Instrumentação industrial

Instrumentação industrial

(Parte 1 de 10)

Federação das Indústrias do Estado de Santa Catarina

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina

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Equipe Técnica: Organizadores:

Vanderlei Baldessar Nelson de Souza Dinorzete Henrique Nunes Júlio Cesar Fernandes

Coordenador:

Nelson de Souza Julio Cesar Fernandes

Digitadores:

Ramon de Souza Martins Michel Borges Rodrigues

Professor Responsável: Nelson de Souza

Revisão Técnica: Engenheiro Dinorzete Henrique Nunes

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina SENAI – Centro de Educação e Tecnologia de Tubarão w.senaidetubarao.com.br

1. Aspectos Gerais da Área de Instrumentação1
1.1. Histórico1
1.2. Terminologia2
1.2.1. Faixa de Medida (range)2
1.2.2. Alcance (span)2
1.2.3. Erro3
1.2.4. Exatidão3
1.2.5. Rangeabilidade (largura de faixa)3
1.2.6. Zona Morta3
1.2.7. Sensibilidade4
1.2.8. Histerese4
1.2.9. Repetibilidade4
1.2.10. Linearidade4
1.3. Funções de Instrumentos4
1.4. Identificação de Instrumentos6
1.5. Principais Sistemas de Medida10
1.5.1. Sistema Métrico Decimal10
1.5.2. Sistema Físico ou Cegesimal10
1.5.3. Sistema Industrial Francês10
1.5.4. Sistema Inglês10
1.6. Telemetria10
1.6.1. Transmissores1
2. Pressão13
2.1. Conceitos Fundamentais13
2.1.1. Pressão Atmosférica14
2.1.2. Pressão Relativa14
2.1.3. Pressão Absoluta14
2.1.4. Pressão Negativa ou Vácuo14
2.1.5. Pressão Diferencial15
2.1.6. Pressão Estática15
2.1.7. Pressão Dinâmica ou Cinética15
2.2. Medição de Pressão15
2.2.1. Unidades de Pressão15
2.2.2. Dispositivos para Medição de Pressão16
2.2.3. Tipos de Elementos Sensíveis16
3. Temperatura24
3.1. Conceitos Fundamentais24
3.1.1. Transmissão de Calor24
3.1.2. Medição de Temperatura25
3.1.3. Escalas de Temperatura26
3.2. Medidores de Temperatura28
3.2.1. Líquido28
3.2.2. Termômetros a Pressão de Gás32
3.2.3. Termômetro a Pressão de Vapor3
3.2.4. Termômetro à Dilatação de Sólidos (Termômetros Bimetálicos)34
3.2.5. Medição de Temperatura com Termopar36
3.2.8. Medição de Temperatura por Termômetro de Resistência47
3.2.9. Medição de Temperatura por Radiação51
3.2.10. Medição de Temperatura Superficial56
4. VAZÃO57
4.1. Medição de Vazão57
4.2. Tipos de Medidores de Vazão57
4.2.1. Medidores de Quantidade57
4.2.2. Medidores Volumétricos58
4.2.3. Medidores de Vazão por ∆P Constante (área variável)75
4.2.4. Medidores Especiais de Vazão7
5. NÍVEL85
5.1. Introdução85
5.2. Métodos de Medição de Nível85
5.2.1. Medição de Nível Direta85
5.2.2. Medição de Nível Indireta89
6. Medição Analítica98
6.1. Introdução98
6.2. Analisadores de Gases de Combustão98
6.2.1. Analisadores Químicos98
6.2.2. Analisadores Termocondutivímetros100
6.2.3. Analisadores por Combustão Catalítica103
6.2.4. Analisadores Termomagnéticos104
6.2.5. Analisador Eletroquímico de Oxigênio106
6.2.6. Analisadores de Oxigênio Dissolvido107
6.2.7. Analisadores de Hidrogênio Dissolvido109
6.2.8. Sistemas de Amostragem de Gás110
6.2.9. Medidores de Ph1
6.2.10. Medição de Condutividade Elétrica113
7. Instrumentos para Supervisão114
7.1. Introdução115
7.2. Medidores de Rotação115
7.3. Detectores de vibração115
7.4. Detectores de Expansão Diferencial116
7.5. Detectores de Excentricidade117
8. Elemento Final de Controle118
8.1.Tipos de Válvula de Controle118
8.1.1. Introdução118
8.1.2. Tipos de Corpos118
8.1.3. Válvulas de Deslocamento Linear da Haste119
8.1.4. Válvulas de Deslocamento Rotativo da Haste134
8.2. Atuadores para Válvulas de Controle140
8.2.1. Introdução140
8.2.2. Atuador Pneumático Tipo Mola e Diafragma140
8.2.3. Atuador Pneumático Tipo Pistão142
8.2.4. Atuador Elétrico143
8.2.5. Atuador Eletro-Hidráulico143
8.2.6. Atuador Hodráulico144
8.2.7. Posição de Segurança por falha144
8.3.2. Posicionador Pneumático146
8.3.3. Posicionador Eletro-Pneumático150
8.3.4. Válvulas Solenóides151
8.3.6. Válvula Fixadora de Ar152
8.3.7. Transmissor de Posição152
8.3.8. Transdutores Eletro-pneumáticos152
8.3.9. Conjunto Filtro-Regulador de Ar152
8.3.10. Volantes Manuais153
8.4. Características das Válvulas de Controle154
8.4.1. Característica Linear154
8.4.2. Característica de Igual Porcentagem154
8.4.3. Característica Parabólica Modificada155
8.4.4. Característica de Abertura Rápida156
8.4.5. Características de Válvulas Borboletas156
8.4.6. Coeficiente de Vazão – Cv156
8.5. Outros Tipos de Atuadores157
8.5.1. Válvulas Reguladoras de Pressão Auto-Operadas157
8.5.2. Válvulas de Segurança159

1. ASPECTOS GERAIS DA ÁREA DE INSTRUMENTAÇÃO

1.1. HISTÓRICO

Os processos industriais exigem controle na fabricação de seus produtos. Estes processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos, como, por exemplo, a fabricação dos derivados do petróleo, produtos alimentícios, a indústria de papel e celulose, etc.

Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter constantes as variáveis do processo, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança.

No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através de controle manual destas variáveis, utilizando somente instrumentos simples (manômetro, termômetro, válvulas manuais, etc.) e isto era suficiente, porque os processos eram simples. Com o passar do tempo, estes foram se complicando, exigindo um aumento da automação nos processos industriais, através dos instrumentos de medição e controle. Enquanto isso, os operadores iam se liberando de sua atuação física direta no processo e, ao mesmo tempo, ocorria a centralização das variáveis em uma única sala.

Devido à centralização das variáveis do processo, podemos fabricar produtos que seriam impossíveis através do controle manual. Mas, para atingir o nível que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram grandes transformações tecnológicas, como: controle manual, controle mecânico e hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrônico e atualmente controle digital.

Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e processos descontínuos. Em ambos os tipos, deve-se manter as variáveis próximas aos valores desejados.

O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio existente sem a intervenção do operador.

Para que se possa fazer esta comparação e conseqüentemente a correção, é necessário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle no processo.

Figura 1.1 – Malha de Controle Fechada

Este conjunto de unidades forma uma malha de controle, que pode aberta ou fechada.

Na Figura 1.1 vemos uma malha fechada e na Figura 1.2 vemos uma malha de controle aberta.

Figura 1.2 – Malha de Controle Aberta

1.2. TERMINOLOGIA

Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos (química, siderúrgica, papel, etc.) têm sua própria terminologia. Os termos utilizados definem as características próprias de medida e controle dos diversos instrumentos: indicadores, registradores, controladores, transmissores e válvulas de controle.

A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes, os usuários e os organismos que intervêm diretamente ou indiretamente no campo do instrumentação industrial.

1.2.1. 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. Expressa-se determinando os valores extremos.

É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 100 – 500 m3

Seu span é de 400 m3 .

É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou menos.

Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamada de erro dinâmico.

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

A exatidão pode ser descrita de três maneiras:

- Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.) - Percentual do Span (% do span)

- Percentual do Valor Lido (% do V.L.)

Exemplo: Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250 °C e valor medido 100°C, determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições:

1.2.5. Rangeabilidade (largura de faixa)

É a relação entre o valor máximo e o valor mínimo, 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, a exatidão será respeitada entre 30 e 300 GPM.

É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 200°C e com zona morta de:

1.2.7. Sensibilidade

É a mínima variação que a variável pode ter, provocando alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 500°C e com sensibilidade de 0,05% terá valor de:

É o erro máximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente.

Expressa-se em porcentagem do span do instrumento. Deve-se destacar que a expressão zona morta está incluída na histerese.

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