumento registrador

    Fonte: Westronics

    c) Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um

    elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas

    em função da variável do processo. O elemento primário pode ou não estar acoplado ao transmissor.

    A Figura 1.5 apresenta um transmissor.

    Figura 1.5 – TransmissorFonte: Smar 

    d) Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades

    físicas, modifica, caso necessário, essas informações e fornece um sinal de saída resultante.

    Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro

    dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinal de entrada e saída

    padronizado. A Figura 1.6 apresenta um conversor de corrente para pressão.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    11/232

     

    11

     

    Figura 1.6 – Conversor I/PFonte: ABB Sensycon 

    e) Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e

    fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre

    valores determinados. A variável pode ser medida, diretamente pelo controlador ou indiretamente

    através do sinal de um transmissor ou transdutor. A Figura 1.7 apresenta um controlador.

    Figura 1.7 – ControladorFonte: Yokogawa

    f) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável

    manipulada de uma malha de controle, Figura 1.8.

    Figura 1.8 – Válvula de controleFonte: Smar

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    12/232

     

    12

      Além destas denominações, os instrumentos podem ser classificados em instrumentos de

    painel, de campo, à prova de explosão, poeira, líquido, etc. Combinações dessas classificações são

    efetuadas formando instrumentos conforme necessidade.

    1.3  TerminologiaOs instrumentos de controle empregados na indústria de processos possuem sua própria

    terminologia. Os termos utilizados definem as características próprias de medida e controle dos

    diversos instrumentos utilizados: indicadores, registradores, controladores, transmissores e válvulas

    de controle.

    A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes, os usuários e os organismos que

    intervêm, diretamente ou indiretamente, no campo da instrumentação industrial. Os termos a seguir

    estão de acordo com o Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia

    (VIM).

    a) Faixa de medida (Range) - Conjunto de valores da variável medida que estão

    compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do

    instrumento. Se expressa determinando os valores extremos.

    Exemplos: Range entre 100 e 500oC Range entre 0 e 20 PSI

    b) Amplitude da faixa nominal (Span) - É a diferença, em módulo, entre o valor superior e

    inferior de uma faixa de medida (range). Em algumas áreas, a diferença entre o maior e o menor valor

    é denominada “faixa”.

    Exemplos:

    Para uma faixa nominal de -10V a +10V a amplitude da faixa nominal é 20V.

    Um instrumento com range de 100 - 5000C seu Span é de 400oC.

    c) Erro (de medição) – É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em

    relação ao valor real da variável medida.

    Se tivermos o processo em regime permanente chamaremos de erro estático, que poderá ser

    positivo ou negativo dependente da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a maisou menos.

    Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo teremos um atraso na

    transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em

    relação ao valor real da variável. Esta diferença, entre o valor real e o valor medido, é chamado de

    erro dinâmico.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    13/232

     

    13

    d) Repetitividade - Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um

    mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição.

    Estas condições são denominadas condições de repetitividade e incluem: mesmo

    procedimento de medição; mesmo observador; mesmo instrumento de medição, utilizado nas

    mesmas condições; mesmo local; repetição em curto período de tempo.

    e) Exatidão de medição - Podemos definir como sendo a aptidão de um instrumento de

    medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.

    O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão. A exatidão pode ser descrita de três

    maneiras:

    Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.)

    Percentual do Span (% do Span)

    Percentual do Valor Lido (% do V.L.)

    Exemplo: Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250oC e valor medido 100oC

    determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições:

    Exatidão de 1% do Fundo de Escala

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

    Exatidão de 1% do Span

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

    Exatidão 1% do Valor Lido (Instantâneo)

    Valor real = 100o

    C ± (0,01 x 100) = 100o

    C ± 1,0o

    C

    f) Rangeabilidade (Largura de Faixa) - É a relação entre os valores máximos e os valores

    mínimos, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento.

    Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por minuto), com

    exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, significa que a exatidão será respeitada entre 30 e

    300 GPM.

    g) Zona Morta - Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos, sem

    produzir variação na resposta de um instrumento de medição.

    A zona morta pode depender da taxa de variação. A zona morta, algumas vezes, pode ser

    deliberadamente ampliada, de modo a prevenir variações na resposta para pequenas variações no

    estímulo.

    Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 200ºC e com zona morta de 0,1% representa ± 

    0,2ºC.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    14/232

     

    14

    h) Sensibilidade - Variação da resposta de um instrumento de medição dividida pela

    correspondente variação do estímulo. A sensibilidade pode depender do valor do estímulo.

    Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 500ºC e com uma sensibilidade de 0,05%

    representa ± 0,25ºC.

    1.4  Identificação e símbolos de instrumentos

    As normas de instrumentação estabelecem símbolos, gráficos e codificação para identificação

    alfanumérica de instrumentos ou funções programadas que deverão ser utilizadas nos diagramas e

    malhas de controle de projetos de instrumentação.

    O Tagname ou Tag é um código alfanumérico cuja finalidade é a de identificar equipamentos

    ou instrumentos, dentro de uma planta de processos. O Tagname também é a identificação física de

    um instrumento ou equipamento. Por meio deste, podemos localizar onde o instrumento/equipamento

    está instalado, se há painel, se instalado no campo ou numa sala de controle etc.

    De acordo com a norma ISA-S5 e a Norma 8190 da ABNT, cada instrumento ou função

    programada será identificada por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto

    de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence.

    Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo.

    1.4.1  Identificação funcional

    A identificação funcional do instrumento ou seu equivalente funcional consiste de letras da

    Tabela 1.1. A identificação funcional do instrumento é feita de acordo com sua função e não com a

    sua construção.

    A primeira letra é a variável do processo medida ou de inicialização. A primeira letra pode ter

    um modificador opcional.

    As letras subseqüentes identificam as funções do instrumento, podendo ser:

    •  Funções passivas - elemento primário, orifício de restrição, poço;

    •  Funções de informação - indicador, registrador, visor,

    •  Funções ativas ou de saída - controlador, transmissor, chave e outros;

    •  Funções modificadoras - alarmes ou indicação de instrumento multifunção.As letras subseqüentes podem, também, fazer o papel de letras modificadoras, pois modificam

    o nome original do instrumento. As letras subseqüentes usadas como modificadoras podem atuar ou

    complementar o significado da letra precedente. A letra modificadora modifica a primeira letra ou uma

    das subseqüentes.

    A seqüência de formação da identificação intencional de um instrumento é a seguinte:

    A primeira letra deve sempre indicar a variável medida. Veja a coluna "Variável medida ou

    inicial" na Tabela 1.1. Se a primeira letra possuir sua função modificada, veja a coluna "Modificador".

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    15/232

     

    15

    As letras subseqüentes (segundo grupo de letras) indicam as funções do instrumento na

    seguinte ordem:

    •  Letras que designam funções passivas ou de informação, veja a coluna "Função de

    informação ou passiva" na Tabela 1.1.

    •  Letras que designam funções ativas ou saídas, veja a coluna "Função de Saída".•  Letras que modificam a função do instrumento ou que funcionam como complemento

    de explicação de função, veja a coluna "Modificador" dentro do segundo grupo de

    letras.

    Se houver letras modificadoras, estas devem ser colocadas imediatamente após a letra que

    modificam. Todas as letras da identificação funcional devem ser maiúsculas.

    1.4.2  Identificação da malha

    A identificação da malha geralmente é feita por um número, colocado ao final da identificação

    funcional do instrumento associado a uma variável de processo.

    A numeração pode ser serial ou paralela. Numeração paralela começa de 0 para cada nova

    variável, por exemplo, TIC-100, FIC-100, LIC-100 e AI-100. Numeração serial usa uma única

    seqüência de números para um projeto ou seção grande de um projeto, de modo que se tem TIC-100,

    FIC-101, LIC-102 e AI-103. A numeração pode começar de 1 ou qualquer outro número conveniente,

    como 101, 1001, 1201.

    Quando a malha tem mais de um instrumento com a mesma função deve-se usar apêndice ou

    sufixo ao número. Por exemplo, se a mesma malha de vazão tem um extrator de raiz quadrada e umtransdutor corrente para pneumático, o primeiro pode ser FY-101-A e o segundo FY-101-B.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    16/232

     

    16

    Tabela 1.1 - Letras de identificação

    Primeiro Grupo de Letras Segundo Grupo de Letras (Letras Subseqüentes)

    Variável medida ouinicial

    ModificadorFunção de

    informação oupassiva

    Função desaída (final)

    Modificador

    A Analisador AlarmeB

    Chama dequeimador (burner)

    Escolha Escolha Escolha

    C Condutividadeelétrica Controlador

    D Densidade Diferencial

    E Tensão (voltage) Elemento sensor(elemento primário)

    F Vazão (flow)Fração ou

    relação

    G EscolhaVisor ou indicador

    local (glass)

    H

    Comando manual

    (hand) Alto (high)I Corrente elétrica Indicador

    J PotênciaVarredura

    (scan)

    K Tempo Tempo demudançaEstação de

    controle

    L Nível (level) Lâmpada piloto Baixo (low)

    M Umidade (moisture) Momentâneo Médio ouintermediário

    N Escolha Escolha Escolha Escolha

    O Escolha Orifício ou restrição

    PPressão, vácuo Ponto de teste

    Q Quantidade Integrador outotalizador

    R Radiação(radioatividade) Registrador

    SVelocidade ou

    freqüência (speed)Segurança Chave (switch)

    T Temperatura Transmissor

    U Multivariável Multifunção Multifunção Multifunção

    VVibração, análise

    mecânica Válvula, damper

    WPeso, força

    (weight)Poço (well)

    X Não classificadoVariável a definir Eixo X Não classificado Não classificado Não classificado

    Y Evento, estado oupresença Eixo YRelé, conversor,

    solenóide

    Z Posição oudimensãoEixo Z

    Elemento finalde controle não

    classificado

    Observação: Segundo a NBR 8190 no Primeiro Grupo de Letras a Variável Medida ou Inicial:

    G – representa medida dimensional

    V – representa viscosidade

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    17/232

     

    17

    Notas para a Tabela 1.1

    a) Uma letra de escolha do usuário tem o objetivo de cobrir significado não listado que é

    necessário em uma determinada aplicação. Se usada, a letra pode ter um significado como de

    primeira letra ou de letras subseqüentes. O significado precisa ser definido uma única vez em uma

    legenda. Por exemplo, a letra N pode ser definida como módulo de elasticidade como uma primeiraletra ou como osciloscópio como letra subseqüentes.

    b) Qualquer primeira letra combinada com as letras modificadoras D (diferencial), F (relação),

    M (momentâneo), K (tempo de alteração) e Q (integração ou totalização) representa uma variável

    nova e separada e a combinação é tratada como uma entidade de primeira letra. Assim, os

    instrumentos TDI e TI indicam duas variáveis diferentes: diferença de temperatura e temperatura. As

    letras modificadoras são usadas quando aplicável.

    c) A letra A (análise) cobre todas as análises não descritas como uma escolha do usuário. O

    tipo de análise deve ser especificado fora do circulo de identificação. Análise é variável de processo e

    não função de instrumento, como muitos pensam principalmente por causa do uso inadequado do

    termo analisador.

    d) O termo segurança se aplica a elementos primários e finais de proteção de emergência.

    Assim, uma válvula auto atuada que evita a operação de um sistema de fluido atingir valores

    elevados, aliviando o fluido do sistema tem um tag PCV (válvula controladora de pressão). Porém, o

    tag desta válvula deve ser PSV (válvula de segurança de pressão) se ela protege o sistema contra

    condições de emergência, ou seja, condições que são perigosas para o pessoal ou o equipamento e

    que são raras de aparecer. A designação PSV se aplica a todas as válvulas de proteção contra

    condições de alta pressão de emergência, independente de sua construção, modo de operação, localde montagem, categoria de segurança, válvula de alívio ou de segurança.

    e) A função passiva G se aplica a instrumentos ou equipamentos que fornecem uma indicação

    não calibrada, como visor de vidro ou monitor de televisão. Costuma-se aplicar TG para termômetro e

    PG para manômetro, o que não é previsto por esta norma.

    f) As funções associadas com o uso de letras subseqüentes Y devem ser definidas do lado de

    fora do circulo de identificação. Por exemplo, FY pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de

    vazão; TY pode ser o conversor corrente para pneumático em uma malha de controle de temperatura.

    Quando a função é evidente como para uma válvula solenóide ou um conversor corrente para

    pneumático ou pneumático para corrente a definição pode não ser obrigatória.g) Os termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário correspondem aos valores da

    variável medida e não aos valores do sinal. Por exemplo, um alarme de nível alto proveniente de um

    transmissor de nível com ação inversa deve ser LAH, mesmo que fisicamente o alarme seja atuado

    quando o sinal atinge um valor mínimo crítico.

    h) Os termos Alto e Baixo quando aplicados a posições de válvulas e outras dispositivos de

    abrir e fechar são assim definidos: alto significa que a válvula está totalmente aberta e baixo significa

    que a válvula está totalmente fechada.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    18/232

     

    18

    i) O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar permanentemente a

    informação que permita a sua recuperação por qualquer modo.

     j) A primeira letra V, vibração ou análise mecânica, destina-se a executar as tarefas em

    monitoração de máquinas que a letra A executa em uma análise mais geral. Exceto para vibração, é

    esperado que a variável de interesse seja definida fora das letras de tag.

    Exemplos de formação da identificação funcional de instrumentos

    P RC 001 02 A

    Variável Função Área da Atividade No Seqüencial da Malha

    Identificação Funcional Identificação da MalhaSufixo

    Identificação do Instrumento

    Onde:

    P - Variável medida - PressãoR - Função passiva ou de informação - RegistradorC - Função ativa ou de saída - Controlador001 - Área de atividade, onde o instrumento atua02 - Número seqüencial da malhaA - Sufixo

    PI = Indicador de pressão: “P" é a variável medida (Pressão), e “I“ é a função de informação ou

    passiva. Neste caso pode-se ter vários tipos de instrumentos, desde um manômetro mecânico à

    instrumentos eletrônicos sofisticados.

    PIC = Indicador Controlador de Pressão: Neste caso a função final é o controle de uma malha,

    portanto, a letra "C" da coluna “função final". A letra "I” é somente uma função passiva mencionando

    que o instrumento também esta indicando de alguma forma a variável "P" pressão.

    LAH = Alarme de Nível Alto: Neste exemplo a letra "A" define a função de informação,

    indicando que o instrumento está sendo utilizado para um alarme. A letra modificadora "H“

    complementa esta informação indicando o parâmetro do alarme, no caso nível alto.

    HV = Válvula de controle manual: A letra “V“ indica a função final e a letra “H“ indica a variável

    inicial.

    LCV = Válvula de controle de nível auto-operada: Neste exemplo a letra “C" pode estar

    indicando que a válvula é auto-operada.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    19/232

     

    19

    LV = Válvula de nível: Geralmente esta notação determina que se trata de uma válvula de

    controle proporcional.

    A Figura 1.9 apresenta exemplos de identificação de instrumentos.

    Figura 1.9 – Exemplos de identificação de instrumentos

    1.4.3  Símbolos

    A simbologia correta da instrumentação deve conter os seguintes parâmetros:

    Identificação das linhas de interligação dos instrumentos, por exemplo, eletrônica física,

    eletrônica por configuração, pneumática.

    Determinação do local de instalação dos instrumentos, acessível ou não acessível ao operador

    de processo.

    Filosofia da instrumentação, quanto ao instrumento ser dedicado a cada malha ou

    compartilhado por um conjunto de malhas de processo.

    Identificação (tag) do instrumento, envolvendo a variável do processo, a função do instrumento

    e o numero da malha do processo.

    Outras informações adicionais.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    20/232

     

    20

    As linhas de interligações entre os instrumentos devem ser mais finas que as linhas de

    processo e são simbolizadas como mostrado na Tabela 1.2.

    Tabela 1.2 – Símbolos de linhas para instrumentos

    Observações da Tabela 1.2:

    1-  Esta linha representa a conexão do processo, elo mecânico ou alimentação do

    instrumento.

    Sugerimos as seguintes abreviaturas para denotar os tipos de alimentação. Essas designações

    podem ser também aplicadas para suprimento de fluidos.

    AS - suprimento de ar

    HS - suprimento hidráulico

    Opções:

    IA - ar do instrumentoNS - suprimento de nitrogênio

    PA - ar da planta

    SS - suprimento de vapor

    ES - alimentação elétrica

    WS - suprimento de água

    GS - alimentação de gás

    SINAL BINÁRIOPNEUMÁTICO

    LIGAÇÃO PORSOFTWARE

    SINALELETROMAGNÉTICO OU

    SÔNICO GUIADO OBS: 3

    SINAL ELÉTRICO

    SINAL BIN RIOELÉTRICO

    LIGAÇÃO MECÂNICA

    SINAL HIDRÁULICO

    SUPRIMENTO OUIMPULSO OBS:1

    SINAL PNEMÁTICOOBS: 2

    TUBO CAPILAR

    SINAL NÃO DEFINIDO

    SINALELETROMAGNÉTICO OU

    SÔNICO NÃO GUIADO

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    21/232

     

    21

    2- O símbolo do sinal pneumático aplica-se para um sinal usando qualquer gás como veículo.

    Se o gás não for o ar, deve ser identificado qual o gás usando através de uma nota nos símbolos ou

    em outro local apropriado.

    3- Fenômeno eletromagnético inclui calor, ondas de rádio, radiação nuclear e luz.

    O instrumento completo é simbolizado por um pequeno balão circular, conforme Tabela 1.3.

    Porém, os avanços nos sistemas de controle com instrumentação aplicando microprocessadores e

    computadores digitais, que permitem funções compartilhadas em um único instrumento e que utilizam

    ligações por programação ou por elo de comunicação, fizeram surgir outros símbolos de instrumentos

    e de interligações.

    A padronização ISA considera que, quando da elaboração de um diagrama de controle, a

    identificação do instrumento será escrita dentro do símbolo geral e que, em casos específicos, a sua

    função será detalhada pelo acréscimo de um símbolo de processamento de sinais ao seu símbolo

    geral. A Tabela 1.4 apresenta os principais símbolos e funções de processamento de sinais.

    Tabela 1.3- Representação dos instrumentos

    Localizaçãoprincipal

    normalmenteacessível ooperador

    Montado nocampo

    Localizaçãoauxiliar

    normalmenteacessível ao

    operador

    Localizaçãoauxiliar

    normalmentenão acessívelao operador

    Instrumentos

    discretos

    Instrumentoscompartilhados

    Computador deprocesso

    Controlador

    programável

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    22/232

     

    22

    Tabela 1.4 - Símbolos e funções de processamento de sinais

    1.5  Principais sistemas de medida

    Os sistemas podem ser classificados quanto à natureza de suas unidades fundamentais,

    quanto ao valor dessas unidades e também quanto às relações escolhidas na determinação dos

    derivados.

    - Quanto à Natureza: Dois são os sistemas principais: L.M.T. e L.F.T.

    a) L.M.T. - Tem como grandezas fundamentais:

    comprimento = L

    massa = M

    tempo = T

    b) L.F.T. - Tem como grandezas fundamentais:

    comprimento = Lforça = F

    tempo = T

    - Quanto ao Valor Atribuído: As unidades fundamentais temos:

    a) Tipo L.M.T.

    1o) Físico ou Cegesimal (C.G.S.) : centímetro, grama, segundo.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    23/232

     

    23

      2o) Industrial Francês (M.T.S.) : metro, tonelada, segundo.

    3o) Métrico Decimal (M.K.S.) : metro, quilograma, segundo.

    4o) Absoluto Inglês (Ft, Pd, S): pé, libra, segundo.

    b) Tipo L.F.T.1o) Prático, Terrestre ou Gravitatório (M. kgf.s.): metro, quilograma força, segundo.

    2o) Prático Inglês (Ft, Pd, sec.): pé, libra-força, segundo.

    Quanto às Relações: Se forem escolhidas na derivação, pode haver, às vezes, liberdade de

    escolha. Citaremos como exemplo, a unidade de volume.

    1.5.1  Sistema métrico decimal

    Criado oficialmente no ano de 1.795, passou a ser obrigatório na França, a partir de 1.840. No

    Brasil, foi oficializado a partir de 1.862. Tem como unidades fundamentais o metro, o quilograma e o

    segundo (M.K.S.).

    Metro: Inicialmente foi definido como distância correspondente à décima milionésima parte de

    um quarto do meridiano terrestre. Atualmente é definido em função do padrão depositado no Gabinete

    Internacional de Pesos e Medidas, em Sèvres, França.

    Quilograma: Inicialmente, foi definido como a massa de um decímetro cúbico de água

    destilada, considerada a 15oC. Hoje, é definido em função do padrão, também em Sèvres, adotado

    como quilograma - padrão.Segundo: Fração de tempo correspondente a 1/86.400 o dia solar médio.

    1.5.2  Sistema físico ou cegesimal

    Criado pelo 1o  Congresso Internacional de Eletricistas, reunido em Paris, em 1.881, que

    aprovou proposta de Lord Kelvin. Tem como unidades fundamentais o centímetro, o grama e o

    segundo (C.G.S.).

    Centímetro: Centésima parte do metro - padrão.

    Grama: Milionésima parte da massa do quilograma - padrão.Segundo: Tem a mesma definição citada anteriormente.

    1.5.3  Sistema industrial francês

    Tem como unidades fundamentais o metro, a tonelada e o segundo (M.T.S.), definidas em

    função do sistema métrico decimal.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    24/232

     

    24

    1.5.4  Sistema prático ou gravitatório

    Sancionado em 1.901 pela 3a Conferência Geral de Pesos e Medidas, surgiu pelo

    desvirtuamento do sistema decimal, em conseqüência da confusão entre peso e massa. A unidade de

    massa do sistema decimal, definida em função da massa do decímetro cúbico de água, passou a serconsiderada como peso do decímetro cúbico de água.

    Como sabemos, o peso é uma força que varia de um lugar para outro, em função da

    gravidade. As derivadas do sistema decimal foram, no entanto, estabelecidas em função do

    quilograma-peso e não do quilograma-massa, como deveria ser. As verdadeiras derivadas do sistema

    decimal nunca foram usadas e as definidas em função do quilograma-peso tornaram-se de uso

    universal. Em 1901, fixou-se então, o valor do quilograma-peso e ficou oficializado o sistema. Suas

    unidades fundamentais são: o metro, o quilograma-força e o segundo (m.kgf.s.).

    OBS.: O quilograma-força é o peso do quilograma-padrão na latitude de 45 graus ou força que,

    atuando sobre a massa do quilograma-padrão, imprime-lhe a aceleração de 9,80665 metros por

    segundo, em cada segundo. O metro e o segundo são do sistema decimal.

    1.5.5  Sistemas ingleses

    Enquanto as diversas nações foram sucessivamente oficializando o sistema decimal, as

    nações de língua inglesa o tornaram legal conservando, apenas, o sistema tradicionalmente em uso.

    Devemos considerar na Inglaterra o sistema absoluto e o prático.

    1.5.5.1 Sistema absoluto

    Tem como unidades fundamentais: o pé (foot), a libra (Pound) e o segundo (second).

    a) Foot: Um terço da distância entre os eixos de dois traços paralelos gravados

    transversalmente numa barra de bronze, reconhecida como a Imperial Standard Yard (Jarda Padrão)

    e depositada no Board of Trade, em Londres. A medida deve ser efetuada a temperatura de 62 oF.

    Divide-se em 12 polegadas (inches) e equivale a 0,3048 metros.

    b) Pound: Massa de um cilindro de platina iridiada reconhecida como a Imperial StandardPound (libra-padrão) e depositada na Board of Trade, em Londres. Divide-se em 16 onças e equivale

    a 453,592 gramas.

    c) Second: É a mesma fração de tempo dos outros sistemas.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    25/232

     

    25

    1.5.5.2 Sistema prático

    Surgiu da mesma confusão entre peso e massa que originou a deturpação do sistema métrico-

    decimal. É o sistema realmente usado e a libra-peso assim se define:

    a) Pound Force: É o peso Imperial Standard Pound na latitude de 45o   ou é a força queatuando sobre a massa da Imperial Standard Pound lhe imprime a aceleração de 32,174 m/s2.

    1.6  Telemetria

    Chamamos de Telemetria à técnica de transportar medições obtidas no processo à distância,

    em função de um instrumento transmissor. A transmissão à distância dos valores medidos está tão

    intimamente relacionada com os processos contínuos, que a necessidade e as vantagens da

    aplicação da telemetria e do processamento contínuo se entrelaçam.

    Um dos fatores que se destacam na utilização da telemetria é a possibilidade de centralizar

    instrumentos e controles de um determinado processo em painéis de controle ou sala de controle.

    Teremos, a partir daqui, inúmeras vantagens, as quais não são difíceis de imaginar:

    Os instrumentos agrupados podem ser consultados mais facilmente e rapidamente,

    possibilitando à operação uma visão conjunta do desempenho da unidade.

    Podemos reduzir o número de operadores com simultâneo aumento da eficiência do trabalho.

    Cresce consideravelmente a utilidade e a eficiência dos instrumentos face às possibilidades de

    pronta consulta, manutenção e inspeção, em situação mais acessível, mais protegida e mais

    confortável.

    1.6.1  Transmissores

    Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a transmitem, à

    distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combinação destas.

    Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos.

    1.6.1.1 Transmissão pneumática

    Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável e linear, de 3 a

    15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 à 100% da variável.

    Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association),

    Associação de Fabricantes de Instrumentos, e adotada pela maioria dos fabricantes de transmissores

    e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas

    de sinais de transmissão como, por exemplo: de 20 a 100 kPa.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    26/232

     

    26

    Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de 0,2 a 1 kgf/cm2 que

    equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi.

    O alcance do sinal no sistema métrico é aproximadamente 5% menor que o sinal de 3 a 15 psi,

    sendo este um dos motivos pelos quais devemos calibrar todos os instrumentos de uma malha

    (transmissor, controlador, elemento final de controle etc.) utilizando uma mesma norma.Note, também, que o valor mínimo do sinal pneumático não é zero, e sim 3 psi ou 0,2 kgf/cm2.

    Deste modo, conseguimos calibrar o instrumento, comprovar sua correta calibração e detectar

    vazamentos de ar nas linhas de transmissão.

    Também, podemos ver que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura com

    range de 0 a 200oC e o mesmo tivesse com o bulbo à 0oC e com um sinal de saída de 1 psi, o mesmo

    estaria descalibrado. Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta

    comparação rapidamente e, para que pudéssemos detectá-lo, seria necessário esperar um aumento

    de temperatura para a obtenção de um sinal de saída, o que seria incorreto.

    1.6.1.2 Transmissão eletrônica

    Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V em

    painéis, sendo estes os mais utilizados. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre

    diferentes fabricantes devido a estes instrumentos estarem preparados para uma fácil mudança do

    seu sinal de saída.

    A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi de um sinal

    pneumático.

    O “zero vivo” utilizado quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também

    de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios), que provocará a queda do sinal, quando o

    mesmo estiver em seu valor mínimo.

    O transmissor a 2 fios é um tipo de transmissor utilizado quando o mesmo cabo, com dois

    condutores e normalmente uma malha de terra, serve para alimentar o instrumento com 24 Vdc e

    também para transmitir o sinal de corrente de 4 a 20 mA. A Figura 1.10 mostra um exemplo de

    transmissor a 2 fios.

    24 Vdc

    Figura 1.10 – Transmissor a 2 fios

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    27/232

     

    27

    O transmissor a 4 fios é um tipo de transmissor utilizado quando o transmissor é alimentado

    com 110 Vac ou 220 Vac. Portanto, precisa de um cabo de alimentação e um cabo de sinal de

    corrente de 4 a 20 mA, independentes. A Figura 1.11 mostra um exemplo de transmissor a 4 fios.

    Alimentação 110 Vac

    Saída digital

    Saída 4 – 20 mA

    Figura 1.11 – Transmissor a 4 fios

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    28/232

     

    28

     

    CAPÍTULO II

    2  Pressão

    2.1  Medição de pressão

    A Medida de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível

    etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio.

    Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área.

    P = F / A onde: P = Pressão

    F = Força

    A = Área

    A Figura 2.1 apresenta um exemplo de medição de pressão com o manômetro.

    Figura 2.1- Exemplo de medição de pressão com o manômetro

    2.2  Pressão atmosférica

    É a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície terrestre, que é medida em um

    barômetro, Figura 2.2. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg. Quanto mais

    alto o local, menor a pressão atmosférica.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    29/232

     

    29

     

    Figura 2.2– Representação do significado de pressão atmosférica

    2.3  Pressão manométrica ou relativa

    É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência,

    Figura 2.3. Ela pode ser chamada de pressão relativa positiva ou pressão relativa negativa. A Figura

    2.4 apresenta um exemplo de medição de pressão relativa positiva.

    Importante: Ao se exprimir um valor de pressão manométrica podemos colocar após a unidade

    a letra “g” ou não. Exemplo: 3 psig = 3 psi.

    Figura 2.3– Representação do significado de pressão manométrica

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    30/232

     

    30

     

    Figura 2.4- Exemplo de medição de pressão relativa positiva

    2.3.1  Pressão relativa negativa ou vácuo

    É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. A Figura 2.5

    apresenta exemplos de medição de pressão relativa negativa ou vácuo.

    Figura 2.5- Exemplos de medição de pressão relativa negativa ou vácuo

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    31/232

     

    31

    2.4  Pressão absoluta

    É a soma da pressão relativa e atmosférica, Figura 2.6. Também se diz que é medida a partir

    do vácuo absoluto.

    Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta.

    O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos

    medem pressão manométrica.

    Exemplo: 3 kgf/cm2  ABS Pressão Absoluta

    4kgf/cm2   Pressão Relativa

    Figura 2.6- Representação do significado de pressão absoluta  

    A Figura 2.7 apresenta um transmissor de pressão absoluta e a Figura 2.8 apresenta um

    diagrama comparativo das escalas de pressão.

    Figura 2.7- Exemplo de transmissor de pressão absoluta

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    32/232

     

    32

     

    Figura 2.8– Diagrama comparativo das escalas de pressão  

    2.5  Pressão diferencial

    É a diferença entre duas pressões, sendo representada pelo símbolo ∆P (delta P). Essa

    diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão etc. A Figura 2.9

    apresenta um exemplo de medição de pressão diferencial.

    Figura 2.9- Exemplo de medição de pressão diferencial

    2.6  Pressão estática

    É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo

    perpendicularmente a tomada de impulso. As Figuras 2.10 e 2.11 apresentam exemplos de medição

    de pressão estática.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    33/232

     

    33

     

    Figura 2.10- Exemplo de medição de pressão estática ou hidrostática

    Figura 2.11- Exemplo de medição estática

    2.7  Pressão dinâmica

    É a pressão exercida por um fluído em movimento paralelo à sua corrente, conforme a Figura

    2.12. A Figura 2.13 apresenta um exemplo de medição de pressão estática e dinâmica.

    Figura 2.12– Representação da definição de pressão dinâmica

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    34/232

     

    34

     

    Figura 2.13- Exemplo de medição de pressão estática e dinâmica  

    2.8  Unidades de pressão

    Como existem muitas unidades de Pressão é necessário saber a correspondência entre elas,

    pois nem sempre na indústria temos instrumentos-padrão com todas as unidades. Desta forma, é

    necessário saber fazer a conversão, por exemplo:

    10 psi = ______?______ kgf/cm2

    conforme a Tabela 2.1: um psi = 0,0703 kgf/cm2 10 X 0,0703 = 0,703 kgf/cm2 

    2.9  Dispositivos para medição de pressão

    Um dos instrumentos mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários

    elementos sensíveis e que podem ser utilizados também por transmissores e controladores.

    2.9.1  Tubo de Bourdon

    Consiste geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência

    tendo uma extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão

    agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua

    extremidade fechada. Esse movimento através da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai

    indicar uma medida de pressão.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    35/232

     

    35

    Quanto à forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e

    helicoidal, conforme Figura 2.14.

    a) Tipo C b) Tipo Espiral C) Tipo Helicoidal

    Figura 2.14– Tipos de tubos de Bourdon

    A Figura 2.15 apresenta detalhes de um manômetro tipo Bourdon C.

    Figura 2.15- Detalhes de um manômetro tipo Bourdon C

    Quando desejamos calibrar um manômetro, na maioria das vezes, utilizamos a Máquina de

    Teste, Figura 2.16, que funciona pelo princípio de Pascal.

    O Princípio de Pascal diz que todo o líquido confinado, quando recebe pressão em um

    determinado ponto ele se transmite a todos os pontos do líquido.

    Figura 2.16- Máquina de Teste ou calibração de manômetros

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    36/232

     

    36

    2.9.2  Membrana ou diafragma

    É constituído pôr um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste

    fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a

    membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.O diagrama geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva, conforme

    Figura 2.17.

    Figura 2.17– Tipos de diafragmas  

    2.9.3  Fole

    O fole é também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindrometálico, corrugado ou sanfonado.

    Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que

    vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à

    pressão aplicada à parte interna, conforme Figura 2.18.

    Figura 2.18– Tipo fole

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    37/232

     

    37

    2.9.4  Coluna de líquido

    Consiste, basicamente, em um tubo de vidro contendo certa quantidade de líquido, fixado a

    uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser basicamente de três tipos: coluna reta

    vertical, reta inclinada e em forma de “U”. A Figura 2.19 apresenta o manômetro de tubo em “U”, aFigura 2.20 o manômetro de coluna reta vertical e a Figura 2.21, manômetro de coluna reta inclinada.

    Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio.

    Quando se aplica uma pressão na coluna o líquido é deslocado, sendo que este deslocamento

    é proporcional a pressão aplicada, sendo a fórmula:

    P1 – P2 = h . dr.

    Figura 2.19- Manômetro de tubo em “U”

    Figura 2.20- Manômetro de coluna reta vertical

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    38/232

     

    38

     

    Figura 2.21- Manômetro de coluna reta inclinada

    Neste tipo de medidor, a tensão superficial dos líquidos é evidente, ou seja, neste tipo de

    medidor devido à força de coesão e adesão entre as moléculas do vidro do líquido, aparece o que

    chamamos de menisco. Em tubos de pequenos diâmetros, a superfície do líquido deverá ser uma

    curva. No caso de líquidos como a água e o álcool, a qual tem uma tensão superficial baixa, a

    superfície será côncava. No caso do mercúrio, a qual tem uma tensão superficial alta, o menisco será

    convexo. Para evitar o erro de paralaxe quando fizermos a leitura de pressão, esta deve ser feita na

    direção horizontal no ápice do menisco, como mostra a Figura 2.22.

    Figura 2.22- Menisco

    2.9.5  Sensor tipo Piezoelétrico

    Os elementos piezoelétricos são cristais (como o quartzo, a turmalina e o titanato) que

    acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina quando sofrem uma deformação

    física, por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Seu sinal de

    resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas

    freqüências, de milhões de ciclos por segundo.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    39/232

     

    39

    O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico,

    resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e

    exato, por isso é utilizado em relógios de precisão.

    A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é

    um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada a entrada de um amplificador, sendo indicadaou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior. A Figura 2.23 apresenta o sensor

    piezoelétrico.

    Figura 2.23– Sensores piezoelétricos  

    2.9.6  Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo

    Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões.

    Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da resistência:

    R = (ρ  . L) / S

    Onde:

    R : Resistência do condutor

    ρ : Resistividade do material

    L : Comprimento do condutor

    S : Área da seção transversal

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    40/232

     

    40

    A equação apresenta que a resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional a

    resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área da seção transversal. A maneira

    mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo no sentido axial,

    como mostrado na Figura 2.24.

    Figura 2.24– Condutor sob tração

    Seguindo esta linha de raciocínio, para um comprimento L obtemos ∆L, então, para um

    comprimento 10 x L teremos 10 x ∆L. Quanto maior o comprimento do fio, maior será a variação da

    resistência obtida e maior a sensibilidade do sensor para uma mesma pressão (força) aplicada.

    O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão

    compacto quanto possível. Esta montagem denomina-se tira extensiométrica, como vemos na Figura

    2.25.

    Figura 2.25– Sensor tipo strain gauge

    Observa-se que o fio, apesar de solidamente ligado a lâmina de base, precisa estar

    eletricamente isolado da mesma. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio

    rígido enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de força. A Figura 2.26 apresenta a

    fixação do sensor strain gauge.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    41/232

     

    41

     

    Figura 26– Fixação do sensor strain gauge

    Da física tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexão, suas fibras internas serão

    submetidas a dois tipos de deformação: tração e compressão.

    As fibras mais externas sofrem um alongamento com a tração, pois pertencem ao perímetro de

    maior raio de curvatura, enquanto as fibras internas sofrem uma redução de comprimento (menor raiode curvatura). A Figura 2.27 apresenta o efeito tração-compressão.

    Figura 2.27- Efeito tração-compressão

    Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o

    circuito em ponte de Wheatstone, como mostrado na Figura 2.28, que tem a vantagem adicional de

    compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um

    único bloco. A Figura 2.29 apresenta um transmissor de pressão.

    Figura 2.28- Ponte de Wheatstone com sensor strain gauge 

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    42/232

     

    42

     

    Figura 2.29- Transmissor de pressão

    2.9.7  Sensor tipo capacitivo

    A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de

    alavancas na transferência da força/deslocamento entre o processo e o sensor.

    Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de uma das

    armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um

    circuito eletrônico.

    Esta montagem, se por um lado, elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a

    célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente a temperatura do processo. Este

    inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis a temperatura montada juntos ao

    sensor.

    Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a capacitância e adistância das armaduras devido á deformação não linear, sendo necessário, portanto, uma

    compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico.

    O sensor é formado pêlos seguintes componentes, conforme ilustra a Figura 2.30:

    Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido;

    Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube);

    Armadura móvel (diafragma sensor).

    A Figura 2.31 apresenta um transmissor de pressão diferencial com sensor do tipo capacitivo.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    43/232

     

    43

     

    Figura 2.30- Sensor capacitivo

    Figura 2.31- Transmissor de pressão diferencial

    Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma força no

    diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento.

    A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação, alterando,

    portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura móvel. Esta

    alteração é medida pelo circuito eletrônico que gera um sinal proporcional à variação de pressão

    aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    44/232

     

    44

    2.9.8  Sensor tipo silício ressonante

    O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma,

    utilizando do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa

    freqüência seja proporcional a pressão aplicada, conforme Figura 2.32.

    Figura 2.32- Sensor de silício ressonante

    Na Figura 2.33 são exibidos mais detalhes sobre a construção e funcionamento desse tipo de

    célula.

    Figura 2.33- Célula de pressão de silício ressonante

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    45/232

     

    45

    Todo o conjunto pôde ser visto através da Figura 2.33, porém, para uma melhor compreensão

    de funcionamento deste transmissor de pressão, faz-se necessário desmembrá-lo em algumas partes

    vitais.

    Na Figura 2.34 podemos ver o conjunto do sensor. Ele possui um imã permanente e o sensor

    de silício propriamente dito.Na Figura 2.35 são apresentados dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de

    silício são:

    O campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor;

    O campo elétrico gerado por uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o

    sensor, obviamente).

    Figura 2.34- Conjunto do sensor

    Figura 2.35- Fatores que influenciam na ressonância do sensor de silíc io

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    46/232

     

    46

    Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração

    do sensor. Um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC), enquanto que o outro terá

    a sua disposição física mais à borda do diafragma (FR).

    Por estarem localizadas em locais diferentes, porém no mesmo encapsulamento, uma sofrerá

    uma compressão e a outra sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida pelodiafragma.

    Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si, que pode ser

    sentida por um circuito eletrônico. Essa diferença de freqüência será proporcional ao ∆P aplicado. Na

    Figura 2.36 é exibido o circuito eletrônico equivalente. Através dessas informações é possível obter

    um gráfico da freqüência x pressão, referente aos pontos de operação, conforme Figura 2.37. A

    Figura 2.38 apresenta um transmissor de pressão diferencial com sensor do tipo silício ressonante.

    Figura 2.36- Circuito eletrônico equivalente do sensor

    Figura 2.37- Gráfico de freqüência x pressão de um sensor de silício ressonante

  • 8/19/2019 Instrumentação Básica (Instrum Sistemas) r1

    47/232

     

    47

     Figura 2.38- Transmissor de pressão diferencial

    Tabela 2.1- Tabela de Conversões - Unidades de Pressão

    psi kPaPolegadas

    H2OmmH2O

    Polegadas

    HgmmHg Bar m Bar kgf/cm2  gf/cm2 

    psi 1 6,8947 27,7620 705,1500 2,0360 51,7150 0,0689 68,9470 0,0703 70,3070

    kPa 0,1450 1 4,0266 102,2742 0,2953 7,5007 0,0100 10,0000 0,0102 10,1972

    Polegadas

    H2

    O

    0,0361 0,2483 1 25,4210 0,0734 1,8650 0,0025 2,4864 0,0025 2,5355

    mmH2O 0,0014 0,0098 0,0394 1 0,0028 0,0734 0,0001 0,0979 0,0001 0,0982

    Polegadas

    Hg0,4912 3,3867 13,6200 345,9400 1 25,4000 0,0339 33,864 0,0345 34,532

    mmHg 0,0193 0,1331 0,5362 13,6200 0,0394 1 0,0013 1,3332 0,0014 1,3595

    Bar 14,5040 100,00 402,1800 10215,0000 29,5300 750,0600 11000

    1,0197 1019,700

    m Bar 0,0145 0,1000 0,402 10,2150 0,0295 0,7501 0,001 1 0,0010 1,0197

    kgf/cm2  14,2230 97,9047 394,4100 10018,0 28,9590 735,560 0,9800 980,7000 1 1000

    gf/cm2  0,0142 0,0970 0