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Instrumentação Básica 1 © 2011 Copyright Smar Aspectos de Instrumentação & Controle Automático de Processos

Instrumentacao & Controle

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instrumentação

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Page 1: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica1 © 2011 Copyright Smar

Aspectos de Instrumentação &

Controle Automático de Processos

Page 2: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica2

Evolução Controle Automático de Processos

“O Início da Instrumentação e Controle de Processos”1778 - Watt - Máquina a vapor

1878 - Maxwell - Teoria / Controlador de Watt1930 - Nyquist - 1º Livro sobre Controle

Page 3: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica3

Evolução Controle Automático de Processos

Controle Manual

Page 4: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica4

• “O controle manual não permite a eliminação do erro, resultando em uma amplitude de variação excessiva do valor da variável que se deseja controlar”.

TEMPO

DESVIO

0

+

-

VALOR

OBTIDO

VALOR

DESEJADO

(SET-POINT)

ERRO

Controle Manual

Page 5: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica5

Instrumentação PneumáticaO Tempo da Agulha (anos 40)

Fole -------------> CapacitorMola -------------> Indutor

Custo elevado

Operação dedicada

Pouco flexível

Manutenção Dispendiosa

Limitação de distância

Precisão reduzida

Page 6: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica6

SensorVálvula

de

Controle

ControladorControle Local

Telemetria

À medida que os processos controlados se multiplicaram, surgiu a necessidade da operação se realizar à distância e de forma

centralizada.

Page 7: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica7

À medida que os processos controlados se multiplicaram surge a necessidade da operação à distância e de forma centralizada.

Sensor

Controlador

Válvula

de

Controle

Telemetria

Page 8: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica8

Os Painéis Centralizados

Page 9: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica9

Instrumentação

Ciência que aplica e desenvolve técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos de fabricação,

visando a otimização na eficiência desses processos.

O uso de intrumentos em processos industriais visa a obtenção de um produto de melhor qualidade com menor

custo, menor tempo e com quantidade reduzida de mão de obra.

- Incrementar e controlar a qualidade do produto;

- Aumentar a produção e o rendimento;

- Obter e fornecer dados seguros da matéria prima e quantidade produzida além de ter em mãos dados relativos à economia dos processos.

A utilização de instrumentos nos permite:

Page 10: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica10

A Eletrônica entra em cena

• 1947: A invenção do transistor revoluciona a eletrônica.

• 1958: Surge o primeiro circuito integrado, possibilitando a compactação em escala ampla.

• 1961: O primeiro circuito integrado lógico.• 1965: PDP-8, o primeiro computador digital

largamente utilizado em controle de processos.

Page 11: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica11

A Eletrônica Analógica

• A instrumentação baseada na eletrônica analógica ganha força com o advento dosamplificadores operacionais.

• A Smar lança seus primeiros produtos na década de 80.

+-

Page 12: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica12

TRANSMISSOR A 2 FIOS

- Alimentação (24 Vdc) e comunicação (4 a 20 mA) no mesmo par de fios.

TRANSMISSOR A 4 FIOS

- Alimentação e comunicação independentes.

Alimentação (110 Vac):

Saída digital

Saída 4 a 20 mA

Transmissores Analógicos

Page 13: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica13

A Integração dos Circuitos

Os circuitos integrados propiciam a redução dos equipamentos e baixam seu custo.

Page 14: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica14

Esforço pela Miniaturização

O Transmissor LD250 foi o primeiro produto da SMAR a se beneficiar dessa nova tecnologia de montagem que permitiu uma sensível

diminuição de tamanho do equipamento (1988).

LD200

LD250

Page 15: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica15

Os Circuitos Lógicos

• Os computadores digitaisempregam circuitos lógicos, a principio com componentes discretos e a seguir com circuitos integrados.

• Surgem os CLPs (Controladores Lógicos Programáveis), que substituem os relés nos comandos elétricos.

Page 16: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica16

Controladores Programáveis

• Dentro deste conceito, em 1968 surgiram os microcomputadores desenvolvidos especialmente para efetuar operações e controles lógicos sobre os equipamentos com possibilidade de reprogramação de suas funções;

• Este equipamento especial foi chamado de PLC (Programmable Logic Controller) ou em português, CLP Controlador Lógico Programável.

Page 17: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica17

• Automação em fábricasIndústria automobilística Sistemas de engarrafamento Sistemas de armazenagem

• Automação predialAutomação de tráfegoAquecimento, ar-condicionado

• Automação de Processo Plantas de purificaçãoIndústria química e petroquímicaIndústria de papel e têxtil

• Indústria de geração e distribuição de Energia

Plantas de geração

ex. BMW em

Regensburg, Alemanha

ex. Bibliothèque Nationale

de France, Paris, França

ex. Darboven Coffee,

Hamburg, Alemanha

e.g. Warsaw Subway,

Warsaw, Polônia

ex. Refinaria, Esmeralda,

Equadorex. Polymer storage tank,

Scarborough, Canada

ex. Fábrica de garradas

Taunton, UK

Mais de 500 mil aplicações

Controladores Programáveis - Aplicações

Page 18: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica18

LC700 Smar

Page 19: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica19

Painéis de Controle Centralizados

À medida que os controles se tornam mais numerosos aumenta a complexidade das instalações.

Page 20: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica20

Sistemas de Controle Distribuído

Page 21: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica21

REDE DEREDE DE CAMPO CAMPO

REDE DEREDE DE CONTROLE CONTROLE

A outros níveisA outros níveis

REDE DEREDE DEGERENCIAMENTO GERENCIAMENTO

Rede de ControleRede de Controle

SupervisãoSupervisãoBanco deBanco de Dados Dados

Rede de PlantaRede de Planta

Rede deRede deCampoCampo

Redes de Comunicação Industrial

Page 22: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica22

Aspectos de Mercado

20%

40%

60%

80%

100% 93%92% 88%

86%

60%

48%

36%34% 34% 28%

10%

PressãoTemperatura

VazãoNível

Condutividade/Resistividade

PH/ORP

Oxigênio Densidade Outros

analíticos Multivariável

Outros

Variável de processo

% de respostas

Fonte: Revista Control Engineering 2002 - Transmitter Product Focus Study

A somatória chega a mais de 100%, devido a múltiplas respostas.

O uso de transmissores nos processos de controle.

Page 23: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica23

MEDIÇÃO DE PRESSÃO

15 mbar

Page 24: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica24

PressãoSe uma pessoa pisar na lama ou na areia fofa, nela será

desenhada a marca das solas de seus sapatos. Isso acontece porque os pés da pessoa exerceram uma

força sobre a superfície em que se apoiaram.

Pois bem, toda força, quando aplicada sobre uma área tem como resultado uma grandeza física chamada de

pressão. Isso quer dizer que pressão é a força distribuída por uma determinada área.

Page 25: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica25

Definição de Pressão

Pode ser definida como sendo a relação entre uma força aplicada perpendicularmente (90º) à uma área e é expressa pela seguinte equação:

1 cm

10Kg

Ex: 10Kgf/cm²

P = FA

em que,

P = PressãoF = ForçaA = Área

Page 26: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica26

Pressão Atmosférica

É a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície terrestre. Ao nível do mar esta pressão é

aproximadamente de 760 mmHg.

Page 27: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica27

Pressão Manométrica

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

Ela pode ser chamada de pressão relativa positiva ou pressão relativa negativa.

1000 mmHg

1000 mmHg

Page 28: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica28

Pressão Relativa Positiva

1000 mmHg

1000 mmHg

Importante: Ao se exprimir um valor de pressão manométricapodemos colocar após a unidade a letra “g” ou não, conformemostra o exemplo:

Exemplo : 3 Kgf/cm2 g = 3 Kgf/cm2

É quando um sistema tem pressão relativa maior que a pressão atmosférica, tendo a sua indicação o valor

positivo e não depende da pressão atmosférica local.

Page 29: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica29

É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica, tendo a sua indicação o valor

negativo e não depende da pressão atmosférica local.

Pressão Relativa Negativa ou Vácuo

Page 30: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica30

É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto.

Pressão Absoluta

PRESSÃO

ATMOSFÉRICA

( REFERÊNCIA )

PRESSÃO

MANOMÉTRICA

( Positiva)

PRESSÃO

MANOMÉTRICA

(Negativa ou Vácuo)

VÁCUO

ABSOLUTO

PRESSÃO

ABSOLUTA

760 mmHg

0 mmHg

Page 31: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica31

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

Exemplo : 3 Kgf/cm2 a Pressão Absoluta3 Kgf/cm2 Pressão Relativa

Pressão Absoluta

1760 mmHg

1675 mmHg

Page 32: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica32

Tubo BourdonDispositivos para Medição de Pressão

Page 33: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica33

Membrana ou Diafragma

Fole

Page 34: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica34

Colunas de Líquido

P1 – P2 = h . dr

Manômetro de tubo em “U”

Manômetro de Coluna

Reta Vertical

Page 35: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica35

Sensor tipo Capacitivo

Tubos CapilaresTubos Capilares

Diafragma SensorDiafragma Sensor

VidroVidro

Fluido de EnchimentoFluido de EnchimentoFluido de EnchimentoFluido de Enchimento

Diafragma de ProcessoDiafragma de Processo

Placas do CapacitorPlacas do Capacitor

Page 36: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica36

• É o sensor mais utilizado em transmissores de pressão.

C = CapacitânciaЄ = Constante dielétrica do meio existente entre

as placas do capacitor.A = Área

D = Distância entre as placas

Sensor tipo Capacitivo

Page 37: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica37

Manifolds

• Válvulas Manifolds podem ser instaladas com afinalidade de facilitar a manutenção do processo;

– Equalização das câmaras do transmissor

Manifold3-Vias

PTPT

Page 38: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica38

Sistema de Selagem

• Chamamos de selagem eminstrumentação, o sistemautilizado para isolar o fluído deum processo, do seudispositivo de medição.

PROCESSO SISTEMA DE SELAGEM DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO

Page 39: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica39

Tubo SifãoSistema de Selagem

Page 40: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica40

Instalação de pote de selagem no tubulão superiorda caldeira.

Sistema de Selagem

Page 41: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica41

MEDIÇÃO DE NÍVEL

15 %

Page 42: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica42

O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do próprio processo, mas

também para fins de cálculo de custo.

Nível é a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido.

Medição de Nível

Page 43: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica43

MEDIÇÃO DIRETA MEDIÇÃO INDIRETA MEDIÇÃO DESCONTÍNUA

- Réguas ou Gabaritos;- Visores de Nível;- Bóia ou Flutuador;

- Displacer (empuxo);- Pressão diferencial (diafragma);- Borbulhador;- Capacitância;- Ultrassônico;- Por pesagem;- Por raio gama;

- Chave de nível vibratória (diapasão);- Bóias;- Eletrodos;

Os três métodos básicos de medição de nível são:

Métodos de Medição de Nível

Page 44: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica44

500

499

498

497

496

2

1

Régua ou Gabarito

Visores de Nível (vidro)

Tipo Tubular

Medição Direta

Page 45: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica45

GASLIQUIDO

VIDROVIDRO

Plano (Reflex ou Transparente)

Page 46: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica46

• Os visores de nível sedestinam exclusivamente àmonitoração do nível delíquido ou da interface entredois líquidos imissíveis, emvasos, colunas, reatores,tanques, etc. submetidos ounão à pressão.

Visores de Nível

Page 47: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica47

Plano (Reflex ou Transparente)

Page 48: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica48

Bóia ou Flutuador

Page 49: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica49

Bóia ou Flutuador

Page 50: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica50

Medição de Nível por Pressão Hidrostática • A medição de nível por pressão hidrostática, esta baseada no

Teorema de Stevin, que relaciona o nível de um reservatório coma pressão hidrostática gerada pela coluna líquida de produtodentro do reservatório.

P = Pressão em mm H2O ou polegada H2Oh = nível em mm ou em polegadad = densidade relativa do líquido em relação à água na temperatura ambiente.

P = h . dr

Medição Indireta

Page 51: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica51 51

TransmissoresTransmissores de de NívelNível

Medição de Nível por Pressão Hidrostática

Page 52: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica52

Quando o nível estiver em 0%:

PL = PatmPH = h . d + PatmPH = 0 . 1,2 + PatmPH = 0 mmH2O + Patm

∆P = PH – PL ∆P = 0 + Patm – Patm ∆P = 0 mmH2O

d = 1,2

h =

3000

mm

PL = Patm

Tanque Aberto

Quando o nível estiver em 100%:

PL = PatmPH = h . d + PatmPH = 3000 . 1,2 + PatmPH = 3600 mmH2O + Patm

∆P = PH – PL ∆P = 3600 + Patm – Patm ∆P = 3600 mmH2O

Medição de Nível por Pressão Hidrostática

Page 53: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica53

Medição de Nível por Pressão Hidrostática

liq. = 1,2h =

3000

mm

PL = Patm

Tanque Aberto (Supressão de Zero)

y1 =

100

0mm

Patm

Aplicado somente para líquidos.

Page 54: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica54

Medição de Nível por Pressão Hidrostática

h =

3000

mm

Ptopo

Tanque Fechado (Elevação de Zero)

hy1

= 10

00m

my1 e y2 = 1,0

hy1

= 40

00m

m

Aplicado somente para líquidos.

líq. = 1,2

Page 55: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica55

RD400 – Transmissor Radar por Onda Guiada• O RD400 é um transmissor de nível inteligente com protocolo

de comunicação HART, projetado para detectar níveis de líquidos, semi-sólidos ou sólidos em tanques através de uma sonda tipo cabo flexível, haste rígida ou coaxial.

Page 56: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica56

• Através de um gerador de radio-freqüência localizado no interior doequipamento, pulsos eletromagnéticos são guiados através de umasonda em contato com o processo cujo nível se deseja medir.

• As ondas, ao entrarem em um meio com constante dielétricadiferente, retornam pela sonda devido à mudança da impedânciadesse meio.

RD400 – Transmissor Radar por Onda Guiada

Page 57: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica57

• Tecnologia de medição de nível pelo princípio de TimeDomain Reflectometry (Reflectometria no Domínio doTempo - TDR);

• Independe de variações de densidade e/ou temperatura;

• Medições não afetadas por viscosidade, gravidade, gasesno interior dos reservatórios e turbulência no processo;

• Fácil instalação e manutenção;

• Exatidão de ±7 mm;

• Configuração remota via configurador HART® ou porajuste local;

• Cálculo de volume por linearização de tanques irregulares;

RD400 – Características e Operação

Page 58: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica58

Componentes do RD400

» Carcaça - Contém toda a eletrônica doequipamento, ajuste local, terminais deconexão e display de cristal líquido.

» Isolador - Isola o circuito eletrônico doprocesso e guia os pulsos pela sonda. Garantetambém a rotação da sonda.

» Guia ou Sonda - É através da sonda que ospulsos percorrem seu caminho rumo ao (ouvindo do) processo, sem perder potência.

Page 59: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica59

RD400 – Tipos de Hastes

Page 60: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica60

O ultrassom é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 KHz.

• Baixo Custo;• Fácil Montagem e Manutenção;

Medidor de Nível Tipo Ultra-Som

Os Medidores de Nível tipo Ultra-Som utilizam ondasmecânicas de até 50KHz, emitidas por cristais.

Page 61: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica61

Desvantagens

Espumas e Bolhas;

Vapores e Gases;

Agitação, Turbulência;

Incrustações e outros

obstáculos internos;

Ultrassom

Page 62: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica62

Ondas eletromagnéticas de 8,5 a 9,1 GHz, como o radar convencional, mas guiadas por uma sonda.

RD400 – Transmissor Radar por Onda Guiada

Page 63: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica63

Ondas não sofrem interferência da poeira aoredor, ou de outras fontes que criem falsos

ecos.

Considera-se apenas a medição na superfície total do produto medido.

O instrumento desconsidera os fatores que não podem ser ignorados pelos outros medidores,

por causa do próprio princípio de funcionamento deles.

Como funciona?

RD400 – Transmissor Radar por Onda Guiada

Page 64: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica64

Selo Remoto

• O SR400 é um selo remoto que permite aotransmissor fazer medidas em situações não permitidasa este. Os selos remotos disponíveis na série SR301são: flangeado tipo "T", conexão flush, roscado,sanitário, flangeado com extensão.

• O SR400 possui também os transmissores de pressãomanométricos ou diferenciais sanitários que sãoutilizados para aplicações alimentícias ou onde asconexões sanitárias são necessárias.

Page 65: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica65

MEDIÇÃO DE VAZÃO

15 m3/h

Page 66: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica66

É a quantidade de fluído que passa por um determinado local, durante um intervalo de tempo.

Medição de Vazão

Definição ?

A medição de vazão é aplicada onde se necessita conhecer a quantidade de produtos utilizados para

dosagens, para fins contábeis (custódia) e também para a verificação do rendimento do processo.

Aplicações... ?

Page 67: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica67

Três tipos fundamentais de medidores de vazão:• Indiretos;• Diretos;• Especiais;

Tipos de Medidores de Vazão

Medidores de Quantidade

• Pesagem: Balanças• Volumétricos: Hidrômetros

Page 68: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica68

Medidores de Quantidade - Pesagem

Page 69: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica69

Tipo Engrenagens

Medidores de Quantidade - Volumétrico

Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4

Entrada Saída

Page 70: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica70

Medidores de Quantidade - Volumétrico

Page 71: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica71

Medidores Volumétricos

Perda de Carga VariávelConsiderando-se uma tubulação com um fluido passante, chama-se perda de carga dessa tubulação a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. As causas da perda de carga são: atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, mudança de pressão e velocidade devido a uma curva ou um obstáculo, etc.

Page 72: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica72

A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluído passa

através deles.

A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de

pressão.

Medição por Elementos Primários

Page 73: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica73

Placa de Orifício

De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial e

assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de

menor custo e portanto a mais empregada.

Page 74: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica74

Placa de Orifício

Page 75: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica75

Tipos de Placa de Orifício:

Concêntrica:

Este tipo de placa de orifício é utilizado para líquido, gases e vapor que não contenham

sólidos em suspensão.

Excêntrica:

Este tipo de orifício é utilizado em fluido contendo sólidos em suspensão, os quais

possam

ser retidos e acumulados na base da placa; nesses casos, o orifício pode ser

posicionado

na parte baixa do tubo, para permitir que os sólidos passem.

Segmental:

A placa de orifício segmental é destinada para uso em fluidos em regime laminar e com alta

porcentagem de sólidos em suspensão.

Perda de Carga variável: Placa de Orifício

Page 76: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica76

Perda de Carga variável: Placa de Orifício

Tipos Contorno de Orifício:

Orifício com bordo quadrado:

É empregado em tubulações maiores que 6”. Não é utilizada

para medições de vazão de fluidos com número de REYNOLDS baixo.

Orifício com bordo arredondado:

É utilizado para fluidos altamente viscosos onde o nº de REYNOLDS

está em torno de 300.

Page 77: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica77

Perda de Carga variável: Placa de Orifício

Tipos Contorno de Orifício:

Orifício com bordo quadrado e face da jusante em ângulo de 45º. É de uso

geral.

Orifício com bordo quadrado com rebaixo na fase jusante. É usado quando se requer uma

grande precisão em uma tubulação menor que 4”.

Orifícios Especiais:

Page 78: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica7878

Tipos

de

Tomadas

Legenda

D - diâmetro interno da tubulação

β - relação entre o diâmetro interno D da tubulação e o diâmetro do orifício da placa

β = d / D

Page 79: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica79

Tomada Flange Taps

Page 80: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica80

Tomadas Radius TapsTubulações acima de 6”

Page 81: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica81

Tomada Pipe Taps

Page 82: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica82

Tubo Pitot

O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta colocada na direção da corrente fluída

de um duto.

A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da

velocidade.

Page 83: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica83

“Os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes, ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo

o oposto em tubos divergentes”.

Tubo Venturi

Page 84: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica84 84

O Tubo Venturi apresenta algumas vantagens em relação a outrosmedidores de perda de carga variável como:

1. Boa precisão ( 0,75%);

2. Resistência a abrasão e ao acúmulo de poeira ou sedimentos;

3. Capacidade de medição de grandes escoamentos de líquidos emgrandes tubulações;

4. Permite medição de vazão 60% superiores à placa de orifício nasmesmas condições de serviço, porém com perda de carga de no máximo20% do P.

Tubo Venturi

Algumas das desvantagens:

1. Custo elevado (20 x placa de orifício);

2. Dimensões grandes e incômodas;

3. Dificuldade de troca uma vez instalado.

Page 85: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica85

O Bocal de Vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos um meio termo entre a placa de orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão

permite sua aplicação em serviços onde o fluído é abrasivo e corrosivo.

Situada na tubulação com duas tomadas, permite a medição de vazões 60% superiores as de placa de orifício nas mesmas condições de serviço.

A sua perda de carga é 30% a 80% da pressão diferencial. Sua principal aplicação é na medição de vapor com alta velocidade e fluidos que

arrastam sólidos em pequena quantidade.

Bocal

Page 86: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica86

O medidor tipo “V” Cone que mede a diferença de pressão entre a pressão estática da linha e a pressão depois do cone.

“V” Cone

Page 87: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica87

Relação P x Q

Q varia quadraticamente em função do P

Page 88: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica88

Qc = vazão corrigida em %K = constante = 10Pa = pressão de trabalho absoluta, barTa = temperatura de trabalho absoluta, KelvinP = pressão diferencial em %Ppa = pressão absoluta de projeto, barTpa = temperatura absoluta de projeto, Kelvin

Q KPa P T

Ta PCPa

Pa

Medição de Vazão Compensada

Page 89: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica89

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA

15 °C

Page 90: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica90

Conceitos BásicosConceitos Básicos

TEMPERATURA: grau de agitação térmica das moléculas.

ENERGIA TÉRMICA: é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos.

CALOR: é a energia em trânsito.

DefiniçõesDefinições

PIROMETRIA: medição de altas temperaturas, na faixa onde osefeitos de radiação térmica passam a se manifestar.

CRIOMETRIA: medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelaspróximas do zero absoluto.

TERMOMETRIA: termo mais abrangente que incluiria tanto aPirometria como a Criometria.

Medição de Temperatura

Page 91: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica91

Conceitos

Pirometria: Medição de altas temperaturas, na faixa onde osefeitos de radiação térmica passam a se manifestar.

Criometria: Medição de baixas temperaturas, ou seja,aquelas próximas do zero absoluto.

Termometria: Termo mais abrangente que incluiria tanto aPirometria como a Criometria.

Page 92: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica92

Meios de Transmissão de Calor

• CONDUÇÃO

• RADIAÇÃO

• CONVECÇÃO

Escalas de Temperatura

Conversão de Escalas°C = °F – 32 = K – 273 = R - 491

5 9 5 9

Page 93: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica93

Medidores de Temperatura por Dilatação/Expansão

1 - Termômetro a Dilatação de LíquidoPrincípio de Funcionamento

Os termômetros de dilatação de líquido baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro

de um recipiente fechado.

Substância Fusão(°C)

Ebulição(°C)

Faixa de Uso(°C)

Mercúrio -39 +357 -38 a 550

Álcool Etílico -115 +78 -100 a 70

Tolueno -92 +110 -80 a 100

Page 94: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica94

Termômetro à Dilatação de Sólido (Termômetro Bimetálico)

O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metal justapostas, formando uma só peça e geralmente na forma helicoidal.

Uma extremidade da hélice é fixa e a outra é ligada a um ponteiro que pode girar livremente sobre uma escala circular graduada

Page 95: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica95

Termorresistência (RTD)

A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua grande estabilidade e precisão.

As RTD mais comuns são: Pt50, Pt100, Pt1000.

Por que Pt100 ?

É a termo resistência que a zero graus Celsius possui uma resistência elétrica de 100

Resistance Temperature Detector

Page 96: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica96

Cabeçote, Bloco de Ligação e Poço

Page 97: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica97

Fios Selo

Óxido de Magnésio

Bainha

Termopar

Termopares

Junta de Medição

Page 98: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica98

Quando dois fios compostos de metais diferentes são unidos em ambas as extremidades, e se uma dessas junções for aquecida, aparece uma corrente elétrica

fluindo nesse circuito. (Efeito Seebeck)

Metal A

Metal B

Este efeito foi observado por Thomas Seebeck em 1821.

Termopares

Page 99: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica99

Se o circuito for interrompido, verifica-se que a tensãoSeebeck é função da temperatura da junção e dacomposição dos dois metais.

V = α Δ T

V

Metal B

Metal A

Onde α é o coeficiente Seebeck

Termopares

Page 100: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica100

Termopar

Page 101: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica101

Termopar acoplado ao TT301 Smar

Page 102: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica102

TipoElemento Positivo

Elemento Negativo

Faixa de temp. usual Vantagens Restrições

T Cobre Constantan - 184 a 70ºC

1) Resiste a atmosfera corrosiva.2) Aplicável em atmosfera redutora ou oxidanteabaixo de 310ºC.3) Sua estabilidade o torna útil em temperaturasabaixo de 0ºC.

1) Oxidação do cobre acima de 310ºC.

J Ferro Constantan 0 a 760ºC

1) Baixo Custo.2) Indicado para serviços contínuos até 760ºC em atmosfera neutra ou redutora.

1) Limite máximo de utilização ematmosfera oxidante de 760ºC devidoà rápida oxidação do ferro.2) Utilizar tubo de proteção acimade 480ºC.

E Chromel Constantan 0 a 870ºC1) Alta potência termoelétrica.2) Os elementos são altamente resistentes àcorrosão, permitindo o uso em atmosfera oxidante.

1) Baixa estabilidade em atmosfera redutora.

K Chromel Alumel 0 a 1260ºC

1) Indicado para atmosfera oxidante.2) Para faixa de temperatura mais elevadafornece rigidez mecânica melhor do que os tipos Sou R e vida mais longa do que o tipo J.

1) Vulnerável em atmosferas redutoras, sulfurosas e gases como SO2 e H2S, requerendo substancial proteção quando utilizado nestas condições.

S Platina 10%Rhodio Platina 0 a 1480ºC

1) Indicado para atmosferas oxidantes.2) Apresenta boa precisão a altas temperaturas.

1) Vulnerável à contaminação ematmosferas que não sejam oxidante.

R Platina 13%Rhodio Platina

1) Para altas temperaturas, utilizarisoladores e tubos de proteção dealta alumina.

B Platina 30%Rhodio

Platina 6%Rhodio 870 a 1705ºC

1) Melhor estabilidade do que os tipos S ou R.2) Melhor resistência mecânica.3) Mais adequado para altas temperaturas do queos tipos S ou R.4) Não necessita de compensação de junta dereferência, se a temperatura de seus terminaisnão exceder 50ºC.

1) Vulnerável a contaminação ematmosferas que não sejamoxidantes.2) Utilizar isoladores e tubos deproteção de alta alumina.

Page 103: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica103

Sensor Fios de Platina Isolador Selo Fios de conexão

Óxido de Magnésio

Termorresistência ( RTD )

RTD – Resistance Temperature Detector

Page 104: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica104

Termorresistência (RTD)

A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua grande estabilidade e precisão.

As RTD mais comuns são: Pt50, Pt100, Pt1000.

Por que Pt100 ?

É a termoresistência que a zero graus celsius possui uma resistência elétrica de 100

Page 105: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica105

RTD - Tipo Pt100

Page 106: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica106

Ligação da RTD a Três Fios

Page 107: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica107

Interligação ao Transmissor de Temperatura

Page 108: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica108

TT 200 – Transmissor Analógico com 4/20 mA (1983)

TT300 – Transmissor Inteligente deTemperatura com Protocolo Proprietário4/20 mA (1988)

TT301 – Transmissor Inteligente de

Temperatura com Protocolo HART,

Controle PID e 4/20 mA (1991)

História dos Transmissores de

Temperatura da Smar

Histórico

Page 109: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica109

SPG (Gerador de Set Point)

Gerador de Set Point - 16 Pontos

Tempo

20

50

0

2

1

3

4 5

6

1 2.5 5 7.5 8 (min)

Set P

oint

(%)

AI

PID

AO

PV

PV%

SP%

MV%

SPG

Tempo

20

50

0

2

1

3

4 5

6

1 2.5 5 7.5 8 (min)

Set P

oint

(%)

20

50

0

2

1

3

4 5

6

1 2.5 5 7.5 8 (min)

Set P

oint

(%)

AI

PID

AO

PV

PV%

SP%

MV%

SPG

AI

PID

AO

PV

PV%

SP%

MV%

SPG

AI

PID

AO

PV

PV%

SP%

MV%

SPG

Page 110: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica110

Gerador de Set Point - 16 PontosTabela do Gerador SP

123456

T (min) SP (%)01

2.55

7.58

0202050500

Tempo

20

50

0

2

1

3

4 5

6

1 2.5 5 7.5 8 (min)

Set P

oint

(%)

SPG (Gerador de Set Point)

Page 111: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica111

• TT301 Á prova de explosão Á prova de tempo Primeira escolha para medições

críticas. Dual Housing Compartment: Robusto,

seguro, confiável LCD: indicação local Ajuste local Medições Simples e Diferencial Auto-diagnósticos Configuração via CONF401

HPC301

• TT411 Primeira escolha

para monitoração Montagem em painel

(trilho DIN) inúmeras opções em

ambientes fechados Alta flexibilidade de instalação Compacto Medições: Simples, Diferencial,

Média, Máxima e Mínima Sensor Matching(Callendar Van

Dusen) Co-processador Matemático Fácil manutenção e troca Auto-diagnósticos Configuração via CONF401 e

HPC301

Características

Page 112: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica112

• TT421 Fácil instalação em qualquer ambiente devido ao design

simples e compacto. Montagem em cabeçote (poço) Medições: Simples, Diferencial, Média, Máxima e Mínima Sensor Matching (Callendar Van Dusen) Co-processador Matemático Fácil manutenção e troca Auto-diagnósticos Configuração via CONF401

e HPC301

Características

Page 113: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica113

ConfiguraçãoO TT301 com protocolo HART® pode ser configurado por:

• CONF401 da Smar para Windows e UNIX;

• DDCON100 da Smar para Windows e UNIX;

• HPC301 da Smar utilizando o Palm;

• HPC401 da Smar para os modelos mais recentes de Palms;

• Ferramentas de configuração de outros fabricantes baseadas em DD (Device Description) ou DTM (Device Type Manager), tais como AMSTM,FieldCareTM, PACTwareTM, etc.;

• HHT275 e HHT375;

• Ajuste Local (Chave de Fenda Magnética);

Page 114: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica114

TT400 HART® SISA Norma IEC61508 explica que Segurança é uma situação em

que Riscos Inaceitáveis tem chance mínima de acontecer.

Segundo ela, Dano é uma situação em que há lesão física, de propriedade, ambiental ou financeira.

E ela também define que Risco é a propabilidade de que o dano ocorra. Depende da frequência com que ocorre e as

consequências que o evento perigoso pode trazer.

Page 115: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica115

TT400 HART® SIS

Frequência 4 SIL 2 SIL 3 SIL 4 SIL 4

3 SIL 2 SIL 3 SIL 3 SIL 4

2 SIL 1 SIL 2 SIL 3 SIL 3

1 SIL 1 SIL 1 SIL 2 SIL 2

Severidade da Consequência

1 2 3 4

Page 116: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica116

TT400 HART® SISTransmissor Inteligente de

Temperatura com saída analógica

4-20mA e protocolo HART.

Desenvolvido para Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS).

Utiliza o microcontrolador de 16 bits HCS12, que permite diagnóstico de possíveis falhas na saída analógica

4-20mA.

Certificado pela TÜV, da Alemanha, para uso em SIL2 (sem

redundância) e SIL3 (com redundância) com condições de

extrema segurança.

Page 117: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica117

TT400 HART® SISCaracterísticas

Backup de Sensor

Seletor de Entrada

Callender Van Dusen (RTDs)

Senhas

Contador de Mudanças

Dois conversores A/D para garantira integridade do sinal.

Hardware e software são otimizadospara que o transmissor atenda

completamente aos requisitos de segurança de um sistema SIS.

Page 118: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica118

TT383Transmissor de Temperatura Profibus PA

8 Canais / Sensores

Precisão +/- 0,03%

Comunicação a 2 ou 3 fios

Aceita plataformas DD/EDDL e FDT/DTM

Medição com Sensor Backup ouDiferencial

Utilização em Aplicações com Segurança Intrínseca

Page 119: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica119

TT383

Page 120: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica120

ρ = mV

Qual é o mais pesado?Por que?

Devido à Densidade

ρ água = 1 g/cm3 ρ ferro = 8 g/cm3

Densidade

Page 121: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica121

ρ = mV

A Densidade é afetada pela Temperatura?

500g Leite

500g Leite

Efeito da Temperatura

Page 122: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica122

AÇÚCAR ÁGUA

Concentração de Açúcar?

2

8= 0.25 = 25%

Quantidade de um certo elemento em uma solução

Concentração

Page 123: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica123

ConcentraçãoConcentração

Conhecendo-se a densidade e a temperatura de um fluido é possível conhecer-se sua concentração, que é a quantidade de componentes dissolvidos ou de sólidos em suspensão, tais como:

- Grau Brix- Grau Baumé- Grau Plato- Grau INPM- Grau GL- % de Sólidos- % de Concentração

Teoria de Densidade

Page 124: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica124

Muitos processos industriais requerem medição contínua de

densidade para operarem eficientemente e para garantirem

qualidade e uniformidade ao produto final.

Objetivo da Medição

Page 125: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica125

Teoria de Densidade

Pressão Hidrostática

Baseia-se no princípio de Stevin, onde a pressão exercida por uma coluna líquida varia diretamente em função de altura da coluna e da densidade do líquido.

.h=PMantendo-se a altura constante,

temos a variação da pressão apenas em função da variação

da densidade.

Page 126: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica126

DT301 - Método de MediçãoDT301 - Método de Medição

Pressão Hidrostática Aplicada para Nível

Variável:

P1 = ρ . g . (h1 +Δh)

P2 = ρ . g . (h2 +Δh)

P1 - P2 = ρ . g . [(h1 + Δh)

- (h2 + Δh)]

ΔP = ρ . g . (h1 - h2)

ΔP = ρ . g . h

ρ = ΔP / g . h

h 1 + h

h

h 2 + h

h

Page 127: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica127

DT301IModelo Industrial

Atende as especificações da norma 3A (FDA)

DT301SModelo Sanitário

Modelos

Page 128: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica128

Elementos Finais de Controle

A válvula de controle é o elemento final mais usado nos sistemas de controle industrial;

Em sistemas de controle para gases e ar é também usado o “damper”, porém poderemos citar outros elementos, tais como: bombas, resistências elétricas, motorres, inversores, etc.

Page 129: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica129

Componentes da Válvula de Controle

Corpo e Atuador

Page 130: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica130

ATUADOR

Pneumático à mola e diafragma;

Pneumático a pistão;

Elétrico;

Elétrico - hidráulico e

Hidráulico.

Page 131: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica131

Posicionadores de Válvulas

Page 132: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica132

Carcaça Eletrônica

Tampa de Ligação

Base do PiezoConjunto

Intermediário

Bloco Pneumático

Bloco do sensor Hall

Blocos PrincipaisPosicionadores Smar Fampília FY

Page 133: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica133

Controle de Processo Contínuo

Page 134: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica134

FLUIDO AQUECIDO

VAPOR

PROCESSO INDUSTRIAL TÍPICO

FLUIDO A SERAQUECIDO

CONDENSADO

Variável Controlada: TemperaturaMeio Controlado: FluidoVariável Manipulada: VazãoAgente de Controle: Vapor

Trocador de Calor

Page 135: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica135

Onde está o controle ?

Onde está o controlador?

Onde está a medição?

PROCESSO

COMPARAÇÃO

CORREÇÃO

CONTROLE

ENTRADA DE ÁGUA FRIA

SAIDA DE ÁGUA QUENTE

ENTRADA DE VAPOR

VÁLVULA DE CONTROLE

MEDIÇÃO

Representação do Controle Automático

PV

SP

MV

Page 136: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica136

Resultante das Açoes de Controle PID

“O controle automático permite através de sua ação a redução do erro, com um tempo de atuação e precisão impossíveis de se obter no controle manual”.

TEMPO

DESVIO

0

+

-

VALOR

OBTIDO

VALOR

DESEJADO

(SET-POINT)

ERRO

Page 137: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica137

Uma Malha de controle é Composta por 8 módulos distintos:

1 – Elementos Primários;2 – Indicadores Analógicos, Digitais e Vídeo;3 – Transmissores, Transdutores, Conversores, Interfaces;4 – Linha de Transmissão;5 – Registradores, Memória;6 – Controladores;7 – Elementos Finais de Controle;8 – Sistema de Alarme e Segurança

Definições em Controle

137

Page 138: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica138

O CDCD600600 é um poderoso controlador multi-loop, que tem capacidade de controlarsimultaneamente 4 loops (simples oucascata) com 8 PIDs (4 com controleavançados) e com mais de 120 blocosavançados de controle.

O CDCD600600 PlusPlus é a evolução do controladormultiloop CD600 Smar . Utilizando umaeletrônica moderna e novas tecnologias , ele émenor , e mais poderoso que seu antecessor .

CD600CD600

Page 139: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica139

Multi-loop

1

4

2

3

Controle de nível Controle de Combustão

Controle de vapor Controle de Tiragem

SP1 63.21

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

100

50

0SP PV MV%

4LM

3LM

2LM

1LM

ADJUSTCYCLEFAIL

TAGDSP

LP

L/R

ACK

A/M

smar

SP2 63.21

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

100

50

0SP PV MV%

4LM

3LM

2LM

1LM

ADJUSTCYCLEFAIL

SP3 63.21

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

100

50

0SP PV MV%

4LM

3LM

2LM

1LM

ADJUSTCYCLEFAIL

SP4 63.21

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

100

50

0SP PV MV%

4 LM

3 LM

2 LM

1 LM

ADJUSTCYCLEFAIL

CD600 CD600 -- HARDWAREHARDWARE

Page 140: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica140

Multifunções

• Controles- Regulatório contínuo (PID)- Lógico ou discreto - De bateladas• Compensação de vazão • Geração de Setpoint• Totalização• Condicionamento de

Sinais(Seleção, limitadores,alarmes e cálculos)

BLOCOS FUNCIONAIS

Page 141: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica141

Controlador CD600 Smar

Page 142: Instrumentacao & Controle

Instrumentação Básica142 © 2011 Copyright Smar

Aspectos de Instrumentação &

Controle Automático de Processos