Instrumentação e Controle

INSTRUMENTAO E CONTROLE

GUIA BSICO

2008

I59

Instrumentao e controle: guia bsico / Eletrobrs [et al.]. Braslia : IEL/NC, 2008. 218 p. : il.

ISBN 978-85-87257-36-9

1. Instrumentao industrial 2. Sistemas de controle I. Eletrobrs II. CNI Confederao Nacional da Indstria III. IEL Ncleo Central IV. Ttulo.

CDU: 621.51

2008. CNI Confederao Nacional da IndstriaIEL Ncleo CentralELETROBRS Centrais Eltricas Brasileiras S.A.Qualquer parte desta obra poder ser reproduzida, desde que citada a fonte.

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Equipe Tcnica

ELETROBRS / PROCEL

Equipe PROCEL INDSTRIAVanda Alves dos SantosBrulio Romano MottaCarlos Aparecido FerreiraHumberto Luiz de OliveiraRoberto PifferMarlia Ribeiro Spera

Reviso GrficaKelli Mondaini

CONFEDERAO NACIONAL DA INDUSTRIA CNIDIRETORIA EXECUTIVA DIREX

DiretorJos Augusto Coelho Fernandes

Diretor de OperaesRafael Esmeraldo Lucchessi Ramacciotti

Diretor de Relaes InstitucionaisMarco Antonio Reis Guarita

Unidade de Competitividade Industrial COMPI

Gerente-ExecutivoMaurcio Otvio Mendona Jorge

Gerente de Infra-EstruturaWagner Ferreira Cardoso

Coordenao TcnicaRodrigo Sarmento Garcia

SUPERINTENDNCIA DE SERVIOS COMPARTILHADOS SSCrea Compartilhada de Informao e Documentao ACIND

NormalizaoGabriela Leito

INSTITUTO EUVALDO LODI IEL / NCLEO CENTRAL

Gerente-Executivo de OperaesJlio Cezar de Andrade Miranda

Gerente de Desenvolvimento Empresarial GDEDiana de Mello Jungmann

Coordenao TcnicaPatrcia Barreto Jacobs

Gerente de Relaes com o Mercado GRMOto Morato lvares

Responsvel TcnicoAna Amlia Ribeiro Barbosa

SENAI / DN

Gerente-Executivo da Unidade de Educao Profissional UNIEPAlberto Borges de Arajo

Apoio TcnicoDiana Freitas Silva Nri

Gerente-Executiva da Unidade de Relaes com o Mercado UNIREMMnica Crtes de Domnico

SENAI / MG

ConteudistaEdson Pires da Silva

PedagogaXnia Ferreira da Silva

Coordenao do projeto pelo SENAI / MGCristiano Ribeiro Ferreira Jcome

Superviso PedaggicaRegina Averbug

Editorao EletrnicaLink Design

Reviso GramaticalMarluce Moreira Salgado

CONFEDERAO NACIONAL DA INDSTRIA CNI

PresidenteArmando de Queiroz Monteiro Neto

INSTITUTO EUVALDO LODI IEL / NCLEO CENTRAL

Presidente do Conselho SuperiorArmando de Queiroz Monteiro Neto

Diretor-GeralPaulo Afonso Ferreira

SuperintendenteCarlos Roberto Rocha Cavalcante

ELETROBRS / PROCEL

Presidncia Jos Antnio Muniz Lopes

Diretoria de TecnologiaUbirajara Rocha Meira

Departamento de Desenvolvimento de Eficincia EnergticaFernando Pinto Dias Perrone

Diviso de TecnologiaVanda Alves dos Santos

SUMRIO

Apresentao

Captulo 1 Introduo instrumentao industrial 15Conceito de instrumentao 17Conceito de processo 17Conceito de varivel de processo 18Principais objetivos ao medir ou controlar as variveis de pro-cesso 19Malhas de controle 19Controle em malha aberta 19Controle em malha fechada 20

Captulo 2 Conceitos bsicos 27Classes de instrumentos 28Instrumento de medio indicador 28Instrumento de medio registrador 29Transmissor 30Transdutor 31Controlador 31Elemento final de controle 32Identificao de instrumentos 33Instrumentos analgicos x digitais 38

Captulo 3 Terminologias 45Range 46Span 46Zero do instrumento 47Exatido de um instrumento de medio 47Repetibilidade 48Classe de exatido 50Sensibilidade 51Resoluo 51Tipos especficos de erros de medio 52Erros estticos 52Linearidade e no-linearidade 53

Histerese 53Zona mortas 54Erros dinmicos 55Resposta dinmica 55Degrau e rampa 55Tempo morto 56Constante de tempo 56Tempo de subida 57Laboratrio de Metrologia 58Padres de calibraos 60Recomendaes referentes calibrao 61

Captulo 4 Presso 67Conceito de presso 69Tipos de medidores e transmissores de presso 70Medio da presso 71Presso e a vazo 72Principais medidores de presso 72Manmetros 73Pressostato 79Instrumentos transmissores de presso 80Tipos de transmissores de presso 80

Captulo 5 Vazo 89Conceito de vazo 90Tipos de medidores de vazo 91Principais medidores de vazo 92Medidores indiretos 93Medidores diretos 99Medidores especiais 102Transmissor de vazo por presso diferencial 106Extrator de raiz quadrada 106Integrador de vazo 107Quadro comparativo da utilizao dos medidores de vazo 107

Captulo 6 Temperatura 113Conceito de temperatura 114Tipos de medidores de temperatura 116Principais medidores de temperatura 117Termmetro de dilatao de lquido 117

Termmetro dilatao de slido (bimetlico) 119Termorresistncia 120Termopar 123Pirmetros 128Escolha do medidor de temperatura 131

Captulo 7 Nvel 137Conceito de nvel 138Classificao e tipo de medidores de nvel 139Tipos de medidores de nvel 140Medidores de nvel por medio direta 140Medidores de nvel por medio indireta 145Medio de nvel de slidos 154Instrumentos para alarme e intertravamento 154Chaves de nvel 154Escolha do tipo de medidor de nvel 155

Captulo 8 Elementos finais de controle 161Conceito de elementos finais de controle 162Vlvulas de controle 163Partes principais de uma vlvula de controle 164Inversores de freqncia 166Aplicaes no controle de bomba 167

Captulo 9 Estratgias de controle de processos 173Controle em malha fechada 174Princpio 174Efeitos das aes PID em uma malha fechada 176Ao proporcional 176Ao integral 179Ao derivativa 180Controle feed-forward 181Controle feed-forward 181Associao da malha aberta com a malha fechada 182Estudo do rel somador 183Exemplo de controle feed-forward 185Controle split-range 186

Captulo 10 Otimizao no ajuste de malhas de controle 195Mtodo de aproximaes sucessivas ou tentativa e erro 196Mtodo Ziegler e Nichols em malha fechada 199Clculo das aes do controlador 202

Glossrio geral de instrumentao e controle 207

Referncias 215

Anexo Check list 217

Obter a eficincia energtica significa utilizar processos e equipamen-tos que sejam mais eficientes, reduzindo o desperdcio no consumo de energia eltrica, tanto na produo de bens como na prestao de ser-vios, sem que isso prejudique a sua qualidade.

necessrio conservar e estimular o uso eficiente da energia eltrica em todos os setores socioeconmicos do Brasil, sendo de grande importncia para o pas a adoo efetiva de medidas de economia de energia e o conseqente impacto destas aes. Neste cenrio destaca-se a indstria, no s pelo elevado potencial de conservao de energia do seu parque como tambm pela sua capacidade produtiva como fornecedora de produtos e servios para o setor eltrico.

No mbito das aes que visam criar programas de capacitao voltados para a obteno de eficincia energtica no setor industrial, inclui-se o Curso de Forma-o de Agentes Industriais de Nvel Mdio em Otimizao de Sistemas Motrizes. Este curso tem como objetivo capacitar agentes industriais, tornando-os capazes de identificar, propor e implementar oportunidades de reduo de perdas nas ins-talaes industriais de sistemas motrizes.

O curso faz parte do conjunto de aes que vm sendo desenvolvidas pelo go-verno federal para:

fomentar aes de eficincia energtica em sistemas motrizes industriais;

facilitar a capacitao dos agentes industriais de nvel mdio dos diversos

subsetores indstria, para desenvolverem atividades de eficincia energ-tica;

apresentar as oportunidades de ganhos de eficincia energtica por meio de economia de energia em sistemas motrizes industriais;

facilitar a implantao de tecnologias eficientes sob o ponto de vista energ-tico, alm da conscientizao e da difuso de melhores hbitos para a conser-vao de energia.

APRESENTAO

Como apoio pedaggico para este curso, foram elaborados os seguintes guias tcnicos:

1 Correias Transportadoras

2 Acoplamento Motor Carga

3 Metodologia de Realizao de Diagnstico Energtico

4 Compressores

5 Ventiladores e Exaustores

6 Motor Eltrico

7 Energia Eltrica: Conceito, Qualidade e Tarifao

8 Acionamento Eletrnico

9 Bombas

10 Anlise Econmica de Investimento

11 Instrumentao e Controle

Este material didtico Instrumentao e Controle faz parte do conjunto de guias tcnicos do Curso de Formao de Agentes Industriais de Nvel Mdio em Otimizao de Sistemas Motrizes. Ele um complemento para o estudo, reforando o que foi desenvolvido em sala de aula. tambm uma fonte de consulta, onde voc, parti-cipante do curso, pode rever e relembrar os temas abordados no curso.

Todos os captulos tm a mesma estrutura. Conhea, a seguir, como so desen-volvidos os captulos deste guia.

Iniciando nossa conversa texto de apresentao do assunto abordado no captulo.

Objetivos informa os objetivos de aprendizagem a serem atingidos a partir do que foi desenvolvido em sala de aula e com o estudo realizado por meio do guia.

Um desafio para voc apresenta um desafio: uma situao a ser resolvida por voc.

Continuando nossa conversa onde o tema do captulo desenvolvido, tra-zendo informaes para o seu estudo.

Voltando ao desafio depois de ler, analisar e refletir sobre os assuntos abor-dados no captulo, voc retornar ao desafio proposto, buscando a sua solu-o luz do que foi estudado.

Resumindo texto que sintetiza os principais assuntos desenvolvidos no ca-ptulo.

15

INTRODUO INSTRUMENTAO INDUSTRIAL

Captulo 1

Iniciando nossa conversa

Os modernos processos industriais de fabricao exigem sistemas de controle cada vez mais sofisticados. Esses processos so muitos variados e abrangem a fabricao de produtos diversos como os derivados do petrleo, os produtos ali-mentcios, o papel e a celulose, entre outros.

Em todos esses processos absolutamente indispensvel controlar ou manter constantes algumas variveis. O objetivo melhorar a qualidade, diminuir o des-perdcio de energia, aumentar a quantidade produzida e manter a segurana. Por exemplo, precisamos controlar a presso, a vazo, a temperatura, o nvel, o pH, a condutividade, a velocidade e a umidade em muitos destes processos. Os instrumentos de medio e controle so elementos que nos permitem manter controladas estas variveis.

Os sistemas de controle mantm a varivel controlada no valor especificado, comparando o valor da varivel medida, ou a condio do controlador, com o valor desejado (referncia ou set point), e fazendo as correes em funo do desvio existente entre estes dois valores (erro ou offset), sem a necessidade de interveno do operador.

Neste captulo teremos os seguintes tpicos: conceito de processo, conceito de varivel de processo, principais objetivos ao se medir ou controlar variveis de processo, conceito de instrumentao e, malhas de controle.

Ao final deste captulo, h um pequeno glossrio que visa auxili-lo no entendi-mento do texto.

16 Instrumentao e controle

Objetivos

Ao estudar este captulo, temos como objetivos:

definir os principais conceitos de instrumentao Industrial;

identificar num processo a varivel manipulada, varivel de processo e o set point;

classificar os tipos de malhas de controle.

Um desafio para voc

Imagine que voc o tcnico responsvel pela manuteno de um processo de controle de temperatura do forno. Identifique qual a varivel de processo, a varivel manipulada e o set point dentre os sinais indicados de 1 a 3 da Figura 1:

Figura 1 Controle de temperatura de um forno

Continuando nossa conversa

A instrumentao industrial teve seu incio com a inveno da mquina a vapor por James Watt em 1775.

Da para os dias de hoje estamos cada vez mais envolvidos por processos indus-triais automatizados que se utilizam da instrumentao para poderem conseguir produzir com qualidade e sem desperdcios. Dessa poca em diante, cada vez

17Captulo 1 Introduo instrumentao industr ia l

Fique ligado!

mais estamos envolvidos por processos industriais automatizados que tm na instrumentao a base para uma produo com qualidade e sem desperdcios. Dada essa importncia, vamos agora conhecer alguns conceitos fundamentais para a rea de instrumentao industrial.

Conceito de instrumentao

Instrumentao qualquer dispositivo (instrumento), ou conjunto de disposi-tivos, utilizado com a finalidade de se medir, indicar, registrar ou controlar as variveis de um processo. (STARLING, 2003, p. 2)

Existem instrumentos especficos para medio, indicao, para registro e para controle de uma varivel de processo. Eles sero vistos com mais detalhes nos prximos captulos.

Pode-se dizer, ento, que o papel da instrumentao transformar grandezas fsicas de processos em informaes que possam ser utilizadas no controle do processo.

Conceito de processo

Existem muitas definies para processo. Vejamos a seguir duas definies inte-ressantes:

Equipamento ou meio fsico que precisa ser controlado ou monitorado de for-ma a transformar a matria-prima em um produto. (STARLING, 2003, p. 1)

Operao onde se varia pelo menos uma caracterstica fsica ou qumica de um determinado material. (STARLING, 2003, p. 1)

Os diversos aspectos de instrumentao e de controle automtico de processos podem ser mostrados mais apropriadamente por meio de um exemplo prtico.


Para ilustrar os diversos aspectos, utilizar-se-, como processo tpico, o trocador de calor mostrado na Figura 2, que utilizado para aquecer um fluido com vapor.

Este processo consiste em aquecer um fluido que entra frio ( direita da figura) no trocador de calor. Dentro do trocador existe uma serpentina. Ele possui um controle de temperatura formado pela vlvula de vapor ( esquerda da figura). Na sada do trocador (parte superior da figura) aparece um cano de fluido aque-cido que leva este fluido para um outro sistema.

Figura 2 Processo tpico de um trocador de calor (BEGA, 2006, p. 6)

Conceito de varivel de processo

A varivel de processo uma grandeza fsica ou qumica, cuja variao afeta na operao de um processo.

No exemplo citado anteriormente do trocador de calor, a temperatura ser a vari-vel de processo. Ela influenciada por diversos fatores, sendo que os principais so a vazo, temperatura de entrada do fluido a ser aquecido, caractersticas do vapor utilizado no aquecimento, capacidade calrica dos fluidos, perda trmica do trocador para o ambiente, etc.


Fique ligado!

Principais objetivos ao medir ou controlar as variveis de processo

O objetivo principal de qualquer sistema de medio ou controle aumentar a eficincia do processo, e conseqentemente os lucros da instalao, atuando sobre:

a qualidade do produto final;

a segurana das pessoas e equipamentos;

a preservao do meio ambiente;

a economia de matria prima, de energia e de mo de obra.

O controle efetivo do processo est intimamente ligado eficientizao energtica.

Malhas de controle

Uma malha de controle consiste em um conjunto de equipamentos e instrumentos utilizados para controlar uma determinada varivel de processo (sada). De acordo com o tipo de controle, a malha pode ser definida como aberta ou fechada.

Num processo controlado, algumas variveis (entradas) so convertidas em si-nais, possibilitando que as aes de controle sejam executadas por instrumentos eltricos, eletrnicos, mecnicos, pneumticos, etc.

A seguir sero mostrados os dois tipos de malhas de controle existentes: malha aberta e a malha fechada.

Controle em malha aberta

O controle em malha aberta aquele que a informao sobre a varivel contro-lada no utilizada para ajustar quaisquer das variveis de entrada.


No caso do exemplo citado anteriormente, a temperatura do fluido aquecido na sada do trocador no exercer nenhuma influncia sobre o vapor que entra no trocador de calor.

Figura 3 Processo tpico de um trocador de calor em malha aberta (BEGA, 2006, p. 7)

Controle em malha fechada

No processo tpico de troca de calor do exemplo citado, bem como nos demais casos de controle de processos, a funo fundamental do sistema de controle em malha fechada, ou sistema de controle com realimentao, manipular a relao entrada/sada de energia ou material. Desta forma a varivel controlada do processo ser mantida dentro dos limites estabelecidos, ou seja, o sistema de controle em malha fechada regula a varivel controlada, fazendo correes em outra varivel de processo, que chamada de varivel manipulada.

O controle em malha fechada pode ser realizado por um operador humano (controle manual) ou mediante a utilizao de instrumentao (controle auto-mtico).

No controle manual o operador ter como funo medir a temperatura do fluido aquecido (varivel de processo) e corrigir a vazo do vapor adicionando ao tro-cador (varivel manipulada), de forma a manter a temperatura da varivel con-trolada no valor desejado (referncia ou set point). Ou seja, o operador ir medir


a temperatura do fluido aquecido por meio de um instrumento indicador e este sinal ser comparado com a temperatura desejada, caso a temperatura esteja acima ou abaixo do valor desejado, o operador dever atuar sobre a vlvula de admisso de vapor fazendo a correo.

Figura 4 Processo tpico de um trocador de calor com controle auto-mtico em malha fechada (BEGA, 2006, p. 8)

Caso o processo tpico de um trocador de calor seja controlado utilizando-se controle automtico, as aes executadas pelo sistema de controle automtico sero as mesmas que as executadas pelo operador quando estiver fazendo con-trole manual.

A medio do valor da varivel de processo feita pelo transmissor de tempera-tura (TT); a comparao do valor medido pelo transmissor com a referncia (dado pelo operador) para obteno do valor do erro (erro = referncia valor medido) feita pelo controlador indicador de temperatura (TIC), enquanto a correo ser efetivada pela vlvula de controle, com base no valor recebido pelo TIC.


Resumindo, podemos gerar um quadro para fixar as aes de cada elemento do processo:

Quadro 1 Aes que sero executadas pelos elementos do processo

Aes Executada porMedio do valor da varivel de processo, Transmissor de temperatura (TT),Comparao do valor medido pelo transmissor com a referncia para obteno do valor do erro,

Controlador indicador de temperatura (TIC),

Gerar Sinal de Correo levando em considerao o erro

Algoritmo de controle contido controlador indicador de temperatura (TIC),

Correo da varivel. Vlvula de controle com base no valor do TIC.

Voltando ao desafio

No controle de temperatura do forno que foi proposto no incio do captulo, te-mos como varivel de processo a temperatura medida no forno (sinal 1), e a vari-vel manipulada ser a vazo de combustvel (sinal 3) controlada pela vlvula de combustvel. O set point deste processo ser um valor de referncia de tempera-tura que est sendo inserido no controlador de temperatura TC, como pode ser visto na ilustrao que apresentada no desafio.

Resumindo

No Captulo 1 voc estudou os conceitos bsicos de instrumentao e pode aprender que:

A varivel de processo ou varivel controlada qualquer propriedade ou gran-deza fsica monitorada pelo processo.

A varivel manipulada a grandeza que operada a fim de manter a varivel de processo no valor desejado.

O set point o valor desejado estabelecido previamente como referncia de ponto e controle (no qual o valor controlado deve permanecer).

Numa malha aberta, a varivel controlada no influencia na varivel de processo.


Numa malha fechada ou sistema com realimentao existe uma influncia da varivel controlada sobre a varivel de processo, de forma que o processo verifica a todo instante as variaes na sada e promove uma reao sobre os dados de entrada.

Aprenda mais

Para que voc possa aprofundar seus conhecimentos sobre o assunto, verifique na empresa onde trabalha se existem malhas de controle fechadas e/ou abertas e identifique nelas as variveis de processo, manipulada, e set point.

A seguir, apresentamos uma pequena lista de termos, que iro ajud-lo a apren-der melhor o assunto tratado neste texto:

Glossrio

Controle manual quando o controlador desligado do sistema, e um opera-dor (humano) assume de forma emprica o controle do processo.

Controle automtico quando o controlador fica responsvel pela atualizao da sada (varivel manipulada) levando em considerao um erro na entrada.

Entrada Sinal que inserido em um equipamento para seu processamento.

Instrumentao - Instrumentao qualquer dispositivo (instrumento), ou con-junto de dispositivos, utilizado com a finalidade de se medir, indicar, registrar ou controlar as variveis de um processo. (STARLING, 2003, p.2)

Malha aberta Malha de controle sem realimentao.

Malha fechada Malha de controle com realimentao.

Malha de controle Um conjunto de equipamentos e instrumentos utilizados para controlar uma determinada varivel de processo (sada).

Offset a diferena entre o valor medido e o real, ou de referncia.


Processo Equipamento ou meio fsico que precisa ser controlado ou monitora-do de forma a transformar a matria-prima em um produto.

Sada Sinal que retirado de um equipamento aps seu processamento.

Set point (SP) Varivel de referncia que ser comparada (subtrada) com a vari-vel de processo para encontrar o erro.

TAG Smbolo de identificao formado por letras e nmeros que representam um equipamento ou mquina instalada em um processo industrial.

Varivel de processo (PV) Varivel que ser subtrada do set point para encon-trar o erro.

Varivel manipulada (MV) Varivel de sada do controlador que alterada em funo do erro.

27

CONCEITOS BSICOS

Captulo 2


Nas instalaes industriais comum encontrar arranjos complexos de instru-mentos de medio e controle. Para se compreender mais facilmente suas fun-es, necessrio analis-los, utilizando-se a classificao adequada.

Este captulo est organizado em trs tpicos: Classes dos instrumentos, Identifi-cao dos instrumentos e Instrumentos analgicos x digitais.

No trmino deste captulo voc encontrar um conjunto de termos e suas defini-es. Consulte-o, sempre que necessrio.

Objetivos

O estudo deste captulo tem por objetivos:

classificar os tipos de instrumentos;

identificar os instrumentos por TAGs mnemnicos, analgicos e digitais;

estabelecer as diferenas entre os instrumentos analgicos e digitais.

Um desafio para voc

Imagine que voc o tcnico de instrumentao, e necessita identificar dois ins-trumentos em um fluxograma de controle de processo da empresa. Faa a iden-tificao pelo TAG e pela simbologia utilizada no fluxograma. Seus cdigos so LIC 1, LT 1.

Instrumentao e controle28

Figura 5 Esquema de controle do enchimento de um tanque (SENAI. ES, 1999, p. 19)


Classes de instrumentos

Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentao de acordo com a funo que desempenham no processo:

Instrumento de medio indicador;

Instrumento de medio registrador;

Transmissor;

Transdutor;

Controlador;

Elemento final de controle.

Veja a seguir como podero ser definidos estes instrumentos.

Instrumento de medio indicador

Instrumento de medio que apresenta uma indicao. A indicao pode ser analgica (contnua ou descontnua) ou digital. Os valores de mais de uma gran-deza podem ser apresentados simultaneamente. Um instrumento de medio indicador pode tambm fornecer um registro.

Captulo 2 Conceitos bs icos 29

Figura 6 Indicador (SENAI. ES, 1999, p.8)

So exemplos deste tipo de instrumento:

voltmetro analgico;

ampermetro analgico;

freqencmetro digital;

micrmetro.

Instrumento de medio registrador

Instrumento de medio que fornece um registro da indicao. O registro pode ser analgico (linha contnua ou descontnua) ou digital. Os valores de mais de uma grandeza podem ser registrados simultaneamente. Um instrumento regis-trador pode tambm apresentar uma indicao.

Figura 7 Registrador (SENAI. ES, 1999, p.8)


Exemplos desse tipo de instrumento:

bargrafo;

dosmetro termo luminescente;

espectrmetro registrador.

Transmissor

So instrumentos que detectam as variaes na varivel medida/controlada atravs do elemento primrio e transmitem-na distncia. O elemento primrio pode ou no fazer parte integrante do transmissor.

Figura 8 Transmissor (Instrumentao MBR,1999, p.9)

Alguns tipos desses instrumentos so citados a seguir:

transmissor de temperatura;

transmissor de presso;

transmissor de vazo.


Fique ligado!

Transdutor

Instrumento que recebe informaes na forma de uma ou mais quantidades f-sicas, modifica, caso necessrio, essas informaes e fornece um sinal de sada resultante. Dependendo da aplicao, o transdutor pode ser um elemento pri-mrio, um transmissor ou outro dispositivo.

Figura 9 Transdutor (Instrumentao MBR, 1999, p.10)

O conversor um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entradas e sadas padro-nizadas.

Controlador

Instrumento que compara a varivel de processo com um valor desejado e forne-ce um sinal de sada, a fim de manter a varivel de processo em um valor especfi-co ou entre valores determinados. A varivel pode ser medida, diretamente pelo controlador ou indiretamente atravs do sinal de um transmissor ou transdutor.


Figura 10 Controlador (SENAI. ES, 1999, p.10)

Podemos citar como exemplos de controladores:

controlador single loop;

controlador multi loop.

Elemento final de controle

Os elementos finais de controle so mecanismos que variam a quantidade de material ou de energia em resposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter a varivel controlada em um valor (ou faixa de valores) predeterminado.

Figura 11 Vlvula de controle (SENAI. ES, 1999, p.10)

Alguns exemplos de elementos finais de controle:

vlvula proporcional;

inversores de freqncia;

vlvulas solenide.


Aps conhecer a classificao dos instrumentos, necessrio lembrar que eles podem ser identificados por meio de smbolos em diagramas. A seguir, vamos estudar este assunto.

Identificao de instrumentos

As normas de instrumentao estabelecem smbolos, grficos e codificao para identificao alfanumrica de instrumentos ou funes programadas que deve-ro ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumen-tao. Eles tambm so conhecidos como TAG.

De acordo com a norma ISA-S5 e a norma NBR-8190 da ABNT (figura a seguir), cada instrumento ou funo programada dever ser identificado por um con-junto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha qual o instrumento ou funo programada pertence.

Figura 12 Padro de Identificao de Instrumentos (SENAI. ES, 1999, p.11)

Eventualmente, para completar a identificao, poder ser acrescido um sufixo.A primeira letra identifica qual a varivel medida, indicada ou iniciadora. Assim, um controle de temperatura inicia com a letra T, de presso com P, de nvel com L, etc. Outras letras identificadoras so mostradas na primeira coluna do Quadro 3, apresentado adiante, e seu significado na coluna 1 letra (1a posio).

As letras subseqentes indicam a funo do instrumento na malha de controle, podendo apresentar:

Funo ativa que intervm no processo com um controlador ou

Funo passiva como indicao, sinalizao, etc.


Fique ligado!

Por exemplo, um instrumento identificado como TE significa que ele um ele-mento primrio de temperatura, pois a primeira letra T identifica a varivel tem-peratura e a segunda letra E, chamada de subseqente, informa a funo de sensor ou elemento primrio de medio de temperatura, no importando o princpio de medio.

Outro exemplo um instrumento FI = Indicador de Vazo, em que a primeira letra mostra a varivel medida (F = vazo) e a segunda a funo do instrumento: indica-dor. Ao acrescentarmos a letra Q, como modificadora, esta altera o nome original do FI para FQI, pois acrescenta ao instrumento atribuio de totalizao.

A identificao funcional estabelecida de acordo com a funo do instrumento e no de acordo com sua construo, de maneira que um registrador de presso diferencial, quando usado para registrar a vazo, identificado por FR. Se for conectado um indicador de presso e um pressostato num tanque onde se de-seja indicar nvel e um alarme de nvel por chave, estes sero identificados com LI e LS, respectivamente.

A primeira letra da identificao funcional selecionada de acordo com a vari-vel medida e no com a varivel manipulada. A varivel manipulada a varivel controlada em funo da varivel medida. Logo, uma vlvula de controle que varia a vazo para controlar um nvel, comandada por um controlador de nvel, identificada como LV e no FV. As letras subseqentes identificam as funes do instrumento, podendo ser:

Quadro 2 Classificao das funes dos instrumentos

Tipos de funes dos instrumentosFunes passivas Elemento primrio, orifcio de restrio, poo.Funes de informao Indicador, registrador, visor.Funes ativas ou de sada Controlador, transmissor, chave e outros.Funes modificadoras Alarmes ou indicao de instrumento multifuno.


Quadro 3 Identificao funcional dos instrumentos (SENAI. ES, 1999, p.14)

Letras

1 grupo de letras 2 grupo de letrasVarivel medida ou iniciadora Funo

1 letra Modificadora Passiva ou de informaoAtiva ou de

sada Modificadora

A Anlise AlarmeB ChamaC Escolha do usurio ControladorD Escolha do usurio Diferencial

E TensoSensor

(elemento primrio)

F Vazo RazoG Escolha do usurio VisorH Comando manual AltoI Corrente eltrica Indicador

J Potncia Varredura ou seleo manual

K Tempo ou temporizao

Taxa de variao com o

tempo

Estao de controle

L Nvel Lmpada piloto Baixo

M Escolha do usurio Instantneo Mdio ou intermedirioN Escolha do usurio Escolha do usurio

Escolha do usurio

Escolha do usurio

O Escolha do usurio Orifcio de restrioP Presso, vcuo Conexo para ponto de testeQ Quantidade ou evento

Integrao ou totalizao

R Radiao Registradora ou impressoraS Velocidade ou freqncia Segurana Chave

T Temperatura TransmissorU Multivarivel Multifuno Multifuno Multifuno

V Vibrao, anlise mecnica

Vlvula ou defletor

(damper ou louver)

W Peso ou fora Poo ou ponta de provaX No classificada Eixo X No classificada No classificada

No classificada

YEstado, presena ou seqncia de

eventosEixo Y

Rel, rel de computao, conversor ou solenides

Z Posio Eixo Z

Elemento final de

controle no classificado


Fique ligado!

As letras subseqentes usadas com modificadoras podem atuar ou complemen-tar o significado da letra precedente. Como no caso de um LILL, em que se deseja explicar que o instrumento est indicando um nvel muito baixo, utiliza-se uma quarta letra, um L de low. Se o instrumento indicasse apenas um alarme de n-vel baixo, teramos: LIL. O caso citado mostra que possvel incluir uma quarta letra na identificao funcional do instrumento, sendo que esta opo deve ser apenas utilizada em casos de extrema necessidade. A seqncia de formao da identificao funcional de um instrumento a seguinte:

A primeira letra deve sempre indicar a varivel medida. Veja a coluna letra da varivel controlada no Quadro 3. Se a primeira letra possui sua funo modi-ficada, veja a coluna 2a posio, do referido quadro.

As letras subseqentes indicam as funes do instrumento na seguinte or-dem:

Letras que designam funes passivas ou de informao, veja a coluna 3a posio, no Quadro 3;

Letras que designam funes ativas ou sadas, veja a coluna 4a posio, no quadro citado anteriormente.

Se houver letras modificadoras, estas devem ser colocadas imediatamente aps a letra que modificam.

A identificao funcional deve ser composta de, no mximo, de trs (3) letras. Uma quarta letra so-mente ser permitida no caso de extrema necessidade: para explicar completamente qual a funo do instrumento. Para instrumentos mais complexos, as letras podem ser divididas em subgrupos.

No caso de um instrumento com indicao e registro da mesma varivel, a letra L pode ser omitida. Um instrumento complexo, com diversas medies ou fun-es, pode ser designado por mais de uma identificao funcional. Assim, um transmissor registrador de razo de vazes, com uma chave atuada pela razo,


em fluxogramas, pode ser identificado por dois crculos tangenciais, contendo as identificaes FFRT e FFS. Em outros documentos, em que so usados smbolos grficos, o instrumento pode ser identificado por FFRT/FFS. Todas as letras da identificao funcional devem ser maisculas. Eventualmente, para completar a identificao, poder ser acrescido um sufixo.

O Quadro 4, mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma preestabelecida. O Quadro 5 apresenta a simbologia geral usada em instrumentao.

Quadro 4 Identificao de instrumentos de acordo com a norma ISAS5 (SENAI. ES, 1999, p.13)

P RC 001 02 A

Varivel Funo rea de ativi-dadeN. seqencial

da malhaSufixo

Identificao funcional Identificao da malha

Identificao do instrumento

Onde:

P = Varivel medida Presso;

R = Funo passiva ou de informao Registrador;

C = Funo ativa ou de sada Controlador;

001 = rea de atividade, onde o instrumento atua;

02 = Nmero seqencial da malha;

A = Sufixo.


Quadro 5 Simbologia geral em instrumentao (SENAI. ES, 1999, p.15)

Localizao em painel

normalmente acessvel ao

operador

Montado no campo

Painel auxiliar normalmente acessvel ao

operador

Painel auxiliar normalmente no acessvel ao operador

Instrumentos discretos

Instrumentos compartilhados

Computador de processo

Controlador lgico

programvel (CLP)

Instrumentos analgicos x digitais

Os instrumentos tambm podem ser classificados com relao ao sinal que eles entregam em sua sada, em dois tipos de categorias: instrumentos analgicos e instrumentos digitais.

Os instrumentos digitais possuem em suas sadas apenas dois valores distintos de tenso eltrica. Um valor representa o bit 1, e o outro valor representa o bit 0. Sendo assim quando, por exemplo, estivermos utilizando um termostato, tere-mos um contato abrindo ou fechando (normalmente fechado ou aberto, respec-tivamente) que representa a ao da temperatura sobre o seu elemento sensor. Este contato exerce, ento, um comando sobre o circuito em que o termostato est inserido, acionando uma carga (bit 1) ou desligando-a (bit 0).

No caso de instrumentos analgicos, existe uma gama de valores de tenso el-trica (ou corrente eltrica) que o sinal de sada poder assumir. Esta gama pode variar de 0 a 10 volts, por exemplo. Isto quer dizer, ento, que num termmetro teremos uma faixa de temperatura, ao qual o nosso instrumento capaz de me-dir (0 a 100C). Esta faixa proporcional ao sinal que ser apresentado em sua


sada, sendo que 0C equivaler a 0 volts e 100C a 10 volts. Qualquer outro valor de temperatura que esteja dentro da faixa ser apresentado na sada do instru-mento em volts.

Todos os instrumentos classificados como analgicos necessitam de ter seus si-nais de sada entregues em valores de tenso ou corrente padres, de forma que os sistemas de controle possam fazer a leitura destes sinais. Se no for padro o valor entregue, os equipamentos necessitaro de conversores adicionais para deixar os nveis de tenso e corrente em valores aceitveis.

Podemos destacar, ento, uma srie de valores padres para a sada dos instru-mentos analgicos:

Tenses padronizadas:

-10 a 10 volts (V);

-5 a 5 volts (V);

0 a 10 volts (V);

0 a 5 volts (V).

1 a 5 volts (V).

Correntes padronizadas:

-20 a 20 miliamperes (mA);

0 a 20 miliamperes (mA);

4 a 20 miliamperes (mA);

0 a 21 miliamperes (mA).


Voltando ao desafio

Voc, como tcnico da empresa, fez a identificao dos TAGs dos instrumentos LIC 1 e LT 1 da seguinte forma:

LIC 1 - Indicador Controlador de Nvel.

LT 1 - Transmissor de Nvel.

Obs.: Os nmeros que acompanham a identificao servem para diferenci-lo de um instrumento equivalente com a mesma funo, porm, em outro processo.

Na classificao dos instrumentos LIC 1, LT 1, pela sua simbologia foi verificado o seguinte:

Instrumento discreto montado no campo.

Instrumento discreto montado em painel acessvel ao operador.

Resumindo

No estudo do Captulo 2 voc aprendeu que:

Os instrumentos podem ser classificados em indicadores, registradores, trans-missores, transdutores, controladores e elementos finais de controle.

A identificao dos instrumentos feita a partir de um resumo ou TAG, da funo que o instrumento desempenha no processo que ele est inserido.

Os instrumentos analgicos apresentam um faixa de sinais de tenso ou cor-rente, proporcionais ao valor da grandeza que se est medindo.

Os instrumentos digitais apresentam em sua sada apenas uma indicao de que a grandeza fsica lida pelo sensor atingiu ou no o limite da referncia pr-definida.


Aprenda mais

Se voc quiser aprofundar seu estudo sobre o assunto, consulte a Norma ANSI/ISA-S5.1-1984 (Reviso1992) Instrumentation Symbols and Identification e tam-bm analise, na empresa em que trabalha, os fluxogramas de instrumentao identificando os principais instrumentos do processo.

A seguir, apresentamos uma pequena lista de termos, que iro ajud-lo a apren-der melhor os assuntos tratados neste texto.

Glossrio

Analgico Instrumento ou sinal que tem uma faixa de valores de tenso ou corrente padronizados.

CLP - um aparelho eletrnico digital que utiliza uma memria programvel para armazenar internamente instrues e para implementar funes especficas, tais como lgica, seqenciamento, temporizao, contagem e aritmtica, controlan-do, por meio de mdulos de entradas e sadas, vrios tipos de mquinas ou pro-cessos (segundo a NEMA - National Electrical Manufacturers Association).

Controlador Instrumento que a partir da diferena entre o valor desejado (set point) e a varivel de processo, altera o sinal de sua sada.

Digital ou discreto Instrumento ou sinal que tem dois estados apenas 1 ou 0 (ligado ou desligado).

Elemento final de controle so mecanismos que variam a quantidade de mate-rial ou de energia em resposta ao sinal enviado pelo controlador.

Fluxograma So diagramas (desenhos) que representam as mquinas, equipa-mentos e instrumentos que so instalados no processo.

Indicador Instrumento de medio que apresenta uma indicao.

Mnemnicos So siglas que representam uma grandeza fsica ou caracterstica de um equipamento.


Registrador Instrumento de medio que fornece um registro da indicao.

TAG Smbolo formado por letras que representam um equipamento ou mqui-na instalada em um processo industrial.

Transdutor Instrumento que recebe informaes na forma de uma ou mais quantidades fsicas e as modifica.

Transmissor So instrumentos que lem as variaes na varivel medida/con-trolada atravs do elemento primrio e transmitem-na distncia. O elemento primrio pode ou no fazer parte integrante do transmissor.

45

TERMINOLOGIAS

Captulo 3


Os instrumentos de controle empregados na indstria de processos tm sua prpria terminologia. Os termos usados definem as caractersticas prprias de medida e controle dos diversos indicadores, registradores, controladores, trans-missores e vlvulas usados nos processos. A terminologia empregada unificada entre os fabricantes, os usurios e os organismos que intervm direta ou indi-retamente no campo da instrumentao industrial. Os termos mais utilizados sero descritos a seguir para uma maior familiarizao dos mesmos.

Neste captulo iremos nos familiarizar com os seguintes tpicos: terminologias, tipos especficos de erros de medio e laboratrio de metrologia. Para ajud-lo em seu estudo, no final do captulo, h um pequeno glossrio.

Objetivos

Na leitura deste captulo voc tem por objetivos:

familiarizar-se com os principais termos tcnicos (terminologias) empregados em instrumentao;

entender como feita uma calibrao de um instrumento em um laboratrio de metrologia;

identificar quais os principais erros que podem aparecer em instrumentao.


Um desafio para voc

Voc precisa fazer um relatrio sobre um transdutor de presso que pode tra-balhar de -14 a 236psi, e para este range ele fornece na sada um sinal de 375 a 875mV em relao inversa de transformao. Neste relatrio, que foi pedido pelo seu superior imediato, ele necessita das seguintes caractersticas para troca do sensor por outro de mesmas caractersticas:

a) calcule a sensibilidade do transdutor;

b) calcule sua sada referente a zero psi;

c) indique a equao de sada;

d) desenhe o grfico de resposta (sada x entrada).


A seguir teremos uma srie de definies necessrias para o melhor entendi-mento do mdulo de instrumentao e controle.

Faixa de Medida (Range)

A faixa de indicao, alcance ou range o conjunto de valores limitados pelas indicaes extremas (de acordo com o INMETRO), ou seja, entre os valores mxi-mos e mnimos possveis de serem medidos com determinado instrumento. Por exemplo, podemos citar que um instrumento que mede presso entre 10 e 50 psi tem um range de 10 a 50psi.

Alcance (Span)

A amplitude nominal ou span diferena nominal entre os dois limites de uma faixa nominal (de acordo com o INMETRO), ou seja, a diferena entre o maior e menor valor de uma escala de um instrumento (Procel).

Como um exemplo, apresentamos um instrumento que possui a faixa de medi-o de entre 200 a 1200C, o span ser de 1000C.

47Captulo 3 Terminologias

Fique ligado!

Zero do instrumento

o limite inferior da faixa. No necessariamente o zero numrico. No exemplo do item anterior, possvel perceber que o valor mnimo da faixa na realidade 200, sendo assim este ser o zero do instrumento. Exemplificando, se tivermos um instrumento e quisermos medir o seu menor valor, dizemos que o zero o valor mnimo da sua faixa.

Exatido de um instrumento de medio

o grau de concordncia entre o resultado de uma medio e um valor verda-deiro do mensurando (de acordo com o INMETRO). Aptido de um instrumento de medio para dar respostas prximas a um valor verdadeiro convencional. A exatido um conceito qualitativo e normalmente dada como um valor per-centual do fundo de escala do instrumento. tambm conhecida pelo termo em ingls accuracy.

Vejamos o seguinte exemplo: um voltmetro com fundo de escala 10V e classe de exatido 1%, o erro mximo esperado de 0,1V. Sendo assim, o instrumento poder apresentar indicaes com valores entre 9,9 e 10,1V.

Uma regra importante escolher instrumentos com uma faixa apropriada para os valores a serem medidos.

A exatido de um instrumento s pode ser confirmada quando sua medida for comparada com um padro de referncia, ou com a medida feita por um segun-do instrumento calibrado e com grau de exatido maior que o primeiro instru-mento.


Fique ligado!

O erro exatido de um instrumento pode ser expresso numericamente de diver-sas formas, entre elas:

Exatido por erro absoluto:

Exatido por porcentagem do erro sobre o valor real:

Exatido por percentagem do erro sobre o span:

Repetitividade

o grau de concordncia entre os resultados de medies sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condies de medio (de acor-do com o INMETRO).

O grau de repetitividade tambm pode ser definido como um termo que descre-ve o grau de liberdade a erros aleatrios, ou seja, ao nvel de espalhamento de vrias leituras em um mesmo ponto.

Antigamente a repetitividade era chamada de preciso. Como a palavra preciso era muito confundida com exatido, o termo preciso foi substitudo por repetitividade.


Um aparelho preciso no implica que seja exato. Uma baixa exatido em instru-mentos precisos discorre normalmente de um desvio ou tendncia (bias) nas medidas, o que poder ser corrigido por uma nova calibrao.

A repetitividade descreve o grau de concordncia entre os resultados de medi-es sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condies de medio. Estas condies so denominadas condies de repetitividade e incluem o mesmo procedimento de medio, mesmo observador, mesmo ins-trumento de medio utilizada nas mesmas condies, mesmo local e repetio em curto perodo de tempo.

O ndice de preciso comumente dado em funo do desvio padro sobre a mdia dos valores medidos. Acompanhe a seguir, um exemplo.

Um tcnico em instrumentao utilizou um termmetro para medir a tempe-ratura de uma das zonas de um forno. Descubra o desvio padro e a mdia dos seguintes valores.

Tabela 1 Leituras de temperatura de uma das zonas do forno

Leituras Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Medida 5Valores 1203,5 1204,1 1201,7 1204,0 1203,4

Desvio padro: =0,9659

Mdia aritmtica: =1203,4

ndice de preciso: = 0,0008


Figura 13 Comparativo entre repetibilidade e exatido (SENAI. ES,1999, p.20)

Classe de exatido

Classe de instrumentos de medio que satisfazem a certas exigncias metrol-gicas destinadas a conservar os erros dentro de limites especificados (de acordo com o INMETRO).

Conforme NBR 14105, a classe de exatido de um medidor analgico identifi-cada com as seguintes caractersticas fsicas do instrumento:

Dimetro nominal da janela;

Faixa da escala (faixa de indicao);

Valor de uma diviso;

Nmero de divises.

Uma classe de exatido usualmente indicada por um nmero ou smbolo ado-tado por conveno e denominado ndice de classe. Analise o exemplo a seguir.

Em um voltmetro com 300volts de fundo de escala e classe de exatido de 1,5; o limite de erro que se pode cometer em qualquer medida feita com este voltme-tro 1,5% de 300V ou seja:


Fique ligado!

V-se que o erro relativo percentual para uma medio efe-tuada de x volts. Isso mostra que um instrumento deve ser utilizado para medir grandezas de valor o mais prximo possvel do seu fundo de escala, onde tere-mos o erro relativo mnimo.

Uma prtica usual selecionar um instrumento com um fundo de escala, que propicie que os valores medidos se situem no ltimo tero da escala, evitando assim os erros relativos mnimos.

Sensibilidade

Segundo o INMETRO, a sensibilidade definida como a resposta de um instru-mento de medio dividida pela correspondente variao no estmulo. A sensi-bilidade pode depender do valor do estmulo. Sendo assim, a sensibilidade pode ser contabilizada como a inclinao da reta que define a relao entre a leitura e a grandeza medida. Apresentamos a seguir alguns exemplos de sensibilidade dos transdutores de temperatura.

Tabela 2 Sensibilidade de alguns transdutores de temperatura (STAR-LING, 2003, p.14)

Transdutor SensibilidadeTermopar tipo J 50mV/CJuno PN -2mV/CTermoresistncia PT100 400m/CTermistor (10k a 25C) -400/C

Resoluo

O INMETRO define resoluo como a menor diferena entre indicaes de um dispositivo mostrador que pode ser significativamente percebida. Para um dis-positivo mostrador digital a variao na indicao quando o digito menos sig-


Fique ligado!

nificativo varia de uma unidade. Este conceito tambm se aplica a um dispositivo registrador. Exemplificando: um voltmetro analgico com divises na escala de 0,1V ter sua leitura apresentada com uma resoluo de 0,1V.

Explicando: um instrumento com mostrador digital tem resoluo correspon-dente ao dgito menos significativo. Assim, um voltmetro digital que tem um display com duas casas aps a vrgula tem uma resoluo de 0,01V.

Tipos especficos de erros de medio

Diversos so os erros presentes nos sistemas de medio, a importncia de se co-nhecer alguns deles e as interferncias que eles causam nas medidas, vale para que se possa adotar aes apropriadas para minimiz-los ou, dependendo do caso, providenciar a substituio ou manuteno dos instrumentos envolvidos.

importante ressaltar que qualquer instrumento apresenta erros de medio contudo, estes no po-dem ser superiores aos admitidos pelo processo.

Erros estticos

So erros que provocam o desvio da medida do valor real quando a grandeza medida se fixa num determinado valor ou apresenta variaes muito lentas. Ele indica a diferena entre o valor verdadeiro de uma grandeza fsica que no varia com o tempo (esttica) e o valor indicado pelo instrumento. Normalmente o erro esttico indicado em porcentagem do span.

Grandes erros estticos so indesejveis; contudo, em alguns processos no afe-tam significativamente o resultado final, j em outros at mesmo pequenos erros estticos podem ser desastrosos. O erro esttico menos danoso, por exemplo, para processos que no tenham necessidade de grande exatido de medidas.


Linearidade e no-linearidade

A linearidade uma caracterstica normalmente desejvel para a faixa de operao de um instrumento. O valor da resposta medida proporcional grandeza real que est sendo medida. Sua resposta dada por uma curva, e o grfico a seguir mostra a relao entre uma grandeza e o resultado de medies. Nesta figura pode-se observar certo grau de liberdade que pode ser notada mesmo visualmente. No entanto, utilizar-se- mtodos estatsticos, tais como um coeficiente de correlao, para saber o quo a curva mostrada se aproxima de uma reta.

Figura 14 Resposta de medio de um sensor linear e no-linear (STAR-LING, 2003, p.16)

A no-linearidade, por sua vez, definida como o mximo desvio de qualquer uma das leituras com relao reta obtida, e normalmente expressa como uma percentagem do fundo de escala.

Histerese

A histerese a tendncia de um material ou sistema conservar suas proprieda-des na ausncia do estmulo que as gerou. Pode-se encontrar diferentes mani-festaes desse fenmeno. A palavra histerese deriva do grego antigo e significa retardo, e foi cunhada pelo Sir James Alfred Ewing em 1890. Em geral os efeitos de no-linearidade e histerese esto intimamente ligados.


Figura 15 Influncia da histerese sobre as medidas de um sensor (STAR-LING, 2003, p. 17)

Zona morta

De acordo com o INMETRO, o intervalo mximo no qual um estmulo pode variar em ambos os sentidos, sem produzir variao na resposta de um instrumento de medio. A zona morta pode depender da taxa de variao e muitas vezes ser deliberadamente ampliada, de modo a prevenir variaes na resposta para pequenas variaes no estimulo.

Figura 16 Influncia da zona morta sobre as medies de um sensor (STARLING, 2003, p. 17)


Fique ligado!

Erros dinmicos

Qualquer instrumento gasta um determinado tempo para responder s varia-es do sinal de entrada, pois esta resposta depende dos efeitos fsicos de trans-porte e converso de energia. Erros dinmicos so aqueles que ocorrem quando a grandeza sofre variaes bruscas ou variam continuamente no tempo.

Resposta dinmica

Os erros dinmicos dependem da resposta dinmica, ou seja, do comportamen-to da sada do instrumento com relao ao tempo quando a sua entrada varia.

Degrau e rampa

Como um instrumento mede variveis cuja evoluo no tempo imprevisvel, procura-se caracterizar sua resposta dinmica atravs da anlise de sua sada a alguns sinais de testes aplicados entrada. Estes sinais so o degrau e a rampa. Variaes na forma de degrau e rampa no so comuns no processo, assim, tais sinais devem ser produzidos e aplicados em ensaios de laboratrio.

A rampa uma variao do sinal a uma taxa constante no tempo (na prtica entre dois parmetros constantes).

Figura 17 Sinais de degrau e rampa aplicados em ensaios de laborat-rio (STARLING, 2003, p. 18)


A taxa de variao de uma rampa igual a inclinao, ou seja:

Tempo morto

o tempo gasto entre o instante de aplicao do degrau e o incio da resposta do instrumento (a sada atrasada com relao entrada). Este tempo fruto, principalmente, do posicionamento do transdutor no processo. Veja o exemplo de resposta do tempo morto na Figura 18.

Figura 18 Sada com tempo morto quando aplicado um degrau a en-trada (STARLING, 2003, p. 19)

Constante de tempo

o tempo gasto do incio de variao da sada at a mesma atingir 63,2% do valor esperado como final. Aps um tempo de 3 a 5 vezes a constante de tempo, o valor da sada do instrumento vlido, ou seja, alcanado o valor de regime permanente, este tempo denominado Tempo de Acomodao ou setting time. Observe a Figura 19.


Figura 19 Constante de tempo na sada quando aplicado degrau na entrada (STARLING, 2003, p. 19)

Tempo de subida

O tempo de subida ou rising time o tempo necessrio para a resposta do ins-trumento excursionar dos 10% aos 90% da variao que o degrau de entrada ir provocar na sada, entre os valores permanentes, inicial e final. Veja, a seguir, na Figura 20, o conceito apresentado neste item.


Fique ligado!

Figura 20 Resposta da sada quando aplicado um degrau a entrada (STARLING, 2003, p.20)

Laboratrio de Metrologia

A funo principal de um laboratrio de metrologia a de calibrar instru-mentos.

O laboratrio uma clula de vital importncia para qualquer indstria que queira produzir com uma qualidade adequada.


Fique ligado!

Fique ligado!

O superdimensionamento/subdimensionamento da instrumentao respon-svel por uma grande parcela das perdas e a indstria que estabelecer os seus processos com a devida confiabilidade metrolgica, respeitando de forma clara a normalizao, evidenciar de maneira concreta a qualidade do seu produto.

Um fator muito importante na eficientizao energtica a capacidade de se dimensionar os instru-mentos de forma a atender aos padres metrolgicos.

Calibrao de instrumento um conjunto de operaes que estabelece, sob condies especficas, a relao entre os valores indicados por um instrumento de medio, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por pa-dres. Muitas vezes o termo aferio tambm empregado com o sentido de calibrao; no entanto, a tendncia o desuso deste, j que em nvel mundial no existe o seu sinnimo em ingls ou em francs como acontece com o termo calibrao (calibration ou talonnage).

O resultado de uma calibrao permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicaes como a determinao das correes a serem aplicadas. Alm disto, uma calibrao pode, tambm, determinar outras proprie-dades metrolgicas como o efeito das grandezas de influncia.

A freqncia de calibrao dos instrumentos depende do tipo de construo, e normalmente definida pelo fabricante qual ser a periodicidade de calibrao.


O processo de calibrao envolve, geralmente, as etapas de calibrao propria-mente dita e documentao dos resultados.

Quadro 6 Etapas do processo de calibrao de instrumentos

Etapas do processo de calibrao

Aferio o levantamento da resposta do sistema de medio mediante comparao dos padres;

Calibrao

Operao que estabelece, numa primeira etapa e sob condies especificadas, uma relao entre os valores e as incertezas de medio fornecidos por padres e as indicaes de um instrumento de medio correspondentes com as suas incertezas associadas; numa segunda etapa, utiliza esta informao para estabelecer uma relao visando a obteno de um resultado de medio a partir de uma indicao do instrumento de medio.

Documentao

o levantamento de uma tabela de dados ou de um grfico que relacione a congruncia das medidas do sistema com as referncias padres. A documentao que garante ao usurio a calibrao do sistema e define as responsabilidades pelos erros apresentados.

O resultado de uma calibrao pode ser registrado em um documento, algumas vezes denominado certificado de calibrao ou relatrio e calibrao.

Alm de calibrar, um Laboratrio de Metrologia deve assumir as seguintes ativi-dades:

promover a conscientizao de todos os segmentos da indstria quanto a for-te interdependncia entre Metrologia, Normalizao e Qualidade, justifican-do sempre de maneira concreta e objetiva a razo de sua existncia;

atuar de forma marcante no auxlio da especificao adequada da instrumen-tao de um determinado processo objetivando atenuar o subdimensiona-mento ou superdimensionamento;

avaliar o impacto das incertezas das grandezas que interferem em um proces-so de acordo com a sua tolerncia objetivando uma qualidade adequada do produto.

Padres de calibrao

Os padres usados na calibrao so divididos em primrios e secundrios. Veja o Quadro 7 para maiores detalhes.


Quadro 7 Padres de calibrao para instrumentos

Padres de calibrao

Primrios

So de responsabilidade de rgos oficiais de metrologia e so guardados e manuseados sobre condies rgidas de controle ambiental, uma vez que suas propriedades tm que ser totalmente preservada se congruentes com os padres legais nacionais e/ou internacionais. Logo no so prticos para a realizao de calibraes e aferies rotineiras.

Secundrios

So padres que so aferidos pelos rgos competentes e, uma vez confirmadas sua boa qualidade e concordncia com padres primrios, recebem destes rgos um certificado de calibrao que garante a utilizao destes como referncia de calibrao para instrumentos localizados

Recomendaes referentes calibrao

So listados a seguir os principais pontos para uma calibrao confivel no pro-cesso industrial.

As exigncias quanto freqncia de calibrao e ao grau de exatido reque-ridos depende do processo onde o instrumento aplicado.

Ambientes agressivos (presena de gases ou lquidos corrosivos, umidade, poeira, calor, vibrao, campos magnticos, etc.) exigem uma rotina de cali-brao mais freqente.

Um instrumento ao ser adquirido deve ser calibrado para se garantir que elea-tenda s especificaes de exatido e range de operao solicitada pelo com-prador.

Se durante a calibrao no for possvel atingir o grau de exatido nem as es-pecificaes de variao de limites, o instrumento deve ser substitudo e/ou reparado.

Sempre que se for instalar um instrumento ao processo bom providenciar um ajuste inicial em seu zero. Isto serve para que a curva de calibrao seja v-lida, uma vez que fatores ambientais (temperatura, umidade, presso, vibra-o etc.) e fatores de instalao fsica (posio de fixao do instrumento ao processo) podem causar desajustes no zero de calibrao. Isto ocorre porque os instrumentos so previamente calibrados em condies ambientais e posi-es especficas de laboratrio, o que quase nunca conseguido no campo.


Ao calibrar um instrumento devem-se tomar vrios pontos de medida ao lon-go de seu range (do zero ao mximo). Garantir a exatido apenas do zero e do mximo no garante a exatido no meio da faixa, isto s poderia ser assumido se o transdutor, e todo o sistema, tiverem uma resposta perfeitamente linear com a variao da grandeza medida, o que nem sempre verdade.

Voltando ao desafio

Foi proposto um desafio em forma de um relatrio, que ser visto a seguir.

Levando-se em considerao que o transdutor de presso trabalha com sinal de entrada de -14 a 236psi, e sada de 375 a 875mV em relao inversa de transfor-mao, temos:

a) Calculando a sensibilidade que avaliada pela inclinao da reta entre a en-trada e a sada, teremos:

b) Para calcular a sada quando a entrada zero psi, temos que saber onde que a reta j mencionada no item anterior toca o eixo y (sada). Veja o grfico no item d para tirar suas dvidas.

a reta que relaciona entrada e sada.

O valor da inclinao a j foi calculado (sensibilidade)

Considerando o valor mnimo para a entrada e a sada:

c) A equao de sada ser: .

d) Desenhe o grfico de resposta (sada x entrada).


Figura 21 Relao entre a entrada e a sada para um transdutor de presso

Resumindo

Estudando o Captulo 3, voc pde:

Aprender sobre as principais definies utilizadas em instrumentao e con-trole.

Entender como pode ser feita a calibrao de um instrumento.

Familiarizar-se com o que pode ser feito num laboratrio de metrologia.

Conhecer alguns erros que podem aparecer em instrumentao, sendo eles estticos e dinmicos.

Aprenda mais

Para aumentar seus conhecimentos sobre os assuntos estudados, consulte o Vo-cabulrio Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia (VIM) fornecido pelo INMETRO.

Procure saber em sua empresa quem o responsvel pelo envio para o labora-trio de metrologia dos instrumentos, para calibrao e verifique qual a freq-ncia de calibrao dos principais instrumentos do processo da empresa onde trabalha. Lembre-se que esta periodicidade influencia diretamente a eficincia energtica do processo.


A seguir, apresentamos a definio de alguns termos usados no texto.

Glossrio

Bias um desvio ou tendncia nas medidas, que poder ser corrigido por uma nova calibrao.

Calibrao calibration ou talonnage Operao que estabelece, numa primeira etapa e sob condies especificadas, uma relao entre os valores e as incertezas de medio fornecidos por padres e as indicaes de um instrumento de me-dio correspondentes com as suas incertezas associadas; numa segunda etapa, utiliza esta informao para estabelecer uma relao visando a obteno de um resultado de medio a partir de uma indicao do instrumento de medio.

Classe de exatido Classe de instrumentos de medio que satisfazem a certas exigncias metrolgicas destinadas a conservar os erros dentro de limites espe-cificados.

Constante de Tempo ou setting time o tempo gasto do incio de variao da sada at a mesma atingir 63,2% do valor esperado como final.

Degrau uma variao instantnea da grandeza medida de um valor constan-te para outro.

Documentao o levantamento de uma tabela de dados ou de um grfico que relacione a congruncia das medidas do sistema com as referncias padres.

Erro Diferena entre o valor medido de uma grandeza e um valor de referncia.

Exatido o grau de concordncia entre o resultado de uma medio e um valor verdadeiro do mensurando.

Histerese a curva de resposta do instrumento quando a varivel lida est au-mentando ou diminuindo.

Linearidade quando a leitura do instrumento for linearmente proporcional grandeza que est sendo medida.


Rampa uma variao do sinal a uma taxa constante no tempo.

Range Faixa de indicao ou alcance de um instrumento.

Repetibilidade o grau de concordncia entre os resultados de medies su-cessivas de um mesmo mensurando efetuados sobre as mesmas condies de medio.

Resoluo a menor diferena entre indicaes de um dispositivo indicador que pode ser significativamente percebida.

Sensibilidade a resposta de um instrumento de medio dividida pela corres-pondente variao do estmulo.

Set point (SP) Varivel de referncia que ser comparada (subtrada) com a vari-vel de processo para encontrar o erro.

Span Diferena entre o maior e menor valor de medio do instrumento.

Subdimensionamento Dimensionamento de um instrumento abaixo da sua capacidade de percepo da varivel a ser medida ou controlada.

Superdimensionamento Dimensionamento de um instrumento muito alm da sua capacidade de percepo da varivel a ser medida ou controlada.

Tempo de subida ou rising time o tempo necessrio para a resposta do ins-trumento excursionar dos 10% aos 90% da variao que o degrau de entrada ir provocar na sada, entre os valores permanentes, inicial e final.

Zero Limite inferior da faixa do instrumento.

Zona morta Intervalo mximo no qual um estmulo pode variar em ambos os sentidos, sem produzir variao na resposta de um instrumento de medio.

67

PRESSO

Captulo 4


Em meio a vrios pontos de presso, temperatura, vazo e nvel a serem medi-dos, erros de montagem podem colocar a segurana do instrumento, do opera-dor, e at mesmo da planta (ou sistema) em risco. Isso sem falar em problemas de anlise e controle quando a ligao errada de algum sensor fornece uma in-formao no confivel. A falta de conhecimento terico na medio bsica de variveis do controle de processos coloca uma enorme dificuldade de operao. de vital importncia que os tcnicos e engenheiros em instrumentao saibam sobre o funcionamento de um transmissor. A aplicao desse instrumento passa pelos vrios princpios de medio que sero vistos a seguir.

Entre manmetros, termmetros e transmissores, por exemplo, a escolha deve ser feita levando sempre em conta as premissas de funcionamento do instru-mento e das variveis a serem medidas. Existem vrios princpios para se medir variveis, sendo assim, temos que levar em considerao em que processo ser inserido o instrumento e quais as variveis, para que possamos especificar ade-quadamente o equipamento.

Este captulo engloba as medies de presso e apresenta em seu corpo os se-guintes tpicos: presso, conceito de presso, tipos de medidores e transmisso-res de presso, presso e vazo, medidores de presso e escolha do tipo de me-didor. Contm tambm um pequeno glossrio com os termos usados ao longo do texto.


Fique ligado!

Objetivos

O estudo deste captulo tem por objetivos:

identificar alguns tipos de instrumentos para medio de presso;

definir alguns conceitos bsicos usados para medio de presso;

entender como a vazo pode ser medida indiretamente atravs da medio de presso;

reconhecer quais so as unidades de medida de presso e as suas relaes.

Um desafio para voc

Em uma empresa siderrgica os instrumentistas esto com problemas na leitura dos sensores de presso, pois alguns so sensveis a variaes de temperatura. Se voc fosse consultado para resolver este problema, qual seria a sua soluo?


A instrumentao a cincia que se ocupa em desenvolver e aplicar tcnicas de medio, indicao, registro e controle de processos de transformao, visan-do otimizao da eficincia dos mesmos. Essas tcnicas normalmente tm por base princpios fsicos e ou fsico-qumicos e utilizam-se das mais avanadas tec-nologias de fabricao para viabilizar os diversos tipos de medio de variveis indstrias. Dentre essas variveis encontra-se a presso cuja medio possibilita no s sua monitorao e controle como tambm de outras variveis, tais como nvel, vazo e densidade. Assim, por ser sua compreenso bsica para o entendi-mento de outras reas da instrumentao, iniciaremos revisando alguns concei-tos fsicos importantes para a medio de presso.

Presso a razo entre uma fora aplicada sobre uma determinada rea. A fora tem que ser normal rea.

69Captulo 4 Presso

Conceito de presso

A presso uma grandeza medida com relao referncia. Se esta referncia for a presso atmosfrica, a medida ser dita presso relativa ou manomtrica. Se a referncia for o vcuo, ser dita presso absoluta. Quando for omitida a presso de referncia, subentende-se que se trata da presso relativa. De uma maneira geral, pode-se dizer:

A presso provavelmente a grandeza fsica que possua o maior nmero de uni-dades empregadas para represent-la. As relaes entre as principais so mos-tradas a seguir:

A Figura 22 apresenta as escalas de referncia para medidas de presso.

Figura 22 Escalas de referncia para medidas de presso (BORTONI, p.42)

Presso absoluta = Presso relativa (manomtrica) + Presso atmosfrica

1atm =1,033kgf/cm2 =101325Pa =10332mmH2O = 760mmHg =1,013bar = 14,695psi


Tipos de medidores e transmissores de presso

A seguir so relacionados alguns medidores e transmissores de presso para se ter uma noo da quantidade de equipamentos que podem ser utilizados para implementar a instrumentao desta grandeza fsica.

Medidores de presso

Tipos de manmetros de lquidos:

coluna em U;

coluna reta vertical;

coluna inclinada.

Tipos de manmetro elstico:

tubo de Bourdon:

em C;

espiral;

helicoidal.

diafragma;

fole;

cpsula.

Transmissores de presso

Transmissores pneumticos

Transmissores eletrnicos:

capacitivo;

strain gauge;

silcio ressonante;

piezoeltrico.

71Captulo 4 Presso

Medio da presso

Os sensores de presso podem ser mecnicos e eltricos.

Os mais importantes sensores mecnicos so os de deformao elstica, cujo sensor principal o tubo Bourdon C. Quando a presso medida aplicada ao Bour-don C varia, h uma variao proporcional no formato do Bourdon, provocando um pequeno deslocamento mecnico que pode ser amplificado por elos e links ou associado a algum mecanismo de transmisso pneumtica ou eletrnica.

Os outros medidores deformao elstica incluem o espiral, fole, helicoidal, diafragma, feitos com diferentes materiais para a medio de diferentes faixas de presso.

O manmetro o conjunto do sensor e indicador da presso manomtrica. Ele pode ser analgico ou digital. Quando analgico, o manmetro possui uma es-cala fixa e um ponteiro mvel. A melhor preciso do manmetro na faixa cen-tral tipicamente entre 25% e 75% do fundo da escala de indicao.

Os sensores eltricos de presso so: o cristal piezoeltrico e o strain gauge. O cristal piezoeltrico muito pouco usado, por ser caro. um sensor ativo, que gera uma tenso em milivolts proporcional presso aplicada. O sensor de presso mais usado o strain gauge ou clula de carga (load cell) que varia sua resistncia eltrica em funo do stress mecnico (trao ou compresso). A medio da resistncia do strain gauge medida por meio da clssica ponte de Wheatstone.

Pequenas presses expressas em comprimento de coluna dgua ou coluna de mercrio podem ser medidas atravs de colunas de lquido. Na instrumentao, tambm comum o uso do transmissor eletrnico para condicionar o sinal ge-rado pelo sensor de presso, convertendo-o para o sinal padro, pneumtico de 20 a 100KPa ou eletrnico de 4 a 20mA. Com o transmissor, a presso pode ser indicada remotamente, em uma sala de controle centralizada. Existem transmis-sores de presso manomtrica, absoluta e diferencial.


Fique ligado!

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Atualmente, a tecnologia mais usada na operao do transmissor se baseia em microprocessador e o transmissor chamado de inteligente.

Presso e a vazo

A diferena de presso que faz o fluido escoar nas tubulaes fechadas, ga-rantindo que o fluido ocupa toda a seo transversal. Em termos de energia, a energia de presso transformada em energia cintica. O efeito da variao da presso bem definido em relao densidade, gravidade especfica e com-pressibilidade dos fluidos. O efeito da presso pequeno nos lquidos, exceto em altas presses, mas deve ser definitivamente considerado para a medio de vazo de gases e vapores. Na medio da vazo de gs mandatrio a compen-sao da presso esttica.

O mtodo mais empregado para medir vazo por meio da placa de orifcio, que gera uma presso diferencial proporcional ao quadrado da vazo. Em vazo muito laminar, a presso diferencial line-armente proporcional a vazo.

Principais medidores de presso

So relacionados a seguir os tipos de medidores de presso mais utilizados na indstria, com uma explicao breve do seu funcionamento.

73Captulo 4 Presso

Fique ligado!

Manmetros

Dispositivos utilizados para indicao local de presso e so, em geral, divididos em dois tipos principais:

o manmetro de lquidos, que utiliza um lquido como meio para se medir a presso;

o manmetro tipo elstico que utiliza a deformao de um elemento elstico como meio para se medir presso.

Os manmetros de lquido foram largamente utilizados na medio de presso, nvel e vazo nos primrdios da instrumentao. Hoje, com o advento de outras tecnologias que permitem leituras re-motas, a aplicao destes instrumentos na rea industrial se limita a locais ou processos cujos valores medidos no so cruciais no resultado do processo, ou em locais cuja distncia da sala de controle in-viabiliza a instalao de outro tipo de instrumento. Porm, nos laboratrios de calibrao que ainda encontramos sua grande utilizao, pois podem ser tratados como padres.

Manmetro de lquidos

Os manmetros de lquidos so utilizados por diversas indstrias alimentcias, petroqumicas, farmacuticas,etc. Veja a seguir alguns tipos.

Manmetro tipo coluna em U

O tubo em U um dos medidores de presso mais simples entre os medidores para baixa presso. constitudo por um tubo de material transparente (geral-mente vidro) recurvado em forma de U e fixado sobre uma escala graduada. A faixa de medio de aproximadamente 0~2000mmH2O/mmHg.


Figura 23 Manmetros do tipo coluna em U (SENAI. ES,1999, p. 46)

De acordo com a Figura 23 podemos definir trs posies para as escalas em tubos em U. O Quadro 8 mostra como sero feitas estas medidas.

Quadro 8 Tipos de medidas em escalas de acordo com a sua posio

Medidas nas escalas

Tipo a

O zero da escala est no mesmo plano horizontal que a superfcie do lquido quando as presses P1 e P2 so iguais. Neste caso, a superfcie do lquido desce no lado de alta presso e, conseqentemente sobe no lado de baixa presso. A leitura se faz, somando a quantidade deslocada a partir do zero nos lados de alta e baixa presso.

Tipo b O ajuste de zero feito em relao ao lado de alta presso. Neste tipo h necessidade de se ajustar a escala a cada mudana de presso.

Tipo c

A leitura feita a partir do ponto mnimo da superfcie do lquido no lado de alta presso, subtrada do ponto mximo do lado de baixa presso. A leitura pode ser feita simplesmente medindo o deslocamento do lado de baixa presso a partir do mesmo nvel do lado de alta presso, tomando como referncia o zero da escala.

Manmetro tipo coluna reta vertical

O emprego deste manmetro idntico ao do tubo em U. Nesse manmetro as reas dos ramos da coluna so diferentes, sendo a presso maior aplicada nor-malmente no lado da maior rea. Essa presso, aplicada no ramo de rea maior, provoca um pequeno deslocamento do lquido na mesma, fazendo com que o deslocamento no outro ramo seja bem maior, em face do volume deslocado ser o mesmo e sua rea bem menor.

75Captulo 4 Presso

Figura 24 Manmetro do tipo coluna reta (SENAI. ES,1999, p. 48)

Manmetro tipo coluna inclinada

Este manmetro utilizado para medir baixas presses na ordem de 50mmH2O. Sua construo feita inclinando um tubo reto de pequeno dimetro, de modo a medir com boa preciso presses em funo do deslocamento do lquido dentro do tubo. A vantagem adicional a de expandir a escala de leitura, o que muitas vezes conveniente para medies de pequenas presses com boa preciso ( 0,02mmH2O).

Figura 25 Manmetro do tipo coluna inclinada (SENAI.ES ,1999a, p.49)


Manmetro tipo elstico

Este tipo de instrumento de medio de presso baseia-se na lei de Hooke sobre elasticidade dos materiais que diz: o mdulo da fora aplicada em um corpo proporcional deformao provocada.

Os medidores de presso tipo elstico so submetidos a valores de presso sem-pre abaixo do limite de elasticidade, pois assim cessada a fora a ele submetida o medidor retorna sua posio inicial, sem perder suas caractersticas.

O elemento de recepo de presso tipo elstico sofre deformao tanto maior quanto a presso aplicada. Esta deformao medida por dispositivos mecni-cos, eltricos ou eletrnicos. O elemento de recepo de presso tipo elstico, comumente chamado de manmetro, aquele que mede a deformao elstica sofrida quando est submetido a uma fora resultante da presso aplicada sobre uma rea especfica. Essa deformao provoca um deslocamento linear, que convertido de forma proporcional a um deslocamento angular por meio de me-canismo especfico. Ao deslocamento angular anexado um ponteiro que per-corre uma escala linear e cuja faixa representa a faixa de medio do elemento de recepo.

O Quadro 8 mostra os principais tipos de elementos de recepo utilizados na medio de presso baseada na deformao elstica, bem como sua aplicao e faixa recomendvel de trabalho.

Quadro 9 Caractersticas de alguns medidores de presso. (INSTRU-MENTAO I, 1999, p. 50)

Elemento de recepo de presso Aplicao/restrio Faixa de presso (Max)

Tubo de Bourdon No apropriada para micropresso ~1000kgf/cm2

Diafragma Baixa presso ~3kgf/cm2

Fole Baixa e mdia presso ~10kgf/cm2

Cpsula Micropresso ~300mmH2O

77Captulo 4 Presso

Fique ligado!

Os manmetros, assim como qualquer instrumento, devem ser bem dimensionados para a faixa de trabalho onde so designados. Desta forma temos um maior aproveitamento do instrumento em sua escala de medio, e conseguimos maior eficientizao energtica.

Manmetro tubo de Bourdon

O tubo de Bourdon consiste em um tubo com seo oval, que poder estar dis-posto em forma de C, espiral ou helicoidal (veja a Figura 26); tem uma de sua ex-tremidade fechada, estando a outra aberta presso a ser medida. Com a pres-so agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seo circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento atravs de engre-nagens transmitido a um ponteiro que ir indicar uma medida de presso em uma escala graduada.

Figura 26 Tipos de manmetros de Bourdon (SENAI. ES,1999a, p. 90)

Figura 27 Manmetro do tipo Bourdon (BORTONI, p.44)


Os manmetros tipo Bourdon podem ser classificados quanto ao tipo de presso medida e quanto classe de preciso. Quanto presso medida ele pode ser ma-nomtrico para presso efetiva, vcuo, composto ou presso diferencial. Quanto classe de exatido, essa classificao pode ser obtida mediante a tabela de ma-nmetro/vacumetro e manmetro composto, apresentada a seguir.

Tabela 3 Classe de exatido de manmetros e vacumetros. (INSTRU-MENTAO I,1999, p. 54)

ClasseErro tolervel

Acima de 1/10 e abaixo de 9/10 da escala Outra faixa da escala

0,5 0,5% 0,5%1,0 1,0% 1,5%1,5 1,5% 2,0%3,0 3,0% 1,5%

4,0%

Manmetro de presso diferencial

Este tipo construtivo adequado para medir a diferena de presso entre dois pontos quaisquer do processo. composto de dois tubos de Bourdon dispostos em oposio e interligados por articulaes mecnicas. A presso indicada re-sultante da diferena de presso aplicada em cada Bourdon.

Figura 28 Manmetro de presso diferencial (SENAI. ES, 1999a, p. 56)

79Captulo 4 Presso

Manmetro tipo diafragma

Este tipo de medidor utiliza o diafragma para medir determinada presso, bem como para separar o fluido medido do mecanismo interno.

Antes foi mostrado o manmetro tipo de Bourdon que utiliza selagem lquida. Apresentamos agora o medidor que utiliza um diafragma elstico. A rea efetiva de recepo de presso do diafragma muda de acordo com a quantidade de deslocamento. Para se obter linearidade em funo de grande deslocamento, deve-se fazer o dimetro com dimenses maiores.

Figura 29 Manmetro do tipo diafragma (SENAI. ES, 1999a, p. 62)

Pressostato

um instrumento de medio de presso utilizado como componente do siste-ma de proteo de equipamento ou processos industriais. Sua funo bsica de proteger a integridade de equipamentos contra sobrepresso ou subpresso aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. constitudo em geral por um sensor, um mecanismo de ajuste de set point e uma chave de duas posies (aberto ou fechado). Como elemento sensor, pode-se utilizar qualquer um dos tipos j estudado, sendo o mais utilizado nas diversas aplicaes o diafragma.


Instrumentos transmissores de presso

Os instrumentos de transmisso de sinal de presso tm a funo de enviar infor-maes distncia das condies atuais de processo dessa varivel. Essas infor-maes so enviadas, de forma padronizada, por meio de diversos tipos de sinais e utilizando sempre um dos elementos sensores j estudados anteriormente (fole, diafragma, cpsula, etc.) associados a conversores, cuja finalidade principal transformar as variaes de presso detectadas pelos elementos sensores em sinais padres de transmisso.

Tipos de transmissores de presso

Vamos analisar agora alguns tipos de transmissores de presso.

Transmissores pneumticos

Esses transmissores, pioneiros na instrumentao, possuem um elemento de transferncia que converte o sinal detectado pelo elemento receptor de presso em um sinal de transmisso pneumtico. A faixa padro de transmisso (pelo sistema internacional) de 20 a 100KPa, porm, na prtica, so usados outros padres equivalentes de transmisso tais como 3 ~ 15psi, 0,2 a 1,0Kgf/cm2 e 0,2 a 1,0 bar.

Transmissores eletrnicos analgicos

Esses transmissores, sucessores dos pneumticos, possuem elementos de de-teco similares ao pneumtico, porm utilizam elementos de transferncia que convertem o sinal de presso detectado em sinal eltrico padronizado de 4 a 20mA. Existem vrios princpios fsicos relacionados com as variaes de presso que podem ser utilizados como elemento de transferncia. Os mais utilizados nos transmissores mais recentes so:

strain gauges;

piezoeltrico;

sensor capacitivo.

Vamos conhec-los.

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Strain gauge

A fita extensiomtrica ou strain gauge um dispositivo que mede a deformao elstica sofrida pelos slidos quando estes so submetidos ao esforo de trao ou compresso. So, na realidade, fitas metlicas fixadas adequadamente nas fa-ces de um corpo a ser submetido ao esforo de trao ou compresso e que tem sua seo transversal e seu comprimento alterado devido a esse esforo imposto ao corpo. Essas fitas so interligadas em um circuito tipo ponte de Wheatstone. Na figura a seguir podemos ver um diagrama da configurao de uma ponte de Wheatstone. Na ponte temos um equilbrio entre as resistncias que tm o formato de um losango. A ponte funciona ajustando-se o balano para condio inicial e que ao ter os valores de resistncia da fita mudada com a presso, sofre desbalanceamento proporcional variao desta presso.

So utilizados na confeco destas fitas extensiomtricas, metais que possuem baixo coeficiente de temperatura para que exista uma relao linear entre resis-tncia e tenso numa faixa mais ampla. Vrios metais so utilizados na confeco da fita extensiomtrica.

A temperatura um fator que altera muito as medies dos instrumentos. Entretanto, o strain gau-ge foi projetado para que no sofresse esta influncia, permitindo assim uma maior exatido em suas medies, e evitando assim erro de leitura que podem afetar a eficientizao energtica.

Figura 30 Diagrama de esforo de um strain gauge (BORTONI, p. 46)


Piezoeltrico

A medio de presso utilizando este tipo de sensor se baseia no fato de os cris-tais assimtricos, ao sofrerem uma deformao elstica ao longo do seu eixo axial, produzirem internamente um potencial eltrico causando um fluxo de carga eltrica em um circuito externo. A quantidade eltrica produzida pro-porcional presso aplicada, sendo ento essa relao linear, o que facilita sua utilizao. Outro fator importante para sua utilizao est no fato de se utilizar o efeito piezoeltrico de semicondutores, reduzindo assim o tamanho e peso do transmissor, sem perda de preciso.

Cristais de turmalina, cermica policristalina sinttica, quartzo e quartzo cultiva-do podem ser utilizados na sua fabricao, porm o quartzo cultivado o mais empregado por apresentar caractersticas ideais de elasticidade e linearidade.

Figura 31 Circuito do sensor piezoeltrico (SENAI. ES, 1999, p. 72)

Sensor capacitivo

Em um sensor capacitivo ou clula capacitiva, um diafragma de medio se move en-tre dois diafragmas fixos. Entre os diafragmas fixos e o mvel existe um lquido de en-chimento que funciona como um dieltrico. Como um capacitor de placas paralelas constitudo por duas placas paralelas separadas por um meio dieltrico, ao sofrer o esforo de presso, o diafragma mvel (que vem a ser uma das placas do capacitor) tem sua distncia em relao ao diafragma modificada. Isso provoca modificao na capacitncia de um circuito de medio e, ento, se tem a medio de presso.

Para que ocorra a medio, o circuito eletrnico alimentado por um sinal de corrente alternada atravs de um oscilador e ento se modula a freqncia ou a amplitude do sinal em funo da variao de presso para se ter sada analgi-ca ou digital. Como lquido de enchimento utiliza-se normalmente glicerina, ou fluor-oil.

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Fique ligado!

Figura 32 Transmissor de presso tipo clula capacitiva (BORTONI, p. 48)

O sensor capacitivo ou clula capacitiva o mais utilizado em sensores de presso.

Quando escolher os tipos de medidores de presso deve-se observar a faixa de medio a ser medida, a caracterstica qumica do fluido e o local de instalao do instrumento. Devido a baixa preciso de medio, perto do ponto zero e pro-teo contra a sobrepresso apropriado escolher um medidor de presso que trabalhe numa faixa de 25% a 70% da presso mxima desejada.

Como proteo da sobrepresso devemos trab

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