Baixe Instrumentação de Sistemas - Apostilas - Automação Industrial Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Gestão Industrial, somente na Docsity! UNED DE CUBATÃO APOSTILA DE CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS CONTÍNUOS 5o MÓDULO MONTAGEM: PROFESSOR MARCELO S. COELHO Revisão 3 – JULHO/2008 INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 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 se denominam variáveis de um processo. PROCESSO INDUSTRIAL Nas indústrias, o termo processo tem um significado amplo. Uma operação unitária, como por exemplo, destilação, filtração ou aquecimento, é considerado um processo. Quando se trata de controle, uma tubulação por onde escoa um fluído, um reservatório contendo água, um aquecedor ou um equipamento qualquer é denominado de processo. Processo é uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material. Os processos industriais exigem controle na fabricação de seus produtos. Os processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos como, por exemplo: a fabricação dos derivados do petróleo, produtos alimentícios, indústria de papel e celulose, etc. Um processo pode ser controlado através de medição de variáveis que representam o estado desejado e ajustando automaticamente as outras variáveis, de maneira a se conseguir um valor desejado para a variável controlada. As condições ambientais devem sempre ser incluídas na relação de variáveis de processo. Variáveis de Processo São condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo, em todos os processos industriais é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis de processo, tais como pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Variável Controlada A variável controlada de um processo é aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto. Consideremos por exemplo, o sistema de aquecimento de água mostrado na figura 1. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 2 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Figura 1. Sistema de aquecimento de água A finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. A variável mais indicativa desse objetivo é a temperatura da água de saída do aquecedor, que deve ser então a variável controlada. Meio controlado Meio controlado é a energia ou material no qual a variável é controlada. No processo mostrado na figura 1, o meio controlado é a água na saída do processo, onde a variável controlada, temperatura representa uma característica da água. Variável manipulada A variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável do processo que causa uma variação rápida na variável controlada e que seja fácil de manipular. Para o aquecedor da figura 2, a variável manipulada pelo controlador será a vazão de vapor. Figura 2. Sistema de controle de aquecimento de água INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 3 Agente de controle Agente de controle é a energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica. No processo da figura 2, o agente de controle é o vapor, pois a variável manipulada é a vazão de vapor. Malha de controle Quando se fala em controle, deve-se necessariamente subentender uma medição de uma variável qualquer do processo, isto é, a informação que o controlador recebe. Recebida essa informação o sistema controlador compara-a com um valor pré-estabelecido (chamado SET POINT), verifica a diferença entre ambos, e age de maneira a diminuir ao máximo essa diferença. Esta seqüência de operações, medir a variável; comparar com o valor pré- determinado e atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida e o set point, nós denominamos de malha de controle, que pode ser aberta ou fechada. Malha aberta Na malha aberta, a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações nas variáveis do processo. Na figura 3, mostrada a seguir, a informação de temperatura do fluido de saída, não afeta no controle do fluido de entrada na entrada do vapor para o sistema. Figura 3. Malha aberta Malha fechada Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variáveis do processo. Na figura 4, a informação acerca da temperatura do fluido da água aquecida (fluido de saída), acarreta uma mudança no valor da variável do processo, no caso, a entrada de vapor. Se a temperatura da água aquecida estiver com o valor abaixo do valor do set point, a válvula abre, aumentando a vazão de vapor para aquecer a água. Se a temperatura da água estiver com um valor abaixo do set point, a válvula fecha, diminuindo a vazão de vapor para esfriar a água. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 6 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Tabela 1. CLASSIFICAÇÃO POR FUNÇÃO INSTRUMENTO DEFINIÇÃO 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. Classificação por Sinal de Transmissão 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. 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 utilizados 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). INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 7 As desvantagens são: • Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. • Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. • 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. • Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. • Não permite conexão direta aos computadores. Tipo elétrico Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Em face de tecnologia disponível no mercado em relação à 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 utiliza-se sinais em tensão contínua de 1 a 5V. As vantagens são: • Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. • A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. • Não necessita de poucos equipamentos auxiliares. • Permite fácil conexão aos computadores. • Fácil instalação. • Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. 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. As desvantagens são: INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 8 Prof. Marcelo Saraiva Coelho • Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. • Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos. • Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. • Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. 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. As vantagens são: • Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento. • Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados. • Imune a ruídos externos. • Permitem configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. • Menor custo final. As desvantagens são: • Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. • Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha. 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. As vantagens são: • Não necessita de cabos de sinal. • Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. As desvantagens são: INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 11 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) - - - G Medida dimensional - Visor (8) - - H Comando Manual - - - Alto (6,14,15) I Corrente elétrica - Indicador (9) - J Potência Varredura ou Seletor (6) - - - L Nível Lâmpada Piloto (10) - Baixo (6,14,15) M Umidade Médio ou 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 (11) * Multifunção (11) * Multifunção (11) V Viscosidade - - Válvula (12) - W Peso ou força - Poço - - X(2) Não classificada - Não classificada Não classificada Não classificada Y Indefinida (1) - - Relé ou computação (11, 13) - Z Posição - - Elemento final de controle não classificado - * Multifunção indica que um único instrumento é capaz de exercer mais de uma função. NOTAS RELATIVAS À TABELA ANTERIOR 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- INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 12 Prof. Marcelo Saraiva Coelho 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 “letra-subsequente”. 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. 8) A função passiva “visor” aplica-se a instrumentos que dão uma visão direta e não calibrada do processo. 9) O termo “indicador” é aplicável somente quando houver medição de uma variável. Um ajuste manual, mesmo que tenha uma escala associada, porém desprovido de medição de fato, não deve ser designado “indicador”. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 13 10) Uma “lâmpada-piloto”, que é a parte de uma malha de instrumentos, deve ser designada por uma “primeira-letra” seguida pela “letra subsequente”. Entretanto, se é desejado identificar uma “lâmpada-piloto” que não é parte de uma malha de instrumentos, a “lâmpada-piloto” pode ser designada da mesma maneira ou alternadamente por uma simples letra L. Por exemplo: a lâmpada que indica a operação de um motor elétrico pode ser designada com EL, assumindo que a tensão é a variável medida ou XL assumindo a lâmpada é atuada por contatos elétricos auxiliares do sistema de partida do motor, ou ainda simplesmente L. A ação de uma “lâmpada- piloto” pode ser acompanhada por um sinal audível. 11) O uso da “letra-subsequente” U para “multifunção” em lugar de uma combinação de outras letras funcionais é opcional. 12) Um dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos pode ser, dependendo das aplicações, uma “chave”, um “relé”, um “controlador de duas posições”, ou uma “válvula de controle”. Se o dispositivo manipula uma corrente fluida de processo e não é uma válvula de bloqueio comum atuada manualmente, deve ser designada como uma “válvula de controle”. Para todas as outras aplicações o equipamento é designado como: • uma “chave”, quando é atuado manualmente; • uma “chave” ou um “controlador de duas posições”, se é automático e se é atuado pela variável medida. O termo “chave” é geralmente atribuído ao dispositivo que é usado para atuar um circuito de alarme, “lâmpada piloto”, seleção, intertravamento ou segurança. O termo “controlador” é geralmente atribuído ao equipamento que é usado para operação de controle normal; • um “relé”, se é automático e não atuado pela variável medida, isto é, ele é atuado por uma “chave” ou por um “controlador de duas posições”. 13) Sempre que necessário as funções associadas como o uso da “letra-subsequente” Y devem ser definidas fora do círculo de identificação. Não é necessário esse procedimento quando a função é por si só evidente, tal como no caso de uma válvula solenóide. 14) O uso dos termos modificadores “alto”, “baixo”, “médio” ou “intermediário”, deve corresponder a valores das variáveis medidas e não dos sinais, a menos que de outra maneira seja especificado. Por exemplo: um alarme de nível alto derivado de um transmissor de nível de ação reversa é um LAH, embora o alarme seja atuado quando o sinal alcança um determinado valor baixo. Os termos podem ser usados em combinações apropriadas.. 15) Os termos “alto” e “baixo”, quando aplicados para designar a posição de válvulas, são definidos como: • Alto: denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente aberta; • Baixo: denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente fechada. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 16 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Temperatura Poço para termômetro ou termopar. Indicador de temperatura. Indicador de temperatura no painel com transmissão elétrica. Indicador e registrador de temperatura no painel, com transmissão elétrica. Válvula reguladora de pressão auto-atuada. Controlador de pressão, tipo cego, comandando válvula de controle, com transmissão pneumática. Instrumento combinado de registro e controle de temperatura no painel, comandando válvula de controle com transmissão pneumática. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 17 Nível Visor de Nível Registrador de nível no painel, com recepção elétrica e instrumento transmissor externo. Alarme de nível baixo, montagem local, com sinalização no painel (transmissão elétrica). INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 18 Prof. Marcelo Saraiva Coelho TERMINOLOGIA Erro: 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 a menos. Quando tivermos a variável variando, 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. Quando a variável não estiver variando, podemos ter somente o ERRO ESTÁTICO. Quando a variável estiver variando, poderemos ter o ERRO DINÂMICO e o ERRO ESTÁTICO. valor indicado valor medido curva ideal erro Figura 7. Erro Absoluto - Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro convencional da grandeza medida. Erro Aleatório - Componente do erro de medição que varia de uma forma imprevisível quando se efetuam várias medições da mesma grandeza. Erro Sistemático - Componente do erro de medição que se mantém constante ou varia de forma previsível quando se efetuam várias medições de uma mesma grandeza. Os erros sistemáticos e suas causas podem ser conhecidos ou desconhecidos. Para um instrumento de medida ver "erro de justeza". Erro Combinado - Desvio máximo entre a reta de referência e a curva de medição, incluindo os efeitos de não linearidade, histeresis e repetibilidade, expresso em porcentagem do sinal de saída nominal. Valor Verdadeiro (de uma grandeza) - Valor que caracteriza uma grandeza perfeitamente definida nas condições existentes quando ela é considerada. O valor verdadeiro de uma grandeza é um conceito ideal e não pode ser conhecido exatamente. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 21 Sendo, ± 0,5% = ± 0,5 = ± 0,005 e o valor medido = 80 ºC, teremos: 100 0,005. 80 = ± 0,4 ºC Portanto, a temperatura estará entre 79,6 ºC e 80,4 ºC. Zona morta - É a máxima variação que a variável possa ter, sem provocar variações na indicação ou sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do range do mesmo. Exemplo: Um instrumento com range de 0 ºC à 200 ºC, possui uma zona morta de ± 0,1% do span. A zona morta do instrumento pode ser calculada da seguinte forma: Sendo, ± 0,1% = ± 0,1 = ± 0,001, teremos: 0,001. 200 = ± 0,2 ºC 100 Portanto, se a variável de processo variar 0,2 ºC, o instrumento não apresentará resposta alguma. Histerese - É a diferença máxima apresentada por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala no sentido ascendente e descendente. É expresso em porcentagem do span. Exemplo: Durante a calibração de um determinado instrumento com range de 0 à 200 ºC, foi levantada a curva dos valores indicados, conforme mostrado na figura. A diferença entre 120,2 ºC e 119,8 ºC representa o erro de histeresis correspondente a 0,2 % do span. Figura 8. Curva característica do erro de histerese Podemos observar que o termo zona morta está incluído na histerese. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 22 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Repetibilidade - É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do span. Exemplo: Um instrumento com range de 0 à 1000 l/min, com repetibilidade de ± 0,1 % do span e com exatidão de ± 1% do span, para uma vazão real na primeira passagem ascendente for 750 l/min e o instrumento indicar 742 l/min, numa segunda passagem ascendente com vazão real de 750 l/min o instrumento indicará 742 ± 1 l/min, conforme mostrado na figura, a seguir: Figura 9. Curva característica do erro de repetibilidade INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 23 Exercícios de Introdução a Instrumentação Básica Nas questões de 1 à 5, assinale a alternativa correta. 1) Processo industrial é definido como: a) a variável que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto; b) a energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica; c) a variável, na qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado; d) uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material; e) condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo. 2) Variável de processo é definida como: a) a variável que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto; b) a energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica; c) é a variável, na qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado; d) uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material; e) condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo. 3) Variável controlada é definida como: a) a variável que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto; b) a energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica; c) a variável, na qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado; d) uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material; e) condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 26 Prof. Marcelo Saraiva Coelho 11) Calcule a faixa de medição que um instrumento pode indicar, quando a temperatura real medida pelo mesmo é 30oC, sabendo-se que a escala de medição é de -20 a +80oC e sua exatidão é de ± 0,75% do alcance. Calcule também, a faixa de medição que outro instrumento pode indicar, quando a temperatura real medida pelo mesmo é 30oC, sabendo-se que a escala de medição é de -20 a +80oC e sua exatidão é de ± 0,75% do valor medido. 12) Assinale V para as sentenças verdadeiras e F para as sentenças falsas: a) ( ) Indicador é um instrumento composto por uma escala e um ponteiro. b) ( ) Registrador é um 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. c) ( ) Transmissor de nível é um instrumento que mede temperatura, através de um elemento primário, e transmite para um outro instrumento a distância, através de um sinal padronizado proporcional à temperatura medida. d) ( ) Controlador é um instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle. e) ( ) Conversor corrente-pressão é um instrumento que recebe um sinal em corrente e converte para um sinal pneum. de saída, proporcional ao sinal de entrada. f) ( ) Os anunciadores de alarme são dispositivos de segurança destinados a identificar anormalidades em um processo e alertar o operador através de sons ou luzes intermitentes. g) ( ) Chaves são instrumentos que detectam a presença do meio controlado em um ponto pré ajustado e mudam o estado de um interruptor, possibilitando a energização ou desenergização de um circuito elétrico, eletrônico ou digital. 13) Calcule o valor pedido: a) 70% de 1 – 5 V = _______________________ b) 80% de 1 – 5 V = _______________________ c) 10% de 0,25 – 1,25 V = _______________________ d) 30% de 0,25 – 1,25 V = _______________________ e) 45% de 4 - 20 mA = _______________________ f) 55% de 4 - 20 mA = _______________________ INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 27 14) Calcule o valor pedido: a) 1,2 V é quantos % da faixa de 1 – 5 V = ___________________ b) 4,8 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________ c) 6,2 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________ d) 9 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________ e) 1,5 V é quantos % da faixa de 1 à 5 V = ___________________ 15) Quanto ao sinal de transmissão , quais as vantagens e desvantagens: - do sinal pneumático sobre o eletrônico analógico? - do sinal eletrônico digital sobre o eletrônico analógico? - do sinal por ondas de rádio sobre o eletrônico analógico? 16) Qual o motivo para que a maior parte dos sinais de transmissão comecem com um valor maior que zero (exp: 1~5 Volts , 4~20 mA, 0.2 ~ 1.0 kgf/cm2 , 3 ~ 15 PSI) ? 17) Por que existe um limite da quantidade ou resistência máxima, de equipamentos que podem ser conectados em série (as transmissões de sinais por corrente) ? 18) Cite a função de cada componente das malhas abaixo: a) b) INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 28 Prof. Marcelo Saraiva Coelho c) d) e) f) 19) Faça um diagrama de interligação dos instrumentos/dispositivos de uma malha de controle para medição e controle de vazão contendo: placa de orifício, transmissor diferencial de pressão, extrator de raiz quadrada, controlador, registrador, integrador e válvula de controle. Utilize a norma ABNT e instrumentos/sinais eletrônicos. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 31 MEDIÇÃO DE PRESSÃO A instrumentação é a ciência que se ocupa em desenvolver e aplicar técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos de transformação, visando a otimização da eficiência dos mesmos. Essas técnicas são normalmente suportadas teoricamente em princípios físicos e ou físico-químicos e utiliza-se das mais avançadas tecnologias de fabricação para viabilizar os diversos tipos de medição de variáveis industriais. Dentre essas variáveis encontra-se a pressão cuja medição possibilita não só sua monitoração e controle como também de outras variáveis tais como nível, vazão e densidade. Assim por ser sua compreensão básica para o entendimento de outras áreas da instrumentação iniciaremos revisando alguns conceitos físicos importantes para medição de pressão. DEFINIÇÕES BÁSICAS Fluido Toda matéria cuja forma pode ser mudada e por isso é capaz de se deslocar. Ao ato de se deslocar é caracterizado como escoamento e assim chamado de fluido. Massa Específica Também chamada de densidade absoluta é a relação entre a massa e o volume de uma determinada substância. É representada pela letra Ró (ϑ) e no SI pela unidade (kg/m3). Densidade Relativa Relação entre massa específica de uma substância A e a massa específica de uma substância de referência, tomadas à mesma condição de temperatura e pressão. Nota: Para líquidos a densidade de uma substância tem como referência a água destilada a 4ºC e 1 atm cujo valor foi convencionado ser igual a unidade. Para gases e vapores a densidade de uma substância tem como referência o ar a 15ºC e 1 atm cujo valor foi convencionado ser igual a unidade. Peso Específico Relação entre peso e o volume de uma determinada substância. É representado pela letra gama (δ) e cuja unidade usual é kgf/m3. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 32 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Gravidade Específica Relação entre a massa de uma substância e a massa de um mesmo volume de água, ambos tomadas à mesma temperatura. Lei da Conservação de Energia (Teorema de Bernoulli) Esse teorema foi estabelecido por Bernoulli em 1738 e relaciona as energias potenciais e cinéticas de um fluido ideal ou seja, sem viscosidade e incompressível. Através desse teorema pode-se concluir que para um fluido perfeito, toda forma de energia pode ser transformada em outra, permanecendo constante sua somatória ao longo de uma linha de corrente. Assim sua equação representativa é: P1 + ½ ρ . V21 + ρ . g . h1 = P2 + ½ ρ . V22 + ρg . h2 = cte Essa equação pode ser simplificada em função das seguintes situações: Se a corrente for constante na direção horizontal, teremos: P1 + ½ ρ . V21 = P2 + ½ ρ . V22 = cte Se a velocidade é nula e assim o fluido se encontra em repouso, teremos: P1 + ρgh1 = P2 + ρgh2 = cte Teorema de Stevin Esse teorema foi estabelecido por STEVIN e relaciona as pressões estáticas exercidas por um fluido em repouso com a altura da coluna do mesmo em um determinado reservatório. Seu enunciado diz: “A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos”. Figura 11. P2 - P1 = ∆P = (h2 - h1) . δ Observação: • Este teorema só é válido para fluidos em repouso. • A diferença de cotas entre dois pontos deve ser feita na vertical. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 33 Princípio de Pascal A pressão exercida em qualquer ponto de um líquido em forma estática, se transmite integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais. Devido serem os fluidos praticamente incompressíveis, a força mecânica desenvolvida em um fluido sob pressão pode ser transmitida. Figura 12. Se aplicarmos uma força F1 = 10 kgf sobre o pistão 1, o pistão 2 levantará um peso de 50 kgf devido ter o mesmo uma área 5 vezes maior que a área do pistão 1. P1 = F1 / A1 e P2 = F2 / A2 como P1 = P2 ∴ F1 / A1 = F2 / A2 O volume deslocado será o mesmo. V1 = A1 x h1 V2 = A2 x h2 → A1 x h1 = A2h2 Exemplo: Sabendo-se que F1 = 20 kgf, A1 = 100 cm2 e A2 = 10cm2, calcular F2. F1 / A1 = F2 / A2 ∴ F2 = F1 x A2/A1 = 20 x (10/100) kgf x (cm2/cm2) → F2 = 2 kgf Equação Manométrica Esta equação relaciona as pressões aplicadas nos ramos de uma coluna de medição e altura de coluna do líquido deslocado. A equação apresenta-se como a expressão matemática resultante dessa relação. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 36 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Figura 15. Relação entre tipos de pressão. Unidades de Pressão A pressão possui vários tipos de unidade. Os sistemas de unidade MKS, CGS, gravitacional e unidade do sistema de coluna de líquido são utilizados tendo como referência a pressão atmosférica e são escolhidas, dependendo da área de utilização, tipos de medida de pressão, faixa de medição, etc. Em geral são utilizados para medição de pressão, as unidades Pa, N/m², kgf/cm², mHg, mH2O, lbf/pol2, Atm e bar. A seleção da unidade é livre, mas geralmente deve-se escolher uma grandeza para que o valor medido possa estar na faixa de 0,1 a 1000. Assim, as sete unidades anteriormente mencionadas, além dos casos especiais, são necessárias e suficientes para cobrir as faixas de pressão utilizadas no campo da instrumentação industrial. Suas relações podem ser encontradas na tabela de conversão a seguir. Tabela 3. Conversão de Unidades de Pressão Kgf/cm² lbf/pol² BAR Pol Hg Pol H2O ATM mmHg mmH2O kpa Kgf/cm² 1 14,233 0,9807 28,96 393,83 0,9678 735,58 10003 98,0665 lbf/pol² 0,0703 1 0,0689 2,036 27,689 0,068 51,71 70329 6,895 BAR 1,0197 14,504 1 29,53 401,6 0,98692 750,06 10200 100 Pol Hg 0,0345 0,4911 0,03386 1 13,599 0,0334 25,399 345,40 3,3863 Pol H2O 0,002537 0,03609 0,00249 0,07348 1 0,00245 6 1,8665 25,399 0,24884 ATM 1,0332 14,696 1,0133 29,921 406,933 1 760,05 10335 101,325 mmHg 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937 0,5354 0,00131 6 1 13,598 0,13332 mmH2O 0,000099 0,00142 0,00098 0,00289 0,03937 0,00009 0,07353 1 0,0098 Kpa 0,010197 0,14504 0,01 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1 H2O à 60ºF Hg à 32ºF INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 37 A medição de uma variável de processo é feita, sempre, baseada em princípios físicos ou químicos e nas modificações que sofrem as matérias quando sujeitas às alterações impostas por essa variável. A medição da variável pressão pode ser realizada baseada em vários princípios, cuja escolha está sempre associada às condições da aplicação. Nesse tópico serão abordadas as principais técnicas e princípios de sua medição com objetivo de facilitar a análise e escolha do tipo mais adequado para cada aplicação. MANÔMETRO DE LÍQUIDO a) Princípio de funcionamento e construção: É um instrumento de medição e indicação local de pressão baseado na equação manométrica. Sua construção é simples e de baixo custo. Basicamente é constituído por tubo de vidro com área seccional uniforme, uma escala graduada, um líquido de enchimento e suportados por uma estrutura de sustentação. O valor de pressão medida é obtida pela leitura da altura de coluna do líquido deslocado em função da intensidade da referida pressão aplicada. b) Líquidos de enchimento A princípio qualquer líquido com baixa viscosidade, e não volátil nas condições de medição, pode ser utilizado como líquido de enchimento. Entretanto, na prática, a água destilada e o mercúrio são os líquidos mais utilizados nesses manômetros. c) Faixa de medição Em função do peso específico do líquido de enchimento e também da fragilidade do tubo de vidro que limita seu tamanho, esse instrumento é utilizado somente para medição de baixas pressões. Em termos práticos, a altura de coluna máxima disponível no mercado é de 2 metros e assim a pressão máxima medida é de 2 mH2O caso se utilize água destilada, e 2 mHg com utilização do mercúrio. Manômetro tipo Coluna em “U” O tubo em “U” é um dos medidores de pressão mais simples entre os medidores para baixa pressão. É constituído por um tubo de material transparente (geralmente vidro) recurvado em forma de U e fixado sobre uma escala graduada. A figura mostra três formas básicas. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 38 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Figura 16. Manômetro tipo coluna “U” No tipo ( a ), o zero da escala está no mesmo plano horizontal que a superfície do líquido quando as pressões P1 e P2 são iguais. Neste caso, a superfície do líquido desce no lado de alta pressão e, consequentemente sobe no lado de baixa pressão. A leitura se faz, somando a quantidade deslocada a partir do zero nos lados de alta e baixa pressão. No tipo ( b ), o ajuste de zero é feito em relação ao lado de alta pressão. Neste tipo há necessidade de se ajustar a escala a cada mudança de pressão. No tipo ( c ) a leitura é feita a partir do ponto mínimo da superfície do líquido no lado de alta pressão, subtraída do ponto máximo do lado de baixa pressão. A leitura pode ser feita simplesmente medindo o deslocamento do lado de baixa pressão a partir do mesmo nível do lado de alta pressão, tomando como referência o zero da escala. A faixa de medição é de aproximadamente 0 ~ 2000 mmH2O/mmHg. Manômetro tipo Coluna Reta Vertical O emprego deste manômetro é idêntico ao do tubo em “U”. Nesse manômetro as áreas dos ramos da coluna são diferentes, sendo a pressão maior aplicada normalmente no lado da maior área. Figura 17. Manômetro tipo coluna reta vertical INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 41 Os medidores de pressão tipo elástico são submetidos a valores de pressão sempre abaixo do limite de elasticidade, pois assim cessada a força a ele submetida o medidor retorna a sua posição inicial sem perder suas características. Esses medidores podem ser classificados em dois tipos, quais sejam: Conversor da deformação do elemento de recepção de pressão em sinal elétrico ou pneumático. Indicador/amplificador da deformação do elemento de recepção através da conversão de deslocamento linear em ângulos utilizando dispositivos mecânicos. a) Funcionamento do medidor tipo elástico O elemento de recepção de pressão tipo elástico sofre deformação tanto maior quanto a pressão aplicada. Esta deformação é medida por dispositivos mecânicos, elétricos ou eletrônicos. O elemento de recepção de pressão tipo elástico, comumente chamado de manômetro, é aquele que mede a deformação elástica sofrida quando está submetido a uma força resultante da pressão aplicada sobre uma área específica. Essa deformação provoca um deslocamento linear que é convertido de forma proporcional a um deslocamento angular através de mecanismo específico. Ao deslocamento angular é anexado um ponteiro que percorre uma escala linear e cuja faixa representa a faixa de medição do elemento de recepção. b) Principais tipos de elementos de recepção A tabela abaixo mostra os principais tipos de elementos de recepção utilizados na medição de pressão baseada na deformação elástica, bem como sua aplicação e faixa recomendável de trabalho. Tabela 4. ELEMENTO RECEPÇÃO DE PRESSÃO APLICAÇÃO / RESTRIÇÃO FAIXA DE PRESSÃO (MÁX) Tubo de Bourdon Não apropriado para micropressão ~ 1000 kgf/cm2 Diafragma Baixa pressão ~ 3 kgf/cm2 Fole Baixa e média pressão ~ 10 kgf/cm2 Cápsula Micropressão ~ 300 mmH2O INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 42 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Manômetro Tubo Bourdon O Tubo de Bourdon consiste em um tubo com seção oval, que poderá estar disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal, tem uma de sua extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Figura 19. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através de engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar uma medida de pressão em uma escala graduada. Figura 20. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 43 Figura 21. De acordo com a faixa de pressão a ser medida e a compatibilidade com o fluido é que determinamos o tipo de material a ser utilizado na confecção de Bourdon. A tabela a seguir indica os materiais mais utilizados na confecção do tubo de Bourdon. Tabela 5. MATERIAL COMPOSIÇÃO COEFICIENTE DE ELASTICIDADE FAIXA DE UTILIZAÇÃO Bronze Alumibras Aço Inox Bronze Fosforoso Cobre berílio Liga de Aço Cu 60 ~ 71 e Zn Cu 76, Zn 22, Al12 Ni 10 ~ 14, Cr 16 ~ 18 e Fe Cu 92, Sn 8, P 0.03 Be 1 ~ 2, Co 0,35 e Cu Cr 0.9 ~ 1.2, Mo 0.15 ~ 30 e Fe 1.1 x 108 kgf/cm2 1.1 x 104 1.8 x 104 1.4 x 104 1.3 x 104 2.1 x 104 ~ 50 kgf/cm2 ~ 50 ~ 700 ~ 50 ~ 700 700 ~ Os manômetros tipo Bourdon podem ser classificados quanto ao tipo de pressão medida e quanto a classe de precisão. Quanto a pressão medida ele pode ser manométrico para pressão efetiva, vácuo, composto ou pressão diferencial. Quanto a classe de precisão, essa classificação pode ser obtida através das tabelas, a seguir. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 46 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Figura 25. A área efetiva de recepção de pressão do diafragma, muda de acordo com a quantidade de deslocamento. Para se obter linearidade em função de grande deslocamento, deve-se fazer o diâmetro com dimensões maiores. A área efetiva do diafragma é calculada pela seguinte equação. Ae = π (a2 + b2) (cm2) 8 Onde: a = diâmetro livre do diafragma b = diâmetro de chapa reforçada E ainda, a quantidade de deslocamento é calculada pela seguinte equação. S = Ae . P . Cd Onde: S = deslocamento (mm) P = pressão do diafragma (kgf/cm2) Cd = rigidez do diafragma (mm/kgf) Figura 26. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 47 Manômetro tipo Fole Fole é um dispositivo que possui ruga no círculo exterior de acordo com a figura que tem a possibilidade de expandir-se e contrair-se em função de pressões aplicadas no sentido do eixo. Figura 27. Como a resistência à pressão é limitada, é usada para baixa pressão. A área efetiva do elemento receptor de pressão do fole é mais ou menos definida pela equação: Ae = 1/4 · π · (OD + ID) / 2 Onde: Ae = área efetiva do receptor de pressão OD = diâmetro externo (mm) ID = diâmetro interno (mm) E ainda, a quantidade de deslocamento do fole é representada pela seguinte equação: S = Ae . P . Cb Onde: S = deslocamento (mm) P = pressão diferencial do diâmetro do fole (kgf/cm2) Cb = rigidez do fole A vida útil do fole, em função da repetibilidade à pressão constante, à quantidade de expansão e construção é representada pelo número de vezes até a quebra. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 48 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Figura 28. TRANSMISSORES DE PRESSÃO Os instrumentos de transmissão de sinal de pressão têm a função de enviar informações à distância das condições atuais de processo dessa variável. Essas informações são enviadas , de forma padronizada, através de diversos tipos de sinais e utilizando sempre um dos elementos sensores já estudado anteriormente (fole, diafragma, capsula, etc...) associados a conversores cuja finalidade principal é transformar as variações de pressão detectadas pelos elementos sensores em sinais padrões de transmissão. Esses transmissores convertem o sinal de pressão detectado em sinal elétrico padronizado de 4 a 20 mA dc. Existem vários princípios físicos relacionados com a variações de pressão que podem ser utilizados como elemento de transferência. Os mais utilizados nos transmissores mais recentes são: TRANSDUTORES DE PRESSÃO POR VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA É um dispositivo que mede a deformação elástica sofrida pelos sólidos quando estes são submetidos ao esforço de tração ou compressão. São na realidade fitas metálicas fixadas adequadamente nas faces de um corpo a ser submetido ao esforço de tração ou compressão e que tem sua seção transversal e seu comprimento alterado devido a esse esforço imposto ao corpo. Essas fitas são interligadas em um circuito tipo ponte de WHEATSTONE ajustada e balanceada para condição inicial e que ao ter os valores de resistência da fita mudada com a pressão, sofre desbalanceamento proporcional à variação desta pressão. São utilizadas na confecção destas fitas extensiométricas, metais que possuem baixo coeficiente de temperatura para que exista uma relação linear entre resistência e tensão numa faixa mais ampla. Vários são os metais utilizados na confecção da fita extensiométrica. Como referência, a tabela abaixo mostra alguns destes metais. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 51 Todos esses conceitos pertencem à Teoria de Resistência dos Materiais e são indispensáveis para o estudo da medida de deformações superficiais. Figura 31. Efeito de Poison. Mas o estudo da extensometria não se limita apenas à relação de tensão e deformação dos materiais realizada por Robert Hooke. Outro grande cientista, William Thomson (também conhecido por Lord Kelvin), anos mais tarde (1856), ao realizar estudos experimentais com condutores de cobre e ferro submetidos à solicitação mecânica de tração, verificou que a resistência elétrica que percorria esses condutores era uma função da constante de resistividade elétrica do material e das variáveis comprimento e seção transversal. A LR ρ= Em que: R - Resistência elétrica do condutor [Ω]; ρ- Resistividade do condutor [Ω.mm2/m]; L - Comprimento do condutor - [m]; A - Seção transversal do condutor - [mm2]. Dessa forma então, relacionando suas verificações com os estudos de Hooke, William Thomson chegou à seguinte conclusão: “Quando uma barra metálica é esticada, ela sofre um alongamento em seu comprimento e também uma diminuição do seu volume, resultado da diminuição da área da seção transversal dessa barra e um consequente aumento de sua resistência elétrica. Da mesma maneira, quando a barra é comprimida, a resistência diminui devido ao aumento da área transversal e diminuição do comprimento” INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 52 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Dentre os diferentes procedimentos existentes para converter deformações mecânicas em sinais elétricos proporcionais, o mais conhecido é o que utiliza elementos cuja resistência elétrica varia em função de pequenas deformações longitudinais. Esses elementos são pequenas células extensométricas afixadas (coladas) na superfície do corpo de prova, formando um conjunto solidário, e recebem o nome de strain gauges. Strain Gauges Metálicos Subdividem-se em dois tipos, a saber: a) Gauges de filamento (wire strain gauge) ⇒ O elemento sensível é um fio condutor metálico (liga de níquel com cobre e cromo) com uma seção circular de diâmetro 0,0025 mm aproximadamente, e colado sobre um suporte isolante de resina epóxi, poliéster ou material análogo. Para oferecer o máximo comprimento ativo dentro de uma área reduzida, o fio é disposto em várias dobras, seguindo a disposição que se mostra na figura. Figura 32. Constituição de um strain qauge de filamento. b) Gauge de trama pelicular (foil strain gauge) ⇒O elemento sensível é uma película de metal com poucos micros de espessura, recortada mediante ataque fotoquímico ou outra técnica adequada. O comprimento ativo é bem determinado, pois as espiras e as pistas de conexão são praticamente insensíveis, devido a sua largura (figura). Figura 33. Constituição de um strain qauge de trama pelicular. O princípio de medida dos gauges metálicos baseia-se então em três premissas enunciadas ao longo dos textos introdutórios: Valor da resistência de um condutor é uma função de suas características geométricas (efeito enunciado por Lord Kelvin). INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 53 A todo aumento de comprimento de um condutor corresponde uma redução da seção transversal (efeito de Poisson). A variação da resistividade é proporcional à variação relativa de volume (efeito enunciado por Bridgman). Das considerações anteriores, após algumas relações matemáticas e substituições, resulta a relação: L L L L R R K δ ρ δρ ν δ δ ++== 21 Em que K é conhecido como “Fator de Gauge” ou "Coeficiente de Sensibilidade", cujo valor é fornecido pelo fabricante. A tabela seguinte apresenta algumas marcas comerciais de strain gauges com seus respectivos fatores gauge e máxima temperatura de utilização. Tabela 8. Características de alguns strain gauges comerciais. Composição química Fabricante Fator Gauge K Resistência µΩ.cm Coeficiente de temperatura Máx. temperatura ºC 55%Cu, 45%Ni Advance Constanten Copel 2,0 49 11 45Ni, 12%Mn, 84%Cu Manganin 0,47 44 20 < 360 80%Ni, 20%Cu Nichrome V 2,0 108 400 800 66%Ni, 33%Cu Monel 1,9 110 450 300 74%NI, 20%Cr, 3%Al, 3%Fe Karma 2,4 125 20 750 Bandas Biaxiais (Strain Gauges do Tipo Roseta) Para que as medições extensométricas estejam efetivamente corretas, é necessário que as isostáticas da estrutura sob ensaio não passem pela parte ativa do extensômetro, porém nem sempre é possível dispor de informação suficiente para alinhar o strain gauge na direção precisa. Recorre-se então a gauges de vários elementos, colocados entre si a 45, 60, 90 e 120º. A informação relativa de cada um deles permite deduzir o sentido e magnitude dos esforços principais, por equacionamento. Como os gauges são montados sobre a superfície, o plano de medidas corresponde a um estado de deformação biaixal. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 56 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Figura 38. Transdutor de pressão de diafragma. Este tipo de transdutor de pressão utiliza disco plano circular (diafragma) ou cilindro oco como o elemento elástico e strain gage como o elemento sensor. Ele é utilizado como padrão para pressão maior que 3000 kgf/cm2. Por ter pouca histerese e não possuir atraso de indicação é apropriado para medições de pressão variável. Figura 39. Figura 40. Diafragmas são utilizados para baixa e média pressão ( 0 à 30000 psi) e os cilindros para o casos de alta e muito alta pressão (30000 psi à 100000 psi). A distribuição da deformação resultante de uma pressão uniforme na superfície do disco de espessura constante é dada por: ( ) ( )22 2 2 3. ..8 1.3 rR tE p orr − − = νε (Equação 3) ( ) ( )22 2 2 . ..8 1.3 rR tE p o − − =∞ νε (Equação 4) onde: INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 57 p = é a pressão; t = a espessura do diafragma; Ro = é o raio externo do diafragma; r = a variável radial. Figura 41. Distribuição da deformação em disco circular fino. Examinando estas equações mostra que a deformação circunferencial ε∞ é sempre positiva tendo um valor máximo no r = 0. A deformação radial εrr é positiva em algumas regiões e negativa em outras e tem seu valor máximo negativo r = Ro. Ambas as distribuições são mostradas na figura. Um "strain gage" que foi projetado para aplicações especiais é muito usado nos transdutores de pressão do tipo diafragma. Elementos circunferênciais são usados na região central do diafragma onde ε∞ é máximo. Similarmente, os elementos radiais são usados perto da extremidade do diagrama onde εrr é máximo. Também os elementos circunferenciais e radiais são divididos cada um duas partes conto esta na figura. Os elementos individuais são conectados na ponte de Wheatstone com os elementos circunferenciais nos braços R1 e R3 e elementos radiais nos braços R2 e R4. Se as deformações médias sobre as áreas dos elementos circunferencial e radial e se os valores médios de ∆R/R com fator de gage Sg = 2,0 são usados a voltagem de saída vo é dada por: INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 58 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Figura 42. Strain gage especial de quatro elementos ( ) psv tE Rpv pS ... 1...82,0 2 22 0 0 = − = ν (Equação 5) Onde a sensitividade pressão - voltagem Sp depende da geometria (Ro, t), propriedades dos materiais usados. (E e v) e finalmente a voltagem de alimentação Vs. A potência fornecida às pontes de Wheatstone são controladas pela potência pt eu pode ser dissipada pelos elementos de gage. CIRCUITO POTENCIOMÉTRICO PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO COM TRANSDUTOR TIPO STRAIN GAGE A ponte de Wheatstone é o circuito mais usado para converter a mudança da resitência ∆R/R de “Strain-gages” para uma voltagem de saída v0. O elemento de resistência que mede pressão é utilizado como um lado de uma ponte como mostra a figura para indicar a variação de resistência. Figura 43. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 61 Figura 45. Quando o transdutor é submetido a uma carga de pressão, o diafragma sofre uma deflexão, gerando variações nas resistências implantadas, de acordo com o efeito piezoresistivo. A espessura do diafragma, a área da superfície e o desenho geométrico dos resistores determinam a permissibilidade da faixa de pressão. Efeitos mecânicos do suporte nas células de medição podem largamente ser evitados pelos aspectos estruturais. Devido a suas características funcionais e sensibilidade, podem ser montados em tamanhos relativamente reduzidos, o que permite sua aplicação em áreas variadas como: . Medidores de pressão sangüínea; . Sistemas de injeção eletrônica; . Sistemas de robótica; . Controle de pressão em microbombas; . Concentradores de oxigênio e respiradores; . Controladores de nível e transmissão de fluidos. TRANSDUTORES DE PRESSÃO POR EFEITO PIEZO-RESISTIVO A mudança de resistência causada por mudanças na geometria tem significância secundária. O efeito primário é a mudança de condutividade, dependente de esforço mecânico no cristal. Esta dependência pode ser definida pela constante de proporcionalidade σ γ δγ •Π= Em que: . σγ - Variação da condutividade elétrica - [m/Ω.mm2]; . γ - Condutividade elétrica - [m/Ω.mm2]; . Π- Constante prezo - [mm2/N]; . σ- Tensão de compressão - [N/mm2]. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 62 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Tensões de compressão e dilatação no cristal semicondutor são usadas para produzir mudanças na resistência dos piezorresistores conectados como um circuito ponte. a) Tensões de compressão no cristal causam uma redução na máxima energia e conseqüentemente no aumento do número de portadores de carga na direção da força de compressão. Este aumento na condutividade reflete na diminuição da resistência. b) Tensões de dilatação causam um aumento na energia máxima e conseqüentemente uma diminuição no número de portadores de carga na direção da força dilatadora. Isto reflete no aumento da resistência. Os resistores estão precisamente localizados sobre o diafragma flexível para corresponder com a máxima tensão de compressão e dilatação. Para atingir a máxima precisão na medição, os quatro piezo-resistores estão conectados para formar um circuito ponte de Wheatstone. A posição dos resistores individuais é escolhida de acordo com a deflexão no diafragma. Dois resistores situados em lados opostos aumentam a resistência, enquanto os outros dois diminuem. Esta configuração propicia a vantagem de minimização dos efeitos da variação de resistência versus a temperatura. A variação de resistência com a deformação é pequena, enquanto a variação com a temperatura pode ser grande. Por isso mesmo, freqüentemente o conjunto é normalmente utilizado submerso óleo a fim de minimizar os efeitos da temperatura. Figura 46. A fim de obter o maior sinal possível com a melhor linearidade, duas condições devem ocorrer: . Os quatro resistores devem ter o mesmo valor nominal; . Os resistores opostos na diagonal devem mudar igualmente suas quantidades em valores opostos. Em princípio, esta segunda condição pode ser obtida por dois métodos separados. Por meio do posicionamento dos resistores em localizações opostas aos esforços mecânicos ou pelo uso de diferentes sinais dos efeitos longitudinais e transversal. A melhor posição para INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 63 cada sensor-resistor é calculada por computador utilizando técnicas de análise de elementos finitos. Uma desvantagem que deve ser mencionada é a sua dependência na temperatura, mas estes efeitos podem ser compensados por um circuito corretor, ou submergindo o conjunto diafragma sensor em óleo, tal qual mostrado na figura anterior. TRANSDUTORES DE PRESSÃO POR SENSOR PIEZO-ELÉTRICO A medição de pressão utilizando este tipo de sensor se baseia no fato dos cristais assimétricos ao sofrerem uma deformação elástica ao longo do seu eixo axial, produzirem internamente um potencial elétrico causando um fluxo de carga elétrica em um circuito externo. A quantidade elétrica produzida é proporcional a pressão aplicada, sendo então essa relação linear o que facilita sua utilização. Outro fator importante para sua utilização está no fato de se utilizar o efeito piezoelétrico de semi-condutores, reduzindo assim o tamanho e peso do transmissor, sem perda de precisão. Cristais de turmalina, cerâmica Policristalina Sintética, quartzo e quartzo cultivado podem ser utilizado na sua fabricação, porém o quartzo cultivado é o mais empregado por apresentar características ideais de elasticidade e linearidade. A figura mostra o diagrama simplificado da construção do sensor piezoelétrico. Figura 47. Construção Sensor Piezoelétrico TRANSDUTORES DE PRESSÃO POR SENSOR CAPACITIVO É o sensor mais utilizado em transmissores de pressão. Nele um diafragma de medição se move entre dois diafragmas fixos. Entre os diafragmas fixos e o móvel, existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico. Como um capacitor de placas paralelas é constituídos por duas placas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço de pressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do capacitor) tem sua distância em relação ao diafragma modificada. Isso provoca modificação na capacitância de um circuito de medição, e então tem-se a medição de pressão. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 66 Prof. Marcelo Saraiva Coelho PRESSOSTATO A variável pressão quando aplicada em um processo industrial qualquer, submete os equipamentos a ela sujeito a esforços de deformação que devem estar sempre abaixo de limites de segurança para que não ocorra ruptura e consequentemente acidentes. A garantia da permanência dos valores de pressão sempre abaixo dos limites de segurança deve ser feito de forma automática através de instrumentos de proteção. No caso da pressão, um dos instrumentos de proteção com grande aplicação é o pressostato sobre o qual serão feitas abordagens neste tópico. Figura 52. Sua função básica é de proteger a integridade de equipamentos contra sobrepressão ou subpressão aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. É constituído em geral por um sensor, um mecanismo de ajuste de set-point e uma chave de duas posições (aberto ou fechado). Como elemento sensor, pode-se utilizar qualquer um dos tipos já estudado, sendo o mais utilizado nas diversas aplicações o diafragma. Como mecanismo de ajuste de set-point utiliza-se na maioria das aplicações uma mola com faixa de ajuste selecionada conforme pressão de trabalho e ajuste, e em oposição à pressão aplicada. O mecanismo de mudança de estado mais utilizado é o micro interruptor, podendo ser utilizado também ampola de vidro com mercúrio fechando ou abrindo o contato que pode ser do tipo normal aberto ou normal fechado. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 67 Tipos de Pressostatos a) Diferencial fixo ou ajustável Quanto ao intervalo entre atuação e desarme os pressostato podem ser fornecidos com diferencial fixo e diferencial ajustável. O tipo fixo só oferece um ponto de ajuste, o de set-point, sendo o intervalo entre o ponto de atuação e desarme fixo. O tipo ajustável permite ajuste de set-point e também alteração do intervalo entre o ponto de atuação e desarme do pressostato. b) Contato SPDT e DPDT Quanto ao tipo de contato disponível no microinterruptor pode-se selecionar o do tipo SPDT que é composto basicamente por um terminal comum, um contato normal aberto (NA) e um contato normal fechado (NF), ou selecionar o tipo DPDT que é composto de duplo contato, ou seja, dois comuns, dois NA e dos NF sendo um reserva do outro. ESCOLHA DO TIPO DE MEDIDOR DE PRESSÃO Quando se escolher os tipos de medidores de pressão, deve-se observar a faixa de pressão a ser medida, a característica química do fluido e o local de instalação do instrumento. Devido a baixa precisão de medição, perto do ponto zero e proteção contra sobre pressão é apropriado escolher um medidor de pressão que trabalhe numa faixa de 25 a 70% da pressão máxima desejada. Outros pontos que se devem observar são os seguintes: Na medição de óleo e líquidos inflamáveis, é apropriado utilizar solda na tubulação de ligação ao instrumento. O vapor com alta temperatura corroe o bronze fosforoso e o aço, por isso deve-se utilizar o medidor com selo dágua. O cloro reage com água e corroe aço e bronze, por isso usa-se um selo de diafragma para projetar o elemento de recepção de pressão. A amônia corroe o bronze e o bronze fosforoso, por isso utilizam-se o aço doce. No caso de outros líquidos corrosivos, usar medidor tipo diafragma. Se em medidor de oxigênio utilizar óleo, pode ocorrer problema de explosão. Se colocar em contato cobre ou combinado de cobre ao medidor de acetileno, acontecerá reação do cobre com acetileno com possibilidade de explosão. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 68 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Quando escolher o local de instalação é conveniente determinar um lugar com pouca variação de temperatura, perto da origem de medição de pressão e de pouca pulsação e vibração. Construir a tubulação mais curta possível evitando locais onde existe umidade e gases corrosivos. Deve-se escolher materiais não corrosivos e não oxidantes e deve-se considerar a durabilidade da tubulação. Deve-se colocar válvulas de bloqueio na tomada de impulso de pressão para se fazer com facilidade a manutenção. Na medição de gases que condensam com facilidade tais como vapor e gás úmido é preciso tomar cuidado na colocação de pote de condensação com dreno para evitar acúmulo de água na parte molhada de medidor. Tipos de caixa disponíveis Caixa à prova de tempo IP65. Podem ser fornecidos também com um bloco de terminais interno para conexões elétricas, evitando a instalação de um bloco de terminais externo para a ligação dos cabos. À prova de explosão - construídos dentro de rígidos padrões de segurança, isolando os contatos e cabos de atmosferas explosivas. Tipo sem caixa, exposto. Adequando às necessidades dos fabricantes de equipamento, onde é prevista proteção especial para o instrumento, pelo usuário. Grau de Proteção IP Especifica a proteção quanto a entrada de corpos sólidos e penetração de água nos orifícios existentes no motor, responsáveis pela refrigeração do mesmo. O grau de proteção segundo a ABNT é indicado pelas letras IP seguidas de dois algarismos. • Primeiro algarismo 0 - sem proteção; 1 - corpos sólidos com dimensões acima de 50 mm; 2 - corpos sólidos com dimensões acima de 12 mm; 3 - corpos sólidos com dimensões acima de 2,5 mm; 4 - corpos sólidos com dimensões acima de 1,0 mm; 5 - proteção contra o acúmulo de poeira; 6 - proteção contra penetração de poeira. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 71 GRUPO D - Atmosfera contendo gasolina, álcool, acetona, hexano, nafta, benzina, propano, benzol, vapor de solvente ou laca, gás natural, ácido acético, acrilonitrila, amônia, butano. CLASSE II GRUPO E - Atmosfera contendo poeira metálica, incluindo magnésio, alumínio e outros metais. GRUPO F - Atmosfera contendo negro de fumo, poeira de carvão e coque. GRUPO G - Atmosfera contendo poeiras de farinha e cereais. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 72 Prof. Marcelo Saraiva Coelho Exercícios sobre MEDIÇÃO DE PRESSÃO 1. Exercícios de conversão de unidades de pressão: a) 20 psi = ______________ Kgf/cm2 b) 200 mmH20 = ______________ mmHg c) 10 Kgf/cm2 = ______________ mmH20 d) 735,5 mmHg = ______________ PSI e) 14,22 psi = _______________ mmH20 f) 2,5 Kgf/cm2 = _______________ mmHg g) 10 Kgf/cm2 = _______________ mmHg 2. Determine o valor das seguintes pressões na escala absoluta: a) 1.180 mmHg = ________________psia b) 1.250 KPa = ________________psia c) 22 psig = ________________psia d) - 450 mmHg = ________________psia e) 1,5 Kgf/cm2 = ________________psia f) - 700 mmHg = ________________psia 3. Determine o valor das pressões na escala relativa em mmHg: a) 1.390 mmHg (Abs) = ____________________ mmHg b) 28 psia = ____________________ mmHg c) 32 psia = ____________________ mmHg d) 12 psia = ____________________ mmHg e) 0,9 Kfg/cm2 (Abs.) = ____________________ mmHg 4. Qual o instrumento mais simples para medir pressão? 5. Defina o tubo de Bourdon. 6. Cite 3 tipos de Bourdon. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 73 7. Cite 3 tipos de coluna líquida. 8. Para a coluna a seguir determine : a ) P1 = 500 mm Hg P2 = ? Kgf/cm2 dr = 1,0 h = 20 cm b ) P1 = ? psi P2 = 15 “ H2O dr = 13,6 h = 150 mm c) P1 = 2,5 psi P2 = atm dr = ? h = 10 “ d ) P1 = atm P2 = - 460 mm Hg dr = 13,6 h = ? cm e ) P1 = - 300 mm Hg P2 = ? psia dr = 1,0 h = 10 “ 9. Defina o sensor tipo capacitivo. 10. Para indicadores de pressão tipo Bourdon, instalados em processos que variam bruscamente a pressão, o que pode ser feito para aumentar a vida útil do medidor ? 11. Qual manômetro tipo tubo de bourdon, possui melhor classe de exatidão A3; A4 ou B? INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 76 Prof. Marcelo Saraiva Coelho MEDIÇÃO DE NÍVEL A medição de nível, embora tenha conceituação simples, requer por vezes artifícios e técnicas apuradas. O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário. Os sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático. Na indústria se requer medições tanto de nível de líquidos como de sólidos. Para facilitar a compreensão costuma-se definir nível, como sendo a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido. CLASSIFICAÇÃO E TIPO DE MEDIDORES DE NÍVEL A medida do nível de um reservatório contendo líquido ou sólido, é efetuada a fim de manter esta variável em um valor fixo ou entre dois valores determinados, ou ainda para determinar a quantidade (volume ou massa) do fluido em questão. Existem dois métodos de medição que são usados nos processos em geral. Método de Medição Direta É a medição que se faz tendo como referência a posição do plano superior da substância medida. Método da Medição Indireta É o tipo de medição que se faz para determinar o nível em função de uma segunda variável. A tabela 8, mostra alguns dos tipos para determinar medição de nível mais utilizados na instrumentação. Tabela 9. MEDIÇÃO DIRETA MEDIÇÃO INDIRETA - Réguas ou Gabaritos - Visores de Nível - Bóia ou Flutuador - Displace (empuxo) - Pressão diferencial (diafragma) - Borbulhador - Capacitância eletrostática - Ultra-sônico - Por pesagem - Por raio gama INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS Prof. Marcelo Saraiva Coelho 77 Vantagens e Desvantagens dos dois métodos A - Determinação do Nível A preferência será dada às medições diretas, pois o peso específico do líquido a medir varia com o tempo. Nos demais casos usa-se o outro método, de acordo com a medição a efetuar. B - Determinação do Volume Dá-se preferência às medidas diretas. Conhecendo-se a área da base do reservatório, tem-se: V = S . h Onde: V = volume do líquido h = altura do líquido S = área da base do reservatório C - Determinação da Massa Dá-se preferência às medidas indiretas. Com efeito, tem-se: M = S. h . ρ mas ρ = ∂ g M = S.h ∂ g e h = P ∂ Logo M = S P ∂ . ∂ g ∴ M = S P g . Onde: P = peso do produto ρ = massa específica M = massa A relação acima demonstra que o peso específico não intervém na medida. Se for usada medição direta, a fórmula M = S.h ∂ g deverá ser aplicada, o que implica no conhecimento do peso específico. INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS 78 Prof. Marcelo Saraiva Coelho MEDIDORES DE NÍVEL POR MEDIÇÃO DIRETA Medidor de Nível Tipo Régua ou Gabarito. Consiste em uma régua graduada que tem o comprimento conveniente, para ser introduzido dentro do reservatório onde vai ser medido o nível . Figura 53. Régua A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento marcado na régua, pelo líquido. São instrumentos simples e de baixo custo permitindo medidas instantâneas. A graduação da régua deve ser feita a uma temperatura de referência, podendo estar graduada em unidades de comprimento, volume ou Massa. Figura 54. Gabarito.