INSTRUMENTAO INDUSTRIAL Prof Fernanda Arajo Prof Pedrosa 1

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Prof. Fernanda Araújo Prof: Pedrosa

1 – Apresentação 1. 1 -Histórico O que é instrumentação: É a ciência que estuda, desenvolve e aplica instrumentos de medição e controle de processo. Atualmente, muitos sistemas de controles já instalados são do tipo ANALÓGICOS (PROPORCIONAIS). Como esses tipos de sistemas são normalmente complexos (difíceis de calibrar e de se manter em bom funcionamento), existe desde alguns anos atrás a tendência muito forte de se utilizar a tecnologia DIGITAL, principalmente com o grande avanço dos sistemas de controle microprocessador, levando a uma grande flexibilidade na implementação e conseqüentemente uma redução nos custos. Por conta disso, neste curso será dado maior ênfase a soluções de sistemas de controle por tecnologia Digital Programável. No início do século os controles eram totalmente manuais do tipo liga-desliga (on-off) utilizando indicadores locais de temperatura e pressão e atuadores pneumáticos de válvulas. Entre 1915 e 1930, surgiram os primeiros controles proporcionais e registradores gráficos montados em campo. Após 1930, surgiram os controles de ganho ajustável mais derivativos e a filosofia de ter uma sala de controle central e com isto, a necessidade de transmissão das informações para o centro de controle, onde a solução utilizada foi à utilização de transmissores pneumáticos, quando surgiu o primeiro padrão de transmissão de sinais utilizando pressão proporcional aos sinais de entrada: 0, 21 a 1, 05 kgf/cm² - 3 a 15 PSI (libra por polegada ao quadrado). Depois da II. Guerra Mundial, surgiram as medidas analíticas em linha e analisadores de gás, tudo isso graças ao início do processo de miniaturização dos instrumentos, principalmente no final dos anos 40 com o impulso produzido pelo advento dos transistores, utilização de controladores eletrônicos analógicos e transmissão de sinais em correntes, surgindo o padrão de sinal em corrente (4 a 20 m. A). No final dos anos 50, com o surgimento do circuito integrado, foram utilizados os primeiros sistemas de controle por computador. Surgiram nesta época os padrões de transmissão de sinais analógicos em tensão (0 a 10 V) e transmissão digital. No início dos anos 60 houve Uma grande evolução dos sensores e do chamado controle digital direto, (DDC-Direct Digital Control). No final desta mesma década surgiram nas industria automotivos os primeiros controladores programáveis para substituir quadros de comando elétricos.

DEFINIÇÕES BÁSICAS A seguir, serão apresentados breves conceitos de controle, para que se possa padronizar as definições, a serem utilizados nos demais capítulos com maior clareza. Sistema-Conjunto de componentes/elementos relacionados entre si para executar uma determinada tarefa (Ex. Sistema Elétrico, Sistema Hidráulico e Sistema de Controle). Controle - Conjunto de procedimentos ou atuações que produzem em um processo a ação e o desempenho desejado. Variável Controlada - Variável que se deve manter em um valor desejado, variável de saída do processo. Variável Manipulada - Variável que recebe a ação controladora, ou seja, é variável de saída do atuador. Atuador (ativador) - Elemento que modifica a variável controlada. Variável Secundária - A que interfere na variável controlada. Referência/Set-Point - Valor preestabelecido para a variável controlada. Processo – Atividade definida em um sistema, que a partir de informações de entrada, obtêm-se informações transformadas na saída, isto é, entidade, dinâmica capaz de efetuar transformações de energia a partir da entrada, obtendo uma forma de energia transformada na saída. UFC / DETI / LESC 3

Na indústria, são conjuntos de atividades que transformam matéria prima em produtos acabados. Os processos, quanto a forma de transformação podem ser classificados como: Contínuos: São aqueles que não sofrem interrupção ao longo de suas transformações (processos químicos, alimentícia, geração de energia). Sistema, de controle discretos e semi-contínuos : São aqueles que são efetuados em etapas características da manufatura (laminação, cimento, mineração etc). Processos em bateladas: São aqueles que as mesmas atividades são executadas diversas vezes e em etapas (calçados, automóvel, etc). Quanto ao tipo de produto final os processos se dividem em: Industriais: São aqueles que constituem em um conjunto de operações com objetivo de gerar um ou mais elemento produtivo (gasolina, refrigerantes, asfalto, papel, automóvel, farinha de trigo, sucos, etc. ). Não industriais: São aqueles com alto grau de associação a serviços (Tráfego rodoviário, telecomunicações, rede de água e esgoto, distribuições de energia, etc. ). Diz-se que PROCESSO é uma operação onde varia pelo menos uma característica física ou química de determinado material. UFC / DETI / LESC 4

Suponhamos um reservatório como o da figura abaixo, onde temos uma alimentação constante de água e um escoamento livre em sua parte mais profunda. Nestas condições, o nível se manterá a uma altura "h", de tal forma que entrada e saída estejam perfeitamente em equilíbrio. Suponhamos agora que, se aumentarmos a vazão de entrada após a um determinado tempo e mantivermos esse valor constante, haverá naturalmente uma perturbação nesse sistema, ou seja, um desequilíbrio entre entrada e saída. A tendência do nível do reservatório, será de subir, enquanto a saída também tenderá a aumentar sua vazão, devido a uma pressão maior no fundo deste reservatório. Após um determinado tempo, o sistema atingirá a um novo estado de equilíbrio onde permanecerá estável. Observe que o raciocínio inverso, será também válido, ou seja; se diminuísse a vazão de entrada . UFC / DETI / LESC 5

A essa característica, dá-se p nome de auto-regulação. Suponhamos agora, um outro reservatório idêntico em seu volume e em dimensões, cuja saída (escoamento) de água é mantida constante, ou seja; que tenhamos uma bomba d’água como mostra a figura abaixo. Iniciamos nossa análise para esse caso, supondo que ambas (entradas e saída) tenham a mesma vazão e conseqüentemente não alteramos o nível. Aumentando a vazão de entrada para um valor constante, observaremos um acréscimo de nível, superior ao nível "h", até que venha a transbordar, pois a saída terá o mesmo valor constante de vazão. UFC / DETI / LESC 6

. Da mesma forma de análise para a situação inversa, obteremos um decréscimo de nível em relação ao nível "h", até o total esvaziamento da caixa Esse tipo de processo, portanto não têm a característica de auto-regulação, De maneira geral os processos dotados de auto-regulação são mais simples de serem regulados ao passo que, os que não são auto-regulação são difíceis ou até mesmo impossíveis. UFC / DETI / LESC 7

1 – Apresentação • Processos Industriais x Sistemas de Controle - Tipos de produtos: derivados do petróleo, produtos alimentícios, papel e celulose, entre outros. -Tipos de variáveis de processo: pressão, vazão, temperatura, nível, p. H, condutividade, velocidade, umidade, entre outras. • Processos Contínuos x Discontínuos Malha de Controle -Unidade de Medição. -Unidade de Controle. -Elemento final de controle. Ex: Ar-condicionado. UFC / DETI / LESC 8

Tipos de malha de controle: Fechada: Aberta: A utilização de instrumentos nos permite: Incrementar e controlar a qualidade do produto; Aumentar a produçaõ e o rendimento; Obter e fornecer dados seguros da matéria-prima e da quantidade prduzida, além de ter em mãos dados relativos a ecinômia dos processos.

1. 2 Classes de instrumentos Classificados de acordo com a função: Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor variavél. Existem, também, os indicadores digitais que mostaram a variável em forma numérica com digitos ou barras gráficas. Registrador: Instrumento que registra um traço contínuo ou pontos em um gráfico. Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo a mesmo sianal de saída(pneumático, eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo, ouseja, transmitem a variável á distância a um instrumente receptor, indicador, registrador, controlador ou a combinações. Transdutor: È um dispositivo que transforma grandeza física(temperatura, pressão. . . ) em sinal de tensão ou corrente. Controlador: Instrumento que compara a variável contrilada com un valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor specifico ou entre valores determinados. Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle.

A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função. Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função. UFC / DETI / LESC 11

Indicador Possui um elemento indicador e uma escala graduada. - Digital ou analógico -

Registrador - Registra variáveis em arquivo - Pode apresentar indicação, traços contínuos/descontínuos, pontos, gráficos

Transmissor - Conectado a um elemento primário (Acoplado ou não) - Possui o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico), mudando apenas a variável do processo.

Transdutor Recebe uma grandeza física (ou mais) e fornece um sinal de saída resultante. - Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo (conversor). - Conversor trabalha com entrada e saída padronizados -

Controlador - Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado, gerando um sinal de resposta para correção.

Elemento Final de Controle - Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle

1. 3 -Terminologia -refere-se simplesmente ao uso e estudo de termos, ou seja, especificar as palavras simples e compostas que são geralmente usadas em contextos específicos. Unificada entre os fabricantes, os usuários e os organismos no campo da instrumentação industrial. -Os termos a seguir estão de acordo com o Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia (VIM): • Faixa de medida (Range) – faixa de medição de valores, possuindo os limites inferior e superior. Exemplos: - Range entre 100 e 500°C - Range entre 0 e 20 PSI • Amplitude da faixa nominal (Span) - É a diferença entres os limites da faixa de medida (range). Exemplos: - Para uma faixa nominal de -10 V a +10 V a amplitude da faixa nominal é 20 V - Um instrumento com range de 100 – 500°C seu Span é de 400°C

1. 3 -Terminologia • Faixa de medida (Range) – faixa de medição de valores, possuindo os limites inferior e superior. Exemplos: - Range entre 100 e 500°C - Range entre 0 e 20 PSI • Amplitude da faixa nominal (Span) - É a diferença entres os limites da faixa de medida (range). Exemplos: - Para uma faixa nominal de -10 V a +10 V a amplitude da faixa nominal é 20 V - Um instrumento com range de 100 – 500°C seu Span é de 400°C

1. 3 -Terminologia • Erro (de medição) – É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. • Repetitividade - Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição.

1. 3 -Terminologia • Exatidão de medição - aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro. - não usar o termo “precisão” !!! pode ser descrito em 3 maneiras: - Percentual do Fundo de Escala (% do F. E. ) - Percentual do Span (% do Span) - Percentual do Valor Lido (% do V. L. ) considerando o range de 50 a 250° e valor medido 100°, o valor real para: -Exatidão de 1% do Fundo de Escala Valor real = 100°C ± (0, 01 x 250) = 100 °C ± 2, 5 °C -Exatidão de 1% do Span Valor real = 100°C ± (0, 01 x 200) = 100 °C ± 2, 0°C -Exatidão 1% do Valor Lido (Instantâneo) Valor real = 100°C ± (0, 01 x 100) = 100 °C ± 1, 0 °C

1. 3 -Terminologia • Rangeabilidade (Largura de Faixa) - É a relação entre os valores máximos e os valores mínimos, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento. -Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM(galões por minuto), com exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10: 1, significa que a exatidão será respeitada entre 300 GPM. • Zona Morta - Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos, sem produzir variação na resposta de um instrumento de medição. - Pode ser ampliada para prevenir pequenas variações. -Exemplo: Um instrumento com range 0 -200°C e com zona morta de 0, 1% representa ± 0, 2 °C. • Sensibilidade – Variação da resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação do estímulo. -Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 500ºC e com uma sensibilidade de 0, 05% representa ± 0, 25ºC.

1. 4 Identificação e símbolos de instrumentos • As Normas Técnicas determinam símbolos, gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos e funções programadas (usadas nas malhas de controle).

1. 4 Identificação e símbolos de instrumentos • O Tagname ou Tag é um código alfanumérico cuja finalidade é a de identificar equipamentos ou instrumentos, dentro de uma planta de processos. Identificando: - Local de instalação, definindo acessibilidade (Campo, painel, sala de controle). - Função do instrumento, definindo a variável tratada e o que fazer com esta. • Normas ISA-S 5 e a Norma 8190 da ABNT define - função programada por um conjunto de letras - local de instalação (malha) através de um conjunto de algarismos - Sufixo

1. 4. 1 Identificação funcional • A primeira letra é a variável do processo medida ou de inicialização, podendo ter um modificador opcional. • O segundo conjunto de letras identifica a função do instrumento, podendo ser: - Funções passivas - elemento primário, orifício de restrição, poço; - Funções de informação - indicador, registrador, visor, - Funções ativas ou de saída - controlador, transmissor, chave e outros; - Funções modificadoras - alarmes ou indicação de instrumento multi-função. PS- O segundo conjunto está na seguinte ordem: funções passivas ou de informação, funções ativas ou de saída e letras modificadoras de função.

1. 4. 1 Identificação da malha • A identificação da malha geralmente é feita por um número, colocado ao final da identificação funcional. • A numeração pode serial ou paralela. - Paralela: começa de 0 para cada nova variável. TIC-100, FIC-100, LIC-100 e AI-100. - Serial: usa uma única seqüência de números para um projeto ou seção grande de um projeto. TIC-100, FIC-101, LIC-102 e AI-103. • Sufixo é usado quando tem mais de um instrumento com a mesma função na malha.

Exemplo de identificação de instrumentos PS – Ver Tabela 1. 1 pág. 16 para visualizar todos os códigos.

Tabela 1. 1 - demonstração

Notas para Tabela 1. 1 a) Letra inserida pelo usuário. Ex: N pode ser definida como módulo de elasticidade como uma primeira letra ou como osciloscópio como letra subseqüentes. b) letras modificadoras D (diferencial), F (relação), M (momentâneo), K (tempo de alteração) e Q (integração ou totalização). Ex: TDI e TI. c) A letra A (análise) cobre todas as análises não descritas pelo usuário. Análise é variável de processo e não função de instrumento (Analisador). d) O termo segurança se aplica a elementos primários e finais de proteção de emergência. Ex: PCV (válvula controladora de pressão) x PSV (válvula de segurança de pressão). e) A função passiva G se aplica a indicação não calibrada. Ex: aplica-se TG para termômetro e PG para manômetro. f) Quando Y é usado como letra subsequentes deve ser definido sua função fora do circulo de identificação. Ex: FY pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de vazão.

Notas para Tabela 1. 1 g) Os termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário correspondem aos valores da variável medida e não aos valores do sinal. Ex: alarme de nível alto deve ser LAH, mesmo quando sinal de entrada atinja um valor mínimo crítico. h) Os termos Alto e Baixo quando aplicados a dispositivos de abrir e fechar significam aberto ou fechado. i) O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar informações.

1. 4. 3 Símbolos A simbologia correta da instrumentação deve conter os seguintes parâmetros: • Identificação (tag) do instrumento, envolvendo a variável do processo, a função do instrumento e o numero da malha do processo. • Identificação das linhas de interligação dos instrumentos. • Determinação do local de instalação dos instrumentos, acessível ou não acessível ao operador de processo. • Filosofia da instrumentação, instrumento dedicado a cada malha ou compartilhado por um conjunto de malhas de processo.

1. 5 Principais sistemas de medida Os sistemas podem ser classificados quanto : - à natureza de suas unidades fundamentais - ao valor dessas unidades - às relações escolhidas na determinação dos derivados. • Quanto à Natureza: Dois são os sistemas principais: L. M. T. e L. F. T. a) L. M. T. - Tem como grandezas fundamentais: comprimento = L massa = M tempo = T b) L. F. T. - Tem como grandezas fundamentais: comprimento = L força = F tempo = T

1. 5 Principais sistemas de medida • Quanto ao Valor Atribuído às unidades fundamentais temos: a) Tipo L. M. T. 1°) Físico ou Cegesimal (C. G. S. ) : centímetro, grama, segundo. 2°) Industrial Francês (M. T. S. ) : metro, tonelada, segundo. 3°) Métrico Decimal (M. K. S. ) : metro, quilograma, segundo. 4°) Absoluto Inglês (Ft, Pd, S): pé, libra, segundo. b) Tipo L. F. T. 1°) Prático, Terrestre ou Gravitatório (M. kgf. s. ): metro, quilograma força, segundo. 2°) Prático Inglês (Ft, Pd, sec. ): pé, libra-força, segundo. PS - Quanto às unidade escolhidas na derivação, há, às vezes, liberdade de escolha. Exemplo disto, é a unidade de volume.

1. 6 Telemetria -técnica de transportar medições obtidas no processo à distância 1. 6. 1 Transmissores • instrumentos que medem uma variável do processo e a transmitem à um segundo elemento (indicador, registrador, etc). • sinais de transmissão podem ser: - pneumáticos - elétricos - hidráulicos - eletrônicos.

1. 6. 1. 1 Transmissão pneumática Em geral trabalha com 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado). Faixa determinada pela SAMA (Scientific Apparatus Makers Association). Outras faixas existentes - 20 a 100 k. Pa. Países que utilizam o sistema métrico decimal - faixa de 0, 2 a 1 kgf/cm 2 - Calibração - Usar o mesmo sistema de medidas (Alcance 5% menor)

1. 6. 1. 2 Transmissão eletrônica Sinais mais utilizados: 4 a 20 m. A, 10 a 50 m. A e 1 a 5 V. 4 a 20 m. A, 1 a 5 V, 3 a 15 psi Detecção do rompimento de fios. Transmissão pode ser feita com 2 ou 4 fios

1. 6. 1. 2 Transmissão eletrônica – 2 fios 24 Vdc 4 a 20 m. A

1. 6. 1. 2 Transmissão eletrônica – 4 fios • • 2 fios para alimentação – 110 ou 220 Vac 2 fios para saída de 4 a 20 m. A

Exercício 41