Instrumentação Básica1

CURSO BÁSICO INSTRUMENTAÇÃO

INDUSTRIAL

INDICE

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1. INTRODUÇÃO2. CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO3. TERMINOLOGIAS4. SIMBOLOGIAS5. TEMPERATURA6. PRESSÃO

1. INTRODUÇÃO

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A instrumentação é a área da engenharia que engloba as atividades relacionadas à medição de grandezas físicas para monitoração ou controle de sistemas de automação.

Estes instrumentos estarão a todo o momento medindo o valor da variável e corrigindo, se necessário, para o valor desejado;

INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.

Em todos esses processos são absolutamente indispensável controlar ou manter constante algumas variáveis. O objetivo é melhorar a qualidade, aumentar a quantidade produzida e manter a segurança. Por exemplo, precisamos controlar a pressão, a vazão, a temperatura, o nível, o PH, a condutividade, a velocidade e a umidade em muitos destes processos. Os instrumentos de medição e controle são os elementos que nos permitem manter controladas estas variáveis. Na figura 01, temos o nível da instrumentação destacada em negrito.

Figura 01

2. CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO

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Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Os instrumentos podem ser classificados em:

Elemento primário ou sensor;

Transmissor;

Controlador;

Indicador;

Conversor;

Elemento final de controle;

ELEMENTO PRIMÁRIO

É o dispositivo que informa em que valor está à variável de processo;

Esta em contato direto com a variável;

Consegue detectar a alteração na variável de processo;

O elemento primário pode ou não estar acoplado a um transmissor.

Placa de Orifício Termopar

TRANSMISSOR

Instrumento que tem a função de converter sinais do ELEMENTO PRIMÁRIO em outra forma capaz de ser enviada à distância.

O transmissor é um instrumento que sente a variável de processo e gera na saída um sinal padrão.

Transmissor de Temperatura

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OBS.: O elemento primário pode ou não estar acoplado ao transmissor. Mas, em alguns casos o elemento primário e o transmissor já estão agrupados em um mesmo instrumento, como no caso do Transmissor de Pressão da figura abaixo.

Transmissor de Pressão

CONTROLADOR

Instrumento que compara o valor da variável medida/controlada com o desejado (setpoint ou ponto de ajuste) e emite um sinal a fim de que essa diferença seja igual a zero;

Controlador de temperatura, NOVUS.

INDICADOR

Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo sensor, transmissor, etc.

Rotâmetro

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TRANSDUTOR

Também chamado de CONVERSOR, é um Instrumento cuja função é a de receber uma informação na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como um sinal de saída proporcional ao de entrada.

O CONVERSOR é um tipo de TRANSDUTOR que converte um sinal padrão em outro sinal padrão;

ELEMENTO FINAL DE CONTROLE

São equipamentos que recebem o sinal de correção do controlador e, em função deste sinal, modificam / atuam sobre a variável manipulada de uma malha de controle.

Válvula de controle

3. TERMINOLOGIAS

Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos possuem sua própria terminologia. A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes. A terminologia utilizada foi padronizada com o objetivo de permitir que fabricantes, usuários, projetistas e organismos ou entidades que atuam no campo da instrumentação industrial utilizem uma mesma linguagem.

FAIXA DE MEDIDA (RANGE)

Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Se expressa determinando os valores extremos.

EX.: 100 e 500 ºC, 0 e 10 Bar;

ALCANCE (SPAN)

É a diferença algébrica entre os valores superiores e inferiores de faixa de medida (range) do instrumento. O instrumento de range de 100 e 500 ºC tem um SPAN de 400 ºC.

PONTO DE AJUSTE (SET POINT)

É o ponto desejado no qual o controlador é ajustado para controlar o processo.

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ERRO (OFFSET)

No caso de controladores, erro (offset) é a diferença do (set point) e o valor medido da variável controlada.

Erro estático

EXATIDÃO (ACCURACY)

Podemos definir como a aptidão de um instrumento de medição para dar as respostas próximas a um valor verdadeiro.

A exatidão pode ser descrita de três maneiras;

Percentual do fundo de escala (% do FE)

Percentual do Span (% do Span)

Percentual do valor lido (% do VL)

EXEMPLOS:

1) Para um sensor de temperatura com RANGE de 50 a 250 ºC e valor medido de 100 ºC determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições:

Exatidão de 1% do FE, Span e VL.

2) Ao longo de um ensaio de um medidor de distância a laser, foram anotadas as seguintes medida do instrumento: 241.3 mm, 241.7 mm e 241.2 mm. Sendo o valor real de 241,5 mm e a exatidão nominal do instrumento de 0.1 % do valor real, determine se o mesmo está operando corretamente.

3) Um fabricante de galvanômetro indica que a exatidão de seu instrumento na faixa de 5 a 600 mA é de mais ou menos 1% do valor verdadeiro. Em um ensaio de calibração , o medidor exibiu 195 mA contra uma fonte padrão de 200 mA. Determine a condição do instrumento.

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REPETIBILIDADE (REPETIBILITY)

Também chamada de precisão, é o grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas.

As medições devem ser feitas nas mesmas condições, tais como: métodos de medição, observador, instrumento de medida, local e etc.

SENSIBILIDADE (SENSITIVY)

Muitas vezes chamada de GANHO, é a variação da resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação do estímulo.

Sensitivy = (SPAN DE SAÍDA / SPAN DE ENTRADA).

LINEARIDADE

É altamente desejável que instrumentos tenham características de entrada e saída linear;

Esse conceito se aplica a sensores analógicos.

É o grau de proporcionalidade entre a saída do instrumento e a grandeza medida;

EX.:

Em um ensaio de calibração de um sensor ultrassônico, foram obtidas as voltagens abaixo para as distâncias padronizadas. Determine o erro de linearidade como % do valor teórico.

Mm V

500 2.481

1000 4.195

2000 6.924

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ZERO

Descreve as mudanças na leitura do valor zero em um instrumento em função de mudanças ambientais; “É o deslocamento da reta linear do instrumento”;

HISTERESE

É o erro máximo apresentado por um instrumento para o mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala no sentido ascendente e descendente, é expresso em porcentagem do Span do instrumento;

EXERCÍCOS

1. Com a folha de dados abaixo, identifique a grandeza medida, a função do instrumento e o sinal de saída?

2. Qual a função de um transmissor?

3. Qual a função do elemento final de controle?

4. Qual a função do transdutor?

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5. Que tipo de instrumento recebe um sinal de 4-20mA e libera um sinal de 3 a 15 Bar?

6. Defina controle manual e controle automático.

7. Quais dos instrumentos abaixo são elementos finais de controle:

a) Transmissor de Pressão;b) Sensor de temperatura;c) Transmissor de umidade;d) Atuador Proporcional;e) Bombas centrífugas;f) Fluxostato;

4. SIMBOLOGIA

SIMBOLOGIA E IDENTIFICAÇÃO (TAG)

Praticamente em todas as áreas da engenharia temos representações através de diagramas, seja na mecânica com o desenho das peças, Seja na elétrica com os diagramas de projeto. Da mesma forma é na instrumentação também precisamos de diagramas que representem através de símbolos e códigos o funcionamento de um determinado processo.

O chamado DIAGRAMA DE PROCESSO é um diagrama que apresenta através de símbolos, como estão dispostos os equipamentos ao longo do processo industrial, em que Na instrumentação podemos chamar de FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA. Na automação existem outros diagramas tais como: Diagrama de Interligação, Diagrama Lógico, etc;

Para tudo existe norma, portanto, a norma que se enquadra as simbologias e codificação em instrumentação é a norma internacional ISA s5.1. No entanto existe uma versão brasileira desta norma a NBR 8190, que também trata de toda simbologia e identificação em instrumentação.

De acordo com a norma ISA-S5 e a NORMA NBR-8190 da ABNT cada instrumento ou função programada deverá ser identificado por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a

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SIGNIFICADO DAS LETRAS DE IDENTIFICAÇÃO

SÍMBOLOS

VÁLVULAS DE CONTROLE

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VAZÃO

PRESSÃO, TEMPERATURA E NÍVEL

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SIMBOLOGIAS DO MEIO DE TRANSMISSÃO

OBSERVAÇÕES

O que interessa na identificação é a função e não a construção do instrumento;

Um registrador de pressão diferencial usado para registro de vazão é identificado como FR;

Malhas de controle: A primeira letra corresponde à variável medida. Uma válvula de controle que varia uma vazão para controlar um nível é denominada LV;

As letras modificadoras devem ser colocadas logo após as letras que modificam;

O número de letras não deve ultrapassar a 4;

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Se o instrumento é registrador e indicador da mesma variável, o I de Indicador pode ser omitido;

Todas as letras devem ser maiúsculas;

Para cada função de um instrumento deverá ser colocado junto ao desenho círculos concêntricos tangenciais;

Exemplo:

Um controlador de temperatura com chave de nível alto. O instrumento pode ser designado como TIC/TSH-3 :

EXERCÍCIOS

1. Descreva a função de cada instrumento da figura abaixo.

2. Descreva os seguintes TAGs;

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FI___________________________;

FIT__________________________;

HS__________________________;

IS___________________________;

PT__________________________:

PDIT________________________;

PI___________________________;

ZSLH________________________;

FLS__________________________;

5. TEMPERATURAS

TERMISTORES

São resistores termicamente sensíveis, constituídos de materiais semicondutores que variam sua resistência baseado na temperatura. Os termistores Necessitam de uma corrente de excitação;

PTC

São termistores que apresentam coeficiente térmico positivo, ou seja, sua resistência aumenta com a temperatura;

NTC

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São termistores que apresentam coeficiente térmico negativo, ou seja, sua resistência decresce com um aumento da temperatura;

TERMOPARES

Um termopar consiste em dois condutores metálicos de natureza distinta na forma de metais puros ou ligas homogenias. Os fios são soldados em um extremo e a outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição. Colocando as duas junções do termopar submetidas a temperaturas diferentes o mesmo gera uma tensão na ordem de mV.

Os termopares possuem duas junções, que são:

Junta de medição, ou junta quente;

Junta de referência, ou junta fria;

TERMOPARES

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EFEITO TERMOELÉTRICO DE SEEBECK

O efeito da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes (A e B) ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura entre as suas junções. A existência de uma F.E.M térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck.

Se mantiver a temperatura no ponto Tr constante, a FEM irá depender apenas da variação da temperatura no ponto Tm.

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal diferem de um condutor para o outro e dependem da temperatura.

LEIS TERMOSLÉTRICAS

LEI DO CIRCUITO HOMOGÊNIO

A gradiente de temperatura independe da temperatura ao longo do termopar, mais sim, da composição química dos dois metais e das temperaturas das duas junções.

LEI DOS METAIS INTERMEDIÁRIOS

A soma algébrica das FEM terminais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver a mesma temperatura.

LEI DAS TEMPERATURAS INTERMEDIÁRIAS

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A aplicação prática desta lei é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

EXERCÍCIOS

1. Com uso da tabela do termopar correspondente indique as temperaturas nos processos abaixo;

TERMOPAR TIPO K

TERMOPAR TIPO J

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ERROS DE LIGAÇÃO

USANDO FIOS DE COBRE

INVERSÃO

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FIOS DE EXTENSÃO

Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura, através de termopares, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor. Nestas condições torne-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar, através de fios que possuam uma curva

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de força eletromotriz em função de temperatura similar aquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correção na junta de medição.

EXEMPLOS:

TX, RX, KX, JX, EX, etc.

OBS.: Os cabos de extensão possuem polaridade, fique atento a este detalhe para não ter problemas na leitura de temperatura.

TIPOS DE TERMOPARES

TERMOPARES BÁSICOS

Maior uso industrial;

Custo relativamente baixo;

TERMOPARES TIPO T (Adotado pela Norma ANSI):

Composição: Cobre(+) / Cobre – Níquel(-);

Faixa de utilização: -200 a 350ºC;

Utilização:

Adequados para medições abaixo de zero graus. Apresentam boa precisão na sua faixa de utilização.

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Criometria;

Indústrias de refrigeração;

Químicas e Petroquímicas;

TERMOPARES TIPO J:

Composição: Ferro(+) / Cobre – Níquel(-);

Faixa de utilização: -40 a 750ºC;

Utilização:

Não se recomenda o uso abaixo de zero graus.

Centrais de energia;

Metalúrgica;

Química e petroquímica;

TERMOPARES TIPO E:

Composição: Níquel – Cromo(+) / Cobre – Níquel(-);

Faixa de utilização: -200 a 900ºC;

Utilização:

Químicas e Petroquímicas;

Adequados para medições abaixo de zero graus;

TERMOPARES TIPO K:

Composição: Níquel – Cromo(+) / Níquel - Alumínio(-);

Faixa de utilização: -200 a 1260ºC;

Utilização:

Metalúrgica, siderúrgica, fundição, Industrias em geral.

TERMOPARES NOBRES

São aqueles que são constituídos de Platina;

Possuem custo elevados;

Exige instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido a baixa potências termoelétrica;

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S,R,B Platina –Rhódio, 0 a 1800º

Utilização:

Siderúrgica, fundição, metalúrgica, vidro, cimento, etc.

CORRELAÇÃO ENTRE TEMPERATURA E FEM

TERMORESISTÊNCIA

Variam sua resistência de acordo com a temperatura;

Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura.

os materiais mais utilizados para se criar as termo resistência são:

- Platina (Pt)

- Níquel (Ni)

- Cobre

São muito utilizados na indústria;

PT 100

Termo resistência de Platina;

PT-100, PT-1000, Ni-100, Cu-100.

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A termo resistência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua grande estabilidade e precisão;

Convencionou-se chamá-la de Pt-100, (fios de platina com 100 a 0ºC).Sua faixa de trabalho vai de -200 a 650ºC;

Apresenta ampla escala de temperatura;

Apresenta uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade;

Apresentam uma boa linearidade resistência x temperatura;

APLICAÇÕES TÍPICAS:

Processos industriais

Plantas

Aquecedores d'água

Sistemas de aquecimento

Sistemas de ar condicionado

Sistemas de ventilação

Fogões

LIGAÇÃO A DOIS E TRÊS FIOS

COMPARAÇÃO TERMOPARES \ TERMORESISTÊNCIA

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Vantagens:

a) Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que os outros tipos de sensores.

b) Tem características de estabilidade e repetitividade melhores do que os termopares.

c) Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação.

d) Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessário somente fio de cobre comum.

e) Se adequadamente protegido (poços e tubos de proteção), permite a utilização em qualquer ambiente.

f) Curva de Resistência x Temperatura mais linear.

g) Menos influenciada por ruídos elétricos.

Desvantagens:

a) São mais caras do que os sensores utilizados nesta mesma faixa.

b) Range de temperatura menor do que os termopares.

c) Deterioram-se com mais facilidade, caso se ultrapasse a temperatura máxima de utilização.

d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação.

e) Possui um tempo de resposta mais alto que os termopares.

f) Mais frágil mecanicamente

6. PRESSÃO

Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível, etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio.

Devido à natureza dos fluídos; como gases, vapores, fluidos limpos, viscosos, pastoso e corrosivo, empregam várias técnicas em sua medição, assim como vários conceitos de física e de hidrostática.

DEFINIÇÃO

Pressão pode ser definida como a força aplicada perpendicularmente (90 Graus) a uma área;

PRINCÍPIO DE PASCAL

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O acréscimo de pressão produzido num líquido em EQUILÍBRIO transmite-se integralmente a todos os pontos do líquido.

PRINCÍPIO DE STIVEM

A diferença de pressão entre dois pontos situados em cotas diferentes é igual a:

P1 = g h1 + Patm

P2 - P1 = g h

PRESSÃO ESTÁTICA

É a pressão exercida em um ponto, em fluidos estáticos, que é transmitida integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais (Princípio de Pascal).

PRESSÃO DINÂMICA

É a pressão exercida por um fluido em movimento paralelo à sua corrente.

PRESSÃO TOTAL

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É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento.

PRESSÃO ABSOLUTA

É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a soma da pressão atmosférica do local e a pressão manométrica.

PRESSÃO RELATIVA OU MANOMÉTRICA

É a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo ser positiva ou negativa.

PRESSÃO DIFERENCIAL

É o resultado da diferença de duas pressões medidas. Normalmente usada para medir outras variáveis de processo.

OBSERVAÇÕES IMPORTANTES

3 Kgf/cm2 ABS - Pressão Absoluta 4 Kgf/cm2 - Pressão Relativa Na indústria a maior parte dos instrumentos mede pressão relativa. Pressão acima da atmosfera é dita positiva ou efetiva. Pressão abaixo da atmosfera é dita negativa ou vácuo.

UNIDADES

A pressão possui vários tipos de unidade. Em geral são para medição de pressão, as unidades Pa, N/m², kgf/cm², mmHg, mH2O, lbf/pol2, Atm e bar.

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PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO

TIPOS DE MANÔMETROS

MANÔMETROS DE LÍQUIDOS

TIPO TUBO EM U;

TIPO TUBO RETO;

TIPO TUBO INCLINADO;

MANÔMETRO ELÁSTICO

TIPO TUBO DE BOURDON;

TIPO C;

TIPO ASPIRAL;

TIPO HELICOIDAL;

OUTROS MANÔMETROS ELÁSTICOS

DIAFRAGMA;

FOLE;

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MANÔMETROS DE COLUNA DE LÍQUIDO MAIS CONHECIDOS

ELEMENTOS ELÁSTICOS

Dispositivos que se deformam: Diafragma, fole, Tubo de Bourdon.

DENTRO DE UM LIMITE DEFINIDO DE ELASTICIDADE A DEFORMAÇÃO PROVOCADA EM UM CORPO SÓLIDO É PROPORCIONAL AO ESFORÇO APLICADO SOBRE ELE.

BOURDON

Custo relativamente baixo;

Pressão manométrica de líquidos e gases;

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DIAFRÁGMA OU MEMBRANA

Constituído de um disco de material elástico;

Uma haste fixada no centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação;

O deslocamento da membrana é proporcional à pressão aplicada;

FOLE

É basicamente um cilindro metálico, corrugado e sanfonado;

A pressão é aplicada no interior do fole provocando uma distensão do material;

O deslocamento é proporcional à pressão aplicada a parte interna;

CÉLULAS CAPACITIVAS

Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor;

Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico;

O circuito eletrônico gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada a câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva;

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SENSOR TIPO PIEZOELÉTRICO

Os elementos piezelétricos são cristais (como o quartzo, a turmalina e o titanato) que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina Através da deformação da célula;

Sinal de reposta é linear com a variação da pressão;

É um fenômeno reversível, se for conectado a um potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina;