Apostila Automação Sensores e Atuadores (CEFET)

Apostila Automação Sensores e Atuadores (CEFET)

(Parte 1 de 6)

Automação Industrial Sensores e ATuadores

Profº Edílson Alfredo da Silva 1

Centro Federal de Ensino tecnológico – CEFET-MT Apostila da disciplina Sensores e Atuadores Curso: Automação Industrial Profº Edílson Alfredo da Silva

15. INSTRUMENTAÇÃO5
15.1.– introdução à instrumentação5
15.2 - CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO5
15.2.1 - Classificação por Função5
15.2.2 - Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento6
15.2.2.1 -Tipo pneumático6
15.2.2.1.1 -Vantagem6
15.2.2.1.2 -Desvantagens6
15.2.2.2 -Tipo Hidráulico7
15.2.2.2.1 –Vantagens7
15.2.2.2.2 –Desvantagens7
15.2.2.3 -Tipo elétrico7
15.2.2.3.1 –Vantagens7
15.2.2.3.2 – Desvantagens7
15.3.2.4 -Tipo Digital7
15.3.2.4.1 - Vantagens7
15.3.2.4.2 - Desvantagens8
15.3.2.5 -Via Rádio8
15.3.2.5.1 - Vantagens8
15.3.2.5.2 - Desvantagens8
15.3.2.6 -Via Modem8
15.3.2.6.1 –Vantagens8
15.3.2.6.2 - Desvantagens8
15.4 - SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO8
15.4.1 - Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190)8
15.4.1.1 - Tipos de Conexões8
15.4.1.2 - Código de Identificação de Instrumentos9
15.4.1.3 - Alguns Arranjos Típicos de Instrumentos13
15.4.1.3.1 -Vazão13
15.4.1.3.2 -Pressão14
15.4.1.3.3 - Temperatura15
15.4.1.3.4 -Nível16
15.4.2 - Simbologia Conforme Norma ISA16
15.4.2.1 - Finalidades16
15.4.2.2 - Aplicação na Indústria16
15.4.3 -Aplicação nas atividades de trabalho16
15.4.4 -Aplicação para Classes e Funções de Instrumentos17
15.4.5 - Conteúdo da Identificação da Função17
15.4.6 - Conteúdo de Identificação da Malha17
15.4.7 - Símbolos de Linha de Instrumentos18

Sumario: 15.4.1.2 - Simbologia de Identificação de Instrumentos de Campo e Painel...12 15.4.8 - Símbolos Gerais de Instrumentos ou de Funções.......................................19

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1. 16.MEDIÇÃO DE PRESSÃO20
16.1 - INTRODUÇÃO20
16.2 - DEFINIÇÕES BÁSICAS20
16.2.1 -Sólido20
16.2.2 -Líquidos20
16.2.3 - Gás20
16.2.4 -Fluido20
16.2.5 - Massa Específica20
16.2.6 - Densidade Relativa20
16.2.7 - Peso Específico21
16.2.8 - Gravidade Específica21
DEPRESSÃO21
16.3.1 - Lei da Conservação de Energia (Teorema de Bernoulli)21
16.3.2 - Teorema de Stevin21
16.3.3 - Princípio de Pascal21
16.3.4 - Equação Manométrica2
16.4 - DEFINIÇÃO DE PRESSÃO2
16.4.1 - Pressão Estática2
16.4.2 - Pressão Dinâmica23
16.4.3 - Pressão total23
16.4.4 - Tipos de Pressão Medidas23
16.4.4.1 -Pressão absoluta23
16.4.4.223
16.4.4.323
16.4.4.423
16.4.5 - Unidades de Pressão24
16.5 - TÉCNICAS DE MEDIÇÃO DE PRESSÃO24
16.5.1 - Introdução24
16.5.2 – Composição dos Medidores de Pressão24
16.5.3 - Principais Tipos de Medidores25
16.5.3.125
16.5.3.1.1 - Manômetro de Líquido25
16.6 - TIPOS DE MANÔMETRO LÍQUIDO26
16.6.1 -Manômetro tipo Coluna em U26
16.6.2 - Manômetro tipo Coluna Reta Vertical27
16.6.3 - Manômetro tipo Coluna Inclinada28
16.6.4 -APLICAÇÃO29
16.7 - MANÔMETRO TIPO ELÁSTICO29
16.7.1 - Manômetro Tubo Bourdon30
16.8 - MANÔMETRO PADRÃO38
16.8.1 - Manômetro tipo coluna líquida38
16.9. INSTRUMENTO DE TRANSMISSÃO DE SINAL39
16.9.1 - Tipos de transmissores de pressão39
16.9.1.2 -Transmissores eletrônicos analógicos40
16.10 - Escolha do Tipo de Medidor42
16.1 - Recomendações para uso43

16.3 - PRINCÍPIOS, LEIS E TEOREMAS DA FÍSICA UTILIZADAS NA MEDIÇÃO 2. 17.MEDIÇÃO DE NÍVEL......................................................................................................... 43

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17.1 - INTRODUÇÃO43
17.2 - CLASSIFICAÇÃO E TIPO DE MEDIDORES DE NÍVEL43
17.3 - MEDIDORES DE NÍVEL POR MEDIÇÃO DIRETA4
17.3.1 - Medidor de Nível Tipo Régua ou Gabarito4
17.3.2 - Visores de Nível4
17.3.3 - Medidor de Nível tipo Flutuador50
17.4 - MEDIDORES DE NÍVEL POR MEDIÇÃO INDIRETA51
17.4.1 -Medidor de Nível Tipo Deslocador (DISPLACER)51
17.4.2 -Medidor de Nível Tipo Pressão Diferencial53
17.4.3 - Medidor de Nível tipo Borbulhador57
17.4.4 -Medidor de Nível Tipo Capacitivo58
17.4.5 -Medidor de Nível Tipo Ultra-Som63
17.4.6 - Medidor de Nível tipo Radioativo65
17.4.7 -Medição de Nível por Pesagem6
17.4.8 -Medição de Nível de Sólidos67
17.4.9 - Escolha do tipo de Medidor de Nível67
17.4.10 - Instrumentos para Alarme e Intertravamento67
3. 18 – SENSOR DE TEMPERATURA71
18.1.2 – Efeitos Termoelétricos71
18.1.2.1 – Efeito termoelétrico de Seebeck72
18.1.2.2 – Efeito termoelétrico de Peltier72
18.1.2.3 – Efeito termoelétrico de Thomson72
18.1.2.4 – Efeito termoelétrico de Volta73
18.1.3.1 – Lei do circuito homogêneo73
18.1.3.2 – Lei dos metais intermediários73
18.1.3.3 – Lei das temperaturas intermediárias74
18.1.4 – Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura74
18.1.5 – Tipos e Características dos Termopares75
18.1.5.1.1 – TIPO T75
18.1.5.1.2 – TIPO J76
18.1.5.1.3 – TIPO E76
18.1.5.1.4 – TIPO K76
18.1.5.2 -Termopares nobres76
18.1.5.2.1 – TIPO S76
18.1.5.2.2 – TIPO R76
18.1.5.2.3 – TIPO B76
18.1.5.3.1 – Tungstênio – Rhênio7
18.1.5.3.2 – Irídio 4 0 % -Rhodio / Irídio7
18.1.5.3.3 – Platina -4 0% Rhodio / Platina -2 0 % Rhodio7
18.1.5.3.5 – Nicrosil / Nisil7
18.1.6 – Correção da Junta de Referência7
18.1.7 – Fios de Compensação e Extensão78
18.1.8 – Erros De Ligação79
18.1.9 – Termopar de Isolação Mineral81
18.1.9.1 – Vantagens dos termopares de isolação mineral81
18.1.10 – Associação de Termopares82
18.2.1 – Princípio de Funcionamento83

18.2.2 – Construção Física Do Sensor...........................................................................84

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18.2.3 – Características da Termo-resistência De Platina84
18.2.4 – Princípio de Medição85
18.2.4.1 – Ligação a 2 fios86
18.2.4.2 – Ligação a 3 fios86

18.3 – Medição de temperatura por radiação...................................................................87

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1. INSTRUMENTAÇÃO

15.1.– 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. Asprincipais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO,NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo.

15.2 - 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

15.2.1 - 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

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TABELA 01 - CLASSIFICAÇÃO POR FUNÇÃO

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

Transmissor Instrumento 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.

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

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

Conversor Instrumento 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.

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

Controlador 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.

Elemento final de controle

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

15.2.2 - 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. 15.2.2.1 -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/cm (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 eem casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS). 15.2.2.1.1 -Vantagem

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).

b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc, para

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

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como reservatório, filtros, bombas, etc

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. 15.2.2.2 -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. 15.2.2.2.1 –Vantagens a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão.b) Resposta rápida. 15.2.2.2.2 –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 15.2.2.3 -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. 15.2.2.3.1 –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. 15.2.2.3.2 – 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. 15.3.2.4 -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). 15.3.2.4.1 - 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.

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15.3.2.4.2 - 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. 15.3.2.5 -Via Rádio 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. 15.3.2.5.1 - Vantagens a) Não necessita de cabos de sinal. b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.

15.3.2.5.2 - Desvantagens a) Alto custo inicial.

b) Necessidade de técnicos altamente especializados.

15.3.2.6 -Via Modem A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude. 15.3.2.6.1 –Vantagens a) Baixo custo de instalação. b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias. 15.3.2.6.2 - Desvantagens a) Necessita de profissionais especializados. b) baixa velocidade na transmissão de dados. c) sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações.

15.4 - 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.

15.4.1 - Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190) 15.4.1.1 - Tipos de Conexões

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.

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6) Sinal eletromagnético ou sônico (sem fios).

15.4.1.2 - 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: T RC 2 A 1ª letra Letras sucessivas N° da cadeia

Sufixo (normalmente não é utilizado) Identificação Funcional Identificação da Cadeia

TABELA 2 - SIGNIFICADO DAS LETRAS DE IDENTIFICAÇÃO PRIMEIRA LETRA LETRAS SUBSEQUENTES

Variável Medida ou inicial (3)

Modificadora Função de informação ou passiva

Função final Modificadora

A Analisador (4) - Alarme -

B Chama de queimador

Indefinida Indefinida (1) Indefinida (1)

C Condutividade elétrica - - Controlador (12)

D Densidade ou massa específica Diferencial (3) - - -

E Tensão elétrica - Elemento primário - -

F Vazão Razão (fração) (3) - - -

Medida dimensional - Visor (8) - -

H Comando Manual - - - Alto (6,14,15) I Corrente elétrica - Indicador (9) -

J Potência Varredura ou Seletor (6) - - -

M UmidadeMédio ou

L Nível Lâmpada Piloto (10) - Baixo (6,14,15) intermediário (6.14)

N(1) Indefinida Indefinida (1) Indefinida (1) Indefinida (1) O Indefinida (1) Orifício de restrição - - P Pressão ou vácuo Ponto de teste - -

Q Quantidade ou evento

Integrador ou totalizador (3)

R Radioatividade - Registrador ou impressor - -

S Velocidade ou freqüência Segurança (7) Chave (12) -

T Temperatura - - Transmissor -

U Multivariável (5) - * Multifunção (1) * Multifunção (1) * Multifunção (1)

V Viscosidade - - Válvula (12) -

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W Peso ou força - Poço - -

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

Y Indefinida (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.

OBSERVAÇÃO: 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 “primeiraletra” 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 “primeira letra” 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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