Apostila de Instrumentação Industrial - Senai

Apostila de Instrumentação Industrial - Senai

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Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL Curso: Tecnólogo em Eletroeletrônica Disciplina: Instrumentação Industrial Semestre curricular: 2005/A Professor: Edcarlo da Conceição

Apostila Instrumentação industrial

Tubarão, Fevereiro de 2005. Revisão 2

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.

1.1 - 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

1.2 - 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 abaixo.

1.3 - Funções de Instrumentos

Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que desempenham no processo.

Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor da variável. Existem, também, os indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. A figura 1.3 ilustra dois tipos de indicadores.

Figura 1.3 – Tipos de indicadores analógico e digital

Registrador: Instrumento que registra a traço contínuo ou pontos em um gráfico. Alguns destes registradores podem ser vistos na figura 1.4.

Figura 1.4 – Alguns tipos de registradores

Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. A figura 1.5 mostra alguns transmissores típicos.

Figura 1.5 – Transmissores de pressão diferencial e de temperatura

Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica, caso necessário, estas informações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados.

Figura 1.6 – Tipos de transdutores

Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.

Figura 1.7 – Alguns tipos de controladores

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

Figura 1.8 – Elementos finais de controle

1.4.1. Transmissores

Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a transmitem, à distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combinação destes.

Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos.

1.4.1.1. Transmissão Pneumática

Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável, linear, de 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 a 100 % da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmissão. Por exemplo: de 20 a 100 kPa.

Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de 0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi.

O alcance do sinal no sistema métrico é, aproximadamente, 5 % menor que o sinal de 3 a 15 psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempre utilizando uma mesma norma.

Note que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim, 3 psi ou 0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento, comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas de transmissão.

Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura de range de 0 a 200°C e o mesmo tivesse com o bulbo a 0°C e um sinal de saída de 1 psi, este estaria descalibrado.

Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta comparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual seria incorreto).

1.4.1.2. Transmissão Eletrônica

Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída.

A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi de um sinal pneumático.

O "zero vivo" utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios, por exemplo), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.

1.4.1.3. Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer)

É um sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s (BPS) e modulação FSK (Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente.

As vantagens do protocolo Hart são as seguintes:

· Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital. · Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica.

· Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes.

As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de transmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento).

É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentos inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na sala de controle, conforme mostra a Figura 1.10.

Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, tais como: transmissores, válvulas, controladores, CLPs, etc. Estes podem ser de fabricantes diferentes (Interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros instrumentos para correção de uma variável: pressão, vazão, temperatura, etc.).

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