ESCOLA TCNICA FEDERAL DE SERGIPE CEFET SE

Funes dos Instrumentos

PROFESSOR : HRCULES BENZOTA

INSTRUMENTAO FUNES DOS INSTRUMENTOSObjetivos de Ensino

1. Relacionar as necessidades e aplicaes das medies das variveis, em controle, monitorao e alarme de processos industriais.

2. Apresentar as principais funes da medio e controle: deteo da varivel, condicionamento do sinal, apresentao dos dados e atuao no processo.

3. Mostrar os principais tipos de instrumentos, pelo princpio de funcionamento, atuao, alimentao, natureza do sinal.Instrumentos de MedioIntroduoEm Instrumentao, o termo medir vago e ambguo. Normalmente, quando se fala medir, se quer dizer indicar o valor de uma varivel. Porm, o mesmo termo medir se refere a sentir. Mais ainda, medir pode incluir transmitir, registrar, totalizar, alarmar ou controlar. Embora a instrumentao trate dos instrumentos medidores, no existe smbolo (tag) para o medidor, mas para indicador (I), transmissor (T), registrador (R), totalizador (Q), alarme (A) e controlador (C) e condicionador (Y).

Esta confuso aparece porque um sistema completo de medio envolve as funes bsicas de:1. sentir a varivel2. condicionar o sinal

3. apresentar o valor da varivel.Estas funes podem ser feitas por um ou vrios mdulos.

Tipos de Medio

H trs procedimentos principais de medio:

1. medio direta

2. comparao

3. substituioMedio direta

Como o nome sugere, esta a forma mais simples de medio. Por exemplo, se mede a voltagem escolhendo um medidor com a faixa correta de voltagem, ligando-o nos terminais apropriados e lendo a voltagem diretamente da posio do ponteiro na escala ou nos dgitos do display.

O mtodo equivalente na pesagem tomar uma balana com mola, com a faixa correta, colocar nela o peso desconhecido e ler o deslocamento na escala calibrada.

Os dois mtodos possuem vrias coisas em comum.

Ambos os mtodos se baseiam no comportamento de algum sistema fsico (sensor e processador do sinal) para converter a quantidade medida (sinal de entrada) em uma quantidade observvel (sinal de sada). Para o voltmetro, o processo fsico a rotao da bobina mvel quando a corrente passa por ela. O balano da mola se baseia no deslocamento causado pela fora da gravidade no peso. Para os dois instrumentos, necessria uma calibrao inicial da posio do ponteiro, como uma funo da magnitude do sinal de entrada. Isto feito somente em uma posio, tipicamente na deflexo de fundo de escala e a preciso da leitura em outros pontos depende da linearidade da resposta do sistema. A preciso contnua do instrumento entre as calibraes depende do valor pelo qual a resposta do sistema pode variar, devido ao envelhecimento e outros efeitos. A preciso da medio direta depende fundamentalmente do sistema fsico escolhido como transdutor e processador do sinal, do nmero de vezes de calibrao do sistema e da qualidade do equipamento usado.Medio DiretaMedio comparativa - balano de nuloO mtodo comparativo de pesagem deve ser muito familiar a todos. Usam-se dois pratos da balana para comparar os pesos da massa desconhecida e da massa conhecida. Quando eles forem iguais, no haver deflexo do ponteiro. Quando um for maior que o outro, haver uma deflexo para algum dos lados da balana. Tudo se resume a uma questo de se ter pesos calibrados conhecidos para que se tenha a pesagem exata de qualquer massa desconhecida.

No h necessidade de calibrao. Em cada medio, a quantidade desconhecida comparada diretamente com uma quantidade conhecida.

Uma situao similar pode ocorrer na medio eltrica. Pode-se produzir uma voltagem conhecida e ento compar-la com uma voltagem desconhecida. A comparao real feita usando-se um galvanmetro que detecta se h passagem ou no de corrente por ele. Quando as voltagens forem diferentes, haver passagem de corrente em alguns dos dois sentidos, dependendo do valor relativo das voltagens. Quando elas forem iguais no haver corrente pelo galvanmetro. Quando se obtm a posio zero (nulo), garante-se que as voltagens so exatamente iguais.

Este mtodo, chamado de balano de nulo, extremamente preciso porque ele no se baseia em qualquer outro sistema fsico para se obter o valor da quantidade medida.Medio por Comparao verdade que necessrio usar e se usa um sistema de medio para indicar a obteno do balano do nulo. O sistema necessita apenas da leitura do zero; ele no precisa ser calibrado nem precisa dar uma resposta linear. O sistema de medio deve ser calibrado ou ajustado somente quando as leituras estiverem fora do equilbrio.

Medio por substituio Como j visto, o mtodo comparativo de medio fundamentalmente mais preciso do que o mtodo correspondente de medio direta, por que se elimina o sistema de medio como meio de interpretar o sinal de entrada sendo medido. Foi visto tambm que uma forma limitada de sistema de medio era usar o registro da posio do balano do nulo. Um mtodo mais preciso ainda de medio elimina qualquer efeito do sistema de medio.

Como exemplo, seja a balana qumica com dois pratos, que fica balanada exatamente quando h a massa de 200 g em cada prato. Agora, se estes pesos forem removidos e um peso de apenas 1 g for colocado em cada prato, haver ainda um balano perfeito? Espera-se que sim. Porm, entre a primeira e a segunda medies foram removidas 398 g do sistema e isto afetar as tenses e resistncias presentes nos braos, suportes e ponteiro. bem possvel que haja uma pequena variao no comportamento do sistema, dando um erro na medio da 1 g. Em uma balana mais precisa deveria haver uma garantia que o peso total no sistema no variasse, mesmo se forem medidos pesos de diferentes valores. Isto pode ser feito pelo mtodo da substituio.

Uma balana perfeita obtida com os pesos calibrados de 200 g no prato B. Um peso desconhecido M colocado no prato A. Para se consiga um novo balano, agora necessrio remover pesos do prato B.Medio por SubstituioO peso removido de B igual ao peso desconhecido colocado no prato A, de modo que este peso foi medido. Porem, o que significativo neste novo sistema que o peso total na balana no foi alterado. Tudo que aconteceu foi a substituio de um peso desconhecido por um peso conhecido e as condies do sistema de medio (balana) no foram alteradas. Assim, a medio por substituio envolve a recolocao de algo de valor desconhecido por algo de valor conhecido, sem alterar as condies de medio.

Por exemplo, seja a resistncia de valor desconhecido em um circuito. Se ela substituda por uma resistncia de valor conhecido, R, de modo que a voltagem e a corrente no circuito continuem exatamente as mesmas, ento o valor da resistncia desconhecida tambm igual a R.

Aplicaes da Medio

Os principais usos da medio em processos industriais e operaes so:

1. controle

2. monitoraoControle

Controlar uma varivel de processo mant-la constante e igual a um valor desejado ou variando dentro de limites estreitos. S se controla uma varivel. No se pode ou no h interesse em controlar grandeza que seja constante.

O controle pode ser obtido manualmente, quando o operador atua no processo baseando-se nas medies e indicaes de grandezas do sistema. O controle manual de malha aberta e matematicamente estvel.

H vrias tcnicas e teorias para se obter o controle automtico de processos industriais. A tcnica bsica e a mais usada atravs da malha fechada com realimentao negativa (feedback), onde1. mede se a varivel controlada na sada do processo,

2. compara-a com um valor de referncia

3. atua na entrada do processo,

4. de modo a manter a varivel controlada igual ao valor desejado ou variando em torno deste valor.

O controle automtico com realimentao negativa pode se tornar mais complexo, envolvendo muitas variveis de processo simultaneamente. So casos particulares de controle a realimentao negativa multi varivel: cascata, faixa dividida (split range) e auto-seletor.

Outra tcnica alternativa o controle de malha fechada preditivo antecipatrio (feedforward). Esta estratgia envolve:

1. a medio de todos os distrbios que afetam a varivel controlada,

2. um modelo matemtico do processo sob controle,

3. a atuao em uma varivel manipulada,

4. no momento em que h previso de variao na varivel controlada e antecipando-se ao aparecimento do erro.

5. para manter a varivel controlada constante e igual ao valor desejado.Um caso particular e elementar de controle preditivo antecipatrio o controle de relao de vazes.

Atualmente, com a aplicao intensiva e extensiva de instrumentao digital a microprocessador e com computadores, h vrios nveis de estratgias de controle, como:

1. controle

2. coordenao

3. otimizao

4. gerenciamento.

Ao nvel do processo, no cho de fbrica, h o controle de regulao automtica, envolvendo as variveis de processo, dados de engenharia e com alta freqncia de atuaes.

Acima do nvel do controle de processo, h o controle de coordenao, quando so estabelecidos os pontos de ajustes dos controladores e feita a superviso do controle. Acima deste nvel, tem-se a otimizao do controle, quando so usados e analisados os dados do processo, para o controle estatstico.

Finalmente, no topo da pirmide, tem-se o controle de gerenciamento da planta.

Quanto mais elevado o nvel, maior o nvel de administrao e de complexidade.

Quanto mais baixo e prximo do processo, mais engenharia e menos complexidade.

Monitorao

Monitorar supervisionar um sistema, processo ou operao de mquina, para verificar se ele opera corretamente durante sua operao. Em instrumentao, comum usar instrumentos para medir continuamente ou em intervalos uma condio que deve ser mantida dentro de limites pr determinados.

So exemplos clssicos de monitorao:

1. radioatividade em algum ponto de uma planta nuclear,2. deslocamento axial ou vibrao radial de eixos de grandes mquinas rotativas,

3. reao qumica em reatores atravs da anlise de composio dos seus produtos.Um sistema de monitorao diferente de um sistema de controle automtico porque no h atuao automtica no sistema, ou por incapacidade fsica de atuao ou por causa dos grandes atrasos entre as amostragens, medies e atuaes.

No sistema de monitorao, todas as indicaes e registros so avaliados continuamente, analisam-se as condies do processo e, em caso extremo, pode-se desligar o sistema, de modo automtico ou manual, quando os limites crticos de segurana so atingidos.

Alarme

Em sistemas de controle e de monitorao comum se ter alarmes. Um sistema de alarme opera dispositivos de aviso (luminoso, sonoro) aps a ocorrncia de uma condio indesejvel ou perigosa no processo. O sistema de alarme usado para chamar a ateno do operador para condies anormais do processo, atravs de displays visuais e dispositivos sonoros. Os displays visuais geralmente piscam lmpadas piloto para indicar condies anormais do processo e so codificados por cores para distinguir condies de alarme (tipicamente branca) e de desligamento

(tipicamente vermelha). Diferentes tons audveis tambm podem ser usados para diferenciar condies de alarme e de desligamento.Um sistema de alarme possui vrios pontos de alarme que so alimentados por uma nica fonte de alimentao. O anunciador de alarme apresenta a informao operando em seqncia. A seqncia descreve a ordem dos eventos, incluindo as aes das chaves de alarme, lgica do anunciador, sinal sonoro, display visual e ao do operador.

Tipicamente, cada seqncia tem quatro objetivos:

1. alertar o operador para uma condio anormal,

2. indicar a natureza da condio anormal (alarme ou desligamento),

3. requerer a ao de conhecimento pelo operador.4. indicar quando o sistema retorna condio normal.

Sistema de Medio

Embora haja vrios tipos de controle, vrios nveis de complexidade, vrios enfoques diferentes, h um parmetro em comum no controle, monitorao e alarme do processo: a medio das variveis e grandezas do processo. A medio fundamental. A base de um controle correto a medio precisa da varivel controlada.

Elemento sensor real desmontado

Transmissor de Temperatura

A instrumentao para fazer estas medies vital para a indstria. O uso de instrumentao em sistemas como casa de fora, indstrias de processo, mquinas de produo automtica, com vrios dispositivos de controle, manipulao e segurana revolucionou e substituiu velhos conceitos. Os instrumentos tem produzido uma grande economia de tempo e mo de obra envolvida. Os sistemas de instrumentos agem como extenses dos sentidos humanos e facilitam o armazenamento da informao de situaes complexas. Por isso, a instrumentao se tornou um componente importante das atividades rotineiras da indstria e contribuiu significativamente para o desenvolvimento da economia. Um sistema genrico de medio consiste dos seguintes elementos bsicos que fazem parte de todos instrumentos:

1. elemento sensor ou elemento transdutor, que detecta e converte a entrada desejada para uma forma mais conveniente e prtica a ser manipulada pelo sistema de medio. O elemento

sensor tambm chamado de elemento primrio ou transdutor. Ele constitui a interface do instrumento com o processo.

2. elemento condicionador do sinal, que manipula e processa a sada do sensor de forma conveniente. As principais funes do condicionador de sinal so as de amplificar, filtrar, integrar e converter sinal analgico-digital e digital-analgico.

3. o elemento de apresentao do dado, que d a informao da varivel medida na forma quantitativa. O elemento de apresentao de dado tambm chamado de display ou readout. Ele constitui a interface do instrumento com o operador do processo.Os elementos auxiliares aparecem em alguns instrumentos, dependendo do tipo e da tcnica envolvida. Eles so:

1. elemento de calibrao para fornecer uma facilidade extra de calibrao embutida no instrumento. Os transmissores inteligentes possuem esta capacidade de autocalibrao incorporada ao seu circuito.

2. elemento de alimentao externa para facilitar ou possibilitar a operao do elemento sensor, do condicionador de sinal ou do elemento de display.

3. elemento de realimentao negativa para controlar a variao da quantidade fsica que est sendo medida. Este elemento possibilita o conjunto funcionar automaticamente, sem a interferncia do operador.Indicador de presso manomtrica oumanmetro com bourdon C

Instrumento Desmontado

Por exemplo, no indicador analgico de presso com bourdon C, o elemento sensor o tubo metlico em forma de C. A presso a ser medida aplicada diretamente no sensor que sofre uma deformao elstica, produzindo um pequeno movimento mecnico. A entrada do sensor a presso e a sada um movimento mecnico. Este pequeno movimento mecanicamente amplificado por meio de engrenagens e alavancas, que constituem os elementos condicionadores do sinal. Finalmente, um ponteiro fixado na engrenagem e executa uma excurso angular sobre uma escala graduada em unidade de presso. O conjunto escala e ponteiro constitui o elemento de apresentao de dados. Este instrumento analgico e seu funcionamento mecnico. Ele no requer alimentao externa, pois utiliza a prpria energia da presso para funcionar.9