INSTRUMENTAÇÃO BÁSICA Definição: É a ciência que aplica e desenvolve técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos, através de instrumentos, dispositivos mecânicos, elétricos, eletrônicos e microprocessados, visando a qualidade e eficiência do processo. Variável de Processo (PV) É aquela que indica diretamente a forma ou estado desejado do produto. Considere a figura a lado, a finalidade do sistema é fornecer uma vazão de água aquecida, ou seja, a variável de processo é a temperatura da água de saída.

Meio Controlado: É a energia ou material no qual a variável é controlada. O meio controlado é a água na saída do processo, onde a variável de processo, temperatura, representa uma característica da água. Variável Manipulada: É aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável do processo que causa uma variação rápida na variável controlada e que seja fácil de se manipular. Para o aquecedor, a variável manipulada pelo controlador deverá ser a vazão de vapor.

Malha de Controle: É a ação de medir a variável de processo (PV), comparar com um valor pré-determinado (SP – set-point) e atuar na variável manipulada de modo a minimizar o erro. A malha de controle pode ser aberta ou fechada.

Instrumentação:

Instrumentos de Campo Instrumentos de Painel

Elementos Primários: São aqueles que alteram uma variável física no processo, ou altera o seu estado físico para efetuar uma medição. Estes instrumentos trabalham associados com outros, pois, sozinho não consegue dar nenhuma informação. - Placa de Orifício – FE (Elemento primário para medir vazão) - PT100 ou Termopar - TE (Elemento primário para medir temperatura) Indicadores de Campo: São instrumentos que nos fornece uma indicação visual das variáveis de processo. � Manômetros – PI

(Indicador de Pressão) � Termômetros – TI

(Indicador de Temperatura) � Manômetros – PI (Indicador de Pressão)

Opera com todos os líquidos e fluídos, exceto aqueles muito viscosos ou com tendência à cristalização. Classe de precisão 1% . Ideal para indústrias químicas, petroquímicas e farmacêuticas, papel e celulose, usinas de açúcar e álcool. Transmissores: Instrumento que mede uma determinada variável e transmite esta informação em um sinal proporcional e padronizado em instrumentação. Esta transmissão pode ser:

pneumática (3 – 15 psi ), elétrica (4 – 20 mA) ou digital utilizando algum protocolo de comunicação

(Profibus–PA , FieldBus). Tipos de Transmissores:

� Transmissor de Pressão – PT � Transmissor de Nível – LT � Transmissor de Temperatura – TT � Transmissor de Vazão – FT � Transmissor de pH – AT � Transmissor de Condutividade - AT � Transmissor de Umidade - AT � Transmissor de Concentração de O2 - AT � Transmissor de Brix - AT

Dispositivos de Chave: Utilizado para informar a situação de um equipamento (Sensor de rotação), valores extremos de uma variável (alarme ou trip), ou o limite de um movimento do equipamento (fim de curso p/ válvulas). Modelos:

Pressostato – PSL/PSH Fluxostato – FSL/FSH Termostato – TSL/ TSH (Intertravamento, Alarme, Trip) Sensor Magnético (sensor rotação, fim de curso p/ válvulas) Sensor Capacitivo (sensor nível)

Elementos Finais de Controle: Dispositivo que atua diretamente no processo para modificar o valor da variável manipulada de uma malha de controle.

Válvula de Controle de Temperatura – TCV (Controla a Vz Vapor para um Trocador de Calor)

Inversor de Freqüência em uma Bomba - LCZ (Controle de Nível)

Inversor de Freqüência em uma Bomba - FCZ (Controle de Vazão)

Indicadores de Painel: São instrumentos que nos fornece uma indicação visual das variáveis de processo, normalmente não estão em contato com o campo, pois, utiliza um sinal padronizado de instrumentação, fornecido por um transmissor ou conversor.

Ινδιχαδορ Ν�ϖελ � ΛΙ Indicador Pressão – PI Indicador Temperatura – TI

Conversores: Transforma a informação da variável física de entrada, em um sinal de saída proporcional e padronizado em instrumentação.

Conversor (3 a 15 psi) p/ (4 a 20 mA) Conversor (4 a 20 mA) p/ (0 a 10 V) Conversor (TC – K ) p/ (4 a 20mA) Conversor (PT - 100) p/ (4 a 20mA)

Controladores: Instrumento que executa um algoritmo do tipo PID, e gera uma saída para o elemento final de controle. O Controle é feito a partir do erro encontrado entre o Set-Point (valor ajustado pelo operador) e o valor da Variável de Processo (PV). Este erro é submetido a um algoritmo do tipo PID, a qual os valores de proporcional, integral e derivativo são ajustados de acordo com a malha.

CD600 (Controlador Digital) – LIC/FIC/PIC/TIC PLC (Controlador Lógico Programável) - LIC/FIC/PIC/TIC

Terminologia: Definição: São definições e termos técnicos no campo de instrumentação com o objetivo de promover a mesma linguagem.

Range (faixa de medida) Conjunto de valores da variável medida, que está compreendida dentro do limite inferior e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando-se os valores extremos. Exemplo: 100 a 500 ºC 0 a 10 Kgf/cm2 -50 a 150 mmCA Span (alcance) É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Exemplo: Um instrumento de 200 a 500 ºC têm um Span de 300 ºC Erro: Diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação real da variável medida. Pode ser estático ou dinâmico.

Precisão: É o maior valor de erro estático que um instrumento possa ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expresso em porcentagem do span ou em unidade da variável. Em porcentage da variável: Um instrumento com range de 50 a 150 ºC, está indicando 80 ºC e sua precisão é de ± 0,5 % do span. Temperatura: Definição: É o grau de agitação térmica das moléculas, pois, toda a substância são constituídas de pequenas partículas (moléculas) que estão em contínuo movimento. Quanto maior a temperatura mais rápido é o movimento das moléculas. Na prática a temperatura é representada por uma escala numérica, onde, quanto maior é seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão. Escala: Fahrenheit Definida com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes pontos fixos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. O símbolo da unidade é “ ºF ”. Celsius: Definida com o valor 0 no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes pontos fixos é dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. O símbolo da unidade é “ ºC ”. Medidores de Temperartura: Termômetro À dilatação de líquido (Termômetro de vidro) Esta baseado na lei de dilatação volumétrica de um líquido dentro de um recipiente. É feito de um tubo de vidro sob vácuo tendo em uma das extremidades um bulbo ligado á um tubo capilar. O bulbo é preenchido com um líquido que se expande pela ação do calor, indicando em uma escala gravada diretamente sobre o vidro ou sobre uma escala externa. Termômetro Bimetálico: São dois metais, com diferentes coeficientes de dilatação térmica, soldado entre si e preso a um apoio fixo em uma das suas extremidades. O aumento de temperatura, resulta em uma deflexão das lâminas. Na prática os dois metais

são soldados de maneira a formar uma lâmina que é enrolada em forma de espiral, aumentando a sua sensibilidade Termo resistência (PT 100) Os bulbos de resistência são sensores que se baseiam no principio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, cobre e níquel. platina, cobre e níquel Estes metais apresentam estas características

Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor;

Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura; Alta rigidez para ser transformado em fios finos.

Termopares: São dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição da F.E.M. (Força EletroMotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde o termopar se conecta ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência. TIPO J

VANTAGENS 1) Baixo custo 2) Indicados para serviços contínuos até 760°C em

atmosfera neutra ou redutora

TIPO J

RESTRIÇÕES 1) Limite máximo de utilização em atmosfera oxidante de 760°C devido à rápida oxidação do ferro.

2) Utilizar tubo de proteção acima de 480°C

TIPO K

ELEMENTO POSITIVO Chormel

ELEMENTO NEGATIVO Alumel

FAIXA DE TEMPERATURA USUAL

0 a 1260ºC

TIPO K

VANTAGENS 1) Indicado para atmosfera oxidante. 2) Para faixa de temperatura mais elevada fornece

rigidez mecânica melhor do que os tipos S ou R e vida mais longa do que o tipo J.

TIPO K

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

Pressão: Definição: É a força aplicada uniformemente sobre uma superfície. É uma variável muito importante no processo industrial, pois, a sua medição pode determinar outras variáveis como vazão, nível e densidade.

Unidade de Pressão: A PRESSÃO pode ser expressa em várias unidades UNIDADE SIGNIFICADO

Kgf/cm2

Kgf – unidade de força cm2 – unidade de superfície

PSI

P - “Pound = Libra” unidade de força SI - “Square Inch = Polegada Quadrada” = unidade de superfície

N/m2 ou Pa (Pascal)

N – “Newton” unidade de força m2 = unidade de superfície

Pressão Relativa: Conhecida como pressão efetiva ou manométrica. É medida tomando como referência a pressão atmosférica e pode ser positiva ou negativa (vácuo). Pressão Atmosférica: É a pressão exercida pela camada gasosa que envolve a terra, aproximadamente 50 Km. No nível do mar e a 0ºC esta pressão é igual a 1 ATM = 760mmHg. Pressão Absoluta: É a pressão medida a partir do vácuo perfeito (zero absoluto). As unidades de pressão na escala absoluta devem ser precedidas com a letra “a”. Pressão absoluta = Pressão relativa + Pressão atmosférica Medidores de Pressão: Medidores por Coluna Líquida São dispositivos constituídos por um tubo transparente de secção circular e uniforme, contendo um líquido de densidade conhecida e medem pressões relativamente baixas com excelente precisão.

Colunas em U É utilizada em:

medições de pressão; pressão diferencial e vácuo.

Transmissor Pressão Capacitivo Um capacitor possui a capacidade de armazenar energia na forma de um campo eletrostático e também pode se opor a variações de tensão. Transmissor Pressão Capacitivo É constituído por um par de placas condutoras separadas por um material isolante (dielétrico), e o valor da capacitância é dado por : Transmissor Pressão Capacitivo Baseado neste principio, foi desenvolvido a célula capacitiva para medição de pressão relativa ou diferencial, que é formada por duas placas fixas em estrutura isolante (vidro) e entre as placas um diafragma sensor. As pressões P1 e P2 são aplicadas sobre dois diafragmas isoladores que transmitirão através de um líquido de enchimento (dielétrico) a pressão diferencial ao diafragma sensor. A alteração da distância relativa entre as placas provoca a alteração da capacitância que é conectada a circuitos eletrônicos responsáveis pela conversão em sinal analógico. Nível: Definição: É a altura de um produto em um recipiente. É necessário para a contabilidade de material estocado, distribuição da matéria prima para processamento e para a própria operação. Os principais métodos de medição de nível são:

Régua ou gabarito Visores de Nível Medição de Nível por delta P Medição por célula de carga Medição por Ultrasom Medição por Radiação Medição tipo Capacitivo

Régua ou Gabarito: Consiste em uma régua graduada, que tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido. A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido. Visores de Nível: Consiste em um tubo de vidro, com seus extremos conectados a blocos metálicos onde possuem válvulas de bloqueio e dreno. Medição de Nível por Delta P É a medição de nível por pressão hidrostática, esta baseada no Teorema de Stevin, que relaciona o nível de um reservatório pela pressão hidrostática gerada pela coluna líquida dentro do reservatório. Medição por Célula de Carga: A medição é feita determinando o peso total do reservatório onde contém o produto. Deste total é subtraído o peso do reservatório, obtendo-se o peso do produto e a partir das dimensões do tanque e da densidade do produto chega-se ao nível. Medição tipo Ultrasom: Este tipo de medição se baseia na emissão de um sinal de ultrasom (c/ freqüência acima de 20 KHz) que será refletido na superfície do líquido e captado por um receptor. Esta técnica de medição, chamada eco-sônica, mede o tempo gasto pela onda desde o instante em que é gerada até o instante em que retorna ao receptor. Medição por Radiação: O sistema de medição por radiação consiste em um emissor de raios-gama (Cobalto 60, Césio 137, etc) montado verticalmente na lateral do tanque. Do outro lado do tanque, temos um detetor de radiação, por exemplo do tipo Contador Geiger, que transforma a radiação gama recebida, em um sinal elétrico de corrente contínua. Vazão: Definição: A determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo. O produto pode ser medido em unidades de

Volume Litros; mm3; cm3; m3; Galões

Unidades de massa

g; Kg; Toneladas; Libras

Dividida por uma unidade de tempo (seg, min, hora). Tipos de Medidores de Vazão:

Placa de Orifício (Pressão Diferencial) Bocal (Pressão Diferencial) Rotâmetro (Área Variável) Turbina (Velocidade) Medição por Tensão Induzida (Medidor Magnético)

Medição por elementos deprimogênios (placa de orifício, Bocal) A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluído passe através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluido diminuindo a área de seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode ser medida a partir desta queda. Medição por velocidade (turbina): Consiste em um rotor provido de palhetas em ângulo com seu eixo de rotação paralelo ao fluxo. Uma bobina alimentada por uma fonte externa de energia produz um campo magnético e cada vez que uma palheta cruza o campo magnético gera um impulso devido a relutância do fluxo magnético. O sinal de saída é uma seqüência de pulsos cuja freqüência é proporcional a vazão. O sinal gerado pelas turbinas pode ser tanto para medição de vazão como para totalização. Medição por tensão induzida (medidor magnético de vazão) A lei de Faraday estabelece que a tensão induzida através de um condutor ao mover-se perpendicularmente entre um campo magnético é proporcional a velocidade do condutor. O campo magnético é formado por um eletroímã, ou por um par de bobinas alimentadas por uma fonte de corrente alternada. Dois eletrodos são colocados nas paredes do medidor que é revestido por um material isolante (normalmente

teflon). De acordo com a lei de Faraday, quando o fluído atravessar o medidor cortando as linhas do fluxo magnético, uma pequena tensão será induzida entre os eletrodos sendo proporcional ao movimento do fluído. A milivoltagem gerada é amplificada e convertida em sinal analógico padronizado para instrumentação (4-20 mA). Controladores Lógicos Programáveis Definição: É um controlador de alta velocidade, com arquitetura flexível, capaz de efetuar controles lógicos, funções de controle avançada e comunicação com outros dispositivos. O CLP permite alterar seu programa sem parar o processo produtivo. CLP: Tradução para o português da sigla Programmable Logic Controller, ou seja, Controlador Lógico Programável, a qual tem sua utilização restrita uma vez que se tornou marca registrada de propriedade exclusiva de um fabricante nacional. Antiga Metal Leve Controle eletrônico sendo posteriormente adquirida pela Rockwell Automation. PLC: Abreviatura do termo em inglês Programmable Logic Controller Histórico: O desenvolvimento do CLP iniciou-se em 1968 em resposta a uma requisição da Divisão Hidramática da General Motors. Naquela época, a General Motors freqüentemente passava dias ou semanas alterando sistemas de controle baseados em relés, sempre que mudava um modelo de carro ou introduzia modificações na linha de montagem. Para reduzir o alto custo de instalação decorrente destas alterações, a especificação de controle da GM necessitava de um sistema de estado sólido, com a flexibilidade de um computador, mas que pudesse ser programado e mantido pelos engenheiros e técnicos na fábrica. Também era preciso que suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e os extremos de umidade e temperatura encontrados normalmente num ambiente industrial Os primeiros CLP’s foram instalados em 1969, fazendo sucesso quase imediato. Funcionando como substitutos de relés, até mesmo estes primeiros CLP’s eram mais confiáveis do que os sistemas baseados em relés, principalmente devido a robustez de seus componentes de estado sólido quando comparados as peças móveis dos relés eletromecânicos. Os CLP’s permitiram reduzir os custos de materiais, mão-de-obra, instalação e localização de falhas ao reduzir a necessidade de fiação e os erros associados. Os CLP’s ocupavam menos espaço do que os contatores, temporizadores e outros componentes de controle anteriormente utilizados. E a possibilidade de serem reprogramados permitiu uma maior flexibilidade para trocar os esquemas de controle. Talvez a razão principal da aceitação dos CLP’s pela indústria foi que a linguagem inicial de programação era baseada nos diagramas ladder e símbolos elétricos usados normalmente pelos eletricistas.

Funcionamento: Todas as suas operações são programadas, para uma determinada aplicação, por meio de comandos pré-definidos. O Controlador Lógico Programável trabalha de forma cíclica, ou seja, existe um tempo (scan) para a realização de suas tarefas. Sua tarefa repetitiva é fazer leitura dos dispositivos de entrada, executar o programa criado pelo usuário, atualizar suas saídas e executar diagnósticos.

FIM