Instrumentção industrial

Instrumentção industrial

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Instrumentação Industrial I

Índice

1. Introdução à instrumentação. 2. Simbologia da Instrumentação. 2.1 - Norma ISA S5. 1 2.2 - Simbologia 3. Medição de Pressão. 3.1 - Definições Básicas. 3.2 - Princípios, Leis e Teoremas da Física. 3.3 - Definição de Pressão. 3.4 - Técnicas de medição de pressão. 3.5 - Tipos de Manômetro Líquido. 3.6 - Manômetro Padrão. 3.7 - Instrumento de transmissão de sinal. 3.8 - Escolha do tipo de Medidor. 3.9 - Recomendações para uso. 3.10 - Instrumentos para Alarme e Intertravamento. 3.1 - Instrumentos Conversores de Sinais. 4. Medição de nível. 4.1 - Classificação e Tipo de Medidores de Nível. 4.2 - Medidores de Nível por Medição Direta. 4.3 - Medidores de Nível por Medição Indireta. 4.4 - Escolha do tipo de Medidor de Nível. 4.5 - Instrumentos para Alarme e Intertravamento. 5. Medição de Temperatura. 5.1 - Conceito de Temperatura. 5.2 - Escalas de Temperatura. 5.3 - Medidores de Temperatura. 5.4 - Termômetro de Dilatação de Líquido. 5.5 - Termômetro a Dilatação de Sólido. 5.6 - Termômetro a Pressão de Gás. 5.7 - Termômetro à Pressão de Vapor. 5.8 - Termômetro Tipo Bulbo de Resistência. 5.9 - Termômetro tipo Termopar. 5.10 - Termômetros de Contato Indireto. 6 – Fluxograma de Engenharia.

Competências:

1. Relacionar grandezas e leis da eletricidade com grandezas físicas envolvidas nos processos de Automação, de forma a produzir sinais elétricos processados pelos Controladores eletrônicos. 2. Medir grandezas elétricas empregando equipamentos analógicos e digitais, com a precisão nominal de cada Instrumento. 3. Dimensionar e interpretar os limites de atuação dos circuitos eletrônicos empregados no pré-processamento e filtragem dos sinais produzidos pelos sensores. 4. Identificar e especificar sensores e transdutores empregados em Automação. 5. Projetar e montar Sistemas automáticos de aquisição e transmissão de dados até os Controladores de processo.

Habilidades: • Identificar os principais sensores de uso extensivo em Automação.

• Relacionar a grandeza física a ser medida com o sinal elétrico produzido.

• Identificar as variáveis de um processo automatizado e relacioná-las com os sinais elétricos produzidos pelos sensores. • Interpretar os sinais padronizados nas redes de interligação Sensor-Controlador-Atuador. • Detectar falhas de funcionamento em sensores de uso comum em um processo de produção automatizada. • Substituir Sensores com defeito.

• Especificar Sensores e Atuadores.

• Localizar componentes equivalentes por meio das especificações técnicas do fabricante. • Identificar cada segmento físico e fase de um processo de produção industrial automatizado e estabelecer um fluxograma descritivo do processo • Identificar as variáveis de processo e inter-relações entre elas.

• Relacionar segmentos e fases do processo.

• Identificar pontos de estrangulamentos e tempos mortos do processo a ser automatizado ou para ser otimizado.

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 e TEMPERATURA, as quais são denominadas de variáveis de um processo.

Conceitos de Controle: Conceitos de Controle:

Variável Controlada:

É a variável a qual um sistema pode ser considerado estável, quando ela gira em torno de um valor pré-determinado (set-point).

Variável Manipulada:

É a variável em que ao ser considerada, torna a variável controlada ajustada em torno do seu set-point.

Malha Aberta:

É aquela em que a informação sobre a variável controlada, não é utilizada para ajustar quaisquer das variáveis de entrada, visando compensar as variações que ocorrem nas variáveis do processo e que influenciam na variável controlada.

Malha Fechada:

O controle de processo tem como função fundamental, manipular a relação entrada /saída de energia ou material, de maneira que a variável controlada do processo seja mantida dentro dos limites estabelecidos. Ou seja, regula a variável controlada, fazendo correções em outra variável do processo, chamada de manipulada.

Controle Manual:

Medir, comparar com um valor pré-determinado (set-point) e atuar num elemento final de controle, são atribuições de um controle. Quando estas ações são feitas manualmente, este controle é dito manual.

Controle Automático:

Contrário do anterior, usando transmissores, controladores, elementos finais de controle, de modo em que o operador não tem interferência neste controle, este método é dito automático.

Funções dos Instrumentos:

Instrumentos cegos: São aqueles que não possuem visores de indicação da variável medida.

Sensores (Elementos primários):

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

Indicadores:

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

Transmissores:

Instrumento que tem a função de converter sinais do detector (sensor) em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel. Sente uma variável de processo e gera um sinal padrão eletrônico ou pneumático proporcional ao valor da variável.

Registradores:

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

Controladores:

Instrumento 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.

Conversores:

Instrumento que transforma uma forma de energia em outra. Conversor A/D, D/A ou ainda I/P.

Elementos finais de controle:

Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado, atuando diretamente na variável manipulada. Equipamento que está em contato com o processo, recebendo o sinal do controlador. Normalmente é utilizada uma válvula de controle podendo ser utilizada ainda, uma válvula solenóide, damper, etc.

Alarmes (chaves de processo):

Função que o instrumento tem para a um determinado momento de medição da variável, atuar de forma a alarmar sobre um patamar de medição desfavorável para um controle, podendo acionar um equipamento (ligar ou desligar uma bomba) ou só acionar um alarme visual ou sonoro.

Termos usados em instrumentação:

Faixa de medida (Range):

Faixa ou conjunto de valores da variável medida/controlada que estão compreendidos dentro dos limites superior e inferior de capacidade de medição.

Alcance (Span):

Diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida (range) do instrumento.

Erro (off-set): É a diferença entre um valor lido ou transmitido e o valor real da variável medida.

Set-point: Ponto em que o controlador é ajustado para controlar o processo.

Precisão:

É a tolerância de medição ou de transmissão do instrumento. Define o limite dos erros cometidos quando o instrumento é utilizado em condições anormais de operação Pode ser expressa em % do span, unidades da variável medida, % da leitura, % do range, % do comprimento da escala.

Sensibilidade:

Valor mínimo que a variável deve mudar para obter-se uma variação na indicação ou transmissão, expressa em % do span.

Repetibilidade:

É a capacidade de reprodução da indicação ou transmissão ao se medir, repetidamente, valores idênticos da variável medida, nas mesmas condições de operação.

Histerese:

Diferença máxima que se observa nos valores indicados pelo instrumento, para um mesmo valor qualquer da faixa medida, quando a variável percorre toda a faixa de escala tanto no sentido crescente como o decrescente.

Elevação do zero: É o quanto o valor zero da variável supera o valor inferior da faixa de medida.

Supressão do zero: É o quanto o valor inferior da faixa de medida supera o valor zero da variável.

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

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 serão descritos 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 instrumento pneumático 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).

2.2.1.1 – Vantagem: A grande e única vantagem em se 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).

2.2.1.2 – Desvantagens: a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. b) Necessitam 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 feito utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Em face de 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 utilizais 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 destes 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. 2.2.4 - 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 e receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação. 2.2.4.1 – 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) Permitem configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. e) Menor custo final. 2.2.4.2 – Desvantagens: 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. 3.2.5 - Via Rádio: Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à uma 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) Podem-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) Podem-se transmitir dados a longas distâncias.

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

Tipos de Sinais de Transmissão e Suprimento 4 - SIMBOLOGIAS DE INSTRUMENTAÇÃO:

Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países. As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificações para identificação alfa-numérica de instrumentos ou de funções programadas, que deverão ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. No Brasil, a 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 e escolher a norma a ser seguida na elaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação, outras podem ser utilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industriais no Brasil e no mundo, é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America). 4.1 – PARÂMETROS DA SIMBOLOGIA: A simbologia correta da instrumentação deve conter os seguintes parâmetros: a) – identificação das linhas de interligação dos instrumentos. Por exemplo: eletrônica física, eletrônica por configuração, pneumática. b) – determinação do local de instalação dos instrumentos, acessível ou não acessível ao operador de processo. c) – filosofia da instrumentação, quanto ao instrumento ser dedicado a cada malha ou compartilhado por um conjunto de malhas de processo.

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