Instrumentação Básica 1 Pressão e nível SENAI

Instrumentação Básica 1 Pressão e nível SENAI

(Parte 1 de 4)

CPM – Programa de Certificação do Pessoal de

Instrumentação Básica I Pressão e Nível

Instrumentação

Instrumentação Básica- Pressão e Nível – Instrumentação

Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

Coordenação GeralEvandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso (SENAI)

Supervisão(CST)

Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI)

Elaboração(CST)

Ulisses Barcelos Viana (SENAI)

Aprovação (CST) (CST) Wenceslau de Oliveira (CST)

SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Departamento Regional do Espírito Santo Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira – Vitória – ES CEP Telefone: (027) Telefax: (027)

CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro – Serra – ES CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1286 Telefax: (027) 348-1077

AssuntoPágina
Introdução à instrumentação5
Simbologia da Instrumentação10
Modulação Analógica e Digital (Anexo A)26
Field Bus (Anexo B)29
Medição de Pressão35
Definições Básicas35
Princípios, Leis e Teoremas da Física37
Definição de Pressão39
Técnicas de medição de pressão41
Tipos de Manômetro Líquido46
Manômetro Tipo Elástico50
Manômetro Padrão65
Instrumento de transmissão de sinal69
Escolha do tipo de Medidor73
Recomendações para uso73
Instrumentos para Alarme e Intertravamento74
Instrumentos Conversores de Sinais79
Medição de nível81
Classificação e Tipo de Medidores de Nível81
Medidores de Nível por Medição Direta83
Medidores de Nível por Medição Indireta94
Escolha do tipo de Medidor de Nível118

Índice Instrumentos para Alarme e Intertravamento......................................... 118

Proporcionar ao participante, conceitos de pressão, nível e uma abordagem geral ao estudo da instrumentação industrial, analisando partes integrantes como sensores, indicadores, transmissores e etc., bem como aplicações e princípio de funcionamento dos mesmos.

1 – INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO

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. Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo.

2 - CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO

Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais podemos ter:

Classificação por: • função

• sinal transmitido ou suprimento

• tipo de sinal

2.1 - Classificação por Função

Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. 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 cuja descrição sucinta pode ser liga na tabela 01.

Fig. 01 - Exemplo de configuração de uma malha de controle TABELA 01 - CLASSIFICAÇÃO POR FUNÇÃO

DetectorSão dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor.

TransmissorInstrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel.

IndicadorInstrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detector, transmissor, etc.

RegistradorInstrumento que registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados pelo detector, transmissor, Controlador etc.

ConversorInstrumento 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.

Unidade Aritmética

Instrumento que realiza operações nos sinais de valores de entrada de acordo com uma determinada expressão e fornece uma saída resultante da operação.

IntegradorInstrumento que indica o valor obtido pela integração de quantidades medidas sobre o tempo.

ControladorInstrumento que compara o valor medido com o desejado e, baseado na diferença entre eles, emite sinal de correção para a variável manipulada a fim de que essa diferença seja igual a zero.

Elemento final de controle

Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado.

2.2 - Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.

2.2.1 - Tipo pneumático Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0 kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês).

Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação.

O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e em casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS).

A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo).

a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento.

b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc ..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.

c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m.

d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados.

e) Não permite conexão direta aos computadores.

2.2.2 - Tipo Hidráulico

Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas.

2.2.2.1 - Vantagens a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão. b) Resposta rápida.

2.2.2.2 - Desvantagens a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca. c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc...

2.2.3 - Tipo elétrico Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão.

Face a tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utilizase sinais em tensão contínua de 1 a 5V.

2.2.3.1 - Vantagens a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. c) Não necessita de poucos equipamentos auxiliares. d) Permite fácil conexão aos computadores.

e) Fácil instalação. f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas.

g) Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja “lido” por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor.

2.2.3.2 – Desvantagens a) Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção.

b) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos.

c) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. d) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.

3.2.4 - Tipo Digital

Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação(ver anexo A).

3.2.4.1 - Vantagens a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento. b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados. c) Imune a ruídos externos. d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. e) Menor custo final.

a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes.

b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha.

Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.

3.2.5.1 - Vantagens a) Não necessita de cabos de sinal. b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.

3.2.5.2 - Desvantagens a) Alto custo inicial. b) Necessidade de técnicos altamente especializados.

3.2.6 - Via Modem

A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude.

3.2.6.1 - Vantagens a) Baixo custo de instalação. b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias.

a) Necessita de profissionais especializados. b) baixa velocidade na transmissão de dados. c) sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações.

4 - SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO

Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países.

No Brasil Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR 8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. No entanto, como é dada a liberdade para cada empresa estabelecer/escolher a norma a ser seguida na elaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação outras são utilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America).

A seguir serão apresentadas as normas ABNT e ISA, de forma resumida, e que serão utilizadas ao longo dos nossos trabalhos.

4.1 - Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190) 4.1.1 - Tipos de Conexões

4.1.2 - Código de Identificação de Instrumentos

Cada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifique funcionalmente (Tabela 2).

Como exemplo, uma identificação representativa é a seguinte:

TR C 2 A 1ª letraLetras sucessivasN° da cadeiaSufixo (normalmente não é utilizado)

Identificação FuncionalIdentificação da Cadeia

1) Conexão do processo, ligação mecânica ou suprimento ao instrumento.

2) Sinal pneumático ou sinal indefinido para diagramas de processo.

3) Sinal elétrico. 4) Tubo capilar (sistema cheio). 5) Sinal hidráulico. 6) Sinal eletromagnético ou sônico (sem fios).

TABELA 2 - SIGNIFICADO DAS LETRAS DE IDENTIFICAÇÃO

Variável Medida ou inicial (3)

Modificadora Função de informação ou passiva

Função final Modificadora

A Analisador (4) - Alarme -

BChama de queimador IndefinidaIndefinida (1)Indefinida (1)

C Condutividade elétrica - - Controlador(12)

DDensidade ou massa específica Diferencial (3)---

ETensão elétrica-Elemento primário-- FVazãoRazão (fração) (3)---

G Medida dimensional -Visor (8)--

J Potência Varredura ou

Seletor (6) -- -

LNívelLâmpada Piloto (10)-Baixo (6,14,15)

MUmidadeMédio ou intermediário (6.14)

N(1)IndefinidaIndefinida (1)Indefinida (1)Indefinida (1) OIndefinida (1)Orifício de restrição-- PPressão ou vácuoPonto de teste--

QQuantidade ou evento

Integrador ou totalizador (3) -- -

R Radioatividade - Registrador ou impressor --

SVelocidade ou freqüência Segurança (7)Chave (12)-

T Temperatura - - Transmissor -

UMultivariável (5)-* Multifunção (1)* Multifunção(1) * Multifunção (1)

V Viscosidade - - Válvula (12) - WPeso ou força-Poço--

X(2) Não classificada - Não classificada Não classificada Não classificada

YIndefinida (1)--Relé ou computação (1, 13)

Z Posição - - Elemento final de controle não classificado

* Multifunção indica que um único instrumento é capaz de exercer mais de uma função.

Os números entre parênteses se referem às notas relativas que são dadas a seguir. NOTAS RELATIVAS

1) As letras “indefinidas” são próprias para indicação de variáveis não listadas que podem ser repetidas em um projeto particular. Se usada, a letra deverá ter um significado como “primeira-letra” e outro significado como “letra-subsequente”. O significado precisará ser definido somente uma vez e uma legenda para aquele respectivo projeto. Por exemplo: a letra N pode ser definida como Módulo de Elasticidade na “primeira-letra” na “letrasubsequente”.

2) A letra “não-classificada”, X, é própria para indicar variáveis que serão usadas uma vez, ou de uso limitado. Se usada, a letra poderá ter qualquer número de significados como “primeira-letra” e qualquer número de significados como “letra-subsequente”. Exceto para seu uso como símbolos específicos, seu significado deverá ser definido fora do círculo de identificação no fluxograma. Por exemplo: XR-3 pode ser um “registrador de vibração”, XR-2 pode ser um “registrador de tensão mecânica” e XX4 pode ser um “osciloscópio de tensão mecânica”.

3) Qualquer primeira-letra, se usada em combinação com as letras modificadoras D (diferencial), F (razão) ou Q (totalização ou integração), ou qualquer combinação, será tratada como uma entidade “primeira-letra”. Então, instrumentos TDI e TI medem duas diferentes variáveis, que são: temperatura diferencial e temperatura.

4) A “primeira-letra” A, para análise, cobre todas as análises não listadas na Tabela 1 e não cobertas pelas letras “indefinidas”. Cada tipo de análise deverá ser definido fora do seu círculo de indefinição no fluxograma. Símbolos tradicionalmente conhecidos como pH, O2, e CO, têm sido usados opcionalmente em lugar da “primeira-letra” A. Esta prática pode causar confusão particularmente quando as designações são datilografadas por máquinas que usam somente letras maiúsculas.

5) O uso da “primeira-letra” U para multivariáveis em lugar de uma combinação de “primeiraletra” é opcional.

6) O uso dos termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário e varredura ou seleção é preferido, porém opcional.

7) O termo “segurança” se aplicará somente para elementos primários de proteção de emergência e elementos finais de controle de proteção de emergência. Então, uma válvula auto-operada que previne a operação de um sistema acima da pressão desejada, aliviando a pressão do sistema, será uma PCV, mesmo que a válvula não opere continuamente. Entretanto esta válvula será uma PSV se seu uso for para proteger o sistema contra condições de emergência, isto é, condições que colocam em risco o pessoal e o equipamento, ou ambos e que não se esperam acontecer normalmente. A designação PSV aplica-se para todas as válvulas que são utilizadas para proteger contra condições de emergência em termos de pressão, não importando se a construção e o modo de operação da válvula enquadram-se como válvula de segurança, válvula de alívio ou válvula de segurança e alívio.

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