Conceitos Básicos De Instrumentação Industrial

Instrumentação: Ciência que estuda, desenvolve e aplica técnicas de medição, indicação, registro e controle de variáveis nos processos industriais visando a otimização dos mesmos. Instrumento: Dispositivo utilizado para medir grandezas características dos sistemas. Pode ser visto como um dispositivo que recebe um estímulo na entrada e produz uma saída, são classificados pela função, sinal de transmissão e suprimento. Grandezas: Pressão, Temperatura, Nível, Vazão e Analítica. Sinais Transmissão. •

Discretos: Presença ou não de evento. (ON/OFF)

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Analógico: Sinal que identifica todos os valores intermediários dentro de uma faixa de trabalho.

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Digital: Identificam várias informações por meio de protocolos de comunicação, pacotes de informações.

Padrão Internacional para sinais de transmissão analógicos. 4 a 20mA / 1 a 5Vdc 3 a 15 PSI (Europa) 20 a 100KPA (EUA) 0,2 a 1,0 Kgf./cm² (BR) •

Suprimento: 24DC, 48DC, 220VAC / 20 PSI, 140 KPA, 1,4 Kgf./cm²

Instrumentos Pneumáticos são mais utilizados em áreas classificadas. Alguns Tipos de comunicação digital. Protocolo HART Protocolo SMART Fieldbus MODBUS PROFIBUS Diversas comunicações sem fio. Processo Industrial: Conjunto de equipamentos/plantas interligados que compõem um sistema produtivo. Medição e Controle: Geralmente os instrumentos de medição/transmissão estão ligados em um sistema de controle qualquer que identifica a sua medição, faz cálculos de acordo com a sua programação e atua elementos de controle que estão

contidos no processo a fim de corrigir o desvio do processo em relação á o valor desejado. Nomenclatura de instrumentos e malhas de controle O TAG de um instrumento é constituído por;

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Conjunto de letras que o identificam funcionalmente: a primeira letra indica a variável medida (pressão, temperatura, nível, vazão, analítica) e as letras seguintes indicam as funções adicionais do instrumento (indicador, registrador, controlador, integrador, etc.).

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Números: Identificam à malha de controle do instrumento, todos os instrumentos desta mesma malha devem possuir o mesmo número de identificação. Ex: TIC – 21 Controlador e Indicador de Temperatura / Malha 21

Obs.: •

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

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A primeira letra corresponde à variável medida. Uma válvula de controle que varia uma vazão para controlar um determinado nível é denominada LV ou LCV.

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Quando as letras C e V são usadas em conjunto, C (control) deve proceder V (valve), ex, HCV: Válvula de Controle Manual.

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Todas as letras devem ser maiúsculas.

Classificação por Função: Os instrumentos de medição e controle são classificados por sua função, sinal transmitido ou suprimento e tipo de sinal. Alguns instrumentos podem encontrar – se interligados com o objetivo de realizar uma determinada tarefa, a associação desses instrumentos chama – se malha e em uma malha cada instrumento tem a sua função.

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Detector: Elemento primário em contato com o processo pode ser ou não parte de um transmissor.

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Transmissor: Instrumento que pega o sinal do elemento primário e o transforma proporcionalmente em um sinal padronizado de comunicação e o transmite para outros instrumentos geralmente localizados no painel de controle.

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Indicador: Instrumento que irá indicar ao operador a quantidade medida que foi enviada pelo detector/transmissor.

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Registrador: Instrumento que registra em forma de gráficos ao longo de um tempo valores transmitidos pelo detector/transmissor.

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Conversor: Instrumento cuja função é de converter um sinal padronizado que chega à entrada em outro sinal na sua saída também padronizado e proporcional á sua entrada.

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Unidade Aritmética: Instrumento que realiza instruções de acordo com determinadas expressões nos valores recebidos pela sua entrada e fornece um resultante da operação na saída.

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Integrador: Instrumento que indica o valor obtido pela integração de quantidades medidas em um determinado tempo.

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Controlador: Instrumento que compara o sinal medido da variável de processo e o compara com o set point e baseado na diferença entre eles, gera um sinal de correção que será transmitido á um elemento final de controle.

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Elemento Final de Controle: É o instrumento que fará a manipulação da variável reguladora a fim de efetuar a manutenção da variável de processo.

Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento

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Pneumático: Utiliza como sinal de comunicação um gás comprimido cuja pressão varia linearmente de acordo com a variável medida ou conforme o valor que se deseja representar, essa faixa de variação é padronizada internacionalmente. A grande vantagem da utilização de instrumentos pneumáticos é que são instrumentos que podem ser operados em áreas classificadas, mas também possui algumas desvantagens como: necessita de tubulações especificas para o seu suprimento e comunicação, precisa de equipamentos auxiliares para o suprimento e tratamento do gás comprimido (compressores, filtros, etc.), sua transmissão é limitada á certa distância (aproximadamente 100m), difícil de detectar vazamentos em toda a extensão da linha, etc.

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Hidráulico: Utiliza a variação de pressão em fluídos hidráulicos para se transmitir um sinal. Vantagens, resposta rápida e pode gerar grandes forças em pouco espaço e acionar equipamentos de grande peso e dimensão. As desvantagens são parecidas com o do tipo pneumático, mas acrescentando alguns detalhes como manutenção preventiva do sistema no geral como troca de óleo dos componentes, troca de filtro periodicamente, alto custo inicial de aquisição, etc.

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Elétrico: Utiliza Sinais elétricos de corrente ou tensão, hoje em dia um dos sinais mais utilizados na indústria onde não há risco de explosão por curto circuito. O sinal é linearmente modulado de acordo com a variação da grandeza que se está transmitindo/medindo entre um inicio e fim de faixa de medição (range). Para transmissões de longas distâncias (500m) utiliza – se sinais de corrente contínua variando de 4 a 20 mA e para curtas distâncias (15m a 30m) pode –se utilizar também um sinal de tensão continua que varia de 1 a 5 V. Vantagens, não se necessita de equipamentos auxiliares, os condutores que alimentam o instrumento são os mesmos que transmitem a variação do sinal (2 fios), transmissão a longas distâncias sem perdas, conexão fácil com computadores, fácil instalação, etc. Desvantagens, os

cabos de sinal devem ser protegidos contra interferência, necessita de mão de obra especializada, em áreas classificadas necessita de instrumentos e cuidados especiais, etc.

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Digital: Pacotes de informações são enviados á um receptor com diversas informações sobre a variável medida através de sinais digitais modulados. Para que a comunicação entre o transmissor e o elemento receptor seja realizada é utilizada uma comunicação padrão denominada protocolo de comunicação. Vantagens, menor custo final, imune a ruídos externos, não necessita de ligação ponto a ponto dos instrumentos, permite configuração, diagnósticos de falhas e calibração em qualquer ponto da malha, etc. Desvantagens, existência de diversos protocolos no mercado tornando difícil a compatibilização da comunicação entre alguns componentes de fabricantes diferentes, caso haja rompimento em algum cabo de comunicação pode se perder a comunicação de toda uma malha de controle ou várias outras.

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Rádio freqüência: Utiliza ondas de rádio freqüência para transmissão dos dados da variável medida. Vantagens não utilizam cabos de comunicação, pode ser utilizado em máquinas ou equipamentos em movimento. Desvantagens, alto custo de aquisição, necessitam de técnicos altamente especializados.

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Modem: A transmissão do sinal é feita utilizando – se a Linha telefônica para modulação dos sinais de transmissão. Vantagem, baixo custo de instalação, transmite informações à longa distância. Desvantagens, baixa velocidade, sujeito a interferências externas ou extravio e violação de informações.

Características dos Instrumentos de Medição Range: Faixa de medição. Compreende os valores intermediários entre o limite inferior e o limite superior da capacidade de medição e transmissão de um instrumento. Span: São todos os valores compreendidos entre o limite inferior e o limite superior da faixa de trabalho, sendo representado por um valor acompanhado de uma unidade de engenharia. Ex. range = 34 ~ 42/ span será limite superior subtraído pelo limite inferior, 42 – 34 = 8ºC. Em alguns casos o limite inferior ou ZERO da faixa de trabalho será um valor negativo. Sensibilidade: É o quanto se varia na leitura de um instrumento quando houver uma variação na grandeza que se está medindo depois que o sistema se encontra em repouso. Métodos de Medição

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Medição Direta: Método de medição que é realizada por meio de um elemento sensor que o valor da grandeza medida para ser visualizada não necessita de efetuar cálculos e transmissões. Exemplo: Paquímetro, Termômetro de vidro, Visor de nível, régua ou gabarito, etc. Os principais métodos de medição direta são método deslocamento onde a grandeza é indicada em uma escala graduada baseando – se em propriedades físicas adequadas de um elemento ou de outra grandeza, ex: termômetro de vidro. O segundo método é a compensação ou de zero, no qual se reduz a

diferença entre o valor da grandeza a medir a um valor conhecido na mesma grandeza, ex: Balança analítica.

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Medição Indireta: Método pelo qual se obtém o valor da grandeza através de cálculos sobre valores que resultam da medição direta de outras grandezas, que tenham relação com a grandeza que se quer descobrir.

Erro: Sempre irá existir diferença entre o valor medido pelo elemento sensor e o valor real da grandeza, esse valor medido é um valor aproximado, portanto não é o valor real, ao valor dessa diferença denominamos de ERRO ABSOLUTO. eA = [valor medido – valor real] Pode – se representar também o erro em porcentagem, chamamos então de erro relativo. eR = eA/Vr * 100 Erros de Medição: Quando em laboratório efetuamos um teste em determinados instrumentos sejam eles de registro, transmissão, indicação... Estamos na verdade comparando os valores medidos com valores teóricos apresentados pelos instrumentos e com base nisso determinamos os erros de medição. Todo instrumento tem uma faixa tolerável de erro especificada pelo fabricante, se os erros encontrados forem inferiores ao limite especificado pelo fabricante, o instrumento pode retornar para a malha e efetuar a sua função normalmente, mas quando esse erro é superior à tolerância deve – se então refazer os testes e efetuar a devida manutenção. Antes de se efetuar qualquer manutenção corretiva deve – se descobrir de que tipos de erros podem ser encontrados nos instrumentos para então eliminarmos.

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Erro de Zero: Esse tipo de erro se caracteriza por deslocar todo o range do instrumento para cima ou para baixo do ponto ideal de ajuste, ou seja, quando o zero encontra – se deslocado do ideal.

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Erro de Span: Se caracteriza por manter o ajuste de zero no ponto ideal mas de acordo com que se altera o range os valores intermediários vão se “afastando” do ponto ideal de ajuste.

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Erro de Linearidade: Esse erro aparece quando os seus valores intermediários não coincidem com os seus valores teóricos mesmo que o zero e o span estejam no ajuste ideal e não apresentem erros.

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Erro simples e erro de malha: Erro simples é quando se considera apenas o erro do instrumento, já o erro de malha é quando se considera o erro total considerado em uma malha

Precisão: Refere-se à invariabilidade com que são obtidos os valores de medidas realizadas em condições rigorosamente similares. Uma balança que registre sempre o peso de um objeto como 936 gf é tida como precisa. Na verdade ela pode estar descalibrada (o peso a ser medido seria, na realidade, 1000 gf), mostrando o valor com inexatidão, com um erro sistemático. Exatidão: Por outro lado, pressupõe a variabilidade das medidas (embora feitas em condições idênticas). Característica de instrumento de medição que exprime o

afastamento entre a medida por ele efetuada e o valor da referência aceito como verdadeiro. É inerente ao equipamento, custo, qualidade. Medição de Pressão •

Sólido: Toda matéria cuja forma não muda facilmente quando se aplica uma força

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Líquidos: Toda matéria cuja forma muda facilmente quando se aplica uma força, mas não se altera o volume.

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Gás: Toda matéria cuja forma e volume podem ser mudados facilmente quando submetido á uma força.

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Fluído: Toda matéria cuja forma é facilmente alterada e por isso é capaz de se deslocar, ao deslocamento denomina – se escoamento.

Pressão Absoluta: Pressão Atmosférica + pressão manométrica. Pressão Manométrica: Pressão medida com referência na pressão atmosférica. Pressão Diferencial: Diferença entre duas pressões medidas. Medidores de Pressão: Os medidores no geral podem ser divididos em três partes, Elemento de recepção que é aquele que está em contato com a pressão medida. Elemento de Transferência amplia o deslocamento ou força do elemento de recepção e por final temos Indicação que recebendo a variação da transferência indica a pressão em uma escala graduada. Tipos de Manômetros: Líquidos, Tipo tubo em “U” que possui no máximo 2 metros e com uma faixa de medição de aproximadamente de 0 a 2000 mmh2o/mmhg. Tipo tubo reto e Tipo tubo coluna inclinada mais utilizada para medir baixíssimas pressões “50mmh2o” e com uma alta precisão (+/- 0,02 mmh2o). Elásticos, Tubo de Bourdon não apropriado para micro pressões com uma faixa de medição com Max de ~ 1000 kgf./cm². Diafragma, para baixas pressões ~ 3kgf/cm². Fole, para médias pressões ~ 10 kgf./cm². Cápsula, para micro pressões ~ 300mmh2o. Acessórios para proteção de manômetros Amortecedores de pulsação: Tem por finalidade restringir a passagem do fluido do processo até um ponto ideal em que a freqüência se torne nula. Sifões: Mais utilizados em linhas de alta temperatura, cuja temperatura supera o limite previsto para o instrumento. Supressor de Pressão: Recomendável para evitar a ruptura do elemento receptor de pressão, protege o equipamento de pressões que ultrapassam o normal, ou seja, que sobem bruscamente. Transmissores Pneumáticos: Possui um elemento de transferência que pega a pressão medida pelo receptor e transforma em um sinal de transmissão pneumático

padronizado. (bico paleta e bourdon ou diafragma ou fole). Sua alimentação de ar geralmente é 40% maior que o limite superior da faixa. Transmissores Eletrônicos Analógicos: Possui elementos de detecção semelhantes aos pneumáticos, mas possuem alguns elementos que convertem essa variação de pressão em um sinal elétrico padronizado para transmissão. Como elementos de transferência nos temos o Strain Gauge, Sensor Piezo Elétrico e Sensor Capacitivo. Pressostato: Componente do sistema de proteção de equipamentos ou processos, sua função básica é proteger a integridade de equipamentos contra sobrepressão ou subpressão aplicada aos mesmos durante o funcionamento.