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Automação

Módulo III

1. Introdução (histórico, objetivos, efeitos)

2. Controle de Processos (definições, classificação, realimentação)

3. Medição de Variáveis do Processo (definições, simbologia,

medição de temperatura, nível, pressão, vazão)

4. Controlador Lógico-Programável (histórico, características,

fabricantes, constituição, funcionamento, programação, aplicações)


Sistemas ManuaisINTRODUÇÃO

• Máquinas à Vapor, Eólicas e Hidráulicas;

• Comando feito por Operadores (Maquinismo ou Mecanização);

Ex. Maquinismo (Torneiro Mecânico)

• Cadeia de Produção em massa.


INTRODUÇÃO

Sistemas AutomáticosEntende-se por automático todo processo que se

desenvolve sem a necessidade de intervenção humana (medição, decisão e ação corretiva).

Aplicações

Doméstica Comercial Industrial

Climatização Eletrodomésticos inteligentes (lavadoras, aspiradores, etc.) Monitoramento de alarmes Prédios inteligentes

Caixas automáticos (bancários) Centrais telefônicas Controle de tráfego e estacionamento Sistema de cobrança (etiqueta inteligente) Sistemas de segurança

Controle automático de processos industriais Intertravamento Gerenciamento de energia Sistemas de Transporte

Doméstica Comercial Industrial


HistóricoINTRODUÇÃO

Tear de Jacquard (1804)


HistóricoINTRODUÇÃO

Regulador Centrífugo Watt (1769)


ObjetivosINTRODUÇÃO

•Aumentar e controlar a qualidade do produto

•Incrementar a produtividade

•Aumentar a confiabilidade do processo

•Disponibilizar dos dados referentes ao processo para análise

•Aumento da segurança em relação às pessoas e ao ambiente


EfeitosINTRODUÇÃO

•Redução no nível de emprego de atividades repetitivas e/ou que requerem pouca qualificação

•Desaparecimento de algumas profissões

•Aumento da qualidade e padronização de produtos

•Redução de custos de produção


DefiniçõesCONTROLE DE PROCESSOS


Variável controlada – propriedade que se deseja controlar,corresponde a saída do processo.

CONTROLE DE PROCESSOS

Definições

Variável manipulada – propriedade que pode ser modificada diretamente pela ação do controlador e cuja variação irá afetar a variável controlada, corresponde a entrada do processo.

Valor desejado (setpoint) – valor de referência para a variável controlada. Em geral é determinado por um operador baseado nas necessidades do processo.

Elemento primário (sensor) – dispositivo que utiliza a energia do processo para proporcionar uma medida da variável controlada.



DefiniçõesControle

Contínuo Discreto

Linear Não-Linear Condicional Seqüencial

Booleano Sistemas Especialistas

Temporal Baseados em Eventos

Ex. PID Ex. Fuzzy

Ex. TimersEx. Contadores

Híbrido



Definições

Controlador ProcessoAtuador

Transmissor Sensor

Setpointdesvio

correçãovariável manipulada

variável controlada

realimentação

+–-



DefiniçõesTransmissor – elemento que transforma a medida do sensor em um sinal padronizado que pode ser transmitido e interpretado pelo controlador.

Elemento Final de Controle (atuador) – dispositivo que recebe o sinal do controlador e, desta forma, altera a variável manipulada (ex. válvulas, relés, etc.).

Controlador – dispositivo que compara o valor da variável controlada com o valor desejado, calcula a ação corretiva necessária e emite o sinal de correção para o atuador.


• Faixa de medida (range) – faixa de valores compreendida entre os limites inferior e superior da capacidade de medição do instrumento.


Definições

• Alcance (span) – diferença algébrica entre os valores superior e inferior do range.

• Erro – diferença entre o valor lido pelo instrumento e o valor real da variável.

• Sensibilidade – valor mínimo de mudança na variável detectável pelo instrumento.

• Precisão – limite de erro de medição do instrumento.

• Zona morta (dead zone) – faixa de valores da variável que não provoca variação da indicação ou sinal de saída do instrumento.


• Elevação de zero – quantidade com que o zero da variável supera o valor inferior do range.


Definições• Repetibilidade – capacidade de reprodução da indicação, ao se medir, repetidamente, valores idênticos de uma variável .

• Histerese – diferença observada entre a medição de uma variável quando esta percorre a escala no sentido crescente e no decrescente.

• Supressão de zero – quantidade com que o valor inferior do range supera o zero da variável.

• Tempo morto (dead time) – atraso verificado entre a ocorrência de uma alteração na variável e a sua percepção pelo instrumento, também chamado de atraso de transporte.


MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO

Simbologia


SimbologiaMEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO


NívelMEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO

unidade de comprimento linear (cm, m), unidade de volume (L, galão), unidade de massa (kg, ton, lb).

3.4.1 SondaNormalmente é feita de uma vara, haste ou fita métrica metálica graduadas.


a) Visor de vidro tubular: recomendados para pressões de até 2 bar e temperaturas de até 100ºC.

b) Visor de vidro plano: Mais empregado atualmente por questões de segurança.


3.4.2 Visor de Nível



3.4.3 Flutuador


a) Medidor de Diafragma

b) Medidor por Pressão Diferencial


3.4.4 Baseado na Pressão



Borbulhamento



3.4.5 Propriedades Elétricas

Condutividade

Capacitância



3.4.6 Outras Propriedades

Ultrassom

Radioativo


TemperaturaMEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO

3.3.1 Conceitos

Temperatura – É o grau de agitação molecular de um corpo;

Energia Térmica – É o somatório de energia cinética das moléculas do corpo;

Calor – Energia térmica em trânsito, desloca-se, normalmente, do corpo mais quente ao corpo mais frio.



3.3.2 Escalas Termométricas



3.3.3 Termômetro de Bulbo de Vidro

• Compartimentos cobertos ou fechados e nos quais a leitura é local;

• Apresenta erros de até 1% de escala;

• Possui tempo de resposta elevado;

• Aplicados na faixa de -150ºC a 350ºC.



3.3.4 Termômetro Bimetálico

• Baixo custo;• Leitura apenas local;• Construção robusta;• Possui tempo de resposta elevado;• Aplicados na faixa de -50ºC a 500ºC

Material do par bimetálicoFaixa de Medição

Coef. Dilatação linear

[10-6 1/K]Invar (64%Fe + 36%Ni)

-50 a 800ºC0,7

Latão 19



3.3.5 Termômetro Bulbo Capilar

• Classe I: cheio de líquido volátil (-100ºC a +300ºC);(xileno, tolueno, álcool)

• Classe II: cheio de vapor (-200ºC a +300ºC);(cloreto de metila, butano, éter etílico, tolueno, dióxido de enxofre, propano)

• Classe III: cheio de gás (-260ºC a +760ºC);(hélio, nitrogênio, hidrogênio, dióxido de carbono)

• Classe V: cheio de mercúrio (-40ºC a 600ºC).



3.3.5 Termômetro Bulbo Capilar



3.3.6 Termômetros de Resistênciaa) Resistência de Fio Metálico



a) Resistência de Fio Metálico

Cobre: Faixa de medição de -80ºC a 260ºC. Possui linearidade de 0,1ºC em um intervalo de 200ºC, entretanto sua resistência a oxidação é muito baixa e limita sua faixa de aplicação

Níquel: Faixa de medição de -60ºC a 180ºC. Os principais atrativos na sua utilização são seu baixo custo e a alta sensibilidade. Sua principal desvantagem é a baixa linearidade.

Platina: Faixa de medição de -250ºC a 950ºC. É o metal mais utilizados na construção de termômetros de resistência, pela sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor resistência a oxidação.



a) Resistência de Fio MetálicoEsquemas de ligação: 2, 3 e 4 fios



a) Resistência de Fio Metálico - Tempo de resposta



3.3.7 Termopar



3.3.8 Pirômetros



3.3.8 PirômetrosVantagens:

• Resposta rápida (na faixa de ms)• Uso em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis • Facilidade de medição do alvo em movimento• Medições de altas temperaturas• Não há risco de contaminação e efeito mecânico na superfície dos objetos.

Aplicações:

• Verificações de conexões elétricas, motores, disjuntores, fusíveis, transformadores, etc.• Verificação de rolamentos, detectando falta de lubrificação • Uso em ambientes perigosos como: Refinarias, Exploração de petróleo, siderúrgicas, etc.



Pirômetro Ótico



Pirômetro de Radiação



Calibração


PressãoMEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO



TiposPressão absoluta - É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a soma da pressão atmosférica do local e a pressão manométrica.

Pressão manométrica - É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, podendo ser positiva ou negativa. Quando se fala em uma pressão negativa, em relação a pressão atmosférica é chamada de vácuo.

Pressão diferencial - É o resultado da diferença de duas pressões medidas.

Pressão Estática - É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso.

Pressão Dinâmica - É a pressão exercida por um fluído em movimento paralelo à sua corrente.

Pressão total - É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento.



Unidades



Coluna de Líquido

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.



Tubo de Bourdon

Tubo de Bourdon consiste em um tubo com seção oval, que poderá estar disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal. Apresenta uma de sua extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida.

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.



Diafragma

É constituído pôr um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda.

Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.



Fole

O fole é basicamente um cilindrometálico, corrugado ou sanfonado.

Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna



Piezoresistivo - Strain Gage

O strain gage consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base é de medir a variação da resistência de um sensor que sofre uma elongação.

O elemento sensor é colado num elemento, chamado célula de carga, que uma vez submetido a uma pressão sofre uma deformação, observada pela variação de seu comprimento. A célula pode ser acoplada a um diafragma ou a elementos elásticos.



Piezoelétrico CapacititvoA pressão é diretamente transmitida ao diafragma sensor através do fluido de enchimento provocando a sua deflexão.

O diafragma sensor é um eletrodo móvel. As duas superfícies metalizadas são eletrodos fixos. A deflexão do diafragma sensor é percebida através da variação da capacitância entre os dois eletrodos fixos e o móvel.

O Sensor Piezoelétrico é considerado um sensor ativo porque a pressão que atua sobre o elemento sensor, um cristal, gera uma f.e.m. proporcional.

Pode ser empregado para captar pressão sonora, como em microfones, para perturbações aerodinâmicas, entre outros.

Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo , a turmalina e o titanato que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão.



Calibração


VazãoMEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO

vazão volumétrica, em termos de volume - m3/h, L/min, GPM

vazão mássica (gravimétrica), em termos de massa - kg/h, lb/min.

1 m3 = 1000 litros → 1 galão (americano) = 3,785 litros1 pé cúbico = 0,0283168 m3 → 1 libra = 0,4536 kg



3.6.1 Baseada em Pressão Diferencial

a) Placa de Orifício



b) Pitot

c) Bocal



d) Venturi



a) Rotâmetro

3.6.2 Dispositivos de Área Variável



b) Cilindro e Pistão



a) Disco Nutante

3.6.3 Medidores Volumétricos

b) Turbina



c) Rotor

3.6.3 Medidores Volumétricos



3.6.4 Medidor Eletromagnético

3.6.5 Instrumento Radioativo


Sensores Indutivos

SENSORES E TRANSDUTORES

•São equipamentos eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças metálicas;


•Com a aproximação de peças metálicas, ocorre uma variação na tensão gerada por um oscilador;

•Princípio de Funcionamento:

•Um comparador monitora esta tensão e envia um sinal para o transistor caso ocorra variação.

Sensores Indutivos



•Aplicações:

Sensores Indutivos



•Equipamentos eletrônicos capazes de detectar aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, Iíquidos, madeiras, papéis, metais, etc.

Sensores Capacitivos



•Princípio de Funcionamento:•Baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor.




•Tabela de Constantes dielétricas:




•Exemplo de distância de detecção (10mm):




•Aplicações




•Também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença de objetos.

Sensores Fotoelétricos



•Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado.




•Principais Tipos:




•Aplicações:




•Utilizam ondas sonoras de alta frequência para detectar objetos.

Sensores Ultrassônicos



O emisssor envia impulsos ultrasônicos sobre o objeto analisado. As ondas sonoras voltam ao detetor depois de um certo tempo, proporcional a distância.

Princípio de Funcionamento.




Aplicações:




Sensor de Fumaça

Sensores


Ótico

Iônico


Sensor de Gás

Sensores


Quando a mistura de gás ou vapor inflamável e ar entra em contato com o filamento ativo, reage com o oxigênio, aumentando da temperatura e aumentando a resistência. Isso provoca o desequilíbrio da ponte de Wheatstone, gerando um sinal elétrico proporcional à concentração de gás ou vapor inflamável no ar.


Umidade

Sensores


Umidade Relativa

Umidade do Solo


Sensor Magnético (reed switch)

Sensores


Quando um ímã aproxima-se do sensor, o campo magnético atrai as chapas de metal, fazendo com que o contato elétrico se feche.


Sensores


Sensores Mecânicos

são interruptores ou mesmo chaves comutadoras que atuam sobre um circuito no modo liga / desliga quando uma ação mecânica acontece no seu elemento atuador.


Sensores


Sensor de Efeito Hall

Quando um campo magnético atua sobre uma placa de material condutor através da qual passa uma corrente elétrica, os elétrons são desviados causando um acúmulo de elétrons e, portanto uma diferença de potencial numa direção transversal à passagem da corrente.

O efeito Hall foi descoberto em 1879 por E. H. Hall, que submeteu um condutor elétrico a um campo magnético perpendicular a direção da corrente elétrica. Hall verificou que uma diferença de potencial elétrico aparecia nas laterais deste condutor na presença do campo magnético.

Este efeito ocorre devido a cargas elétricas tenderem a desviar-se de sua trajetória por causa da força de Lorentz. Desta forma cria-se um acúmulo de cargas nas superfícies laterais do condutor produzindo uma diferença de potencial.


Sensores


Sensor de Efeito Hall

Os sensores Hall apresentam: linearidade, boa sensibilidade e tempo de resposta reduzido.

Suas aplicações mais comuns são na detecção de movimento ou medição de velocidade de máquinas mas, podem ser encontrados, também, na medição de campo magnético.


Relés

ATUADORES


Válvulas Solenoides

ATUADORES


Conversores de Frequência

ATUADORES


Válvulas Proporcionais

ATUADORES

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