APOSTILA INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE(U4)
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Aspectos geraisda rea de
instrumentao
Aspectos geraisda rea de
instrumentao
s processos industriais exigem controle na fabricao de seus produ-
tos. Estes processos so muito variados e abrangem diversos tipos de pro-
dutos, como, por exemplo, a fabricao dos derivados do petrleo, produ-
tos alimentcios, a indstria de papel e celulose etc.
Em todos estes processos absolutamente necessrio controlar e manter
constantes algumas variveis, tais como: presso, vazo, temperatura,
nvel, pH, condutividade, velocidade, umidade etc. Os instrumentos demedio e controle permitem manter constantes as variveis do proces-
so, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do
produto e a segurana.
No princpio da era industrial, o operrio atingia os objetivos citados
atravs de controle manual destas variveis, utilizando somente instrumen-
tos simples (manmetro, termmetro, vlvulas manuais etc.), e isto era su-
ficiente, por serem simples os processos. Com o passar do tempo, estes fo-
ram se complicando, exigindo um aumento da automao nos processos
industriais, atravs dos instrumentos de medio e controle. Enquanto isso,
os operadores iam se liberando de sua atuao fsica direta no processo e,
ao mesmo tempo, ocorria a centralizao das variveis em uma nica sala.
Devido centralizao das variveis do processo, podemos fabricar
produtos que seriam impossveis por meio do controle manual. Mas, para
atingir o nvel em que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram gran-
des transformaes tecnolgicas, como: controle manual, controle mec-
nico e hidrulico, controle pneumtico, controle eltrico, controle eletr-
nico e atualmente controle digital.
Unidade 4
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Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos con-
tnuos e descontnuos. Em ambos os tipos devem-se manter as variveis
prximas aos valores desejados.O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que
compara o valor da varivel do processo com o valor desejado e toma uma
atitude de correo de acordo com o desvio existente, sem a interveno
do operador.
Para que se possa realizar esta comparao e conseqentemente a cor-
reo, necessrio que se tenha uma unidade de medida, uma unidade
de controle e um elemento final de controle no processo.
Este conjunto de unidades forma uma malha de controle, que pode ser
aberta ou fechada. Na Figura 1 vemos uma malha fechada, e na Figura 2,
uma malha de controle aberta.
FIGURA 1 MALHA DE CONTROLE FECHADA
FIGURA 2 MALHA DE CONTROLE ABERTA
Unidade demedidaProcesso
Elemento finalde controle
Unidade decontrole
Unidade demedidaProcesso
Indicao
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TerminologiaOs instrumentos de controle empregados na indstria de processos (qu-
mica, siderrgica, papel etc.) tm sua prpria terminologia. Os termosutilizados definem as caractersticas prprias de medida e controle dos
diversos instrumentos: indicadores, registradores, controladores, transmis-
sores e vlvulas de controle.
A terminologia empregada unificada entre os fabricantes, os usuri-
os e os organismos que intervm direta ou indiretamente no campo da
instrumentao industrial.
FAIXADEMEDIDA(range)
Conjunto de valores da varivel medida que esto compreendidos dentro
do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmisso
do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos.
ALCANCE(span) a diferena algbrica entre o valor superior e o inferior da faixa de me-
dida do instrumento.
ERRO
a diferena entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em rela-
o ao valor real da varivel medida. Se tivermos o processo em regime
permanente, chamaremos de erro esttico, que poder ser positivo ou ne-
gativo, dependendo da indicao do instrumento, o qual poder estar in-
dicando a mais ou menos. Quando tivermos a varivel alterando seu va-
lor ao longo do tempo, teremos um atraso na transferncia de energia do
EXEMPLO
100 a 500m3 0 a 20psi
EXEMPLO
Em um instrumento comrangede 100 a 500m 3, seuspan de 400m3
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meio para o medidor. O valor medido estar geralmente atrasado em re-
lao ao valor real da varivel. Esta diferena entre o valor real e o valor
medido chamada de erro dinmico.
EXATIDOPodemos definir como a aptido de um instrumento de medio para dar
respostas prximas a um valor verdadeiro. A exatido pode ser descrita
de trs maneiras:
Percentual do Fundo de Escala (% do FE)
Percentual do Span (% do span)
Percentual do Valor Lido (% do VL)
RANGEABILIDADE(largura de faixa)
a relao entre o valor mximo e o valor mnimo, lidos com a mesma
exatido na escala de um instrumento.
EXEMPLO
Para um sensor de temperatura com rangede 50 a 250oCe valor medindo 100oC, determine o intervalo provveldo valor real para as seguintes condies :
Exatido 1% do Fundo de Escala
Valor real = 100C (0,01 x 250) = 100C 2,5C
Exatido 1% do Span
Valor real = 100C (0,01 x 200) = 100C 2,0C
Exatido 1% do Valor Lido (Instantneo)
Valor real = 100C (0,01 x 100) = 100C 1,0C
EXEMPLO
Para um sensor de vazo cuja escala 0 a 300gpm (gales porminuto), com exatido de 1% do spane rangeabilidade 10:1,a exatido ser respeitada entre 30 e 300gpm
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ZONA MORTA
a mxima variao que a varivel pode ter sem que provoque alterao
na indicao ou sinal de sada de um instrumento.
SENSIBILIDADE a mnima variao que a varivel pode ter, provocando alterao na
indicao ou sinal de sada de um instrumento.
HISTERESE
o erro mximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor
em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a varivel percorre toda
a escala nos sentidos ascendente e descendente.
Expressa-se em percentagem do span do instrumento.
Deve-se destacar que a expresso zona morta est includa na histerese.
EXEMPLO
Um instrumento com rangede 0 a 200C e umazona morta de:
1000,01% = 0,1 x 200 = 0,2C
EXEMPLO
Um instrumento com rangede 0 a 500C e comuma sensibilidade de 0,05% ter valor de:
1000,05% = 500 = 0,25C
EXEMPLO
Num instrumento com rangede 50C a100C, sendo sua histerese de 0,3%,o erro ser 0,3% de 150C = 0,45C
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FIGURA 3 INDICADOR
REPETIBILIDADE a mxima diferena entre diversas medidas de um mesmo valor da va-
rivel, adotando sempre o mesmo sentido de variao. Expressa-se em per-centagem do span do instrumento. O termo repetibilidade no inclui a
histerese.
FUNESDEINSTRUMENTOSPodemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instru-
mentao de acordo com a funo que desempenham no processo.
Instrumento que dispe de um
ponteiro e de uma escala gra-
duada na qual podemos ler o
valor da varivel. Existem tam-
bm indicadores digitais que
mostram a varivel em forma
numrica com dgitos ou bar-
ras grficas, como podemos
observar na Figura 3.
Instrumento que registra a varivel
atravs de um trao contnuo ou
pontos em um grfico, como pode-
mos observar na Figura 4.
A Figura 5 apresenta um instrumen-
to que determina o valor de uma va-
rivel no processo atravs de um ele-
mento primrio, tendo o mesmo sinal
de sada (pneumtico ou eletrnico),
cujo valor varia apenas em funo da
varivel do processo.
INDICADOR
REGISTRADOR FIGURA 4 REGISTRADOR
TRANSMISSOR
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Temos na Figura 6 um instrumento que recebe informaes na forma de
uma ou mais quantidades fsicas, modifica, caso necessrio, estas infor-
maes e fornece um sinal de sada resultante. Dependendo da aplicao,o transdutor pode ser um elemento primrio, um transmissor ou outro dis-
positivo. O conversor um tipo de transdutor que trabalha apenas com
sinais de entrada e sada padronizados.
A Figura 7 mostra um instrumen-
to que compara a varivel contro-
lada com um valor desejado e
fornece um sinal de sada a fim
de manter a varivel controlada
em um valor especfico ou entre
valores determinados. A varivel
pode ser medida diretamente
pelo controlador ou indiretamen-
te atravs do sinal de um trans-
missor ou transdutor.
TRANSDUTOR
FIGURA 5 TRANSMISSOR FIGURA 6 TRANSDUTOR
CONTROLADOR FIGURA 7 CONTROLADOR
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Observe na Figura 8 esse instru-
mento. Ele modifica diretamen-te o valor da varivel manipula-
da de uma malha de controle.
Alm dessas denomina-
es, os instrumentos podem
ser classificados em instrumen-
tos de painel, campo, prova
de exploso, poeira, lquido
etc. Combinaes dessas clas-
sificaes so efetuadas for-
mando instrumentos de acor-
do com as necessidades.
Identificao de instrumentos
As normas de instrumentao estabelecem smbolos, grficos e codifica-
o para identificao alfanumrica de instrumentos ou funes progra-
madas, que devero ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle deprojetos de instrumentao. De acordo com a norma ISA-S5, cada instru-
mento ou funo programada ser identificado por um conjunto de letras
que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica
a malha qual o instrumento ou funo programada pertence.
Eventualmente, para completar a identificao, poder ser acrescido
um sufixo. O Quadro 1 mostra um exemplo de instrumento identificado
de acordo com a norma preestabelecida.
ELEMENTO FINAL DE CONTROLE FIGURA 8 ELEMENTO FINAL DE CONTROLE
QUADRO 1 IDENTIFICAO DE INSTRUMENTOSDe acordo com a Norma ISA-S5
P = Varivel medida PressoR = Funo passiva ou de informao RegistradorC = Funo ativa ou de sada Controlador
001 = rea de atividade onde o instrumento atua02 = Nmero seqencial da malhaA = Sufixo
P R C 001 02 A
Varivel Funo rea da atividade N seqencial da malha
Sufixo
Identificao funcional Identificao da malha
Identificao do instrumento
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FIGURA 9 SINAIS UTILIZADOS NOS FLUXOGRAMAS DE PROCESSO
FIGURA 10 SMBOLOS DE INSTRUMENTOS
Utilizados nos fluxogramas de processo
As simbologias apresentadas nas Figuras 9 e 10 so utilizadas em flu-
xogramas de processo e engenharia e seguem a Norma ANSI/ISA-S5.1.
Suprimento ouimpulso
Sinal pneumtico
Sinal hidrulico
Sinal eletromagnticoou snico guiado
Ligao por software
Sinal binriopneumtico
Sinal no-definido
Sinal eltrico
Tubo capilar
Sinal eletromagnticoou snico no-guiado
Ligao mecnica
Sinal binrio eltrico
Instrumentosdiscretos
Instrumentoscompartilhados
Computador deprocesso
Controladorlgico programvel
Instrumentos Painel principalacessvel ao
operador
Montado nocampo
Painel auxiliaracessvel ao
operador
Painel auxiliarno-acessvelao operador
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QUADRO 2 IDENTIFICAO FUNCIONAL DOS INSTRUMENTOS
EXEMPLO
T = TemperaturaF = Vazo
Como se nota no Quadro 2, pode-se obter combinaes possveis de
acordo com o funcionamento dos dispositivos automticos.
R = RegistradorV = Vlvula
P = PressoL = Nvel
I = IndicadorG = Visor
PRIMEIRA LETRA LETRAS SUCESSIVASVarivelmedida
Letra demodificao
Funo deleitura passiva
Funode sada
Letra demodificao
Analisador Alarme AlarmeA
Queimador (chama) Boto de pressoB
ControladorC Condutibilidadeeltrica
DiferencialD Densidade oupeso especfico
Elemento primrioE Tenso (Fem)
RelaoF Vazo
VisorG Medida dimensional
Entrada manualH Comando manual
Indicao ouIndicador
I Corrente eltrica
VarreduraJ Potncia
Clculos emsistema digital
K Tempo ouprograma
Lmpada piloto BaixoL Nvel
Mdia Mdio ouintermedirio
M Umidade
N Vazo molar
O Orifcio ou restrio
Percentual Tomada de impulsoP Presso
IntegraoQ QuantidadeRegistradorR Remoto
Velocidade/Chave de segurana
Interruptor ouchave
S Velocidade oufreqncia
TransmissoTransmissor
T Temperatura
Clculo feito porcomputador
Multifuno MultifunoU Multivarivel
VlvulaV Vibrao
PooW Peso ou fora
Solenide /Conversor de sinal
Rel oucomputador
X ou Y Escolha do usurio
El. final decontrole
Z Posio /Deslocamento
Alto
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Principais sistemas de medidasOs sistemas podem ser classificados quanto natureza de suas unidades
fundamentais, quanto ao valor dessas unidades e tambm quanto s re-laes escolhidas na determinao dos derivados.
Os principais sistemas so:
SISTEMA MTRICO DECIMAL
Tem como unidadesfundamentais o metro,
o quilograma e o segundo (MKS)
SISTEMA FSICO OU CEGESIMAL
Tem como unidadesfundamentais o centmetro,o grama e o segundo (CGS)
SISTEMA INDUSTRIAL FRANCS
Tem como unidades fundamentaiso metro, a tonelada e o segundo
(MTS), definidas em funodo sistema mtrico decimal
SISTEMA INGLS
Tem como unidadesfundamentais o p (foot),
a libra (pound) eo segundo (second)
TelemetriaChamamos de telemetria a tcnica de transportar medies obtidas no
processo a distncia, em funo de um instrumento transmissor.
A transmisso a distncia dos valores medidos est to intimamente re-
lacionada com os processos
contnuos, que a necessidade e
as vantagens da aplicao da
telemetria e do processamen-
to contnuo se entrelaam.
Um dos fatores que se des-
tacam na utilizao da teleme-
tria a possibilidade de cen-
tralizar instrumentos e contro-
les de um determinado proces-
so em painis de controle ou
em uma sala de controle.
VANTAGENS DA TELEMETRIA
Os instrumentos agrupados podem serconsultados mais fcil e rapidamente,possibilitando operao uma visoconjunta do desempenho da unidade
Podemos reduzir o nmero de operadores comsimultneo aumento da eficincia do trabalho
Cresce, consideravelmente, a utilidade e aeficincia dos instrumentos em face daspossibilidades de pronta consulta, manutenoe inspeo, em situao mais acessvel,mais protegida e mais confortvel
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Transmissores
Os transmissores so instrumentos que medem uma varivel do processo
e a transmitem, a distncia, a um instrumento receptor, indicador, regis-trador, controlador ou a uma combinao destes. Existem vrios tipos de
sinais de transmisso: pneumticos, eltricos, hidrulicos e eletrnicos.
TRANSMISSOPNEUMTICAEm geral, os transmissores pneumticos geram um sinal pneumtico va-
rivel, linear, de 3 a 15psi (libras fora por polegada ao quadrado) para uma
faixa de medidas de 0 a 100% da varivel. Esta faixa de transmisso foi
adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associa-
o de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de
transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto,
encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmisso. Por
exemplo: de 20 a 100kPa.
Nos pases que utilizam o sistema mtrico decimal, adotam-se as fai-
xas de 0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15psi.
O alcance do sinal no sistema mtrico cerca de 5% menor que o si-
nal de 3 a 15psi. Este um dos motivos pelos quais devemos calibrar os
instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final decontrole etc.), sempre utilizando uma mesma norma.
Note-se que o valor mnimo do sinal pneumtico tambm no zero, e
sim 3psi ou 0,2kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente
o instrumento, comprovando sua correta calibrao e detectando vazamen-
tos de ar nas linhas de transmisso.
Percebe-se que, se tivssemos um transmissor pneumtico de tempe-
ratura de range de 0 a 2000C e o mesmo mantivesse o bulbo a 00C e um
sinal de sada de 1psi, este estaria descalibrado.
Se o valor mnimo de sada fosse 0psi, no seria possvel fazermos esta
comparao rapidamente. Para que pudssemos detect-lo, teramos de
esperar um aumento de temperatura para que tivssemos um sinal de sada
maior que 0 (o qual seria incorreto).
TRANSMISSO ELETRNICA
Os transmissores eletrnicos geram vrios tipos de sinais em painis, sendo
os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discre-
pncias nos sinais de sada entre diferentes fabricantes, porque tais ins-
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trumentos esto preparados para uma fcil mudana do seu sinal de sa-
da. A relao de 4 a 20 mA, 1 a 5 V est na mesma relao de um sinal de
3 a 15psi de um sinal pneumtico.O zero vivo utilizado, quando adotamos o valor mnimo de 4 mA,
oferece a vantagem tambm de podermos detectar uma avaria (rompi-
mento dos fios), que provoca a queda do sinal, quando ele est em seu
valor mnimo.
PROTOCOLO HART(Highway Adress Remote Transducer)Consiste num sistema
que combina o padro
4 a 20 mA com a comu-
nicao digital. um
sistema a dois fios com
taxa de comunicao de
1.200 bits/s (BPS) e mo-
dulao FSK (Frequency
Shift Keying). O Hart
baseado no sistema mestre/escravo, permitindo a existncia de dois mes-
tres na rede simultaneamente.As desvantagens so que existe uma limitao quanto velocidade de
transmisso das informaes e a falta de economia de cabeamento (pre-
cisa-se de um par de fios para cada instrumento).
FIELDBUS
um sistema de comunicao digital bidirecional, que interliga equipa-
mentos inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipa-
mentos localizados na sala de controle, como mostra a Figura 11.
Este padro permite comunicao entre uma variedade de equipamen-
tos, tais como: transmissores, vlvulas, controladores, CLP etc. Eles podem
ser de fabricantes diferentes (interoperabilidade) e ter controle distribu-
do (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e
enviar informaes a outros instrumentos para correo de uma varivel
presso, vazo, temperatura etc.).
Uma grande vantagem a reduo do nmero de cabos do controla-
dor aos instrumentos de campo. Apenas um par de fios o suficiente para
a interligao de uma rede fieldbus, como se pode observar na Figura 11.
VANTAGENS DO PROTOCOLO HART
Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e
para a comunicao digital
Usa o mesmo tipo de cabo empregado na
instrumentao analgica
Dispe de equipamentos de vrios fabricantes
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TABELA 1 SISTEMA DE UNIDADES GEOMTRICAS E MECNICAS
Comprimento
FIGURA 11 SISTEMA FIELDBUS
Na Tabela 1, voc encontrar alguns sistemas de unidades geomtri-
cas e mecnicas que o ajudaro na aplicao de alguns conceitos bsicos.
L L centmetro (cm) metro (m)mcron () = 106mangstrom(A) = 1010m
metro (m) foot (ft) =1/3 Yd = 12 in =30,48 cm
GRANDEZAS DEFINIO DIMENSO FSICO (CGS) DECIMAL (MKS) GRAVITATRIO (MKFS) PRTICO INGLS
Massa M M grama (g) quilograma (kg) (9,81 kg) (32,174 pd)
Tempo t t segundo (seg) segundo (seg) segundo (seg) second (sec)
Superfcie S2 S2 cm2 m2 m2 square-foot = 929cm2square-inch = 6,45cm2
Volume V3 V3 cm3 m3 m3 cubic-foot = 28.317cm3
cubic-inch = 16,39cm3
Velocidade v = LT1 cm/seg m/seg m/seg1m/seg = 197 ft/min
foot per second (ft/sec)ft/min = 0,5076 cm/s
Acelerao LT2 cm/seg2 m/seg3 m/seg2 ft/sec2y =
Fora M L T2 dina (d)(m = 1g:y = 1cm/ss)Megadina (M)= 10g dinas
GiorgiNewton (n)(m = 1kg; y = 1m/seg2)= 105 d
quilograma-fora(kgf)(m = 1kg; y = 9,81m/ seg2)x 103 x 981 = dinasx 10-3 x 9,81 = sth
pound (pd)(m = 1pd; y = 32,174 ft/sec2)= 0,4536kgf = 444981d= 7000 grains
F = m y
Trabalho M S2 T3 erg(F = 1 d; e = 1cm)
Joule (j)(F = 1n; e = 1m)= 102 ergs
quilogrmetro (kgm)(F = 1kgf; e = 1m)= 9,81 joules
foot-pound (ft.pd)(f = 1 pd; e = 1 ft)= 0,1383kgm = 1,3563 j
= F x e
Potncia M S2 T3 erg/seg( = 1 erg; t = 1seg)
Watt (w)(= 1j; 1 = 1seg)= 102 ergs/seg= 44,8 ft. pd/min
kgm/segCavalo-vapor (C.V.)= 75 kgm/seg= 736 watts
foot pound per secondHorse Power (HP)= 76kgm/seg (75)= 33000 ft.pd/min
w =t
te
tv
Presso M L1 T2 bria(F = 1 d; S2 = 1 cm2)Bar = 109 brias(F = 1M; s2 = 1cm2)
PascalF = 1n; S2 = 1m2)= 10 brias
kgf/cm2 = 1000 gf/cm2kgf/m2atm = 1033 gf/cm2
(em Hg = 76cm)
pd/in2 = 70.308 gf/cm2pd/ft2atm = 11.692 pd/in2
P =AF
ESTAO DE MANUTENOESTAO DE OPERAO
FEEDBACKALARME
FEEDBACK SADA
DADOS DEDIAGNSTICO