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Manual Tecnologia de Instr. e Automação 3 ÍNDICE: 1 OBJETIVO 5 2 PRESSÃO 6 2.1 Conceitos Básicos 6 2.2 Unidades 7 2.3 Manômetro 7 2.3.1 Acessórios 9 2.3.2 Classificação dos Manômetros 10 2.3.3 Fole 11 2.4 Coluna de Líquido 11 2.5 Transmissores de Pressão 13 2.5.1 Tipo Capacitivo 13 2.5.2 Tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo 14 2.5.3 Sensor por Silício Ressonante 16 3 MEDIÇÃO DE VAZÃO 20 3.1 Conceitos Básicos 20 3.2 Tipos de Medidores de Vazão: 20 3.3 Medição de Vazão por Pressão Diferencial 21 3.3.1 Vantagens / Desvantagens 22 3.3.2 Tipos de Orifícios 22 MANUAL TECNOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO

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Manual Tecnologia de Instr. e Automação 3

ÍNDICE: 1 OBJETIVO 5

2 PRESSÃO 62.1 Conceitos Básicos 62.2 Unidades 72.3 Manômetro 7

2.3.1 Acessórios 92.3.2 Classificação dos Manômetros 102.3.3 Fole 11

2.4 Coluna de Líquido 112.5 Transmissores de Pressão 13

2.5.1 Tipo Capacitivo 132.5.2 Tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo 142.5.3 Sensor por Silício Ressonante 16

3 MEDIÇÃO DE VAZÃO 203.1 Conceitos Básicos 203.2 Tipos de Medidores de Vazão: 203.3 Medição de Vazão por Pressão Diferencial 21

3.3.1 Vantagens / Desvantagens 223.3.2 Tipos de Orifícios 22

MANUAL

TECNOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO E

AUTOMAÇÃO

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3.4 Medidor Eletromagnético de Vazão 233.4.1 Principio de Funcionamento 233.4.2 Instalação do medidor magnético 24

3.5 Medidor Vortex 263.5.1 Principio de medição 263.5.2 Instalação 28

4 TEMPERATURA 294.1 Introdução 294.2 Escalas de Temperatura 30

4.2.1 Escala Internacional de Temperatura 314.3 Normas 324.4 Termômetros à dilatação de sólido bimetálico 334.5 Termômetros à par termoelétrico 364.6 Termômetro a dilatação de líquido 36

4.6.1 Características dos elementos básicos: 384.7 Termômetros a Pressão de Gás 394.8 Termômetro à Pressão de Vapor 414.9 Termopares 42

4.9.1 Efeitos Termoelétricos 434.9.2 Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura 474.9.3 Tipos e Características dos Termopares 484.9.4 Tipos de Termopares : Tipo T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN 484.9.5 Tipos de Termopares : Tipo J - TERMOPARES DE FERROCONSTANTAN 494.9.6 Tipos de Termopares : Tipo E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN 494.9.7 Tipos de Termopares : Tipo K - TERMOPARES DE CHROMEL ALUMEL 504.9.8 Tipos de Termopares : Tipo N - TERMOPARES DE NICROSIL - NISIL 504.9.9 Tipos de Termopares : Tipo S/R - TERMOPARES DE RÓDIO - PLATINA 514.9.10 Tipos de Termopares : Tipo B - TERMOPARES DE PLATINA- RÓDIO / PLATINA - RÓDIO 514.9.11 Correção da Junta de Referência 524.9.12 Fios de Compensação e Extensão 534.9.13 Erros De Ligação 534.9.14 Termopar de Isolação Mineral 564.9.15 Associação de Termopares 57

4.10 Termoresistências 584.10.1 Princípio de Funcionamento 594.10.2 Construção Física do Sensor 604.10.3 Características da Termoresistência de Platina 614.10.4 Vantagens / Desvantagens: 624.10.5 Princípio de Medição 62

4.11 Medição de Temperatura por Radiação 644.11.1 Radiação Eletromagnética - Hipótese de Maxwell 644.11.2 Espectro eletromagnético 654.11.3 Teoria da Medição de Radiação 664.11.4 Pirômetros Ópticos 694.11.5 Radiômetro ou Pirômetros de Radiação 70

5 NÍVEL 725.1 Introdução 725.2 Métodos de Medição de Nível de Líquido 72

5.2.1 Medição Direta 725.3 Medição de Nível Indireta 74

5.3.1 Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial) 745.3.2 Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados. 745.3.3 Medição de Nível com Borbulhador 765.3.4 Medição de Nível por Empuxo 775.3.5 Medição de Nível por Radiação 785.3.6 Medição de Nível por Capacitância 795.3.7 Medição de Nível por Ultra Som 805.3.8 Medição de Nível por Radar 815.3.9 Medição de Nível por Pressão Hidrostática 81

5.4 Medição de Nível Descontínua 82

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5.4.1 Medição de Nível de Sólidos 83

6 INVERSORES 846.1 Conceitos Básicos 846.2 Formas de Operação 846.3 Vantagens do Controle de Velocidade por AFD 856.4 Motor AC 856.5 Torque - Escorregamento - Velocidade 876.6 Partidas de Motores 876.7 Torque 886.8 AFD (Adjustable Frequency Driver) 896.9 Circuito de Potência: 916.10 Circuito RL 926.11 Aplicação 946.12 CPU e Softwraes 976.13 Hardware 986.14 Drivers 996.15 Troubleshooting 996.16 Encoders 100

7 CONTROLE 1047.1 Conceitos Básicos 1047.2 Elementos de controle 105

7.2.1 Sensores e transmissores 1057.2.2 Válvulas de controle 106

7.3 Elementos de painel 1077.4 Conceitos de Controle 1077.5 Documentação 1077.6 Controladores 108

7.6.1 Ações de Controle: 1087.6.2 Controle proporcional: 1097.6.3 Controle Integral: 1097.6.4 Controle proporcional e integral: 1107.6.5 Controle proporcional e derivativo: 1107.6.6 Controle proporcional, integral e derivativo: 1107.6.7 Algoritmo de Controle 1117.6.8 Desempenho de controladores 1127.6.9 Sintonia 1147.6.10 Variações de Controles 115

8 NOÇÕES BÁSICAS SOBRE AJUSTE DE CONTROLADORES DE PROCESSO

ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.

9 CONTROLES DE CALDEIRAS 1279.1 Economia na Geração de Vapor 1279.2 Operando um Sistema de Queima 127

9.2.1 Ar Estequiométrico (Oxigênio Teórico) 1289.2.2 Composição Aproximada do Ar Atmosférico 1289.2.3 Qual o Valor Ideal do Co2 na Queima ? 1289.2.4 Interpretação das Medições de Co2 128

9.3 Temperatura dos gases na Base da Chaminé 1289.4 Fuligem nos Gases 129

9.4.1 Causas Prováveis da Fuligem Excessiva : 1309.5 Controle de Combustão 130

9.5.1 Pressão de Vapor 1319.5.2 Atomização 1319.5.3 Temperatura do Óleo 1319.5.4 Nível do Tubulão 1319.5.5 Excesso de Ar 132

9.6 Conclusão 132

10 CONTROLE DE DESCARGA DE FUNDO DE CALDEIRA 133

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10.1 Objetivo: 13310.2 Válvula de Descarga de Fundo 133

10.2.1 Requisitos Técnicos para uma Válvula de Descarga 13410.2.2 Válvulas Comuns 135

10.3 Válvulas Especiais 13510.4 Comparação da Eficiência entre as Válvulas Especiais e Comuns 135

10.4.1 Comparação de Custos 136

11 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO 13811.1 Conceito: 13811.2 Estação de Controle 13811.3 Console de Operação 138

11.3.1 Alarmes 13911.3.2 Telas 13911.3.3 Segurança 13911.3.4 Relatórios 13911.3.5 Armazenamento de Dados 14011.3.6 Estação de Engenharia 140

12 REDES DE COMUNICAÇÃO 14112.1 Conceitos Básicos 14112.2 Classificação das Redes de Comunicação 14212.3 Rede de Informação 14212.4 Rede de Controle 14312.5 Rede de Campo 143

13 FOUNDATION FIELDBUS 14513.1 Introdução 14513.2 O que é uma rede Fieldbus ? 14513.3 Aplicações 14713.4 Configurações 147

13.4.1 Níveis de Protocolo : 14713.5 Níveis de Software: 148

13.5.1 Nível de Enlace 14813.5.2 Nível de Aplicação 14913.5.3 Nível do Usuário 14913.5.4 Nível Físico 149

13.6 Topologias 15213.6.1 Topologia de barramento com Spurs 15213.6.2 Topologia Ponto a Ponto 15313.6.3 Topologia em Árvore 15313.6.4 Topologia End to End 15413.6.5 Topologia Mista 154

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1 OBJETIVO

Este documento tem por objetivo listar as várias tecnologias de instrumentação e automação do projeto

HDF, esclarecendo os conceitos envolvidos.

O objetivo de se medir e controlar as diversas variáveis físicas em processos industriais é obter produtos

de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e segurança, a custos compatíveis com as

necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado; químicos, petroquímicos,

siderúrgicos, cerâmicos, farmacêuticos, vidreiros, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico, nuclear entre

outros.

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2 PRESSÃO

2.1 CONCEITOS BÁSICOS

A pressão entre todas as variáveis de processo se ressalta pela sua importância, pois diversas outras

variáveis são medidas utilizando-se indiretamente a pressão, como por exemplo vazão, esta variável pode

ser medida utilizando a pressão diferencial de uma placa de orifício com o fluxo através da mesma.

O conceito sobre pressão que iremos falar aqui é superficial, trataremos dos princípios básicos e

funcionamento dos instrumentos, começamos assim por manômetros industrias, vamos então definir de

forma simples o que é pressão:

A pressão é definida como o quociente entre uma força F e uma superfície de área A, isto é:

AF

A unidade de força Newton (N) é definida como:

211smKgN =

A partir dela é diretamente derivada a unidade de pressão pascal (Pa), assim denominada em honra ao

físico francês Blaise Pascal:

211mNPa =

Pressão atmosférica: É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível

do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.

Pressão Relativa: É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de

referência.

Pressão Absoluta: É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir

do vácuo absoluto.

Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta.

Exemplo: 3 Kgf/cm2 ABSPressão Absoluta

4 Kgf/cm2 Pressão Relativa.

O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos mede

pressão relativa.

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Pressão Negativa ou Vácuo: É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão

atmosférica.

Pressão diferencial: É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ∆Ρ . Essa

diferença de pressão normalmente é utilizada para se medir vazão e nível.

Pressão estática: É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo

perpendicularmente a tomada de impulso, por unidade de área exercida

Pressão dinâmica ou cinética: É a pressão exercida por um fluído em movimento. É medida fazendo a

tomada de impulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo.

2.2 UNIDADES

A pressão pode ser dada em qualquer unidade que expresse o quociente de uma força por uma superfície

ou altura de coluna de liquido de peso especifico conhecido,na industria as unidades mais usadas para

pressão são: barinCAmmHgmmCApsicmgf ,,,,,. 2Κ .A unidade padronizada para expressar uma pressão

em nossa planta de energia , no projeto HDF é o bar .

Na tabela abaixo apresentamos a conversão das principais unidades de pressão em relação ao bar .

bar psi inH20 Kgf/cm2 mmHg Kpa1 14,503 402,164 1,02 752,47 100

2.3 MANÔMETRO

O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários elementos

sensíveis e que podem ser utilizados também por transmissores e controladores.

O manômetro com tubo Bourdon consiste de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de

circunferência tendo uma extremidade fechada, estando à 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 da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar

uma medida de pressão.Quanto à forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo

C, espiral e helicoidal.

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Tipos de Tubos " Bourdon "

a) Tipo C b) Tipo Espiral C) Tipo Helicoidal

Muitas vezes o manômetro do tipo Bourdon vem preenchido com um liquido viscoso com a finalidade

diminuir o efeito oriundo de vibrações da máquina ou, linha de pressão onde está instalado o manômetro,

em nossa planta de energia encontraremos muitos manômetros deste tipo preenchido com glicerina,na

foto abaixo vemos o manômetro que poderá vir preenchido com glicerina ou silicone conforme dissemos

acima,observe a foto abaixo.

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Manômetro preenchido com glicerina

2.3.1 Acessórios

Pode se ter ainda vários acessórios para utilização com os manômetros industrias, estes acessórios são

utilizados para fins de amortecimento da linha, válvulas de dreno e sangria,válvulas de equalização de

pressão, observe na foto abaixo exemplos de acessórios,sendo que o sifão de resfriamento é um dos

acessórios utilizados em nossa planta de energia com manômetros industriais.

Membrana ou Diafragma: É constituído por 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. O diafragma geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva.

Na foto abaixo apresentamos um manômetro tipo diafragma.

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Manômetro tipo diafragma

2.3.2 Classificação dos Manômetros

Pela tolerância:

Classe A4-0,01% da faixa

Classe A3-0,25% da faixa

Classe A2-0,50 da faixa

Classe A1-1,00% da faixa

Classe A-1% entre 25% e 75% da faixa,restante 2%

Classe B-2% entre 25% e 75% da faixa,restante 3%

Classe C-3% entre 25% e 75% da faixa,restante 4%

Classe D-4% entre 25% e 75% da faixa,restante 4%

Pela faixa de pressão

baixa pressão, pressões de gases abaixo de 25 bar e pressões de liquido abaixo de 60 bar .

media pressão, pressões de gases de 25 bar até 60 bar e líquidos de 60 bar até 400bar .

alta pressão,pressões de gases acima de 160 bar e pressões de líquidos acima de 400 bar .

Sobrepressão

Os valores de sobrepressão não devem exceder os limites da tabela abaixo e num

tempo Maximo de 1 minuto sobre esta pressão.

Pressão nominal 0-60 bar Sobrepressão

30% acima do F.E.

60-400 bar . 15% acima de F.E.

Acima de 400 bar . 10% acima de F.E.

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Nota: Toda vez em que o instrumento sofrer uma sobrepressão deverá ser substituído ou calibrado

novamente devido o zero normalmente deslocar, comunique o instrumentista de turno.

2.3.3 Fole

O fole é também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico,

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.

2.4 COLUNA DE LÍQUIDO

Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com

uma escala graduada, a coluna podem ser basicamente de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e

em forma de "U", os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e

mercúrio, quando se aplica uma pressão na coluna o líquido é deslocado, sendo que este deslocamento é

proporcional a pressão aplicada.

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P1 = Px + gH2OL + gHgh

P2 = Py + gH2O(h + L) , P1 = P2

Px + gH2OL + gHgh = Py + gH2O(h+ L) = Py + gH2Oh + gH2OL , Py = 0

Px = gH2Oh - gHgh

h = Px / (gH2O - gHg)

Num corpo continuo de liquido estático a intensidade de pressão cresce diretamente com a profundidade,

medida a partir da superfície livre, a pressão de fluido atua perpendicularmente a todas as superfícies com

as quais está em contato, em qualquer ponto interno do fluido a pressão tem a mesma intensidade em

todas direções e sentidos, esta pressão é transmitida deforma instantânea e integral a todos os pontos do

liquido, esta propriedade é caracterizada em nossa prensa de linha.

Manômetro de tubo inclinado Manômetro de Reservatório

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2.5 TRANSMISSORES DE PRESSÃO

O nosso objetivo é explicar as tecnologias envolvidas no sensoriamento das pressões no projeto HDF, na

planta de energia a tecnologia é o sensor por silício ressonante, contudo, vamos falar sobre os strain

gauge que é o sensor utilizado na prensa, bem como falarmos sobre a tecnologia capacitiva para que

possamos visualizar as diferenças de tecnologia envolvidas nos transmissores de pressão.

2.5.1 Tipo Capacitivo

A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na

transferência da força / deslocamento entre o processo e o sensor .Este tipo de sensor resume-se na

deformação , diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor . Tal deformação altera o

valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico,esta montagem , se por um lado ,

elimina os problemas mecânicos das partes móveis , expõe a célula capacitiva às rudes condições do

processo , principalmente a temperatura do processo . Este inconveniente pode ser superado através de

circuitos sensíveis a temperatura montada juntos ao sensor,outra característica inerente à montagem , é a

falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras devido á deformação não linear ,

sendo necessário portanto , uma compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico .

O sensor é formado pêlos seguintes componentes :

Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido

Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube)

Armadura móvel (Diafragma sensor)

Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma força no

diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento . A força atinge a armadura flexível

(diafragma sensor) provocando sua deformação , alterando portanto , o valor das capacitâncias formadas

pelas armaduras fixas e a armadura móvel . Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico que gera um

sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva

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2.5.2 Tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo

Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões.Para

variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da resistência :

SLR .ρ

=

R : Resistência do condutor

ρ : Resistividade do material

L : Comprimento do condutor

S : Área da seção transversal

A equação nos explica que a resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional a

resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área da seção transversal .A maneira mais

prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo no sentido axial como

mostrado a seguir :

Seguindo esta linha de raciocínio , concluímos que para um comprimento L obtivemos L∆ , então para um

comprimento 10 x L teríamos 10 x L∆ , ou seja , quanto maior o comprimento do fio , maior será a

variação da resistência obtida e maior a sensibilidade do sensor para uma mesma pressão ( força )

aplicada .O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão

compacto quanto possível.Esta montagem denomina-se tira extensiométrica como vemos na figura a

seguir:

Observa-se que o fio , apesar de solidamente ligado a lâmina de base , precisa estar eletricamente isolado

da mesma, uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto a outra

extremidade será o ponto de aplicação de força .

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Da física tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexão , suas fibras internas serão

submetidas a dois tipos de deformação (tração e compressão), as fibras mais externas sofrem um

alongamento com a tração pois pertencem ao perímetro de maior raio de curvatura , enquanto as fibras

internas sofrem uma redução de comprimento (menor raio de curvatura) .

Como o fio solidário à lâmina também sofrerá o alongamento, acompanhando a superfície externa,

variando a resistência total .

Visando aumentar a sensibilidade do sensor , usaremos um circuito sensível a variação de resistência e

uma configuração conforme esquema a seguir :

Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em

ponte de Wheatstone , como mostrado a seguir , que tem a vantagem adicional de compensar as variações

de temperatura ambiente , pois todos os elementos estão montados em um único bloco,por ex. os

transmissores das prensas de nosso processo úmido.

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2.5.3 Sensor por Silício Ressonante

A tecnologia utilizada em nossa planta de energia para os transmissores de pressão e nível é a tecnologia

por silício ressonante,optamos por esta tecnologia em função de uma melhor estabilidade do zero na

calibração quando comparada a tecnologia capacitiva, isto se retrata principalmente por dois aspectos, o

primeiro é o fato de não se haver uma conversão A/D e a outra pelo fato do sensor primário ter uma

resposta linear com a pressão.O sensor do silício ressonante consiste de uma cápsula de silício colocada

estrategicamente em um diafragma , utilizando-se do diferencial de pressão para vibrar em maior ou

menor intensidade, afim de que essa freqüência seja proporcional a pressão aplicada.

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Todo o conjunto pode ser visto através da figura acima, porém, para uma melhor compreensão de

funcionamento deste transmissor de pressão, faz-se necessário desmembrá-lo em algumas partes vitais,Na

figura a seguir podemos ver o conjunto do sensor, este conjunto possui um imã permanente e o elemento

sensor de silício.

Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado por

um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado por uma corrente

em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente).

Este enfoque pode ser observado na figura abaixo:

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Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração do

sensor,sendo que um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC), enquanto que o outro

terá a sua disposição física mais à borda do diafragma (FR) ,por estarem localizadas em locais diferentes,

porém, no mesmo encapsulamento, uma sofrerá uma compressão e a outra sofrerá uma tração conforme a

aplicação de pressão sentida pelo diafragma,desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de

freqüência entre si. Esta diferença pode ser sentida por um circuito eletrônico , tal diferença de freqüência

será proporcional ao ∆Ρ aplicado, na figura a seguir é exibido o circuito eletrônico equivalente.

Através dessas informações é possível criar um gráfico referente aos pontos de operação da freqüência x

pressão.

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Na figura abaixo podemos ver o transmissor que será utilizado na planta de energia:

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3 MEDIÇÃO DE VAZÃO

3.1 CONCEITOS BÁSICOS

A medição de vazão inclui no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e

sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo; podem também ser incluídos os

instrumentos que indicam a quantidade total movimentada, num intervalo de tempo.A quantidade total

movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros,mm 3 , cm 3 , m 3 , galões, pés cúbicos) ou

em unidades de massa (g, Kg, toneladas,libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima,

dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m 3 /hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a

vazão instantânea pode ser expressa, em Kg/h ou em m 3 /h. Quando se mede a vazão em unidades de

volume, devem ser especificadas as "condições base" consideradas. Assim no caso de líquidos, é

importante indicar que a vazão se considera "nas condições de operação", ou a 0 °C, 20 °C, ou a outra

temperatura. qualquer. Na medição de gases ,é comum indicar a vazão em m 3 /h (metros cúbicos por

hora, ou seja, a temperatura. de 0 °C e a pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por

minuto - temperatura. 60 °F e14,696 PSIA de pressão atmosférica). Vale dizer que: 1m 3 = 1000 litros 1

galão (americano) = 3,785 litros,1 pé cúbico = 0,0283168 m 3 1 libra = 0,4536 Kg.

3.2 TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO:

Existem dois tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade e os medidores volumétricos, nós

estaremos enfocando mais o volumétrico devido justamente ser este tipo de medidor o empregado em

nossa planta de energia.

Medidores de Quantidade: São aqueles que, a qualquer instante permitem saber que quantidade de

fluxo passou mas não vazão do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros,

balanças industriais, etc.

Medidores de Quantidade por Pesagem: São utilizados para medição de sólidos, que são as

balanças industriais.

Medidores de Quantidade Volumétrica: São aqueles que o fluído, passando em quantidades

sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação.São

estes medidores que são utilizados para serem os elementos primários das bombas de gasolina e dos

hidrômetros. Exemplo: disco mutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão alternativa, tipo pás,

tipo engrenagem, etc.

Medidores Volumétricos: São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo,será o medidor de

vazão empregado na planta de energia para se medir vazão de água,vapor,óleo e etc.

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3.3 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL

O transmissor de Vazão tem como função transmitir a vazão do processo para uma sala de controle ou

sistema de controle. A vazão é a principal variável na maioria dos processos industriais. Existem vários

métodos e instrumentos para medição de vazão. O mais comumente utilizado é a medição de vazão por

diferença de pressão. Uma restrição é instalada em uma linha e através da pressão diferencial podemos

medir a vazão com uma boa precisão. O instrumento utilizado para medir a pressão diferencial é o

transmissor de pressão diferencial. É um medidor de pressão como já vimos anteriormente, só que as duas

câmaras de tomadas de pressão são utilizadas no processo,ou seja, tomadas de alta (H) e baixa (L)

pressão.

Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por DP, é que os mesmos podem ser aplicados numa

grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluídos com sólidos

em suspensão, bem como fluídos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um

inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que o mesmo causa ao processo , sendo a placa de

orifício, o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecuperável" (de 40 a 80% do DP gerado).

O cálculo da vazão para a medição com instrumentos de pressão diferencial é basicamente:

onde:

Q=Vazão do fluido na região da restrição;

K = Coeficiente que representa de forma universal, características do fluido, diâmetro e tubulação.

A = Área de passagem da restrição.

DP = Perda de carga entre montante e jusante da restrição.

Page 22: manual instrumentacao

22

Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e

mais comum empregado é o da placa de orifício.Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é

instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação.É essencial que as bordas do orifício estejam sempre

perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corroídas pelo fluído, a precisão da medição será

comprometida. Costumeiramente é fabricado com aço inox, monel, latão, etc.,dependendo do fluído

3.3.1 Vantagens / Desvantagens

Vantagens:

Instalação fácil

Econômica

Construção simples

Manutenção e troca simples

Desvantagens:

Alta perda de carga

Baixa rangeabilidade

3.3.2 Tipos de Orifícios

Orifício concêntrico: Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham

sólidos em suspensão.

Orifício excêntrico: Utilizada quando tivermos fluído com sólidos em suspensão, os quais possam

ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo.

Orifício segmental: Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de

segmento de círculo. É destinada para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em

suspensão.Na foto abaixo você verá um exemplo de placa de orifício tipo concêntrico.

Page 23: manual instrumentacao

23

3.4 MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO DE VAZÃO

O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os

métodos de medição de vazão . Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que

não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de

medição. Medidores magnéticos são ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos,

fluidos com sólidos em suspensão, lama, água,polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento

até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição,em

princípio é que o fluído tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitação o fato de fluidos

com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição.Na figura abaixo podemos ver o

medidor magnético em corte e no final a foto do medidor magnético utilizado na planta de energia.

Pela figura acima podemos reescrever a equação como sendo Vd..Β=Ε .

Onde:

Ε= Fem induzida

B = densidade do fluxo magnético

d = diâmetro interno do detector

V = velocidade do fluxo

3.4.1 Principio de Funcionamento

O medidor magnético de vazão é baseado na lei de FARADAY, esta lei foi descoberta pelo cientista

inglês FARADAY em 1831, segundo a lei, quando um objeto condutor se move em um campo magnético

uma forca eletromotriz é gerada, a relação entre a direção do campo, movimento do fluido e FEM

induzida pode ser determinada pela regra da mão direita de Fleming,pela equação Vd..Β=Ε ,levando-se

Page 24: manual instrumentacao

24

em conta que a densidade de fluxo magnético é constante,temos que a FEM é proporcional à

velocidade,logo a vazão pode ser definida como VSQ .= .

onde:

Q =vazão

S = área da seção transversal do tubo ( m )

V =velocidade media do fluido ( sm / )

3.4.2 Instalação do medidor magnético

A instalação do medidor de vazão magnético é simples, contudo certos cuidados são necessários para

evitar erros na medição provocados pela presença de ar e danos causados pela indução de vácuo,outro

fator são as distancias mínimas para operar o medidor de forma a garantir uma linha com vazão laminar

Itens a serem considerados na instalação:

não instale o medidor em um ponto superior da tubulação,bolhas de ar acumuladas no tubo de

medição causarão medições incorretas.

quando for instalar o tubo em um trecho horizontal procure por uma parte levemente

ascendente,se não for possível garanta a velocidade adequada para impedir que ar,gases ou vapores se

acumulem na parte superior do tubo.

na alimentação ou descargas abertas instale o tubo na parte inferior do tubo de medição

em tubos com mais de 5 metros de comprimento instale a válvula de ar a jusante do medidor de

vazão

procure sempre instalar o medidor de vazão antes das válvulas de bloqueio ou controle .

instale o medidor de vazão no lado sucção da bomba

podemos resumir que a instalação correta é deixar o tubo sempre preenchido com liquido

Distâncias: Na figura abaixo mostramos as distancias que sempre deverão ser respeitadas para que se

possa garantir uma medição correta:

Page 25: manual instrumentacao

25

Na figura abaixo temos uma visão simplificada do medidor magnético de nossa planta de energia que é o

Admag e na seqüência a foto deste modelo.

Medidor magnético de vazão modelo ADMAG

Page 26: manual instrumentacao

26

3.5 MEDIDOR VORTEX

Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação

em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices; que se desprendem alternadamente de cada lado

do anteparo, como mostrado na figura abaixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em

todos os livros de mecânica dos fluidos.Os vórtices também podem ser observados em situações

freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo:O movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão

da correnteza; As bandeiras flutuando ao vento; As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos

quando expostas ao vento.Na figura abaixo você verá o principio do medidor vortex utilizado em nossa

planta de energia.

3.5.1 Principio de medição

O principio de medição do vortex é a introdução de um probe de formato definido no jato da vazão,que

produz os vórtices de Van Karman, a freqüência destes vórtices é linearmente proporcional à velocidade

e, portanto,à vazão volumétrica do fluido,como o vortex é um medidor que extrai energia do fluido, há

limitações de velocidade e de numero de Re, desta forma, o obstáculo de geometria definida é colocada

de forma a obstruir parcialmente um tubo em que escoa um fluido,há formação de vórtices que se

desprendem alternativamente dos lados do obstáculo, conforme figura nossa acima,a freqüência de

desprendimento ( f ) dos vórtices, no caso de um obstáculo bidimensional de dimensão transversal ( d ), é

relacionada à velocidade (V ) do fluido por uma constante,chamada de Strouhal, V

dfS .= .

onde:

S = numero de Strouhal

f = freqüência de desprendimento

d = dimensão do probe

Page 27: manual instrumentacao

27

V = velocidade do fluido

Adicionalmente, neste caso a expressão VAQ .= também é válida.

onde:

Q = vazão volumétrica

A = área da seção da tubulação

V = velocidade do fluido

Mediante uma simples substituição, e considerando os parâmetros constantes agrupados em único

fator,teremos que a vazão será fKQ .=

onde:

Q = vazão volumétrica

K = VA.

f = freqüência

Na foto abaixo nós podemos ver o medidor vortex que será instalado na planta de energia

Page 28: manual instrumentacao

28

3.5.2 Instalação

A instalação é bastante simples, na figura ilustramos as condições necessárias para que o medidor vortex

opere corretamente.

Page 29: manual instrumentacao

29

4 TEMPERATURA

4.1 INTRODUÇÃO

A monitoração da variável temperatura é fundamental para a obtenção do produto final especificado.

Termometria significa "Medição de Temperatura". Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado

com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir:

Pirometria - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se

manifestar.

Criometria- Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura.

Termometria - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam

casos particulares de medição.

Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas, as moléculas que se encontram em contínuo

movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas mais quente se apresenta o corpo e quanto

mais lento mais frio se apresenta o corpo.Então se define temperatura como o grau de agitação térmica

das moléculas.Na prática a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o seu

valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.Outros conceitos que se

confundem às vezes com o de temperatura são:

. Energia Térmica.

. Calor.

A energia térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas, dos seus átomos, e além de depender

da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância.Calor é energia em trânsito ou a forma

de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.até

o final do século XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, o sentido

do nosso corpo foram os únicos elementos de que dispunham os homens para dizer se um certo corpo

estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da inadequação destes sentidos sob ponto de vista

científico.A literatura geralmente reconhece três meios distintos de transmissão de calor: condução,

radiação e convecção.

Condução: A condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra

de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meios diferentes em

contato físico direto.

Radiação: A radiação é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de

baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista um vácuo entre eles.

Page 30: manual instrumentacao

30

Convecção: A convecção é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de

calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. A convecção é mais importante como

mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um liquida ou gás.

4.2 ESCALAS DE TEMPERATURA

Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro, sentiam a

dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis,

como existia na época, para Peso, Distância, Tempo.As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram

Fahrenheit e a Celsius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do

gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes

iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no

ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido

em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado" utilizada

anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso.Tanto

a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são

totalmente arbitrários.Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um

ponto limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto,

onde cessa praticamente todo movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura. através da

extrapolação das leituras do termômetro a gás, pois os gases se liquefazem antes de atingir o zero

absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15°C.Existem escalas

absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no zero absoluto de

temperatura,existem duas escalas absolutas atualmente em uso: a escala Kelvin e a Rankine,a escala

Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual a um grau Celsius, porém o seu

zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da Escala

Celsius.A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é

idêntica à da Escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas:-

Kelvin ==> 400K (sem o símbolo de grau “°”). Rankine ==> 785R.

A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América, porém seu uso

tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal.A Escala Kelvin é utilizada nos meios

científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a

Fahrenheit.

Existe uma outra escala relativa a Reamur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o

ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais.

(Representação - °Re).

Page 31: manual instrumentacao

31

A figura a seguir, compara as escalas de temperaturas existentes.

4.2.1 Escala Internacional de Temperatura

Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em fenômenos de

mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e

pressão. Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura,a primeira escala

prática internacional de temperatura surgiu em 1927 e foi modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais

modificações foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prática Internacional de Temperatura foi publicada

(IPTS-68).A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida sem

alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo mecanismo de

mudança de estado.

Os pontos fixos utilizados pela IPTS-68 são dados na tabela abaixo:

Page 32: manual instrumentacao

32

Observação:

Ponto triplo é o ponto em que as fases sólidas, líquidas e gasosas encontram-se em equilíbrio.A ainda

atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34°C, baseada em pontos de fusão, ebulição e pontos

triplos de certas substâncias puras como por exemplo o ponto de fusão de alguns metais puros.Hoje já

existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenômenos determinísticos de

temperatura e que definiu alguns pontos fixos de temperatura.

PONTOS FIXOS IPTS-68 ITS-90

Ebulição do Oxigênio -182,962°C -182,954°C

Ponto triplo da água +0,010°C +0,010°C

Solidificação do estanho +231,968°C +231,928°C

Solidificação do zinco +419,580°C +419,527°C

Solidificação da prata +961,930°C +961,780°C

Solidificação do ouro +1064,430°C +1064,180°C

4.3 NORMAS

Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos países, criou-se uma série de normas e

padronizações, cada uma atendendo uma dada região. As mais importantes são:

ANSI - AMERICANA

DIN - ALEMÃ

ESTADO DE EQUILÍBRIO TEMPERATURA (°C)

Ponto triplo do hidrogênio -259,34 Ponto de ebulição do hidrogênio -252,87 Ponto de ebulição do neônio -246,048 Ponto triplo do oxigênio -218,789 Ponto de ebulição do oxigênio -182,962 Ponto triplo da água 0,01 Ponto de ebulição da água 100,00 Ponto de solidificação do zinco 419,58 Ponto de solidificação da prata 916,93 Ponto de solidificação do ouro 1064,43

Page 33: manual instrumentacao

33

JIS - JAPONESA

BS - INGLESA

UNI - ITALIANA

Para atender as diferentes especificações técnicas na área da termometria, cada vez mais se somam os

esforços com o objetivo de unificar estas normas. Para tanto, a Comissão Internacional Eletrotécnica -

IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos países envolvidos neste processo normativo, não somente

para obter normas mais completas e aperfeiçoadas mas também de prover meios para a

internacionalização do mercado de instrumentação relativo a termopares,como um dos participantes desta

comissão, o Brasil através da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, está também

diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especificações como

Normas Técnicas Brasileiras.

Os elementos e transmissores de temperatura têm como função transmitir a temperatura do processo para

uma sala de controle ou sistema de controle. Podemos dividir os instrumentos de medição de temperatura

em duas Classes:

1a. Classe: São instrumentos em que o sensor está em contato com o meio ou corpo que queremos medir.

Termômetros à dilatação de sólido.

Termômetros à par termo elétrico.

Termômetros à resistência elétrica.

Termômetros à dilatação de líquido ou gás

2a. Classe: O elemento sensível não está em contato com o meio ou o corpo que queremos medir.

Pirômetros de radiação total.

Pirômetros de radiação parcial (monocromáticos).

4.4 TERMÔMETROS À DILATAÇÃO DE SÓLIDO BIMETÁLICO

O princípio de funcionamento é a dilatação linear dos metais quando esses submetidos ao calor,cada

metal possui um determinado coeficiente de dilatação linear. O termômetro Bimetálico é formado por

uma lâmina composta de dois metais diferentes.Os coeficientes de dilatação linear dos dois metais são

diferentes e quando ocorre o aquecimento da barra, a dilatação linear dos metais não sendo iguais, faz

com que a lâmina se curve. Esse encurvamento da lâmina é proporcional à temperatura aplicada na barra.

Page 34: manual instrumentacao

34

Para aumentar a sensibilidade da lâmina, os termômetros são construídos com lâminas em formatos

variados.

Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. Sendo:

)..1.( tLoLt ∆+= α

onde:

=t temperatura do metal em C°

=Lo comprimento do metal a temperatura inicial de referencia to

=Lt comprimento do metal a temperatura final t

=α coeficiente de dilatação linear

tott −=∆

O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes

sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um

encurvamento que é proporcional a temperatura. Na prática a lamina bimetálica é enrolada em forma de

espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade.

O termômetro mais usado é o de lamina helicoidal, e consiste em um tubo bom condutor de calor, no

interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma

Page 35: manual instrumentacao

35

escala.Normalmente usa - se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatação e o

latão como metal de alto coeficiente de dilatação.A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai

aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/- 1%.

Page 36: manual instrumentacao

36

4.5 TERMÔMETROS À PAR TERMOELÉTRICO

Muito utilizado para medição de temperaturas acima de 200 graus Celsius, o princípio de funcionamento

é baseado na descoberta do Físico alemão Seeback que observou uma diferença de potencial entre a

junção de dois metais diferentes.Nessa experiência, Seeback utilizou uma bússola sensível ao campo

magnético criado pela corrente no circuito do termopar.

4.6 TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO

Os termômetros de dilatação de líquidos, baseia-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a

temperatura dentro de um recipiente fechado.

A equação que rege esta relação é: ( ) ( ) ( )[ ]32 .3.2.11. tttVoVt ∆+∆+∆+= βββ

onde:

=t temperatura do liquido em C°

=Vo volume do liquido a temperatura inicial de referencia to

=Vt volume do liquido a temperatura t

=3,2,1 βββ coeficiente de expansão do liquido 1−°C

tott −=∆

Teoricamente esta relação não é linear, porém como os termos de segunda e terceira ordem são

desprezíveis, na prática consideramos lineares. E daí:

).1.( tVoVt ∆+= β

Os tipos podem variar conforme sua construção:

- Recipiente de vidro transparente

- Recipiente metálico

Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro é constituído de um reservatório, cujo

tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção , mais uniforme possível

fechado na parte superior.O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte

superior do capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar

Page 37: manual instrumentacao

37

seu limite máximo.Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste, a

medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida.Os

líquidos mais usados são: Mercúrio, Tolueno, Álcool e Acetona ,nos termômetros industriais, o bulbo de

vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico.

LÍQUIDO PONTO DE SOLIDIFICAÇÃO(oC)

PONTO DE EBULIÇÃO(oC)

FAIXA DE USO(oC)

Mercúrio -39 +357 -38 a 550

Álcool Etílico

-115 +78 -100 a 70

Tolueno -92 +110 -80 a 100 No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550OC injetando-se gás inerte sob

pressão, evitando a vaporização do mercúrio, por ser frágil e impossível registrar sua indicação ou

transmiti-la à distância, o uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a

utilização de uma proteção metálica.

Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico: Neste termômetro, o líquido preenche todo o

recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor

volumétrico).

Page 38: manual instrumentacao

38

4.6.1 Características dos elementos básicos:

Bulbo:

Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a sensibilidade desejada.A

tabela abaixo, mostra os líquidos mais usados e sua faixa de utilização:

LÍQUIDO FAIXA DE UTILIZAÇÃO (oC)

Mercúrio -35 à +550

Xileno -40 à +400

Tolueno -80 à +100

Álcool 50 à +150

Capilar

Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a

influencia da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência a passagem do líquido em

expansão.

O elemento usado é o Tubo de Bourdon, podendo ser :

Page 39: manual instrumentacao

39

Os materiais mais usados são: bronze fosforoso, cobre - berílio , aço - inox e aço – carbono,pelo fato

deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da distância entre o elemento sensor e o bulbo ser

considerável, as variações na temperatura ambiente afetam não somente o líquido no bulbo, mas em todo

o sistema (bulbo, capilar e sensor) causando erro de indicação ou registro. Este efeito da temperatura

ambiente é compensado de duas maneiras que são denominadas classe 1A e classe 1B.na classe 1B a

compensação é feita somente no sensor, através de uma lamina bimetálica. Este sistema é normalmente

preferido por ser mais simples, porém o comprimento máximo do capilar para este sistema de

compensação é de aproximadamente 6 metros.Quando esta distância for maior o instrumento deve possuir

sistema de compensação classe 1A, onde a compensação é feita no sensor e no capilar, por meio de um

segundo capilar ligado a um elemento de compensação idêntico ao de medição, sendo os dois ligados em

oposição.O segundo capilar tem comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não está ligado a um

bulbo.A aplicação destes termômetros, se encontra na indústria em geral para indicação e registro, pois

permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura,

porém não é recomendável para controle por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande

(mesmo usando fluido trocador de calor entre bulbo e poço de proteção para diminuir este atraso

conforme figura abaixo). O poço de proteção, permite manutenção do termômetro com o processo em

operação.Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se forme restrição

que prejudicariam o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição.

4.7 TERMÔMETROS A PRESSÃO DE GÁS

Page 40: manual instrumentacao

40

Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e

capilar de ligação entre estes dois elementos.O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás

a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente a lei

dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. A Lei de Gay-

Lussac, expressa matematicamente este conceito:

TnPn

TP

TP

=== ......22

11

onde:

=2,1 PP pressões absolutas relativas às temperaturas

=2,1 TT temperaturas absolutas

Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume

constante,desta forma podemos expressar a pressão como sendo também TVP =

O gás mais utilizado é o N 2 e geralmente é pressurizado com uma pressão de 20 a 50 atm., na

temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100 a 600 oC, sendo o limite inferior devido à

própria temperatura crítica do gás e o superior proveniente do recipiente apresentar maior permeabilidade

ao gás nesta temperatura , o que acarretaria sua perda inutilizando o termômetro.

Tipos de gás de enchimento:

Page 41: manual instrumentacao

41

Gás Temperatura Crítica

Hélio ( He ) - 267,8 oC

Hidrogênio ( H2 ) - 239,9 oC

Nitrogênio ( N2 ) - 147,1 oC

Dióxido de Carbono ( CO2 ) - 31,1 oC

4.8 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR

Sua construção é bastante semelhante ao de dilatação de líquidos, baseando o seu funcionamento na Lei

de Dalton: “A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu

volume",portanto para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás

liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disto, uma variação na pressão dentro do

capilar.A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e

pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em:

58,42

11

1

.21

= TTHePP

A tabela a seguir, mostra os líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição:

Líquido Ponto de Fusão ( oC ) Ponto de ebulição ( oC )

Cloreto de Metila - 139 - 24

Butano - 135 - 0,5

Éter Etílico - 119 34

Page 42: manual instrumentacao

42

Tolueno - 95 110

Dióxido de enxofre - 73 - 10

Propano - 190 - 42

4.9 TERMOPARES

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de

ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de

medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz),

fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente.O ponto onde os fios que formam o termopar se

conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princípio conhecido por

efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações

práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima .O sinal de f.e.m. gerado pelo

gradiente de temperatura ( t∆ ) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado,

registrado ou transmitido.

A medição de temperatura com o termopar consiste em medir a milivoltagem gerada pela junta de

medição (junta quente: extremidade do termopar que está em contato com a temperatura que se deseja

medir).

No termopar a diferença de potencial desenvolvida é uma função da diferença de temperatura das duas

juntas.A diferença de potencial medida na extremidade oposta à junta de medição portanto, não

representa a tensão real da junta de medição, e sim a diferença da junta de medição e a junta de

referência. Para isso, é preciso conhecer a temperatura da junta de referência ou mantê-la controlada para

se obter a tensão real do termopar. Essa tensão é convertida em um sinal padrão que indicará a

temperatura na junta de medição.Atualmente circuitos eletrônicos já compensam essa temperatura

automaticamente. Em instrumentos mais antigos, havia um módulo somente para controlar a temperatura

Page 43: manual instrumentacao

43

da junta de referência. Os termopares podem ser construídos nas oficinas da indústria por instrumentista

ou podem ser comprados já prontos para serem utilizados nos processo.Dependendo de cada necessidade,

a escolha será feita para se obter uma condição segura no processo e o melhor custo beneficio.

Termopar com Isolação Mineral

4.9.1 Efeitos Termoelétricos

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes

temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito

Page 44: manual instrumentacao

44

Thomson e o efeito Volta.A aplicação científica e tecnológica dos efeitos termoelétricos é muito

importante e sua utilização no futuro é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades

termoelétricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação do processo de medições

na geração de energia elétrica (bateria solar) e na produção de calor e frio. O controle de temperatura feito

por pares termoelétricos é uma das importantes aplicações do efeito Seebeck.,atualmente, busca-se o

aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande escala, para obtenção de calor ou frio no processo

de climatização ambiente.

Efeito termoelétrico de Seebeck:

O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou que em um

circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente

enquanto existir um diferença de temperatura t∆ entre as suas junções. Denominamos a junta de medição

de Tm , e a outra, junta de referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é

conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante,

verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite

utilizar um par termoelétrico como um termômetro.

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que o elétron livre de um metal difere de um condutor para outro

e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e

estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos

diferentes.

Efeito termoelétrico de Peltier

Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura,

se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções

variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional de

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temperatura é o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma

bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico.

O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente

da temperatura da outra junção .O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente,

permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.

Efeito termoelétrico de Thomson

Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica, que a condução de calor, ao longo dos

fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de

temperatura em cada fio. Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura

em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da

temperatura denomina-se efeito Thomson.O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da

temperatura média da pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma

corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor quando se inverte

o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando

uma corrente elétrica flui da parte quente para a parte fria do metal . Conclui-se que, com a circulação de

corrente ao longo de um fio condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto

pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.

Efeito termoelétrico de Volta

A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir:

“Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença

de potencial que pode ser da ordem de Volts”.Esta diferença de potencial depende da temperatura e não

pode ser medida diretamente.

Leis Termoelétricas

Da descoberta dos efeitos termoelétricos partiu-se através da aplicação dos princípios da termodinâmica,

a enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com

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termopares, portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os

fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

Lei do circuito homogêneo

“A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções

às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos

fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos

dois metais e das temperaturas existentes nas junções.

Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande variação de temperatura em um

ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença

de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos

com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas.

Lei dos metais intermediários

“A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais

diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura". Deduz-se daí que um circuito

termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em

qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a

temperaturas iguais.

Onde se conclui que:

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T3 = T4 --> E1 = E2

T3 = T4 --> E1 = E2

Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação

do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.

Lei das temperaturas intermediárias

A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as

suas junções as temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as

junções as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e

T3,um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo

instrumento receptor de milivoltagem.

4.9.2 Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura

Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença

de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma

variação da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre

temperatura e a f.e.m., por uma questão prática padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta

de referência à temperatura de 0°C.

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Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala

Prática Internacional de Temperatura de 1968 ( IPTS-68 ), recentemente atualizada pela ITS-90, para os

termopares mais utilizados. A partir dessas tabelas podemos construir um gráfico conforme a figura a

seguir ,onde está relacionadas a milivoltagem gerada em função da temperatura, para os termopares

segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0°C.

4.9.3 Tipos e Características dos Termopares

Existem várias combinações de 2 metais condutores operando como termopares. As combinações de fios

devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m.; devem desenvolver uma

f.e.m. por grau de mudança de temperatura, que seja detectável pelos equipamentos normais de

medição.Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de Ligas Metálicas, desde os mais

corriqueiros de uso industrial, até os mais sofisticados para uso especial ou restrito a laboratório,essas

combinações foram feitas de modo a se obter uma alta potência termoelétrica, aliando-se ainda as

melhores características como homogeneidade dos fios e resistência a corrosão, na faixa de utilização,

assim cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para

que se tenha a maior vida útil do mesmo. Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber:

Termopares Básicos

Termopares Nobres

Termopares Especiais

4.9.4 Tipos de Termopares : Tipo T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN

Composição: Cobre (+) / Cobre-Níquel (-) O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido

comercialmente como Constantan.

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Características: Resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados para medições de

temperaturas abaixo de zero. É resistente à atmosfera oxidantes (excesso de Oxigênio), redutoras (rica

em Hidrogênio, monóxido de Carbono), inertes (neutras), na faixa de -200 a 350ºC.

Faixa de trabalho: - -200 a 350 ºC.

Aplicação: É adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0ºC, encontradas em

sistemas de refrigeração, fábrica de O2 etc..

Identificação da polaridade: Cobre (+) é avermelhado e o Cobre/Níquel (-) não.

4.9.5 Tipos de Termopares : Tipo J - TERMOPARES DE FERROCONSTANTAN

Composição: Ferro (+) / Cobre-Níquel (-) O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido

comercialmente como Constantan.

Características: Adequados para uso no vácuo,atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de

540ºC, a taxa de oxidação do ferro é rápida e recomenda-se o uso de tubo de proteção para prolongar a

vida útil do elemento. Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0ºC, deve-se evitar quando

houver possibilidade de condensação, corroendo o ferro e possibilitando a quebra do fio de ferro.Não

deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contém enxofre) acima de 540ºC. O uso em temperaturas

abaixo de zero não é recomendado, devido à rápida oxidação e quebra do elemento de ferro tornando

seu uso em temperaturas negativo menor que o tipo T Devido à dificuldade de obtenção de fios de

ferro com alto teor de pureza, o tipo J tem baixo custo e é o mais utilizado industrialmente.

Aplicação: Indústrias em geral até 750ºC.

Identificação da polaridade: Ferro (+) é magnético e o Cobre (-) não.

4.9.6 Tipos de Termopares : Tipo E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN

Composição: Níquel-Cromo (+)/Cobre-Níquel (-). O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido

comercialmente como Chromel e o fio negativo Cobre Níquel como Constantan.

Características: Podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras,

alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas

características termoelétricas. Adequado para o uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não

sujeito à corrosão em atmosferas úmidas. Apresenta a maior geração mV/ºC (potência termoelétrica)

do que todos os outros termopares, tornando-se útil na detecção de pequenas alterações de

temperatura.

Aplicação: Uso geral até 900ºC.

Identificação da polaridade: O Níquel-Cromo (+) é mais duro que o Cobre-Níquel (-).

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4.9.7 Tipos de Termopares : Tipo K - TERMOPARES DE CHROMEL ALUMEL

Composição: Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-). O fio positivo de Níquel-Cromo é

conhecido comercialmente como Chromel e o negativo Cromo-Alumínio como Alumel. O Alumel é

uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês e Silício.

Características: São recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de

trabalho. Por sua resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J, E e por isso são largamente

usados em temperaturas acima de 540ºC.

Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau.

Não devem ser utilizados em:

1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora.

2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugem e

quebra dos elementos.

3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode

vaporizar-se causando erro no sinal do sensor (descalibração).

4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root, oxidação

verde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio, como

por exemplo dentro de um tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não

ventilado. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio

através do uso de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado.

Outro modo é diminuir a porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qual

proporcionará corrosão. Isto é feito inserindo-se dentro do tubo um “getter” ou

elemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O “getter” pode ser por exemplo

uma pequena barra de titânio.

Aplicação: É o mais utilizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação até

1200ºC.

Identificação da polaridade: Níquel-cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) levemente

magnético.

4.9.8 Tipos de Termopares : Tipo N - TERMOPARES DE NICROSIL - NISIL

Composição: Níquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silício (+) / Níquel 4,4%-Silício0,1%-Magnésio (-).

Desenvolvido na Austrália, este termopar foi aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela

ASTM (American Society for Testing and Materials), NIST (Antigo NBS- National Bureau of Standard) e

ABNT.

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Está se apresentando como substituto do termopar tipo , de -200 a 1200ºC, possui uma potência

termoelétrica menor em relação ao tipo K, porém uma maior estabilidade, excelente resistência à corrosão e

maior vida útil. Resiste também ao “green-root” e seu uso não é recomendado no vácuo.

4.9.9 Tipos de Termopares : Tipo S/R - TERMOPARES DE RÓDIO - PLATINA

Tipo S: Composição: Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-)

Tipo R: Composição: Platina 97% - Ródio 13% (+) / Platina (-)

Características: São recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de

trabalho. O uso contínuo em altas temperaturas causa excessivo crescimento de grão, podendo resultar

em falha mecânica do fio de Platina (quebra de fio), e tornar os fios susceptíveis à contaminação,

causando redução da F.E.M. gerada.

Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do Ródio do elemento

positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo. Todos estes efeitos tendem a causar

heterogeneidades que influenciam na curva característica do sensor.

Os tipos S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores

metálicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cerâmicos de alumina e

quando se usa tubo de proteção de Platina (tubete) que por ser do mesmo material, não contamina os

fios e dá proteção necessária aos elementos.

Apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas sendo utilizados como sensor padrão

na calibração de outros termopares. A diferença básica entre o tipo R e S está na diferença da potência

termoelétrica, o tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo S.

Aplicação: Processos com temperaturas elevadas ou onde é exigida grande precisão como

indústrias de vidro, indústrias siderúrgicas, etc.

Identificação da polaridade: Os fios positivos de Platina-Ródio 10% e Platina-Ródio 13% são

mais duros que o fio de platina (-).

4.9.10 Tipos de Termopares : Tipo B - TERMOPARES DE PLATINA- RÓDIO / PLATINA - RÓDIO

Composição: Platina 70%-Ródio 30% (+) / Platina 94%-Ródio 6% (-)

Características: Seu uso é recomendado para atmosferas oxidantes e inertes, também adequado

para curtos períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem as que contem

vapores metálicos, requerendo tubo de proteção cerâmico como o tipo R e S. O tipo B possui maior

resistência mecânica que os tipos R e S. Sua potência termoelétrica é baixíssima, em temperaturas de

até 50ºC o sinal é quase nulo. Não necessita de cabo compensado para sua interligação.É utilizados

cabos de cobre comum (até 50ºC).

Aplicação: Utilizado em industrias no qual o processo exige altas temperaturas.

Identificação da polaridade: Platina 70%-Ródio 30% (+) é mais duro que o Platina 94%-Ródio

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4.9.11 Correção da Junta de Referência

As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de

referência a 0 °C (ponto de solidificação da água), porém nas aplicações práticas dos termopares junta de

referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra a temperatura ambiente

que é normalmente diferente de 0 °C e variável com o tempo, tornando assim necessário que se faça uma

correção da junta de referência, podendo esta ser automática ou manual,os instrumentos utilizados para

medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência

automaticamente, sendo um dos métodos utilizados, a medição da temperatura nos terminais do

instrumento, através de circuito eletrônico, sendo que este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos

terminais, uma milivoltagem correspondente a diferença de temperatura de 0 °C à temperatura ambiente.

Existem também alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20 °C ou 25 °C.

Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura

com um erro que será tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura ambiente e do valor fixo.

É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções.

Então para medirmos a temperatura do ponto desejado precisamos manter a temperatura da junção de

referência invariável.

FEM = JM - JR

FEM = 2,25 - 1,22

FEM = 1,03 mV ⇒ 20 °C

Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada pois o valor da temperatura correta que o meu

termômetro tem que medir é de 50 °C.

FEM = JM - JR

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FEM = 2,25 - 1,22

FEM = 1,03 mV + a mV correspondente a temperatura ambiente para fazer a compensação automática,

portanto:

FEM= mV JM – mV JR + mV CA (Compensação automática)

FEM = 2,25 - 1,22 + 1,22

FEM = 2,25 mV ⇒ 50 °C

A leitura agora está correta, pois 2,25 mV corresponde a 50 °C que é a temperatura do processo,hoje em

dia a maioria dos instrumentos fazem a compensação da junta de referência automaticamente. A

compensação da junta de referência pode ser feita manualmente. Pega-se o valor da mV na tabela

correspondente a temperatura ambiente e acrescenta-se ao valor de mV lido por um mili voltímetro.

4.9.12 Fios de Compensação e Extensão

Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura, através de termopares, o elemento

sensor não se encontra junto ao instrumento receptor.Nestas condições torna-se necessário que o

instrumento seja ligado ao termopar, através de fios que possuam uma curva de força eletromotriz em

função da temperatura similar aquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a

correção na junta de referência.

Convenciona-se chamar de fios aqueles condutores constituídos por um eixo sólido e de cabos

aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexível.

Chama -se de fios ou cabos de extensão aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a

que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX.

3- Chama-se de fios ou cabos de compensação aqueles fabricados com ligas diferentes das dos

termopares a que se destinam, porém que forneçam, na faixa de utilização recomendada, uma curva da

força eletromotriz em função da temperatura equivalente à desses termopares. Exemplo : Tipo SX e

BX.

Os fios e cabos de extensão e compensação são recomendados na maioria dos casos para

utilização desde a temperatura ambiente até um limite máximo de 200 °C.

4.9.13 Erros De Ligação

Usando fios de cobre: Geralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento

encontrem-se relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo ao

local onde se mede a temperatura .Nestas circunstâncias deve-se, processar a ligação entre os terminais do

cabeçote e o aparelho, através de fios de extensão ou compensação,tal procedimento é executado sem

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problemas desde que, o cabeçote onde estão os terminais do termopar e o registrador, estejam a mesma

temperatura de medição,vejamos o que acontece quando esta norma não é obedecida.

Uma solução simples é que normalmente é usada na prática, será a inserção de fios de compensação entre

o cabeçote e o registrador . Estes fios de compensação em síntese, nada mais são que outros termopares

cuja função é compensar a queda da FEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de

temperatura entre o cabeçote e o registrador.Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de

cobre usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação.

Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeçote é de 20,74 mv,dela , até o registrador, são utilizados fios

de extensão compensados, os quais adicionam a FEM uma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim com

que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV,este valor corresponderá à temperatura real

dentro do forno 538 °C. A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de compensação, além

de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes.

Inversão simples

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Conforme o esquema a seguir, os fios de compensação foram invertidos,assume-se que o forno esteja a

538 °C, o cabeçote a 38 °C e o registrador a 24 °C. Devido à diferença de temperatura entre o cabeçote e

o registrador, será gerada uma FEM de 0,57 mV. Porém em virtude da simples inversão, o fio positivo

está ligado no borne negativo do registrador e vice- versa. Isto fará com que a FEM produzida ao longo

do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do registrador. Isto fará com que o

registrador indique uma temperatura negativa.

Inversão dupla

No caso a seguir, consideramos o caso da existência de uma dupla inversão, isto acontece com freqüência

pois, quando uma simples inversão é constatada, é comum pensar-se que uma nova troca de ligação dos

terminais compensará o erro. Porém isto não acontece, e a única maneira de solucionar o problema será

efetuar uma ligação correta.

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4.9.14 Termopar de Isolação Mineral

O termopar de isolação mineral é constituído de um ou dois pares termoelétricos, envolvidos por um pó

isolante de óxido de magnésio, altamente compactado em uma bainha externa metálica. Devido a esta

construção, os condutores do par termoelétrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior,

conseqüentemente a durabilidade do termopar depende da resistência a corrosão da sua bainha e não da

resistência a corrosão dos condutores. Em função desta característica, a escolha do material da bainha é

fator importante na especificação destes.

Vantagens dos termopares de isolação mineral:

Estabilidade Na Força Eletromotriz: A estabilidade da FEM do termopar é caracterizada em

função dos condutores estarem completamente protegidos contra a ação de gases e outras condições

ambientais, que normalmente causam oxidação e conseqüentemente perda da FEM gerada.

Resistência Mecânica: O pó muito bem compactado, contido dentro da bainha metálica, mantém

os condutores uniformemente posicionados, permitindo que o cabo seja dobrado achatado, torcido ou

estirado, suporte pressões externas e choque térmico , sem qualquer perda das propriedades

termoelétricas.

Dimensão Reduzida: O processo de fabricação permite a produção de termopares de isolação

mineral, com bainhas de diâmetro externo até 1,0 mm, permitindo a medida de temperatura em locais

que não eram anteriormente possíveis com termopares convencionais.

Impermeabilidade A Água , Óleo E Gás: A bainha metálica assegura a impermeabilidade do

termopar a água, óleo e gás.

Facilidade de Instalação: A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimensão, longo

comprimento grande resistência mecânica, asseguram facilidade de instalação, mesmo nas situações

mais difíceis.

Adaptabilidade: A construção do termopar de isolação mineral permite que o mesmo seja tratado

como se fosse um condutor sólido. Em sua capa metálica podem ser montados acessórios, por

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soldagem ou brasagem e quando necessário, sua seção pode ser reduzida ou alterada em sua

configuração.

Resposta Mais Rápida: A pequena massa e a alta condutividade térmica do pó de óxido de

magnésio, proporcionam ao termopar de isolação mineral um tempo de resposta que é virtualmente

igual ao de um termopar descoberto de dimensão equivalente.

Resistência a Corrosão: As bainhas podem ser selecionadas adequadamente para resistir ao

ambiente corrosivo.

Resistência de Isolação Elevada: O termopar de isolação mineral tem uma resistência de

isolação elevada, numa vasta gama de temperaturas, a qual pode ser mantida sob condições mais

úmidas.

Blindagem Eletrostática: A bainha do termopar de isolação mineral, devidamente aterrada,

oferece uma perfeita blindagem eletrostática ao par termoelétrico.

4.9.15 Associação de Termopares

Podemos ligar os termopares em série simples para obter a soma das mV individuais. É a chamada

termopilha. Este tipo de ligação é muito utilizado em pirômetros de radiação total, ou seja, para soma de

pequenas mV.

O instrumento de medição pode ou não compensar a mV da junta de referência. Se compensar deverá

compensar uma mV correspondente ao no. de termopares aplicados na associação.

Exemplo.: 3 termopares mVJR = 1 mV compensa 3 mV

Associação série – oposta

Para medir a diferença de temperatura entre 2 pontos ligamos os termopares em série opostos.o que mede

maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento,os termopares sempre são do mesmo tipo.

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Exemplo:Os termopares estão medindo 56 °C e 50 °C respectivamente, e a diferença será medida pelo

milivoltímetro.

FEM T = FEM2 – FEM1 56 °C = 2,27 mV

FEM T = 2,27 - 2,022 50 °C = 2,022 mV

FEM T = 0,248 mV = 6 °C

Não é necessário compensar a temperatura ambiente desde que as juntas de referência estejam à mesma

temperatura.

Ligando 2 ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento, teremos a média das mV geradas

nos diversos termopares se as resistências internas foram iguais.

4.10 TERMORESISTÊNCIAS

O princípio de funcionamento das termoresistências se baseia na mudança da resistência elétrica de um

condutor quando este recebe calor.Os metais mais comumente usados para fabricação de

termoresistências são:

Platina

Cobre

Níquel

As termoresistências apresentam excelente precisão mas são elementos mais sensíveis que os termopares.

As faixas de utilização também. Podem ser utilizadas de -200 a 800 graus Celsius,atualmente, o sensor

mais utilizado na indústria é o Pt100.

Pt = Platina100 = 100 Ohms a 0 graus Celsius

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Os métodos de utilização de resistências para medição de temperatura iniciaram-se ao redor de 1835,

com Faraday, porém só houve condições de se elaborar as mesmas para utilização em processos

industriais a partir de 1925.esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições

de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo

envelhecimento e tempo de uso.devido a estas características, esse sensor é padrão internacional para a

medição de temperatura na faixa de -270 °C a 660 °C. em seu modelo de laboratório.

4.10.1 Princípio de Funcionamento

Os bulbos de resistência são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da

temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, cobre

ou níquel, que são metais que apresentam características de:

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Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor.

Ter alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura.

Ter rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos.

A equação que rege o fenômeno é a seguinte:

Para faixa de -200 a 0 oC:

( )[ ]100....1. 32 −+++= TTCTBTARoRt

Para faixa de 0 a 850 oC:

[ ]2..1. TBTARoRt ++=

onde:

=Rt resistência na temperatura ( )ΩT

=Ro resistência a ( )Ω°C0

=T temperatura ( )C°

A , B , C = coeficientes inerentes do material empregado

A = 3,90802 . 10-3

B = -5,802 . 10-7

C = -4,2735 . 10-12

O número que expressa a variação de resistência em função da temperatura é chamado de alfa ( )α e se

relaciona da seguinte forma:

Um valor típico de alfa para R100 = 138,50 Ω é de 3,850.10-3 Ω . Ω -1 . oC-1 segundo a DIN-IEC

751/85.

4.10.2 Construção Física do Sensor

O bulbo de resistência se compõe de um filamento, ou resistência de Pt, Cu ou Ni, com diversos

revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização.As termoresistências de Ni e Cu têm sua isolação

normalmente em esmalte, seda, algodão ou fibra de vidro. Não existe necessidade de proteções mais

resistentes a temperatura, pois acima de 300 °C o níquel perde suas propriedades características de

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funcionamento como termoresistência e o cobre sofre problemas de oxidação em temperaturas acima de

310 °C.Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até

temperaturas mais elevadas, têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. A este sensor

são dispensados maiores cuidados de fabricação pois, apesar da Pt não restringir o limite de temperatura

de utilização, quando a mesma é utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminação dos

fios.Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do

corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica, conforme desenho abaixo.

Esta montagem não tem problemas relativos a dilatação, porém é extremamente frágil.

Os medidores parcialmente apoiados têm seus fios introduzidos numa peça de alumina de alta pureza com

fixador vítreo. É um meio termo entre resistência a vibração e dilatação térmica.A versão completamente

apoiada pode suportar vibrações muito mais fortes, porém sua faixa de utilização fica limitada a

temperaturas mais baixas, devido à dilatação dos componentes.

4.10.3 Características da Termoresistência de Platina

As termoresistência Pt - 100 são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade,

larga faixa de utilização e alta precisão. Devido à alta estabilidade das termoresistência de platina, as

mesmas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de -270 °C a 660 °C. A estabilidade é um

fator de grande importância na indústria, pois é a capacidade do sensor manter e reproduzir suas

características (resistência - temperatura) dentro da faixa especificada de operação.

Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de confiabilidade da

termoresistência. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-

se a variação encontrada quando de medição novamente na mesma temperatura. O tempo de resposta é

importante em aplicações onde a temperatura do meio em que se realiza a medição está sujeito a

mudanças bruscas.Considera-se constante de tempo como tempo necessário para o sensor reagir a uma

mudança de temperatura e atingir 63,2 % da variação da temperatura.

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62

Na montagem tipo isolação mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma

extremidade fechada e preenchido todos os espaços com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca

térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata

ou níqueis isolados entre si, sendo a extremidade aberta ,selada com resina epóxi, vedando o sensor do

ambiente em que vai atuar.Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro e apresenta rápida

velocidade de resposta.

4.10.4 Vantagens / Desvantagens:

Vantagens:

Possui maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores.

Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação.

Dispensa utilização de fiação especial para ligação.

Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente.

Têm boas características de reprodutibilidade.

Em alguns casos substitui o termopar com grande vantagem.

Desvantagens:

São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa.

Deterioram-se com mais facilidades, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização.

Temperatura máxima de utilização 630 °C.

É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar

corretamente.

Alto tempo de resposta.

4.10.5 Princípio de Medição

As termoresistências são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone, sendo

que o circuito encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4.R2 = R3.R1 e desta forma não

circula corrente pelo detector de nulo, pois se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos A e B

são idênticos. Para utilização deste circuito como instrumento de medida de Termoresistência, teremos as

seguintes configurações:

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63

Como se vê na figura abaixo, dois condutores de resistência relativamente baixa RL1 e RL2 são usados

para ligar o sensor Pt-100 (R4) à ponte do instrumento de medição.Nesta disposição, a resistência R4

compreende a resistência da Pt-100 mais a resistência dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os

fios RL1 e RL2 a menos que sejam de muito baixa resistência, podem aumentar apreciavelmente a

resistência do sensor.

Ligação a 2 fios

Tal disposição, resultará em erro na leitura da temperatura, a menos que algum tipo de compensação ou

ajuste dos fios do sensor de modo a equilibrar esta diferença de resistência. Deve-se notar que, embora a

resistência dos fios não se altere em função do tamanho dos fios uma vez já instalado, os mesmos estão

sujeitos às variações da temperatura ambiente, o que introduz uma outra possível fonte de erro na

medição,o método de ligação a dois fios, somente deve ser usado quando o sensor estiver á uma distância

de aproximadamente 3 metros.Concluindo, neste tipo de medição a 2 fios, sempre que a temperatura

ambiente ao longo dos fios de ligação variar, a leitura de temperatura do medidor introduzirá um erro,

devido à variação da resistência de linha .

O método de ligação a 3 fios é o método mais utilizado para termoresistência na indústria,vale dizer que

será também o modelo adotado em nossa planta de energia no projeto HDF,neste circuito a configuração

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64

elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor,

permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios, as

resistências de linha estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios elas estão separadas.

Ligação a 3 fios

Nesta situação, tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da temperatura da PT-100 e

independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação . Este tipo de ligação,

garante relativa precisão mesmo com grandes distâncias entre elemento sensor e circuito de medição

4.11 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA POR RADIAÇÃO

Ao se medirem temperaturas em que o contato físico com o meio é impossível ou impraticável, faz-se uso

da pirometria óptica ou de radiação térmica.Um corpo aquecido emite energia mesmo que esteja no

vácuo. Esta energia, a radiação térmica, é transportada por ondas eletromagnéticas, como a energia

luminosa, mas com predominância de freqüências bem menores que as do espectro visível, enquanto o

corpo está à temperatura não muito elevado.À medida que se aquece um corpo, a partir de temperaturas

da ordem de 500 °C, o corpo começa a ficar visível porque começa a emitir radiações que tem uma fração

apreciável com freqüência de luz : o espectro visível.Ainda assim a maior parte da intensidade da

radiação tem freqüência localizada na região do infravermelho.Se pudéssemos aquecer indefinidamente o

corpo, ele passaria do rubro para o branco e para o azul, Isto indica que a predominância da intensidade

de radiação emitida dentro do espectro visível corresponde a freqüências crescentes à medida que a

temperatura do corpo é elevada.

4.11.1 Radiação Eletromagnética - Hipótese de Maxwell

Os trabalhos científicos de Coulomb, Ampère, Faraday e outros estabeleceram os princípios da

Eletricidade. Na década de 1860, o físico escocês Maxwell desenvolveu uma teoria matemática, na qual

generalizou estes princípios.Considerando que na indução eletromagnética um campo magnético variável

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induz uma força eletromotriz, o que é característico de um campo elétrico, Maxwell apresentou as

seguintes hipóteses:

Um campo magnético variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo elétrico e

inversamente,

Um campo elétrico variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo magnético.

Com essas hipóteses, Maxwell generalizou, matematicamente, os princípios da Eletricidade. A

verificação experimental de sua teoria só foi possível quando se considerou um novo tipo de onda, as

chamadas ondas eletromagnéticas. Essas ondas surgem como conseqüência de dois efeitos: um campo

magnético variável produz um campo elétrico, e um campo elétrico variável produz um campo

magnético. Esses dois campos em constantes e recíprocas induções propagam-se pelo espaço.

As ondas ocorrem quando uma perturbação originada em uma região pode ser reproduzida nas regiões

adjacentes em um instante posterior.De acordo com Maxwell, se em um ponto P produzirmos um campo

elétrico variável E, ele induzirá um campo magnético B variável com o tempo e com a distância ao ponto

P. Além disso, o vetor B variável induzirá um vetor E, que também varia com o tempo e com a distância

do campo magnético variável. Esta indução recíproca de campos magnéticos e elétricos, variáveis com o

tempo e com a distância, torna possível a propagação desta seqüência de induções através do espaço.

Portanto, uma perturbação elétrica no ponto P, devido à oscilação de cargas elétricas por exemplo, se

propaga a pontos distantes através da mútua formação de campos elétricos e magnéticos variáveis.

Maxwell estabeleceu equações para a propagação desta perturbação, mostrando que ela apresentava todas

as características de uma onda: refletindo, refratando, difratando e interferindo. Por isto, denominou-a

ondas ou radiações eletromagnéticas.

4.11.2 Espectro eletromagnético

Hoje, sabemos que existe uma variação ampla e contínua nos comprimentos de onda e freqüência das

ondas eletromagnéticas.No quadro abaixo, temos um resumo dos diversos tipos de ondas

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eletromagnéticas chamadas espectro eletromagnético; as freqüências estão em hertz e os comprimentos de

onda, em metros.

Analisando esse quadro, observamos que luz, ondas de rádio e raios X são nomes dados a certas faixas de

freqüência e comprimentos de onda do espectro eletromagnético. Cada nome caracteriza uma faixa, na

qual as ondas são emitidas e recebidas de um modo determinado. Por exemplo, a luz, de comprimentos de

onda em torno de 10-6 m, pode ser percebida através de seu efeito sobre a retina, provocando a sensação

de visão; mas, para detectar ondas de rádio, cujo comprimento de onda varia em torno de 105 m a 10-1 m,

precisamos de equipamentos eletrônicos.

4.11.3 Teoria da Medição de Radiação

Em 1860, Gustav Kirchoff demonstrou a lei que estabelecia a igualdade entre a capacidade de um corpo

em absorver e emitir energia radiante. Essa lei é fundamental na teoria da transferência de calor por

radiação. Kirchoff também propôs o termo "corpo negro" para designar um objeto que absorve toda a

energia radiante que sobre ele incide. Tal objeto, em conseqüência, seria um excelente emissor.

Em 1879, Joel Stefan enunciou, a partir de resultados experimentais, a lei que relaciona a radiância de um

corpo com a sua temperatura. A radiância, W, é a potência da radiação térmica emitida, por unidade de

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67

área da superfície do corpo emissor. Ludwig Boltzmann chegou, em 1884, às mesmas conclusões através

da termodinâmica clássica , o que resultou na chamada Lei de Stefan-Boltzmann:

4.. TW δε=

onde:

=W energia radiante (Watts/m2)

δ = Constante de Stefan-Boltzmann

−2

48 ..10.7,5

mKW

T = Temperatura absoluta

ε = Emissividade

Para o corpo negro a máxima emissividade é igual a um. Portanto:

4.TW δ=

Embora o corpo negro seja uma idealização, existem certos corpos como laca preta, placas ásperas de

aço, placas de asbesto, com poder de absorção e de emissão de radiação térmica tão altos que podem ser

considerados idênticos ao corpo negro.

O corpo negro é considerado, portanto, um padrão com o qual são comparadas as emissões dos corpos

reais.Quando, sobre um corpo qualquer ocorrer à incidência de irradiação, teremos uma divisão dessa

energia em três parcelas:

WTWRWAW ++=

W = energia Incidente

WA = energia absorvida

WR = energia refletida

WT = energia transmitida

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Sendo:

- Absorvidade : WWA

- Refletividade : WWR

- Transmissividade : W

WT=τ

Somando-se os três coeficientes para um mesmo comprimento de onda temos:

1=++ τδα

para materiais opacos, 0=τ

Normalmente a absorvidade é denominada "emissividade" que simbolizaremos por ε , e é influenciada

por vários fatores. Os principais são:

Acabamento superficial: as superfícies polidas têm uma baixa absorvidade porque a refletividade é

alta.

Natureza do material.

Temperatura da superfície: quando esta aumenta a emissividade também aumenta.

De acordo com Lei de Kirchoff existe uma igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver a

energia incidente e sua capacidade de remiti-la. Chama-se a esta última de “emissividade”, a qual pode

ser assim definida: “A emissividade é a relação entre a energia irradiada, em um dado comprimento de

onda, por um corpo qualquer e um corpo negro à mesma temperatura”.

WbW

onde:

=ε emissividade

=W corpo qualquer sobre medição

=Wb corpo negro

Assim definida , a emissividade assume sempre valores entre 0 e 1, sendo numericamente iguais à fração

de radiação absorvida pelo corpo . Considerando a radiação térmica emitida pelo corpo negro , como

composta de ondas eletromagnéticas e obtido experimentalmente o seu espectro em função da

temperatura, estava constituído o desafio aos físicos teóricos : explicar este espectro a partir de sua causa

microscópica. Uma onda eletromagnética de rádio ou televisão é emitida por uma antena que

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essencialmente se constitui de cargas oscilantes , isto é , um oscilador eletromagnético. No caso da

radiação emitida por um corpo “as antenas” eram consideradas os osciladores microscópios provenientes

da oscilação de cargas moleculares devido à vibração térmica no interior do corpo. Num sólido, a uma

determinada temperatura , as diversas moléculas oscilariam nas diversas freqüências , emitindo a radiação

com o espectro estudado.Em 1901, o físico alemão Max Planck publicou os resultados do seu estudo da

radiação térmica, onde satisfazia todos os requisitos conceituais experimentais da radiação do corpo

negro. Na planta de energia quanto na planta atual de processo úmido a inspeção utiliza este

equipamento,desta forma,resolvemos comentar mais profundamente o assunto,assim os inspetores tanto

quanto qualquer outro usuário do pirômetro compreendera melhor o ajuste de emissividade ajustado no

medidor.

4.11.4 Pirômetros Ópticos

O pirômetro óptico é o dispositivo oficial reconhecido internacionalmente para medir temperaturas acima

de 1064,43 °C. É usado para estabelecer a Escala Internacional Prática de Temperatura acima de 1064,43

°C.O pirômetro óptico mede a intensidade de energia radiante emitida numa faixa estreita do

comprimento de onda do espectro visível . A intensidade da luz no espectro visível emitida por um objeto

quente varia rapidamente com sua temperatura. Assim, com uma pequena variação da temperatura há

uma variação muito maior na luminosidade , o que fornece um meio natural para a determinação de

temperaturas com boa precisão.O pirômetro óptico é um instrumento com o qual a luminosidade

desconhecida de um objeto é medida comparando-a com a luminosidade conhecida de uma fonte padrão.

Os pirômetros utilizam dois métodos para comparação:

- Variando a intensidade da luz emitida por uma lâmpada padrão (corrente que passa através do

filamento) até atingir o mesmo brilho da fonte.Variando a luminosidade aparente do corpo quente através

de dispositivos ópticos enquanto uma corrente constante atravessa o filamento da lâmpada padrão que

permanece com brilho constante. A comparação do brilho entre a fonte a ser medida e o filamento da

lâmpada é feito por um observador, o que faz com que essa medida dependa, portanto, da sensibilidade do

olho humano às diferenças no brilho entre duas fontes da mesma cor .

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70

Ao considerar-se uma aplicação deve-se levar em consta os seguintes dados:

Os limites normais de utilização estão entre 750 °C e 2850 °C. Com filtros de absorção especiais,

pode-se estender sua calibração até 5500 °C.

As medidas efetuadas com pirômetros ópticos são independentes da distância entre a fonte e o

aparelho, além de que são providos de um conjunto de lentes que aproxima o objetivo a ser medido.

Em uso industrial, consegue-se uma precisão de até ± 2%.

Devido à medida de temperatura ser baseada na emissividade da luz (brilho), erros significativos

podem ser criados, devido à reflexão de luz ambiente pela fonte a ser medida.

Quando o meio onde se executa a medida possui partículas em suspensão, causando assim uma

diminuição da intensidade da luz proveniente da fonte, diminuindo a precisão da medição.

4.11.5 Radiômetro ou Pirômetros de Radiação

Os radiômetros (ou pirômetros de radiação) operam essencialmente segundo a lei de Stefan-Boltzmann.

São os sistemas mais simples, neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um

detector do tipo termopilha (associação em série - ver figura abaixo) ou do tipo semicondutor nos mais

modernos, onde gera um sinal elétrico no caso da termopilha ou altera o sinal elétrico no caso do

semicondutor.Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de visão

instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os radiômetros são em geral

portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos a partir de montagens mecânicas

fixas ou móveis. Graças à utilização de microprocessadores, o resultado das medições pode ser

memorizado para o cálculo de temperaturas e seleção de valores. A apresentação dos resultados é

normalmente feita através de mostradores analógicos e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou

gravada em fita magnética para posterior análise. Alguns radiômetros são diretamente conectados com

unidades de controle ou registradores através de interface analógica/digital.

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71

Os radiômetros são usados industrialmente onde:

As temperaturas estão acima da faixa de operação prática dos termopares.

A atmosfera do processo for prejudicial aos pares termoelétricos, causando medidas falsas e

pequena durabilidade ao par .

No interior de fornalhas a vácuo ou pressão, onde os sensores de temperatura danificam o produto.

O objeto cuja temperatura se vai medir está em movimento.

Em locais onde os termopares não podem ser instalados, por causa de vibrações, choques

mecânicos ou impossibilidade de montagem.

Ao considerar-se uma aplicação deve-se levar em conta os seguintes dados:

A temperatura do alvo e a temperatura normal de operação.

O sinal de saída é independente da distância do alvo, desde que o campo de visão do sistema

óptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo.

O material da fonte e sua emitância.

Ângulos de visada com aplicações em corpo não negro (deve-se restringir o ângulo para uma

visada de 45°, ou menos, da perpendicular).

As condições do ambiente, temperatura e poeira.

Velocidade do alvo.

Os radiômetros operam numa faixa entre -30 °C a 4000 °C, respondendo em 0,1 ou 0,2 segundo a 98% da

mudança de temperatura com precisão de ± 1% da faixa medida.

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72

5 NÍVEL

5.1 INTRODUÇÃO

Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata-se de uma das

principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através de sua medição torna-se

possível:

Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento.

Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de

acumulação temporária, reações, mistura, etc.

Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar

determinados limites.

5.2 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE NÍVEL DE LÍQUIDO

Os três tipos básicos de medição de nível são:

a) direto

b) indireto

c) descontínuo

5.2.1 Medição Direta

É a medição que tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo

de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador.

Régua ou Gabarito

Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do

reservatório a ser medido.

Page 73: manual instrumentacao

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A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo

líquido.

Visores de Nível

Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um visor de vidro especial,

podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor.

Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados.

Bóia ou Flutuador

Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso está

fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. Esta medição é normalmente

encontrada em tanques abertos.

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5.3 MEDIÇÃO DE NÍVEL INDIRETA

Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas como : pressão,

empuxo , radiação e propriedades elétricas.

5.3.1 Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial)

Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos

indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin:

P = h . δ

Onde:

P = Pressão em mm H2O ou polegada H2O

h = nível em mm ou em polegadas

δ = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente.

Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque seja ele aberto ou

pressurizado.

5.3.2 Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados.

Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta

pressão do transmissor de nível. A pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sob a

superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de

baixa pressão do transmissor de nível, é conectada na tubulação de impulso da parte de cima do tanque

onde mede somente a pressão exercida sob a superfície do liquido.

δ

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Supressão de Zero

Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado

abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na

instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à tomada de alta pressão.

Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada de impulso,

se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real.

Elevação de Zero

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Quando o fluído do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluído se condensa nas tubulações de

impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações

de impulso, das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível. Selam-se então ambas as

tubulações de impulso, bem como as câmaras do instrumento.

Na figura abaixo, apresenta-se um sistema de medição de nível com selagem, no qual deve ser feita a

elevação, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida na tubulação de impulso da câmara de

baixa pressão do transmissor de nível.

5.3.3 Medição de Nível com Borbulhador

Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de

quaisquer líquidos à distância.

Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima

pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 20%

a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma

válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de

pressão. Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas

quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual queremos medir seu nível,

teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido o qual queremos medir o nível .Na

tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor

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equivalente a pressão devido ao peso da coluna líquida . Nota-se que teremos condições de instalar o

medidor à distância.

5.3.4 Medição de Nível por Empuxo

Baseia-se no princípio de Arquimedes: “Todo o corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma

força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do fluído deslocado.”

A esta força exercida pelo fluído do corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo.

E = V . δ

onde:

E = empuxo

V = volume deslocado

δ = densidade ou peso específico do líquido

Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer) que sofre o empuxo do nível de

um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque.

O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível estamos medindo, pois

o empuxo varia com a densidade.

Através dessa técnica podemos medir nível de interface entre dois líquidos não miscíveis.

Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tanque contendo 2 líquidos

diferentes. Este fato ocorre em torres de destilação, torres de lavagem, decantadores etc.

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Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é através da variação do empuxo conforme

citaremos a seguir.

Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhada em 2 líquidos com pesos específicos

diferentes δ1 e δ2.

Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador, será a soma dos empuxos E1 e E2

aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos δ1 e δ2, respectivamente. O empuxo será dado

pôr:

Et = E1 + E2

onde:

E1 = V1 . δ1 e E2 = V2 . δ2

Assim para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variações de empuxo.

5.3.5 Medição de Nível por Radiação

Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de serem completamente isentos

do contato com os produtos que estão sendo medidos. Além disso, dispensando sondas ou outras técnicas

que mantém contato com sólidos ou líquidos tornando-se possível, em qualquer momento, realizar a

manutenção desses medidores, sem a interferência ou mesmo a paralisação do processo.

Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação e controle de

materiais de manuseio extremamente difícil e corrosivo, abrasivo, muito quente, sob pressões elevadas ou

de alta viscosidade.

O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão de raios gama montado verticalmente na

lateral do tanque do outro lado do tanque terá um câmara de ionização que transforma a radiação Gama

recebida em um sinal elétrico de corrente contínua. Como a transmissão dos raios é inversamente

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proporcional a altura do líquido do tanque, a radiação captada pelo receptor é inversamente proporcional

ao nível do líquido do tanque, já que o material bloquearia parte da energia emitida.

5.3.6 Medição de Nível por Capacitância

A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre 2 superfícies condutoras isoladas entre si.

O medidor de nível capacitivo mede as capacidades do capacitor formado pelo eletrodo submergido no

líquido em relação às paredes do tanque. A capacidade do conjunto depende do nível do líquido.

O elemento sensor, geralmente é uma haste ou cabo flexível de metal. Em líquidos não condutores se

empregam uns eletrodos normais, em fluídos condutores o eletrodo é isolado normalmente com teflon. À

medida que o nível do tanque for aumentando o valor da capacitância aumenta progressivamente à

medida que o dielétrico ar é substituído pelo dielétrico líquido a medir.

A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica sendo este sinal indicado

em um medidor.

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A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato , através de sondas de

proximidade . A sonda consiste de um disco compondo uma das placas do capacitor . A outra placa é a

própria superfície do produto ou a base do tanque.

.

5.3.7 Medição de Nível por Ultra Som

O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido

humano, isto é, acima de 20 Khz.

A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico, esta excitação é

transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia

das moléculas. A propagação do ultra-som depende portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso).

Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos

dispositivos ultra-sônicos.

As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos.

A característica marcante dos materiais piezoelétricos é produção de uma freqüência quando aplicamos

uma tensão elétrica. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo,

portanto, os transmissores.

Inversamente, quando se aplica uma força em uma material piezoelétrico, ou seja quando ele recebe um

sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensão elétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o

material piezoelétrico é usado como receptor do ultra-som.

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Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua de nível como na

descontínua.

Os dispositivos destinados à detecção contínua de nível caracterizam-se, principalmente, pelo tipo de

instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados

no topo do equipamento sem contato com o produto.

5.3.8 Medição de Nível por Radar

Possui uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos de

alta freqüência à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será

então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal.

Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral. A grande

vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultrassônico é a imunidade a efeitos provocados por gases,

pó, e espuma entre a superfície e o detector, porém possui um custo relativo alto.

5.3.9 Medição de Nível por Pressão Hidrostática

Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna liquida ,medimos o nível

indiretamente utilizando o teorema de Stevin: dhP .= .

Onde:

=P pressão em OmmH 2 ou OHpol 2.

=h nível em OmmH 2 ou OHpol 2.

=d densidade relativa do liquido em relação à água na temperatura ambiente.Na figura abaixo você

pode ver o nível sendo medido de forma indireta em um tanque.

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82

5.4 MEDIÇÃO DE NÍVEL DESCONTÍNUA

Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge certos pontos

desejados como por exemplo em sistemas de alarme e segurança de nível alto ou baixo.

Nos líquidos que conduzem eletricidade, podemos mergulhar eletrodos metálicos de comprimento

diferente. Quando houver condução entre os eletrodos teremos a indicação de que o nível atingiu a altura

do último eletrodo alcançado pelo líquido.

Medição de nível descontínua por condutividade

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Medição de nível descontínua por bóia

Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde simples bóia acoplada a contatos

elétricos a sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico, onde se diferenciam entre si pela

sensibilidade, tipo de fluido, características operacionais instalação e custo.

5.4.1 Medição de Nível de Sólidos

É necessário medir o nível dos sólidos, geralmente em forma de pó ou grãos, em silos, alto-fornos etc.,

pelos mesmos motivos da medição de nível dos líquidos.

Esta medição é comumente feita por dispositivos eletromecânicos, onde é colocada uma sonda sobre a

carga ou conteúdo. O cabo da sonda movimenta um transdutor eletromecânico, que envia um sinal para

um indicador, cuja escala é graduada para nível. Essa técnica apesar de simples tem como desvantagem a

grande incidência de manutenção tornando-a inviável em muitos casos.

Outros medidores como os radioativos, capacitivos, ultrassônico, radares e sistemas de pesagem com

células de carga podem ser utilizados com bastante eficiência e precisão apesar de possuírem em alguns

casos o custo elevado.

Page 84: manual instrumentacao

84

6 INVERSORES

6.1 CONCEITOS BÁSICOS

Os conversores de freqüência ajustável, também denominados inversores de freqüência, são dispositivos

utilizados para se controlar a velocidade do motor AC.

De forma bastante simples, estes dispositivos convertem tensão e freqüência fixa da rede de alimentação

em tensão e freqüência ajustável.Os inversores de freqüência possuem 3 estágios : um estágio retificador

(AC/DC),um link DC (circuito intermediário), e um estágio inversor propriamente dito (DC/AC) . Os

conversores de freqüência fixos são chamados Cycloconversores , e convertem diretamente a ciclagem

,sem link DC ,mas não nos interessam aqui, porque são fixos (a freqüência não é ajustável).se o link DC é

por corrente (indutores) ,chama-se inversor CSI (Current Source Inverter),se o link DC é por tensão

(banco de capacitores) é VSI (Voltage Source Inverter),se o retificador é controlado (SCR) é chamado

VVI (Variable Voltage Inverter),se o retificador é fixo,é necessário usar modulação (chaveamento) do

estágio inversor,com uma portadora de alta freqüência (kHz) ,tipo PWM (Pulse Width Modulation),para

motores Brushless , se usa PWM trapezoidal ou linear,para motores trifásicos normais,de indução ,se usa

PWM senoidal,para motores Servo AC , usa-se PWM Space Flux Vector Modulation ,no fluxograma a

seguir, observamos algumas diferenças eletrônicas destes dispositivos. Nota: AFD = Adjustable

Frequency Driver (Acionamento de motores AC)

VELOCIDADE

AC

AFD semC.I.

AFD comC.I.

CORRENTEDC

VOLTAGEMDC

ACOPLAMENTOCASCATA PULSO PULSO

Pelo fluxograma acima se pode observar várias possibilidades de controle de motores AC ,por controle da

freqüência , contudo, atualmente a tecnologia ou o princípio mais difundido é o de tensão fixa no circuito

intermediário, e modulação PWM.

CI =Circuito Intermediário (Link DC)

6.2 FORMAS DE OPERAÇÃO

O inversor de freqüência pode ser operado de duas formas:

Page 85: manual instrumentacao

85

Controle em malha aberta = Inversor Escalar ,com curva Volts/Hz fixa.

Controle em malha fechada = Inversor Vetorial ,com realimentação (feedback)

Escalar: quando operado em malha aberta, a freqüência proporcional à rotação necessária é enviada ao

motor e este, por sua vez, terá a sua rpm correspondente.

Vetorial: No controle em malha fechada, a diferença está na existência de um elemento de realimentação,

por exemplo, o encoder;acoplado ao eixo do motor ,e desta forma, além de ser enviado o mesmo sinal

que no caso anterior, terá também um sinal adicional da realimentação que será comparado com o sinal

desejado da velocidade, e assim, se o motor não estiver realmente na velocidade desejada, será

compensado a diferença do sinal de controle de forma automática (Direct Vector Control). Se forem

usadas bobinas sensoras de campo no enrolamento do motor, será Flux Vector Control. Se forem usados

sensores de efeito Hall dentro do inversor, é chamado Sensorless Vector control.

6.3 VANTAGENS DO CONTROLE DE VELOCIDADE POR AFD

Economia de energia: A economia de energia proporcionada por estes equipamentos por si só paga

o investimento destes dispositivos; um bom exemplo que podemos citar são as bombas e os

ventiladores, aonde o consumo é reduzido pelo cubo da velocidade.

Processo: De acordo com o processo e aplicação podemos, através destes dispositivos, aumentar a

produção, reduzir o índice de rejeitos e o consumo de matérias-primas ou aditivos de uma forma

bastante dinâmica.

Qualidade: Pelo controle exato da velocidade requerida pelo processo, a qualidade do produto

ficará dentro das normas de tolerância especificada .Também, o número de paradas e partidas

desnecessárias do motor,sem controle da velocidade, é reduzida, garantindo assim, uma qualidade

maior pois sua velocidade é sempre aquela solicitada pelo controle.

Manutenção: Em muitas bibliografias encontramos textos que afirmam não ser necessário a

manutenção, o que não é bem verdade, pois os inversores demandam manutenção preventiva para que

se possa aumentar a confiabilidade do sistema. No entanto, o índice de troca de peças é baixo. No que

se refere ao motor AC, é redundante falar de suas vantagens, além do custo do motor ser bem menor

em relação a um motor DC, a sua manutenção também não é necessária.

6.4 MOTOR AC

O primeiro motor de escovas foi construído em 1833, do tipo DC, foi concebido na época para uma

necessidade industrial para controlar a velocidade de motores DC. Por volta de 1899 foi desenvolvido o

motor AC, como característica tinha-se a simplicidade e a robustez do motor. Quem inventou o motor

Page 86: manual instrumentacao

86

trifásico de Indução foi Tesla . A GE ,na época, (Thomas Edison) não quis comprar a patente.O Barão

Westinghouse comprou e ficou milionário.O motor AC pode ser dividido em duas partes: indução e

síncrono.como o motor de indução é o tipo mais comum no mercado, vamos relembrar aqui alguns

conceitos.

O estator e o rotor são as duas partes principais do motor AC.

O estator é a parte fixa e o rotor é a parte móvel.

A corrente elétrica através dos enrolamentos produz o campo magnético nos pólos do motor

sempre em número par.

A rotação do motor é definida pelo número de par de pólos; esta rotação será denominada de

“ no ”(ene zero).

NPfno 120.

= 9004120.30

==no rpm

onde:

=no rotação nominal

=f freqüência nominal

=NP número de pólos

Nas figuras abaixo temos um do motor ac aberto, aonde se pode ver o rotor ,estator e a carcaça do motor.

Page 87: manual instrumentacao

87

6.5 TORQUE - ESCORREGAMENTO - VELOCIDADE

Normalmente a rotação real do motor é ligeiramente menor que a rotação do campo.

)1.(120. sp

fnn −= rpmnn 873)03.01.(4120.30

=−=

onde s é a diferença de velocidade entre a rotação do campo e a rotação do rotor, isto é conhecido como

escorregamento absoluto.

nnnos −= rpm

O escorregamento relativo é dado como um percentual de velocidade síncrona, normalmente entre 3 –

8%, este escorregamento é proporcional ao aumento de carga sobre o motor.

.(%)100.no

nnos n−=

Exemplo: Motor de 4 pares de pólos ,eixo a vazio, em 60 Hz = 1800rpm

Colocando carga nominal o escorregamento aumenta e a rotação fica em 1750rpm:

Temos :

Escorregamento absoluto = 1800-1750 = 50rpm

Escorregamento relativo s= 50/1800 = 3%

6.6 PARTIDAS DE MOTORES

O motor ac quando acionado por inversor de freqüência tem a sua vida útil aumentada, isto ocorre devido

o inversor quando parte um motor limitar a corrente de partida do motor há um valor ajustado no

parâmetro de corrente nominal, para que possamos ter uma idéia disto, vamos verificar o que ocorre com

o motor ac quando há solicitação para que este saia da inércia e inicie seu trabalho,vejamos: durante o

tempo de partida a corrente dos motores de indução atinge valores elevados, causando elevação na

temperatura do motor. A carga é acelerada até atingir a rotação nominal do motor, ocorrendo então uma

estabilização da corrente em um valor muito menor que na partida. Mas se antes de ocorrer essa

estabilização, houver sucessivas partidas no motor, a elevação de temperatura resultante pode danificar ou

reduzir a vida útil do motor, o inversor alem de limitar a corrente de partida também utiliza uma rampa de

aceleração, mesmo que ela seja em um valor baixo,por ex.1segundo,terá assim mesmo executada uma

rampa, se for possível à utilização de uma rampa de maior valor de tempo, será menor ainda a corrente

imposta para que o motor saia da inércia e atingi a velocidade estabelecerá,desta forma com o uso do

inversor de freqüência estamos contribuindo com o aumento de vida útil do motor.A norma NBR 7094

estabelece um regime de partida mínima que os motores devem suportar:

Page 88: manual instrumentacao

88

duas partidas consecutivas a frio, sendo a segunda somente após o motor terem atingido o

repouso;

uma partida a quente, após ter funcionado nas condições nominais;

nos dois casos, uma partida adicional é permitida somente se a temperatura do motor antes da partida não

exceder a temperatura de equilíbrio térmico sob carga nominal.

Através da formula seguinte é possível determinar se o motor suporta a quantidade de partidas impostas.

IN - Corrente nominal do motor

T = 3600/(n° de partidas/hora)

TN - período de funcionamento

TR - período de repouso

Se IEQ < IN o motor suporta o número de partida impostas.

6.7 TORQUE

A força atuante sobre o condutor é proporcional ao campo magnético (Φ) e a corrente (Ι) que passa pelo

mesmo; desta forma ,se o campo criado pelo estator se move,uma tensão é induzida no rotor e o rotor se

move. Esta força atuante sobre o rotor é que denominamos o torque (Τ).

Τ = Κ1 x Φ x Ι

Como vemos, o Torque disponível no eixo (não quer dizer que seja o torque que é exigido pela carga

da máquina) é proporcional ao campo magnético de polarização das bobinas do estator, (corrente de

magnetização) ,mas, principalmente, o torque é basicamente proporcional à corrente que percorre o

enrolamento. Por esse motivo, se quisermos torque constante numa faixa ampla de velocidades,temos

que manter a corrente constante. Como numa bobina tem que a reatância indutiva XL= 2 vezes pi x

Page 89: manual instrumentacao

89

Freqüência (Hz) x L (indutância em Henry) , teremos :à medida que a freqüência (Hz) diminui, a

impedância diminui proporcionalmente.

Corrente I (Ampéres) = Volts / X1 Ohms

Portanto , se quisermos que I fique constante ,quando variamos F (Hz) ,temos que

Variar a Tensão V (Volts) proporcionalmente à freqüência, é esse o significado de Volts/Hertz

constante , observe as figuras abaixo:

Curva de torque x velocidade de um inversor escalar:

Curva de voltagem x freqüência de um inversor escalar

6.8 AFD (ADJUSTABLE FREQUENCY DRIVER)

Esquema em bloco do inversor

Page 90: manual instrumentacao

90

RETIFICADOR M

CONTROLE

CIRCUITOINTERMEDIÁRIO INVERSOR

1 2

4

3

Esquema simplificado do inversor de freqüência

O circuito retificador converte a tensão senoidal de entrada em tensão DC; nesta etapa temos 2

tipos possíveis: os retificadores controlados (SCR) e os não-controlados.

No circuito intermediário temos 3 tipos possíveis:

◊ primeiro tipo converte a tensão do retificador em uma corrente DC (CSI)

◊ segundo tipo transforma a corrente DC em uma tensão fixa (VSI)

◊ terceiro tipo transforma a corrente DC em uma tensão variável.(VVI)

Na terceira etapa temos a transformação de uma tensão DC em uma tensão AC variável, pulsada

.(PWM).

O controle é o circuito eletrônico de onde enviamos os sinais de controle para os retificadores, o

circuito intermediário e a inversora. As partes que serão controladas dependem da tecnologia utilizada

no inversor; a freqüência de chaveamento está entre 300-16 KHZ. Para transistores NPN usa-se 1

kHz.Para MOS , 100kHz .Para IGBT 10kHz

Page 91: manual instrumentacao

91

6.9 CIRCUITO DE POTÊNCIA:

U

W

V

Pelo diagrama eletrônico podemos notar a simplicidade da etapa de potência. No diagrama abaixo temos

as formas de onda com comutação continuada.

( t )

Vab

i

Vr

Vl

Este é o melhor método de controle de velocidade de motores de indução trifásica, com menores perdas

no dispositivo responsável pela variação da velocidade.

Podemos dizer que o conjugado é:

2IC m −Φ= e 1

1

fU

m =Φ (Volts/Hertz )

onde:

=Φm fluxo de magnetismo

=2I corrente do rotor

=1U tensão estatórica

=1f freqüência da rede

Page 92: manual instrumentacao

92

=C conjugado do motor

Pelo exposto pode-se dizer que mantemos o torque constante em diferentes velocidades, variando

proporcionalmente 1

1

fU , o que mantém o fluxo mΦ constante.

6.10 CIRCUITO RL

Como foi visto até agora, o inversor de freqüência indireto com circuito intermediário com tensão DC

constante, é muito utilizado para variar e controlar a velocidade de motores de indução trifásicos com

rotor do tipo gaiola.

Dada sua enorme utilidade e ampla aplicação tornam-se necessário explicar mais detalhadamente o seu

funcionamento.Considere um circuito RL alimentado por uma fonte CC, como mostrado abaixo; ao

comutar a chave para a posição 1 ocorre uma circulação de corrente pelo circuito de tal modo que, após

um certo tempo, chamado transitório, o indutor se apresentará como um curto circuito; neste caso o

circuito estará em regime permanente. Durante o transitório o indutor irá carregar-se e, desta forma,

haverá tensão sobre ele. Em qualquer instante a lei de Kirchoff para tensões deve valer, ou seja, o

somatório das tensões numa malha deve ser nula.

E

a

L

R

1

2

VR

Vl

t

t

t

t

Vab (t)

i (t)

VR (t)

Vl (t)

A equação que rege o circuito com a chave 1 é:

LR VVE += e t

i

dd

LtiRE +−= )(

Se isolarmos para uma solução de i , obtemos:

−=

− tLR

eREti

.1)(

Em um circuito RL, a corrente pelo indutor não pode variar instantaneamente.

Define-se a constante de tempo do circuito RL como sendo:

Page 93: manual instrumentacao

93

RL

O transitório é decorrido após um tempo aproximado de quatro a cinco vezes a constante de tempo do

circuito τ.

Na figura abaixo, mostra-se a forma de onda e o que acontece quando, num tempo 1t , superior ao

transitório, a chave do circuito for comutada para a posição 2.

t 1

t

t

t

tVl (t)

VR (t)

i (t)

Vab

Observe a inversão de polaridade no indutor em 1t , isto ocorre devido à lei de Kirchoff, que diz que o

somatório das tensões numa malha deve ser nulo em qualquer instante, num tempo infinitesimal menor

que 1t . A tensão Vab é igual à E, e num tempo infinitesimal maior que 1t , a tensão Vab é igual a zero.

Disparando convenientemente o transistor de nosso módulo de potência, é possível obter pulsos

modulados, de forma que a corrente que circula pelo conjunto RL tenha o aspecto apresentado na figura

abaixo.

Page 94: manual instrumentacao

94

t

t

i ( t )

Vab

Com isso podemos concluir facilmente que a alteração dos tempos de chaveamento da inversão de

polaridade implica na variação da freqüência. Da mesma forma, variando a largura de cada pulso,

obtemos uma tensão média variável na carga RL,à distância entre dois pulsos de tensão quadrada, varia

(PWM) , mas o seu período de repetição é fixo e se chama freqüência de portadora , em geral na faixa de

alguns Khz, .mas a forma de onda da corrente ,que é o que importa para produzir o torque, tem um

período (freqüência) correspondente à rotação do motor.

6.11 APLICAÇÃO

A aplicação do inversor de freqüência nos processos industriais exige alguns conhecimentos básicos para

obtermos um bom resultado em nossa aplicação. Atualmente temos 2 tipos de inversores, ou melhor,

dois modelos tecnológicos básicos: escalar e vetorial. Abaixo colocamos de forma simples e

resumida as tecnologias.

Page 95: manual instrumentacao

95

REGULADORVELOCIDADE

TRANSPORTE

REGULADORVELOCIDADE

LIMITE DECORRENTE

LIMITE DECORRENTE

REGULADORVELOCIDADE

MISTURADOR,EXTRUSORA

REGULADORTORQUE

REG.CORRENTE

LINHAS DEPROCESSO

REGULADORVELOCIDADE

REGULADORTORQUE

REG.CORRENTE

LINHAS DEPROCESSO

FLUX VECTOR

V / Hz SENSOR LESS

FIELD ORIENTED

BANDALARGA

Vamos através da tabela acima, comentar um pouco mais sobre os inversores “Vector” ou Vetoriais, não

importando a tecnologia, já que no modelo escalar é uma relação simples V/Hz.Os vetoriais podem ser

explicados mais facilmente pelo diagrama abaixo:

Z

Z Z

is

id

CA

Iq

id

Iq

CARGA 2

CARGA 1

is

is

onde:

Iq = corrente produção torque

Id = corrente produção fluxo

Is = corrente totais do estator

Como vimos, o vetorial nada mais é do que fasores da corrente. Reescrevendo o torque, temos:

Page 96: manual instrumentacao

96

T = K . id . Iq. Sen.

(d)

Definindo inversores vetoriais, pode-se dizer que são os inversores que utilizam a tecnologia capaz de

controlar os termos de nossos fasores Iq, id e is.Já os escalares não permitem acesso a estes parâmetros,ou

seja, trabalham com

parâmetros fixos, pré-programados na CPU . (V/Hz) em curva pré-definida.

O Inversor escalar é muito simples e prático , e portanto, seu preço é menor que um vetorial ,em

geral, o Vetorial, além de ter mais sensores e mais software , precisa ter transistores com mais reserva de

potência, para poder atender os picos instantâneos de torque,via de regra, os inversores escalares tem um

fator de sobrecarga de 120 % por 1 minuto, sobrecarga de 150% durante 1 milisegundo (proteção

instantânea), precisão de rotação da ordem de 95% ,o que é muito bom para muitas aplicações.Os

vetoriais têm 200% de sobrecarga por 1 minuto, e 150% por 1 milisegundo , uma precisão na rotação

do eixo de 99,9% com sensorless vector e de 99,999 % com encoder no eixo do motor.Devemos aplicar

a tecnologia escalar nas seguintes condições, como uma base orientativa:

onde não precisamos de controle de velocidade com precisão maior que 95%

onde não precisamos de uma faixa/range maior que 20:1

onde não precisamos de controle de torque.

Em relação à aplicação de inversores vetoriais, temos:

aplicação onde se necessita de baixíssimas rotações e elevados torques em

velocidade zero, ex. em um desfibrador o parafuso alimentador do disco.

aplicação com range de 100:1 ou mais;

aplicação onde se necessita de regulação precisa de velocidade: 0,01% e torque, por ex. em uma

máquina formadora de colchão.

Na figura abaixo colocamos um diagrama em blocos de um modelo vetorial, a tecnologia utilizada é o

DTC neste exemplo, pode se observar que existe uma tecnologia eletrônica mais precisa.

Page 97: manual instrumentacao

97

Em resumo, um inversor de freqüência é uma soma de todas as tecnologias :

Circuitos elétricos envolvendo motores

Eletrônica de alta potência IGBT , MOS, etc,

Eletrônica Analógica, Amplificadores operacionais, ajuste de zero e span, etc..

Eletrônica Digital Gates, Flip-Flops , CPU ,memórias, etc..

Informática, envolvendo software , portas de comunicação serial,etc..

Instrumentação ,usando medidores de corrente ,sensores Hall,etc..

Automação , envolvendo sistemas sincronizados , PID ,etc...

6.12 CPU E SOFTWRAES

Atualmente praticamente todos os inversores de freqüência , são microprocessados.

Aliás, o primeiro inversor microprocessado produzido em larga escala foi o

Inversor Hitachi HFC-VWE , seguido pelo HFC-VWS , por volta de 1990 ,em seguida , ele se tornou o

inversor mais vendido do mundo (ver histórico anexo),a CPU de controle pode ser de 8 bits , 8K

EPROM , e Clock de 4 MegaHertz, para

Inversores simples, escalares.Para controle Vetorial, necessita uma CPU poderosa , pelo menos de 16 bits

.Para Controle Vetorial com inteligência artificial (fuzzy-logic) , necessita uma CPU poderosa,

praticamente similar a um micro Pentium . A Hitachi usa a CPU H32 ,fabricado por ela mesma (a

Divisão de semicondutores fica na Alemanha),atualmente, várias outras marcas de Inversores estão

usando essa CPU ,por exemplo

A Warner Electric (USA) , a Danfoss , etc..

A CPU trabalha com um software operacional básico, gravado em memória fixa (EPROM) Esse tipo de

software fixo, se chama Firmware , e não pode ser alterado . É equivalente ao sistema operacional de

Page 98: manual instrumentacao

98

um PC , incluindo o BIOS . Ver Diagrama de Blocos ,a CPU também usa uma memória temporária, para

fazer cálculos (RAM)

Existe o outro tipo de software: software de configuração do aparelho, normalmente na forma de

parâmetros , digitado pelo teclado de programação , (que pode ser o mesmo teclado de operação) ,ou

introduzido por um PC na porta serial , que vai definir ,por exemplo, a forma de trabalho ,se o ajuste da

de velocidade vai ser pelo teclado ou por um potenciômetro externo, velocidade mínima, máxima,

rampas de aceleração, etc..

Esse software deve ser introduzido uma única vez, por ocasião da instalação / Start-Up aparelho , e ele

ficam memorizado numa memória não volátil, chamada NVRAM .Na maioria das vezes, a operação do

inversor é obtida com apenas esse software,mas existe também , um terceiro nível de software , chamado

software aplicativo

Ou software de aplicação, ou de “sistema” de automação , que seria uma “extensão”

De parâmetros avançados , que refletem uma certa automação. Por exemplo, controle PID de uma certa

variável, memórias de velocidades pré-estabelecidas, controle sincronizado através de rede digital, etc...

Por exemplo : Acionar uma bomba dosadora de combustível para que a temperatura do forno fique

estabilizada em 800 graus , é uma aplicação PID .

Fazer a parada posicionada de uma fresadora CNC , é uma outra aplicação ,totalmente diferente , que

exige uma parametrização específica , além dos parâmetros básicos.

6.13 HARDWARE

Os sinais na régua de bornes do inversor são do tipo digital (contacto aberto ou fechado), por exemplo;

fechando o contacto no borne FW , o inversor dá a partida p/frente (ForWard) e, fechando o contacto

REV , o motor parte para trás, Reverse.

Bornes Digitais

Os bornes normalmente são polarizados com +24Vcc e são fechados contra terra (CM=comum).Esse é o

modo americano (USA).No modo Europeu, o fio comum não é o terra ,mas sim o +24Vcc .

Bornes Analógicos

Os sinais de contactos vão direto p/ o circuito digital.Os sinais analógicos , por exemplo , do

potenciômetro de ajuste da velocidade , passam pelo estágio conversor A/D (Analógico/Digital).

Page 99: manual instrumentacao

99

6.14 DRIVERS

Como o acionamento é para motores trifásicos, o inversor tem 3 fases de saída : U,V,W

Como cada fase tem que ter os pulsos positivos (um transistor) e negativos (outro transistor),

São um total de 6 transistores na ponte.Portanto, a CPU tem que gerar 6 trens de pulsos diferentes ,um

para cada transistor. Como os transistores estão em contacto com a alta tensão das fases do motor , e a

CPU trabalha com baixa tensão , é necessário um

Circuito de interface , que separa os dois potenciais isoladamente , e são chamados

Circuitos Driver . Normalmente envolvem transformadores de pulsos com ferrites e acopladores ópticos

de alta velocidade e baixa imunidade a ruídos .

SENSORES: A CPU precisa monitorar a corrente para o motor, a voltagem , etc, para isso, usa

transformadores de ferrite, shunts, e sensores de corrente por efeito Hall

6.15 TROUBLESHOOTING

Quando o inversor enfrenta um problema, ele normalmente escreve uma mensagem de erro no display.

Vários tipos de problema , são auto-explicativos .Por exemplo : erro por queda de tensão na rede .

Verifique a voltagem de alimentação, disjuntor, contatora,etc...

Entretanto, o erro mais freqüente é do tipo Overload, Sobrecarga , Overcurrent ,Sobrecorrente.O

procedimento é dar um “reset” na CPU , e ver se o problema era apenas aleatório,mas , se mesmo

resetando , o problema persistir , temos algum problema a enfrentar.

Um procedimento padrão , muito eficiente é :

Simplesmente, desligue os três fios de saída para o motor ,U,V,W .

Re-energize o inversor, e dê um comando start .Se ele “partir” a vazio, sem o motor,

Então é sinal que o problema não está no inversor, e sim, no motor (eixo travado) , ou na carga

(algum redutor “engripou”,falta de óleo) ,etc..

Se , mesmo sem o motor , o inversor dá o alarme , então sim , é problema no inversor. Neste caso, o

procedimento padrão mais prático é :

Levar o inversor para a bancada de manutenção , e fazer uma simulação com um pequeno motor

de prova ,chaves liga/desliga, potenciômetro de ajuste ,etc.

Este simples procedimento acaba por achar as causas em aproximadamente 90% dos casos, pois

durante a tarefa de conectar ,energizar, tentar fazer funcionar o inversor na bancada, são,

automaticamente checados , inúmeros pontos que podem dar origem aos problemas.

Page 100: manual instrumentacao

100

A partir deste ponto, se nada resolveu , na bancada, é melhor enviar o aparelho para a assistência técnica

de confiança. Repito : de confiança ,pois ,consertar um inversor , requer :

Muito conhecimento nas várias tecnologias eletrônicas ,analógicas,digitais ,software,etc...

Um laboratório equipado com instrumentos de boa precisão.Osciloscópios Tektronix de pelo

menos 100MHz, ou melhor , geradores de pulsos sintetizados, etc...

Estoque com todas as peças de reposição originais e adequadas, bancados de testes e

diagnósticos ,incluindo os acessórios originais , programador de memórias , leitor de NVRAM ,

etc...Na grande maioria dos casos, a indústria mantém uma equipe de manutenção de “grau

imediato”, ou seja, identificar rapidamente se é o inversor ou o motor, e a manutenção corretiva de

primeiro grau : tipo , trocar alguma peça mais básica , ou decidir usar um inversor reserva, e enviar o

defeituoso para a assistência técnica do fabricante , tudo isso, para evitar ao máximo, o tempo de

máquina parada, com a respectiva perda de produção. Outro aspecto importante é : usar Inversores de

boa qualidade. Existem inversores baratos , mas, eles dão problemas freqüentemente . Inversores

fabricados com materiais de primeira, irão prestar anos de bons serviços , com pequenos gastos e

poucos parados de produção.

6.16 ENCODERS

A utilização de encoders se faz necessária nas aplicações de controle de velocidade e/ou posicio-

namento; para controle de velocidade são utilizados os encoders incrementais e, para posiciona-

mento, os encoders absolutos.

Com o advento da tecnologia SMD e dos sensores ópticos, foi possível desenvolver um disposi-

tivo que garantisse precisão na informação fornecida, aliada a características como baixo consu-

mo de energia, tamanho compacto e imunidade a ruídos, entre outros; O encoder veio a tornar-se,

portanto, um instrumento de alta confiabilidade.

Podemos dividi-lo em 5 partes principais:

Led emissor

Disco codificado

Máscara fixa

Foto-detector

Amplificador quadrático

Princípio de funcionamento

O eixo do encoder está acoplado ao eixo rotacional da máquina (normalmente motor); este, por

Page 101: manual instrumentacao

101

sua vez tem um disco codificado que rotaciona em frente a uma máscara fixa.

Ao rotacionar, o led emissor que se encontra na placa eletrônica tem sua luz cortada por este disco

nos trechos escuros; assim, quando coincide o trecho transparante juntamente com a posição da

máscara, temos a incidência de luz sobre o foto-detector; o mesmo irá gerar pulsos de forma de

onda semelhante a uma senóide.

O nº de pulsos / rpm será tanto maior quanto maior for o nº de pulsos do encoder e velocidade do

eixo.

Para que se possa efetuar a contagem dos pulsos, a forma de onda originalmente gerada é conver-

tida em pulsos quadrados, facilitando a transmissão do sinal.

Canal A

Canal B

O disco codificado possui um nº de espaços transparentes igual ao nº de espaços escuros; este nº,

por sua vez, é idêntico ao nº de pulsos do encoder.

A posição e o espaçamento exigem alta precisão, sendo atualmente o espaço físico do disco a

maior limitação construtiva dos encoders (o nº de linhas max. está próximo de 3000 / volta).

Os encoders em quadratura possuem dois canais (A, B), sendo estes eletricamente defasados 90°

entre si; dessa maneira podemos determinar o sentido de rotação da máquina.

O sentido de rotação está relacionada à resolução, que pode ser multiplicada por 4.

Page 102: manual instrumentacao

102

Canal A

Canal B

Canal A

Canal B

Ruídos em cabos de sinal podem gerar sinais falsos; para minimizar os efeitos destes na malha

de controle, utilizamos amplificadores operacionais diferenciais para sinais complementares;

Podemos então sobrepô-los para que o nível de ruído elétrico seja ignorado no estágio de ampli-

ficação diferencial do sinal.

Canal A +

Canal A -

Canal B +

Canal B -

Até agora, possuímos do encoder incremental as seguintes informações:

Velocidade

Sentido de rotação

Sentido direto

Sentido reverso

Page 103: manual instrumentacao

103

Somada a estas informações, temos a quadratura diferencial, a qual garante melhor resolução e confia-

bilidade do sinal; acrescentemos a isto o sinal de zero, que é um pulso idêntico aos anteriores, gerado

somente uma vez por volta (360°); podemos então referenciar o zero mecânico com o zero eletrônico,

fazendo com que o sistema retorne a uma posição definida após uma queda de energia, por exemplo.

Considerações e instalação

O encoder tem sua resolução definida na velocidade de seu eixo e freqüência de pulsos (deve-se

lembrar disso quando da especificação ou substituição de um equipamento);

Não aplique forças radiais ou axiais no eixo além da que foi especificada pelo fabricante;

Utilize cabo blindado com malha para transmissão de sinais e passe-o sempre o mais longe

possível de fontes de ruídos elétricos;

O desalinhamento do dispositivo deve ser o menor possível e nunca maior do que a tolerância

fornecida pelo fabricante;

Page 104: manual instrumentacao

104

7 CONTROLE

7.1 CONCEITOS BÁSICOS

Os processos industrias exigem controle na fabricação de seus produtos,em todo estes processos é

absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis .

Os processos podem ser divididos em dois modelos:

Contínuos

Descontínuos

O nosso processo é um processo contínuo tanto na fabricação de HDF quanto na fabricação de chapa de

fibra .A instrumentação tem como objetivo manter uma variável de processo (PV) , dentro de um valor

ajustado (SV) , pela produção através de uma comparação com o valor ajustado na face plate do

controlador inserindo uma atuação na variável manipulada (MV).

A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes , usuários e os organismos que intervem

diretamente ou indiretamente no campo da instrumentação industrial, vamos citar os principais termos

abaixo:

Variável controlada – A variável controlada de um processo é aquela que mais indica diretamente

a forma ou estado desejado do produto

Meio controlado – Meio controlado é a energia ou material no qual a variável é controlada

Variável manipulada – A variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador

automático atua,no sentido de se manter a variável controlada (PV) em seu valor ajustado (SV)

Malha de controle – Quando em controle deve–se necessariamente subtender uma medição de

uma variável qualquer de processo (PV), o sistema agora recebe a informação do campo, compara com

um valor pré-estabelecido (SV), verifica a diferença~entre ambos e atua sobre a variável manipulada

(MV) para diminuir ao máximo a diferença entre (SV) e (MV),os elementos que fazem parte do

conjunto desta lógica são chamados de elementos de malha, enquanto o conjunto destes elementos de

malha de controle, sendo que podemos ter dois tipos de malha de controle: aberta / fechada

Malha aberta – É aquela aonde na qual realizamos o controle sem um dispositivo de

realimentação, quando passamos a operar em modo manual uma malha de controle fechada, estamos

operando em malha aberta.

Malha Fechada - É aquela aonde existe um dispositivo de realimentação entre a saída de controle

(MV) e a entrada do sinal ajustado (SV) , na figura abaixo representamos o esquema em bloco de uma

malha de controle fechada e a equação que rege o sistema.

Na figura abaixo podemos observar uma malha de controle simples

Page 105: manual instrumentacao

105

/

7.2 ELEMENTOS DE CONTROLE

Elementos primários – são dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável

de processo

Transmissor – Instrumento que mede uma determinada variável e a envia a distancia para um

controlador ou, como é nosso caso, para o sistema a informação e o controle estarão no campo no

próprio transmissor

Elemento final de controle – Dispositivo que atua e modifica diretamente o valor da variável

manipulada de controle

7.2.1 Sensores e transmissores

Os elementos primários de medição têm por função medir alguma propriedade do sistema e convertê-la

em um sinal que possa ser utilizado para controle. Em alguns casos, o elemento sensor gera um tipo de

sinal que não é diretamente compatível com o sistema de controle. Neste caso, utiliza-se um transmissor

para gerar um sinal compatível a partir do sinal recebido do sensor. Em muitos casos, o próprio

transmissor é também o elemento sensor.

Tipicamente, o sensor e o transmissor estão localizados perto do processo, e por isso são denominados

"elementos de campo".Existem diversas padronizações para o envio de sinais a um sistema de controle. O

padrão pneumático (pressões de ar de 0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou de 3 a 15 psi), usual há alguns anos, está

praticamente em desuso. O padrão eletrônico consiste em sinais de corrente de 4 a 20 mA. Cada vez mais

se impõe a comunicação digital entre os elementos de campo e o sistema de controle. Recentemente foi

padronizado, depois de anos de teste, o protocolo fieldbus de comunicação digital, em que os elementos

de campo trocam informações entre si.

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106

7.2.2 Válvulas de controle

O elemento final de controle mais utilizado na indústria química é a válvula de controle. Basicamente, a

válvula de controle é uma válvula capaz de variar a restrição ao escoamento de um fluido em resposta a

um comando recebido na forma de um sinal padrão.

Em geral, o movimento da haste da válvula é obtido pelo balanço entre duas forças: a tensão de uma

mola ligada à haste (função da posição da haste), e a força exercida sobre um diafragma na cabeça da

válvula (função da pressão de ar na cabeça da válvula). O comando da válvula é feito pela variação da

pressão de ar fornecido à válvula. Atualmente, é comum encontrar válvulas com posicionadores

eletropneumáticos, que permitem que o sistema de controle envie um sinal de 4 a 20 mA diretamente para

a válvula. Em outros sistemas, o sinal eletrônico deve ser convertido em um sinal pneumático por meio de

um conversor I/P. Um dos aspectos importantes na especificação de uma válvula de controle é a sua

posição de falha, ou seja, sua posição na ausência do sinal de controle externo. Esta especificação é

geralmente ditada pela segurança do processo. Em algumas aplicações, como no suprimento de vapor

para um aquecedor, é desejável que a válvula feche na falta de um sinal de comando: esta válvula é

chamada de falha-fecha, ou ar-para-abrir. Em outras situações, a segurança do processo exige a

abertura da válvula em caso de falha do sistema: falha-abre, ou ar-para-fechar.

O tamanho da válvula é normalmente dado por um coeficiente de tamanho, Cv. Este coeficiente é

determinado experimentalmente pela passagem de fluido pela válvula. Para líquidos sem

flasheamento, por exemplo, a vazão através da válvula é dada por:

onde F é a vazão; x é a posição da haste da válvula expressa em percentagem da abertura; f(x)

representa a fração da vazão máxima (em função da posição da válvula).

A função f(x) representa uma propriedade importante da válvula, a sua característica inerente. A

característica da válvula é determinada por diversos fatores, especialmente formato do obturador e do

assento. São comuns na indústria as válvulas de característica linear, onde f(x) = x, e as de

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107

característica de igual percentagem, nas quais f(x) = ax-1, onde a é um parâmetro com valor entre 20 e

50 dependendo do projeto da válvula.O dimensionamento de válvulas de controle deve levar em conta

a faixa de controlabilidade desejada. A queda de pressão na válvula, usada no cálculo do Cv, depende

da abertura da válvula e de outros fatores referentes a condições de escoamento (outros equipamentos

em série, etc.).

7.3 ELEMENTOS DE PAINEL

Indicador – Instrumento que nos fornece uma indicação visual da situação das variáveis no

processo, o indicador pode se apresentar na forma analógica, por ex.bargrafh ou na forma digital

(display) , os indicadores estarão todos dentro de nossa estação de operação, em nossas telas estaremos

utilizando tanto o analógico quanto o digital

Registrador – Instrumento que registra à variável através de traço continuo ou pontos, no sistema

da planta de energia os registradores serão nossos “trend”

Conversor – Instrumento que recebe uma informação de forma de um sinal, altera a forma da

informação e o emite em uma forma padronizada de sinal, na planta de energia teremos conversores

que serão os posicionadores das válvulas, pois irão converter um sinal Foudation Fielbus em psi ou lbf.

7.4 CONCEITOS DE CONTROLE

Range – Conjunto de valores da variável medida, que está compreendido dentro do limite inferior

e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento

Span – É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior de medida do instrumento

Erro – Diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação real da variável

medida, este erro poderá ser estático ou dinâmico

Precisão – Podemos dizer como sendo o maior valor do erro estático que um instrumento possa ter

ao longo de sua faixa de trabalho

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 nos sentidos ascendente e

descendente

Sensibilidade – É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a

variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso.

7.5 DOCUMENTAÇÃO

Os instrumentos e as estratégias de controle são documentados em diversos estágios de um projeto de

engenharia. Já no projeto básico do sistema, os instrumentos são representados nos fluxogramas de

engenharia, também conhecidos como P&I D (do inglês piping and instrument diagram). Os diversos

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108

componentes de uma malha costumam ser representados em um diagrama que indica as ligações físicas

entre eles (pneumáticas, elétricas e digitais). Estes documentos, chamados diagramas de malha, são

essenciais para o entendimento das funções de cada elemento da malha.

As malhas mais complexas podem ser descritas em diagramas de controle que são diagramas mais

abstratos em que os detalhes de interligação são omitidos. Neste curso, sempre utilizaremos diagramas

simplificados, já que o nosso escopo é o comportamento do sistema de controle. Diversos outros

documentos de engenharia são gerados em um projeto de instrumentação: as folhas de dados e

especificações técnicas, por exemplo, definem os requisitos e características de cada instrumentos;

diagramas de interligação e plantas de instrumentação, entre outros, fornecem informações que permitem

a montagem eficiente dos sistemas e seus componentes.

7.6 CONTROLADORES

São os blocos que tomam as decisões nos SC, de acordo com a entrada e a realimentação (SC de malha

fechada), enviando um comando ao atuador.

Um controlador deve ter, no mínimo, as seguintes características:

receber um sinal com o valor da variável controlada (PV = process value)

receber um setvalue (SV)

gerar um sinal de saída para o elemento final de controle (CO = controller output ou MV )

receber um comando de seleção de pelo menos dois modos: MANUAL e AUTOMÁTICO ,este no

caso será desempenhado pelo controlador no Faceplate de nosso sistema na planta de energia.

Em modo MANUAL, o controlador opera como um mero controle remoto. O operador informa o sinal de

saída desejado, e o controlador simplesmente repassa este valor para o elemento final de controle.Em

modo AUTO, o controlador usa os valores lidos (PV e SV) e determina, por meio de um algoritmo, o

valor do sinal de saída (CO). O foco deste capítulo, evidentemente, é o modo AUTO.Um conceito

importante para os algoritmos de controle mais comuns é o de erro. Aplicado a controladores, o erro

representa simplesmente a diferença:e = SV- PV

7.6.1 Ações de Controle:

O controlador compara o sinal de entrada com a realimentação, e se a saída supera a entrada, desliga o

atuador, se a realimentação for menor, liga o atuador.Ex.: Nos fornos elétricos e geladeiras, o calefator ou

compressor é controlado por um termostato, que é um controlador liga-desliga com par bimetálico (um

dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato). Ao se desligar, o ambiente faz a

temperatura mudar algum tempo depois e o bimetálico retorna à posição, fechando o contato e ligando o

atuador.As vantagens deste controlador são a simplicidade e o baixo custo, as desvantagens são a

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109

contínua oscilação da saída entre os limites de atuação do controlador, histerese, não garantindo precisão

e podendo desgastar controlador e atuador pelo excesso de partidas.

7.6.2 Controle proporcional:

A saída é proporcional ao sinal de erro (diferença entre entrada e realimentação), de modo que o atuador

opera continuamente, com potência variável. O controlador é simplesmente um amplificador,este sistema

é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, mas nem sempre é rápido, e pode se tornar

instável, se o ganho for muito alto. Instabilidade é a situação em que o controlador reage muito rápido, e a

saída passa do valor na entrada sem que haja a reversão da tendência, o que pode levar à saturação do

amplificador ou à oscilação contínua em torno do valor na entrada (geração de onda senoidal na saída,

sem entrada).

Muitos dos sistemas de controle de velocidade de motores são proporcionais, inclusive o controle de

automóveis por um motorista.Note que, sendo um amplificador do sinal de erro, sempre tem que haver

um erro após o transitório, período inicial durante o qual o controlador reage intensamente, para manter

acionado o atuador. É o erro de regime permanente, que é inversamente proporcional ao ganho do

controlador. O regime permanente é a fase após o transitório, durante o qual a saída permanece quase

estável (controlada),este erro limita a precisão do controle proporcional.

7.6.3 Controle Integral:

Este controle utiliza um integrador como controlador. O integrador é um circuito que executa a operação

matemática da integração, que pode ser descrita como o somatório dos produtos dos valores instantâneos

da grandeza de entrada por pequenos intervalos de tempo, desde o instante inicial até o final (período de

integração). Isto corresponde à área entre a curva da grandeza e o eixo do tempo, num gráfico.

Se a grandeza for constante, G, a integral desta entre um tempo t1 = 0 e um tempo t2 será igual a G t2,

que corresponde à área, no gráfico da grandeza, de um retângulo naquele intervalo de tempo. Se fizermos

um gráfico da integral desde o tempo t1 até t2, teremos uma reta desde 0 até G t2, pois a área (ou o

somatório) irá aumentando à medida que o tempo passa.O uso do integrador como controlador faz com

que o sistema fique mais lento, pois a resposta dependerá da acumulação do sinal de erro na entrada, mas

leva a um erro de regime nulo, pois não é necessário um sinal de entrada para haver saída do controlador,

e acionamento do atuador após o período transitório. Assim o controle é muito preciso, embora mais

lento.

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110

7.6.4 Controle proporcional e integral:

É a combinação dos dois controles anteriores, realizada pela soma dos sinais vindos de um amplificador e

um integrador,este controlador alia a vantagem do controle proporcional, resposta mais rápida, com a do

integral, erro de regime nulo. É mais usado que os anteriores.

7.6.5 Controle proporcional e derivativo:

Combinação entre o controle proporcional e o derivativo, que se baseia no diferenciador, um circuito que

executa a operação matemática derivada. Esta pode ser entendida como o cálculo da taxa (ou velocidade)

de variação da grandeza de entrada, em relação ao tempo (ou outra grandeza). Isto se assemelha à média

entre os valores da grandeza entre dois instantes, se estes instantes forem sucessivos (intervalo muito

pequeno), esta média será a derivada da grandeza no instante inicial. Assim, a derivada indica a tendência

de variação da grandeza.

O controle apenas derivativo não seria viável, pois não responderia ao sinal de erro, mas somente à sua

tendência de variação.Quando somada a saída proporcional do amplificador com a do diferenciador,

ambos tendo o sinal de erro na entrada, têm o controlador proporcional e derivativo.

A vantagem deste controle é a velocidade de resposta, que se deve à imediata reação do diferenciador:

inicialmente, o erro é grande, e o diferenciador fornece um sinal forte ao atuador, que provoca rápida

variação na grandeza controlada, à medida que o erro vai diminuindo, o diferenciador apresenta uma

saída menor (de acordo com a velocidade de variação na grandeza), reduzindo a ação do atuador, o que

evita que se passe (ou passe demais) do valor desejado (entrada).A desvantagem é que o diferenciador é

um circuito muito susceptível a ruídos de alta freqüência, pois é um filtro passa-alta, o que pode levar a

distúrbios durante o processo de controle.

7.6.6 Controle proporcional, integral e derivativo:

É a combinação do anterior com o integral. Isto se faz somando os sinais de saída de um amplificador, um

diferenciador e um integrador, todos eles com o sinal de erro aplicado na entrada.Assim, temos um

compromisso entre a velocidade de atuação, devida ao diferenciador, e erro de regime nulo (precisão),

devido ao integrador.Este é o mais usado dos tipos de controle eletrônicos.

Os parâmetros deste sistema podem ser alterados ajustando-se os potenciômetros (que alteram as

constantes de integração e diferenciação), o que dá flexibilidade a estes sistemas analógicos somente

superados pelos digitais,cabe dizer a nossa planta de energia.

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111

7.6.7 Algoritmo de Controle

O tipo mais simples de controlador é o liga-desliga ou on-off. Matematicamente, sua ação pode ser

descrita como:

e > e1 => CO = 1

e < e2 => CO = 0

onde e1 > e2 são valores predeterminados. Se o erro estiver no intervalo [e2, e1], a saída não é alterada.

Este intervalo costuma ser denominado banda morta. Este tipo de controle é comum em equipamentos

térmicos (geladeiras, condicionadores de ar).Os controladores com ação proporcional determinam a saída

por meio da ação, eKbiasMV c .+= ,onde bias representa o sinal de saída na condição "neutra". Kc é

chamado de ganho do controlador,também se encontra o termo Kp.Alguns livros e catálogos ainda usam

o termo banda proporcional ao invés do ganho. A banda proporcional, expressa em percentagem, é o

inverso do ganho:

O ganho do controlador pode ser positivo ou negativo. O sinal do ganho define a ação do controlador, que

pode ser direta ou reversa.Se tivermos ganho positivo e mantivermos constante o setvalue, qual será a sua

resposta a uma variação da PV? Se a PV aumenta, o erro diminui (e = SV - PV) e conseqüentemente a

saída CO ou MV diminui. Este comportamento é chamado de ação reversa.

Ganhos negativos fazem com que MV aumente quando a PV aumenta: ação direta.

IMPORTANTE: a ação do controlador (direta/ reversa) deve ser escolhida de forma compatível com a

ação do elemento final de controle (falha abre/ falha fecha), de modo que a ação conjunta (controlador +

elemento final) seja adequada aos objetivos de controle.

Os controladores de ação integral obedecem à equação:

Os controladores de ação derivativa obedecem à equação:

É possível associar estas ações P (proporcional), I (integral) e D (derivativa) obtendo algoritmos

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compostos (PI, PD, PID). A equação de um controlador PID pode ser dada por:

+++= ∫ dt

deddtei

eKcbiasMV ττ

..1

Onde temos que :

P : termo proporcional dado em (%)

e : termo que se relaciona ao erro entre SV e PV

I : termo relativo à integral

D: termo derivativo

A equação utilizada nos blocos PID da série YTA é um algoritmo I.PD, no modulo 4 veremos com maior

nível de detalhe as possíveis formas de controle PID, a equação de saída do nosso PID em nosso sistema

pode ser escrita assim:

( ) ( )

∆Ρ∆

∆ΤΤ

+−Τ∆Τ

+∆Ρ=∆ VndSPnPVni

VnKMVn

onde:

∆Τ= Período de controle

Κ = Ganho

Ti = Tempo integral

Vn∆Μ = Alteração no sinal de saída

Vn∆Ρ = Alteração entre ( )1PVnPVn −

7.6.8 Desempenho de controladores

Qualitativamente, o desempenho de um controlador pode ser avaliado pela sua capacidade de manter a

variável controlada próximo ao valor desejado (setvalue), mesmo em presença de perturbações externas.

Em aplicações práticas, porém, pode ser desejável "medir" o desempenho de um controlador por meio de

um índice que permita buscar melhoras de desempenho. Alguns índices sugeridos na literatura e na

prática são dados a seguir. Em geral, eles consideram a resposta do controlador a uma perturbação em

degrau.

coeficiente de amortecimento, obtido ao comparar a resposta do controlador à de um sistema de

segunda ordem; Luyben, por exemplo, recomenda um valor entre 0,3 e 0,5;

overshoot, ou seja, o máximo desvio do setvalue observado logo após a perturbação;

Page 113: manual instrumentacao

113

velocidade de resposta, definida como o tempo necessário para atingir o setvalue (não

necessariamente se estabilizando no setvalue);

taxa de descaimento, medida como a razão entre as amplitudes de duas oscilações sucessivas;

tempo de resposta, considerado como o tempo a partir do qual as oscilações se limitam a uma

certa fração (geralmente 5%) da mudança de setvalue;

diversos índices calculados por integração de uma função do erro ao longo do tempo: ISE (integral

do quadrado do erro), IAE (integral do valor absoluto do erro) ou ITAE (integral do produto entre

tempo e valor absoluto do erro).

Cada critério tem suas vantagens e desvantagens, e têm fornecido material para muitas discussões na

literatura. Shinskey (Feedback controllers for the process industries, McGraw-Hill, 1994) discute os

méritos relativos de diversos índices de desempenho e situações em que eles não se aplicam.

Todos os critérios acima "premiam" a capacidade de levar a variável controlada para próximo do

setvalue. Em alguns casos, isto não é necessário nem desejável: por exemplo, uma malha de controle de

nível em um tanque pulmão não precisa ser mantida junto ao setvalue (qual seria a conseqüência?). Antes

de aplicar um critério de desempenho qualquer, verifique antes se ele faz sentido para a aplicação. Outro

aspecto não considerado nos índices de desempenho é a robustez do controlador. É possível ajustar um

controlador com um excelente desempenho para perturbações pequenas, mas que seja instável quando

ocorrer uma perturbação maior.

O controle on-off, evidentemente, não consegue manter a variável em um setvalue. O comportamento da

variável controlada equivale a uma oscilação próxima aos valores equivalentes aos comandos on e off do

controlador. A figura a seguir ilustra a resposta de um sistema sob controle on-off, mostrando que a

oscilação não é necessariamente senoidal. A linha vermelha indica o valor desejado da variável

controlada; observe que a média não equivale necessariamente ao valor desejado.

Uma característica interessante do controle on-off é que o valor médio da variável controlada muda

conforme a perturbação externa. Este efeito é observado em sistemas de condicionamento de ar: mantido

o setvalue, a temperatura média é mais alta em dias quentes.

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114

A figura a seguir ilustra o comportamento de uma variável controlada por um controlador proporcional

após uma perturbação externa em degrau. O setvalue é indicado pela linha vermelha. Uma característica

do controlador proporcional é que ele não consegue "zerar" o desvio do setvalue, deixando um erro

residual (offset). Explique por que o controlador não consegue mudar a variável controlada quando ele

atinge a região do offset.

Ao adicionarmos a integral do erro, o controlador passa a não tolerar que um desvio do setvalue seja

mantido por muito tempo. Desta forma, elimina-se o problema do offset.

A ação derivativa tira proveito da informação de processo que permite prever, em curto prazo, a tendência

da variável de processo. Assim, ao observar que a variável está aumentando, a ação derivativa atuará no

sentido de reduzi-la, mesmo que o erro e a integral do erro apontem em outra direção. Desta forma, a ação

derivativa torna a resposta do controlador mais rápida. Os usos de ação derivativos requerem cuidados, e

deve ser evitada em variáveis cuja medição esteja sujeita a ruídos (como vazão em escoamento

turbulento).

Neste caso, o comportamento oscilante da vazão faz com que a derivada mude continuamente de

sinal,com efeito negativo sobre o desempenho do controlador. A ação derivativa deve ser evitada em

situações onde o erro varie bruscamente, em forma de degrau.

Um exemplo é dado por cromatógrafos de processo, que atualizam suas leituras em intervalos de alguns

minutos: nestes instantes, a derivada é infinita; um controlador PID abre ou fecha completamente a

válvula de controle nesta situação. Outro exemplo ocorre quando o setvalue é alterado pelo operador,

especialmente em sistemas digitais. Atualmente,uma das formas de evitar este problema consiste em

calcular a derivada da variável de processo (PV) em vez da derivada do erro.

7.6.9 Sintonia

Os controladores possuem parâmetros ajustáveis que permitem alterar seu comportamento de modo a

obter o melhor desempenho para uma dada aplicação. O ganho do controlador, por exemplo, está

relacionado à agressividade do controlador: ganhos altos fazem com que o controlador atue com

mudanças rápidas na saída, enquanto ganhos baixos fazem com que a saída se altere pouco,

caracterizando um comportamento mais passivo do controlador. Um campo interessante da teoria de

controle, com muita aplicação prática, é a sintonia de controladores.

Page 115: manual instrumentacao

115

Hoje, dispomos de um conjunto de regras empíricas e matemáticas que permitem sistematizar a busca de

melhores desempenhos, sem comprometer a segurança do processo. As regras empíricas gerais podem ser

encontradas na literatura.Ziegler e Nichols foram os primeiros a sistematizar, com dois métodos

extremamente simples e facilmente aplicáveis na indústria.

Estes métodos devem ser encarados como uma forma sistemática de obter uma primeira aproximação (em

geral conservadora), a ser melhorada. O método de sintonia em malha fechada consiste em deixar o

sistema em controle proporcional, aumentando o ganho até obter uma oscilação de amplitude constante.

Este ganho é denominado ganho limite (Ku), já que ganhos maiores levariam à instabilidade.

O período de oscilação nesta situação é chamado de Pu. Ziegler e Nichols propuseram que a seguinte

tabela fosse utilizada para determinar os parâmetros de sintonia:

Kc tau (I) tau (D)

controlador P Ku/2

controlador PI Ku/2,2 Pu/1,2

controlador PID Ku/1,7 Pu/2 Pu/8

Hoje em dia existem diversas ferramentas de software que permitem obter os dados em tempo real (por

meio de um sistema de controle) durante transientes. A análise destes dados permite identificar o

comportamento do processo e propor parâmetros para a sintonia de controladores.

7.6.10 Variações de Controles

Os controladores estudados anteriormente se caracterizam por uma relação biunívoca entre uma variável

controlada e uma variável manipulada. Em diversas situações, é interessante utilizar formas distintas de

relacionar mais de uma variável controlada e/ ou mais de uma variável manipulada.Uma das formas mais

simples é a atuação do controlador em duas válvulas (split-range) distintas, cada válvula correspondendo

a uma faixa da saída do controlador. Neste caso, uma única variável controlada permite a manipulação de

duas outras variáveis. Observe que, neste exemplo, dependendo das faixas de atuação, somente uma

variável é manipulada de cada vez. Neste capítulo, estudaremos algumas estratégias de controle que

fazem uso de mais de duas variáveis em uma malha de controle fechada.

ControleRazão:

Uma situação muito comum em unidades de processo é a necessidade de manter uma relação entre

quantidades. Em unidades com escoamento contínuo, isto se traduz na necessidade de manter uma razão

entre vazões de correntes distintas. O controle da razão é fundamental em processos com reação química,

onde se deseja manter uma relação estequiométrica entre reagentes (relação ar/ combustível em uma

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116

fornalha, por exemplo), em processos de separação (refluxo em colunas de destilação) e de mistura

(blending).Geralmente, uma das vazões é determinada por outros sistemas da unidade ou fora dela. O

objetivo do sistema de controle, então, é manipular a outra vazão para que, mesmo que a primeira vazão

varie, a razão permaneça o mais constante possível.Uma forma de implementar o controle de razão

consiste em medir as duas vazões e calcular a razão entre elas. Este valor calculado passa a ser a PV para

um controlador de razão (FFC), que recebe um setvalue e manipula uma das vazões para que ela fique

proporcional à outra.

Esta implementação apresenta uma desvantagem: em determinadas situações (partida, emergências), pode

ser necessário controlar a vazão e não a razão. Um outro esquema, freqüentemente utilizado na prática, é

o de utilizar um controlador de vazão para a segunda corrente de processo que opere em três modos:

manual, automático e razão. Os modos manual e automático são os tradicionais; o modo automático

permite que o operador forneça um setvalue de vazão. O modo razão utiliza um elemento (FY) que

multiplica a vazão da primeira corrente por um setvalue de razão, determinando assim o setvalue do

controlador de vazão.

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117

ControleCascata Provavelmente, a estratégia de controle avançado mais aplicada na prática é o controle em cascata. O

controle em cascata utiliza pelo menos duas variáveis controladas para atuar sobre uma única variável

manipulada.O controle em cascata consiste de duas ou mais malhas de controle integradas. A malha

interna contém a válvula e o controlador chamado escravo. A malha externa abrange o outro controlador,

denominada controlador mestre, cuja saída fornece o setvalue para o controlador-escravo.

O controle em cascata é eficaz em situações onde existem perturbações a serem eliminadas. É o caso do

controle de temperatura pela injeção de vapor: caso fosse utilizado apenas um controlador de temperatura

atuando diretamente sobre a válvula de vapor, não haveria como compensar eventuais variações de

pressão na linha de vapor. O uso de um controlador de vazão escravo permite atuar de forma diferenciada

durante as variações de pressão.Em alguns casos, o controle em cascata tem um desempenho melhor do

que o controle simples por uma única variável. Exemplos em sala de aula.Um exemplo comparativo de

estratégias de controle tradicional e avançado pode ser encontrado na homepage de Paul Henry. Selecione

o item "Process control" e compare os esquemas de controle de nível de água em caldeiras com um, dois

ou três elementos.

Controle Seletivo

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118

Existem processos em que uma variável manipulada, que interfere sobre mais de uma variável de

processo, exige estratégias diferentes dependendo do estado do processo. A vazão de vapor para o fundo

de uma coluna de destilação, por exemplo, afeta a temperatura do fundo e, pela vaporização do líquido, o

nível do fundo da coluna. Em uma situação normal de operação, provavelmente se deseja que a vazão de

vapor seja utilizada para controlar a temperatura do fundo, mas se o nível estiver muito baixo, pode

passar a ser prioritário o controle do nível de fundo, para evitar a perda de sucção das bombas de descarga

e talvez o entupimento do refervedor.O controle seletivo opera por meio de elementos comparadores, que

selecionam o maior ou o menor entre dois ou mais sinais, enviando somente um deles à válvula de

controle ou ao,controlador-(escravo).

Controle Inferencial

Em alguns casos, a variável a ser controlada não pode ser medida de forma econômica. Uma abordagem é

o controle inferencial, em que a variável controlada não é medida diretamente e sim calculada a partir de

outras variáveis de processo que podem ser medidas mais facilmente.Um exemplo típico é o controle de

composição. Em misturas binárias em fase vapor, a composição pode ser determinada a partir da pressão

e da temperatura por meio de uma equação de estado.Outro exemplo extremamente comum é o controle

de vazão mássica, que pode ser feito a partir de medições da vazão volumétrica, da temperatura e (no caso

de gases) da pressão. Exemplos mais sofisticados incluem o cálculo do excesso de ar ou da carga térmica

de uma fornalha e a modelagem de propriedades físicas de produtos (índice de octanagem de gasolinas,

ponto de fluidez de plásticos, etc.).

Controle Feedforward

A implementação de estratégias de controle feedforward normalmente envolve o conhecimento de

modelos do processo que permitam determinar o melhor valor da variável manipulada a partir do valor

atual da(s) variável (is) monitorada(s).

A imprecisão do modelo é um aspecto de segurança importante que dificilmente permite a implementação

de estratégia feedforward "puras". Em geral, o valor calculado pelo controlador feedforward é enviado a

um controlador feedback, aumentando a robustez do sistema.

Controle Multivariável

O uso de modelos que representam o comportamento dinâmico do processo permite a implementação de

controladores que, por meio de simulação, podem calcular mais de um valor de saída, a partir de mais de

uma variável de processo. Controladores que apresentam diversas PVs e diversas saídas são denominados

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119

controladores multivariáveis.Um dos controladores multivariáveis mais utilizados é o DMC (dynamic

matrix control), ou suas variações. Este tipo de controlador é descrito no item 8.9 do livro texto, e não

será incluído nesta homepage devido à grande quantidade de equações.

Outras estratégias de controle avançado

Com a facilidade de implementação de algoritmos complexos em máquinas capazes de efetuar os cálculos

necessários em tempo hábeis diversas estratégias diferentes de controle avançado estão sendo utilizadas.

Um dos campos recentes que recebe muita atenção (especialmente de marketing) é a aplicação de redes

neurais e outras ferramentas derivadas do estudo de inteligência artificial (fuzzy logic, sistemas

especialistas baseados em regras). controle PID, sem grandes análises e rigorismos matemáticos, visando

introduzir a técnica aos iniciantes e aprimorar o conhecimento dos já iniciados, com a abordagem mais

prática e simplificados possíveis.

Noções preliminares:

Algumas definições de siglas e termos utilizados neste artigo:

PV: Process Variable ou variável de processo. Variável que é controlada no processo, como temperatura,

pressão, umidade, velocidade de motor, etc.

SV ou SP: Set-point. Valor desejado para a variável de processo.

MV: Variável Manipulada. Variável sobre a qual o controlador atua para controlar o processo, como

posição de uma válvula, tensão aplicada a uma resistência de aquecimento, etc.

Erro ou Desvio: Diferença entre SV e PV. SV-PV para ação reversa e PV-SV para ação direta.

Ação de controle: Pode ser reversa ou direta. Define genericamente a atuação aplicada à MV na

ocorrência de variações da PV.

Ação Reversa: Se PV aumenta, MV diminui. Tipicamente utilizada em controles de aquecimento.

Ação Direta: Se PV aumenta, MV aumenta. Tipicamente utilizada em controles de refrigeração.

A técnica de controle PID consiste em calcular um valor de atuação sobre o processo a partir das

informações do valor desejado e do valor atual da variável do processo. Este valor de atuação sobre o

Page 120: manual instrumentacao

120

processo é transformado em um sinal adequado ao atuador utilizado (válvula, motor, relé), e deve garantir

um controle estável e preciso.

De uma maneira bem simples, o PID é a composição de três ações quase intuitivas, conforme resume o

quadro a seguir:

P CORREÇÃO PROPORCIONAL AO ERRO

A correção a ser aplicada ao

processo deve crescer na proporção

que cresce o erro entre o valor real

e o desejado.

I CORREÇÃO PROPORCIONAL AO PRODUTO ERRO x

TEMPO

Erros pequenos, mas que existem

há muito tempo requer correção

mais intensa.

D CORREÇÃO PROPORCIONAL À TAXA DE

VARIAÇÃO DO ERRO

Se o erro está variando muito

rápido, esta taxa de variação deve

ser reduzida para evitar oscilações.

Equação básica do controlador PID

A equação mais usual do PID é apresentada a seguir:

Onde Kp, Ki e Kd são os ganhos das parcelas P, I e D, e definem a intensidade de cada ação.

Equipamentos PID de diferentes fabricantes implementam esta equação de diferentes maneiras. É usual a

adoção do conceito de “Banda Proporcional” em substituição a Kp, “Tempo derivativo” em substituição

a Kd e “Taxa Integral” ou “Reset” em substituição a Ki, ficando a equação da seguinte forma.

Page 121: manual instrumentacao

121

Aonde Pb, Ir e Td estão relacionados à Kp, Ki e Kd e serão individualmente abordados ao longo deste

texto.

Controle Proporcional

No controle Proporcional, o valor de MV é proporcional ao valor do desvio (SV-PV, para ação reversa de

controle), ou seja, para desvio zero (SV=PV), MV=0; à medida que o desvio cresce, MV aumenta até o

máximo de 100%. O valor de desvio que provoca MV=100% define a Banda Proporcional (Pb). Com Pb

alta, a saída MV só irá assumir um valor alto para corrigir o processo se o desvio for alto. Com Pb baixa,

a saída MV assume valores altos de correção para o processo mesmo para pequenos desvios. Em resumo,

quanto menor o valor de Pb, mais forte é a ação proporcional de controle. A figura a seguir ilustra o efeito

da variação de Pb no controle de um processo.

Figura 1 – Efeito da redução de PB no comportamento de PV

Em (1.A), com a banda proporcional grande, o processo estabiliza, porém muito abaixo do set-point. Com

a diminuição da banda proporcional (1. B), a estabilização ocorre mais próximo do set-point, mas uma

redução excessiva da banda proporcional (1. C) pode levar o processo à instabilidade (oscilação). O ajuste

da banda proporcional faz parte do processo chamado de Sintonia do controle.Quando a condição

desejada (PV=SV) é atingida, o termo proporcional resulta em MV=0, ou seja, nenhuma energia é

entregue ao processo, o que faz com que volte a surgir desvio. Por causa disto, um controle proporcional

puro nunca consegue estabilizar com PV=SV.Muitos controladores que operam apenas no modo

Proporcional adicionam um valor constante à saída de MV para garantir que na condição PV=SV alguma

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122

energia seja entregue ao sistema, tipicamente 50%. Este valor constante é denominado Bias (polarização),

e quando ajustável permite que se obtenha uma estabilização de PV mais próxima a SV.

Incluindo o controle Integral - PI

O integral não é, isoladamente, uma técnica de controle, pois não pode ser empregado separado de uma

ação proporcional. A ação integral consiste em uma resposta na saída do controlador (MV) que é

proporcional à amplitude e duração do desvio. A ação integral tem o efeito de eliminar o desvio

característico de um controle puramente proporcional.Para compreender melhor, imagine um processo

estabilizado com controle P, conforme apresentado na figura 2. A.

Figura 2 – Efeito da inclusão do controle Integral - PI

Em 2. A, PV e MV atingem uma condição de equilíbrio em que a quantidade de energia entregue ao

sistema (MV), é a necessária para manter PV no valor em que ela está. O processo irá permanecer estável

nesta condição se nenhuma perturbação ocorrer. Apesar de estável, o processo não atingiu o set-point

(SV), existindo o chamado Erro em Regime Permanente.Agora observe a figura 2.B, onde no instante

assinalado, foi incluída a ação integral. Observe a gradual elevação do valor de MV e a conseqüente

eliminação do erro em regime permanente. Com a inclusão da ação integral, o valor de MV é alterado

progressivamente no sentido de eliminar o erro de PV, até que PV e MV alcancem um novo equilíbrio,

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123

mas agora com PV=SV.A ação integral funciona da seguinte maneira: A intervalos regulares, a ação

integral corrige o valor de MV, somando a esta o valor do desvio SV-PV. Este intervalo de atuação se

chama Tempo Integral, que pode também ser expresso por seu inverso, chamado Taxa Integral (Ir). O

aumento da Taxa Integral – Ir – aumenta a atuação do Integral no controle do processo.A ação integral

tem como único objetivo eliminar o erro em regime permanente, e a adoção de um termo integral

excessivamente atuante podem levar o processo à instabilidade. A adoção de um integral pouco atuante

retarda em demasia a estabilização PV=SV.

Incluindo o controle derivativo - PD

O derivativo não é, isoladamente, uma técnica de controle, pois não pode ser empregado separado de uma

ação proporcional. A ação derivativa consiste em uma resposta na saída do controlador (MV) que é

proporcional à velocidade de variação do desvio. A ação derivativa tem o efeito de reduzir a velocidade

das variações de PV, evitando que se eleve ou reduza muito rapidamente.O derivativo só atua quando há

variação no erro. Se o processo está estável, seu efeito é nulo. Durante perturbações ou na partida do

processo, quando o erro está variando, o derivativo sempre atua no sentido de atenuar as variações, sendo,

portanto sua principal função melhorar o desempenho do processo durante os transitórios.

A figura 3 compara respostas hipotéticas de um processo com controle P (A) e PD (B):

Figura 3 – Comparação de um controle P com um controle PD

No controle P (figura 3. A), se a banda proporcional é pequena, é bem provável que ocorra ‘overshoot’,

onde PV ultrapassa SV antes de estabilizar. Isto ocorre pelo longo tempo em que MV esteve no seu valor

máximo e por ter sua redução iniciada já muito próxima de SV, quando já é tarde para impedir o

overshoot. Uma solução seria aumentar a banda proporcional, mas isto aumentaria o erro em regime

permanente. Outra solução é incluir o controle derivativo (figura 3. B), que reduz o valor de MV se PV

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124

está crescendo muito rápido. Ao antecipar a variação de PV, a ação derivativa reduz ou elimina o

overshoot e as oscilações no período transitório do processo.Matematicamente, a contribuição do

derivativo no controle é calculada da seguinte maneira: A intervalos regulares, o controlador calcula a

variação do desvio do processo, somando à MV o valor desta variação. Se PV está aumentando, o desvio

está reduzindo, resultando em uma variação negativa, que reduz o valor de MV e conseqüentemente

retarda a elevação de PV. A intensidade da ação derivativa é ajustada variando-se o intervalo de cálculo

da diferença, sendo este parâmetro chamado Tempo Derivativo – Td. O aumento do valor de Td aumenta

a ação derivativa, reduzindo a velocidade de variação de PV.

Controle PID··Ao unir as três técnicas consegue unir o controle básico do P com a eliminação do

erro do I e com a redução de oscilações do D, mas se cria a dificuldade de ajustar a intensidade da cada

um dos termos, processo chamado de sintonia do PID.

Sintonia do controle PID?

A bibliografia de controle apresenta diversas técnicas para sintonia, tanto operando o processo em manual

(malha aberta) quanto em automático (malha fechada). Foge ao objetivo deste artigo apresentar estas

técnicas. A grande maioria dos controladores PID industriais incorporam recursos de “Auto Tune”, em

que o controlador aplica um ensaio ao processo e obtém o conjunto de parâmetros do PID (Pb, Ir e Td).

Para a maior parte dos processos, este cálculo é adequado, mas em muitos casos, é necessária a correção

manual para atingir um desempenho de controle mais satisfatório (menos overshoot, estabilização mais

rápida, etc.).

Para efetuar manualmente esta correção, é fundamental a compreensão dos princípios de funcionamento

aqui expostos. A seguir são apresentadas diretrizes para otimização manual do desempenho de um

controlador PID.

Corrigindo manualmente o PID

Em muitos casos é necessário ajuste da sintonia após a conclusão do Auto Tune. Este ajuste é manual e

deve ser feito por tentativa e erro, aplicando uma alteração nos parâmetros PID e verificando o

desempenho do processo, até que o desempenho desejado seja obtido. Para isto é necessário

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125

conhecimento do efeito de cada parâmetro do PID sobre o desempenho do controle, além de experiência

em diferentes processos.

As definições de um bom desempenho de controle são também bastante variadas, e muitas vezes o

usuário espera de seu sistema uma resposta que ele não tem capacidade de atingir, independente do

controlador utilizado. É comum o operador reclamar que a temperatura do forno demora muita a subir,

mas o controlador está com MV sempre a 100%, ou seja, não tem mais o que fazer para acelerar.

Também às vezes o operador quer velocidade, mas não quer overshoot, o que muitas vezes é conflitante.

Na avaliação do desempenho do controlador, é importante analisar o comportamento da PV e MV, e

verificar se o controlador está atuando sobre MV nos momentos adequados. Coloque-se no lugar do

controlador e imagine o que você faria com a MV, e compare com a ação tomada pelo controlador. À

medida que se adquire experiência, este tipo de julgamento passa a ser bastante eficiente.

A tabela 1 a seguir resume o efeito de cada um dos parâmetros sobre o desempenho do processo:

Parâmetro Ao aumentar, o processo... Ao diminuir, o processo...

Pb

Torna-se mais lento.

Geralmente se torna mais estável ou

menos oscilante.

Tem menos overshoot

Torna-se mais rápido

Fica mais instável ou mais oscilante

Tem mais overshoot

Ir

Torna-se mais rápido, atingindo

rapidamente o set-point

Fica mais instável ou mais oscilante

Tem mais overshoot.

Torna-se mais lento, demorando em atingir o set-point

Fica mais estável ou mais oscilante.

Tem menos overshoot.

tD Torna-se mais lento.

Tem menos overshoot Tem mais overshoot

Tabela 1 – O efeito de cada parâmetro PID sobre o processo

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126

A tabela 2 a seguir apresenta sugestões de alteração nos parâmetros PID baseadas no comportamento do

processo, visando sua melhoria:

Se o desempenho do processo... Tente uma a uma as opções:

Está quase bom, mas o overshoot está um pouco alto.

Aumentar PB em 20%

Diminuir IR em 20%

Aumentar DT em 50%

Está quase bom, mas não tem overshoot e demora em

atingir o set-point.

Diminuir PB em 20%

Aumentar IR em 20%

Diminuir DT em 50%

Está bom, mas MV está sempre variando entre 0% e

100% ou está variando demais.

Diminuir DT em 50%

Aumentar PB em 20%

Está ruim. Após a partida, o transitório duro vário

períodos de oscilação, que reduz muito lentamente ou

não reduz.

Aumentar PB em 50%

Está ruim. Após a partida avança lentamente em direção

ao set-point, sem overshoot. Ainda está longe do set-

point e MV já é menor que 100%

Diminuir PB em 50%

Aumentar IR em 50%

Diminuir DT em 70%

Tabela 2 – Como melhorar o desempenho do processo

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127

8 CONTROLES DE CALDEIRAS

O objetivo aqui é explicar aspectos conceituais e práticos envolvidos nos controles de uma caldeira,o

controle das variáveis de processo tem aspectos tecnologicos e economicos envolvidos,tratando sobre o

aspecto economico temos o controle de combustão ,vamos aqui ver os aspectos principais do controle de

combustão.

8.1 ECONOMIA NA GERAÇÃO DE VAPOR

Podemos fazer uma analogia do consumo de combustivel de uma caldeira com o consumo de combustivel

de nosso carro (guardando as devidas proporções).Um carro com os pneus descalibrados se desloca de

uma cidade a outra , assim como uma caldeira com a atomização deficiente gera vapor . Em ambos os

casos os objetivos serão alcançados , porém com elevado consumo de combustível . Os custos da queima

de combustíveis industriais sempre foram muito dispendiosos e isto implica em elemento operacional

cuja variação de valor agrava a gestão econômica na planta industrial. Com o progresso tecnológico

exigindo sempre mais dos sistemas e equipamentos térmicos , surge a necessidade de uma regulagem

mais fina e adequada de um sistema de queima para se evitar perdas excessivas de calor e combustível .

8.2 OPERANDO UM SISTEMA DE QUEIMA

Para que possa operar economicamente um sistema de queima o operador deve ter alguns conhecimentos

básicos sobre o processo de combustão , suas causas e efeitos .Na queima de óleos pesados ou leves a

chama deve ser limpa , sem o aparecimento de fagulhas , de forma estável . E a fumaça na chaminé deve

ser teoricamente invisível . A cor da chama deve ser bem definida , podendo variar de laranja claro para

um amarelo reluzente brilhante .É fácil identificar o que acontece em uma caldeira quando os gases da

combustão são cinzentos e fuliginosos . Certamente uma parte do combustível não queima e isso traduz

perda de energia . Também é fácil obter considerável economia com a eliminação da fuligem através de

simples ajuste na atomização do óleo e no ar de combustão . Porém , uma vez transparentes , os gases não

oferecem referência visual alguma para a regulagem de combustão e , provavelmente ainda haja

economia a se obter .

Mesmo um operador experiente dificilmente conseguirá operar economicamente um sistema de queima

com a simples observação da chama . Por mais acurada que seja sua visão , não conseguirá , por exemplo

: distinguir excesso de ar entre 30% e 80 % .Assim sendo , não há maneira segura de se atuar sobre um

processo de combustão a não ser medindo e observando um conjunto de parâmetros que , direta ou

indiretamente , estejam a ela relacionados .

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128

8.2.1 Ar Estequiométrico (Oxigênio Teórico)

Quando o oxigênio fornecido ao processo é apenas o suficiente para queimar completamente os

elementos combustíveis , diz-se então que a reação é estequiométrica .Quando a quantidade de oxigênio é

maior , fala-se em excesso de oxigênio ; em caso contrário , fala-se em falta de oxigênio , situação na qual

não se pode realizar a combustão completa dos elementos constituintes do combustível .Como

usualmente o oxigênio é retirado do ar atmosférico fala-se em excesso de ar ou falta de ar .

8.2.2 Composição Aproximada do Ar Atmosférico

Nitrogênio = 79 % (Volume) = 77 % (Massa)

Oxigênio = 21 % (Volume) = 23 % (Massa)

(Densidade = 1,293 / Nm3)

8.2.3 Qual o Valor Ideal do Co2 na Queima ?

O Co2 ideal é aquele que assegura uma combustão completa com alguma margem de segurança . Para se

ter poucas perdas de calor , o CO2 deve ser o mais alto possível . Mas nem sempre isto é possível , pois

nem sempre o CO2 alto significa bom rendimento , portanto somente a medição de CO2 não estabelece

parâmetros de excesso de ar ideais para uma boa queima ,em instalações de queima a óleo recomenda-se

checar o CO2 com a medição de O2 e da fuligem ,ajuste o valor máximo de CO2 com o menor índice de

fuligem e o menor valor do oxigênio.

8.2.4 Interpretação das Medições de Co2

Um baixo teor de CO2 nos gases pode ter como causa prováveis os seguintes fatos:

1. Tiragem excessiva

2. Excesso de ar na queima

3. Entrada de ar falso na fornalha

4. Atomização

5. Mistura imperfeita entre ar

6. Combustível

8.3 TEMPERATURA DOS GASES NA BASE DA CHAMINÉ

Quanto maior for a temperatura dos gases maior será as perdas de calor sensível pela chaminé . Em

caldeiras flamotubulares a temperatura deve situar-se em torno de 200 a 250 °C , porém , isto nem sempre

é possível . Neste caso , procura-se recuperar esta forma de energia aquecendo-se a água de alimentação

de caldeiras , em média , para cada 6oC de aumento de temperatura na água de alimentação há uma

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129

economia de 1% no combustível queimado . Ou pré - aquecendo o ar de combustão (recuperadores) , em

média , para cada 22o C de aumento de temperatura do ar , obtém-se 1% de economia de combustível . A

temperatura de saída dos gases , para queima de óleos ,deve ser superior ao ponto de orvalho do enxofre

para não haver condensação excessiva e corrosão nas partes mais frias da caldeira .Inúmeras causas estão

ligadas a temperatura excessiva dos gases na base da chaminé . A principal delas é o excesso de ar na

queima .

8.4 FULIGEM NOS GASES

Entende-se por fuligem as partículas de carbono incombusto do óleo combustível, o método mais

empregado para se verificar a qualidade da mistura é utilizando uma bomba de amostragens SMOKE

TEST , este teste de fumaça baseia-se em detectar uma amostra gasosa e fazer sua comparação com uma

escala padrão ,A escala de comparação do índice de fuligem possui l0 manchas de opacidade ; indo do

branco (excesso de ar) ao negro (falta de ar) , as manchas correspondem ao nível de emissão destes

particulados pela chaminé ,Este método desenvolvido pela SHEL-BACHARACH nos EUA é

padronizados pelas normas ASTM e DIN para controle da combustão em queimadores a óleo leve ,

pesado ou carvões .

INTERPRETAÇÃO DA ESCALA DE COMPARAÇÃO DE FULIGEM

0 = Máximo (excesso de ar)

l = Excelente (deve ser mantido)

2 = Bom (pouca emissão de particulado)

3 = Regular (pouca fuligem , mas pode melhorar)

4 = Ruim (condição de máxima operação , já entra no campo visual )

5 = Insatisfatório (procure melhorar)

6 = Insatisfatório (pode cair na densidade 20 % da escala RIGELMANN )

7 = Insatisfatório (admite-se até 3 minutos para câmaras frias)

8 = Insatisfatório (desligue o queimador)

9 = Insatisfatório (desligue o queimador e recomece novamente)

A fuligem não deve ultrapassar ao número 4 da escala . Acima deste haverá um depósito excessivo sobre

as superfícies de troca , dificultando a transmissão de calor , além de aumentar a poluição do ar .

Page 130: manual instrumentacao

130

Um depósito de l/8 de espessura de fuligem sobre os tubos pode aumentar o consumo de combustível em

até 9 % .

8.4.1 Causas Prováveis da Fuligem Excessiva :

• Pulverização defeituosa

• Água no óleo

• Fagulhamento na chama

• Viscosidade inadequada do óleo

• Pressão inadequada do óleo / ar

• Obstrução de dutos e filtros de óleo

• Problemas no sistema de bombeamento de óleo

• Bico do queimador sujo , danificado ou carbonizado

8.5 CONTROLE DE COMBUSTÃO

É fácil verificar que , para se ter uma economia na geração de vapor todo o processo de combustão tem

que estar ajustado dentro dos parâmetros pré-estabelecidos . O que mantém as variáveis no setvalue

desejável são instrumentos interligados formando as malhas de controle .As malhas de controle de

combustão mantém a pressão do vapor , variando a vazão de combustível e de ar de combustão injetado

no queimador . Quanto maior a vazão de combustível e de ar de combustão maior a troca de calor , maior

a produção de vapor . Estas malhas também procuram manter a relação ar/combustível na faixa mais

estreita possível pois , conforme visto anteriormente o excesso de ar influencia grandemente no

Page 131: manual instrumentacao

131

rendimento da caldeira . O valor do excesso de ar a ser utilizado depende dentre outros fatores da malha

de controle de combustão utilizado .

8.5.1 Pressão de Vapor

O volume específico do vapor à pressão de 7,5 kg/cm2 é de 0,2317 m3/kg . Na pressão de projeto

10kg/cm2 o volume específico é de 0,1808 m3/kg . Concluindo : quanto menor a pressão no tubulão maior

o volume específico do vapor . Ou seja , uma menor quantidade de vapor ocupando o mesmo espaço do

tubulão .Quando há um consumo de vapor repentino não existe vapor suficiente para manter a pressão no

corpo da caldeira estável . Conseqüentemente a pressão do corpo cai . Neste caso , os operadores eram

obrigados a fechar as serpentinas dos tanques amenizando o efeito da perda de pressão , direcionando

todo o vapor para os trocadores de calor .

8.5.2 Atomização

A relação de 1,5 kg/cm2 no diferencial vapor/óleo é para se manter uma boa pulverização do óleo . Os

resultados de uma pulverização incompletos são partículas de óleo que não foram atomizadas e por isso

tem dificuldades de participar da combustão .

8.5.3 Temperatura do Óleo

Todo maçarico é projetado para trabalhar com uma determinada viscosidade , sair fora desta

especificação compromete a pulverização ,o fabricante fornece a viscosidade de trabalho e a temperatura

ideal é conseguida com a análise do óleo, com dois pontos de viscosidade a temperaturas diferentes

traça-se uma reta de referencia no gráfico ASTM VISCOSIDADE X TEMPERATURA CHARTS FOR

LIQUID PETROLEUM PRODUCTS .A temperatura ideal de queima obtem-se do encontro da

viscosidade com a reta de referencia .

8.5.4 Nível do Tubulão

O nível do tubulão não compromete diretamente a combustão , no entanto se o nível estiver muito acima

dos 50 % , tem-se problema de arraste de condensado junto com o vapor , diminuindo o título do vapor ,

noutras palavras : diminui o calor total do vapor . Para suprir a energia calorífica perdida , precisar-se-á

de mais ar , mais óleo para se produzir mais vapor .

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132

8.5.5 Excesso de Ar

O oxigênio usado na reação química é retirado do ar atmosférico , sendo que o nitrogênio não participa

da combustão , ou seja , quanto maior o volume de ar atmosférico introduzido na fornalha , maior

também será o volume de nitrogênio que será aquecido e este levará esta energia para fora através da

chaminé . Fato facilmente comprovado no indicador de temperatura localizado na chaminé da caldeira .

8.6 CONCLUSÃO

Novos ajustes na instrumentação precisam ser efetuados sempre em através de acompanhamento se faça

necessário , pois só assim conseguiremos melhorar a combustão e conseqüentemente economizar mais

combustível . É preciso possibilitar a malha de combustão trabalhar com menos excesso de ar e a malha

de nível controla-lo um pouco acima de 50 % .A busca por melhores resultados na relação custo/benefício

do gerador de vapor , deve continuar até se eliminar todos os desperdícios .

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133

9 CONTROLE DE DESCARGA DE FUNDO DE CALDEIRA

9.1 OBJETIVO:

À medida que a caldeira produz vapor, acumulam-se os sais minerais que penetram no seu interior com a

água de reposição. A concentração excessiva desses sais e conseqüente formação de incrustações nas

instalações a jusante da caldeira comprometem o funcionamento eficiente de todo o sistema.Em muitas

caldeiras, principalmente as de menor porte, é suficiente instalar uma válvula de descarga rápida (válvula

de fundo de caldeira) para se obter a extração de lodo e sais. Mas as caldeiras de maior porte requerem,

um dispositivo adicional para a dessalinização contínua e a automatização da válvula de descarga

periódica

9.2 VÁLVULA DE DESCARGA DE FUNDO

A extração periódica de lodo e a dessalinização contínua são

de importância vital para o funcionamento perfeito de caldeiras

de vapor.

A dessalinização contínua mantém a densidade da água na

caldeira dentro dos limites admissíveis. Já a extração periódica

do lodo, serve para conservar o fundo da caldeira livre do lodo,

microorganismos e outras impurezas que aí se acumulam. Na

maioria dos casos, é necessário adotar ambos os sistemas para

se obter, a otimização de rendimento e segurança das

instalações.

Mesmo quando a água de alimentação da caldeira for inteiramente abrandada e desmineralizada, é

recomendável instalar válvulas de descarga periódica e de dessalinização contínua, pois qualquer falha

nos equipamentos de tratamento da água ou em seus acessórios pode provocar a entrada de água não

tratada na caldeira. A continuidade dos processos de vaporização e reposição de água, acarreta o aumento

de concentração de impurezas na caldeira. Para evitar a conseqüente formação de incrustações nas suas

paredes, adicionam determinados produtos químicos a água que modificam a constituição de certas

impurezas, dando origem a partículas que se depositam no fundo da caldeira em forma de lodo. A mistura

desse lodo com o oxigênio e gás carbônicos exerce ação corrosiva, danificando as paredes dos tubos da

caldeira ou destruindo-os. O acúmulo progressivo das incrustações pode provocar tensões térmicas

capazes de fender as paredes da caldeira ou rachar os rebites, Se as camadas de lodo atingir os tubos, as

tensões térmicas ainda podem ser agravadas pela conseqüente retenção de calor, causando a destruição do

Page 134: manual instrumentacao

134

tubo.Para evitar estes problemas, cuja gravidade nem sempre é previsível, efetua-se a extração periódica

do lodo através de válvulas instaladas no fundo das caldeiras.

9.2.1 Requisitos Técnicos para uma Válvula de Descarga

Obtém-se melhor efeito na extração de lodo utilizando-se válvulas que abrem instantaneamente e liberam

a seção plena da passagem. Somente assim se consegue a aceleração brusca da descarga de água no fundo

da caldeira, necessária para arrastar consigo o lodo, assim como bolhas de gases e outros corpos

estranhos. A duração de descarga, normalmente não deve exceder a 3 segundos, para garantir por um

lado, o máximo efeito de arraste e, por outro lado, minimizar as perdas de água. Além disso, as válvulas

devem fechar automaticamente com a mesma instantaneidade da abertura, a fim de minimizar as perdas

de pressão e água, e garantir o funcionamento normal de toda instalação, independente de eventual falha

do operador.Outro fator importante, é à força de fechamento, que deve ser suficiente para fragmentar

corpos estranhos e mesmo as mais duras incrustações existentes no meio efluente. Isto significa que,

sejam quais forem as condições de serviços, a válvula deve sempre assegurar vedação estanque. Portanto,

a dureza e a resistência do material empregado no obturador e na sede, deve corresponder a essas

exigências.

Page 135: manual instrumentacao

135

9.2.2 Válvulas Comuns

São dotadas de haste roscada, não podem ser abertas e fechadas complemente em tão curto espaço de

tempo. Conforme o tipo, estas válvulas levam de 35 a 57 segundos para efetuar a drenagem. Portanto, a

perda de água e queda da pressão são inteiramente desproporcionais em relação à duração de apenas 3

segundos de abertura total. Além disso, a conseqüente ausência de aceleração do fluxo (efeito da ação

rápida) compromete o resultado desejado. A quantidade de lodo descarregado é insignificante. Além de

não fecharem automaticamente, a força de fechamento destas válvulas depende da própria força física do

operador.

9.3 VÁLVULAS ESPECIAIS

Válvula com mecanismo de ação rápida, abre instantaneamente a seção plena de passagem, conservando-

a livre durante o breve período de 3 segundos para a descarga e imprime ao fluxo a aceleração necessária

para arrastar a máxima quantidade de lodo, com perdas mínimas de água e pressão. Ver. Fig. Abaixo.

De adicionamento manual ou de pedal, são de manuseio simples, o que significa economia de tempo e

mão de obra. Além disso, são de fechamento automático com dispositivo que fornecem uma força de até

4000 Kgf, capaz de fragmentar incrustações e outros corpos estranhos, assegurando desta forma vedação

estanque nas condições mais difíceis. A figura a seguir, mostra um gráfico com acionamento rápido.

9.4 COMPARAÇÃO DA EFICIÊNCIA ENTRE AS VÁLVULAS ESPECIAIS E COMUNS

O mecanismo de ação rápida abre instantaneamente toda a passagem, conservando-a livre durante todo o

período de descarga do lodo, e imprime ao fluxo a aceleração necessária para arrastar a máxima

quantidade de lodo. As perdas de água e de pressão são mínimas.

Page 136: manual instrumentacao

136

Se abrirmos válvulas do tipo convencional apenas durante 3 segundos

para evitar as perdas acima descritas, elas não alcançam o seu curso

completo. Por isso, ocorrem apenas perdas de água e pressão. Não há

purga de lodo.

a- As válvulas comuns levam 35 a 57 segundos para efetuar a drenagem, e quase todo este tempo é

consumido para abrir e fechar a válvula. O desperdício de água e a queda de pressão, devido à

lentidão do processo de abertura e fechamento, são desproporcional em relação ao breve período de

abertura plena, apenas 3 segundos. Além disso, devido à ausência de aceleração brusca do fluxo, a

eliminação do lodo é demasiadamente restrita. (Vide fig. Abaixo):

9.4.1 Comparação de Custos

A diferença entre as válvulas de descarga rápida e

as válvulas de descarga comuns é notada

principalmente na economia que proporcionam.

Ao observarmos a figura a seguir, constatamos que

as áreas totais dos gráficos representam as

quantidades de água quente consumidas a cada

descarga das válvulas. Como as vazões nominais

são idênticas, todas as alturas são iguais.

Isso significa que para o tipo (1) teremos o mínimo

consumo possível, tomado como padrão.

Page 137: manual instrumentacao

137

Para o tipo (2), a quantidade é mais de 6 vezes para maior e para os tipos (3) e (4), 10 vezes maior.

Considerando que uma caldeira de médio porte (10 toneladas\hora de vapor), trabalhe a pressão de 10

Kg/cm2 e descarregue 4% de sua produção horária como condição necessária para manter os níveis lodo e

sais dentro do tolerável, e sabendo-se ainda que 1 tonelada de óleo combustível gera, aproximadamente,

13 toneladas de vapor saturado nesta pressão, teremos um consumo de aproximadamente 31 Kg de óleo,

apenas para suprir o consumo horário das descargas normais de uma válvula de descarga rápida.

Chegamos, então, à conclusão de que desperdiçaríamos mais de 155 Kg de óleo por hora se usássemos

uma válvula tipo (2) ou ainda 280 Kg se fosse uma do tipo (3) ou (4) .

Page 138: manual instrumentacao

138

10 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO

10.1 CONCEITO:

Sistema – Conjunto integrado de dispositivos que se completam no cumprimento das suas funções

Controle – Com vistas a manter o comportamento de um dado processo dentro do pré-estabelecido

Distribuído – Descentralização dos dados,do processamento e das decisões, isto agregado ao fato de

oferecer uma estação de operação de grande resolução, permitindo o interfaceamento com clps,

equipamentos inteligentes e sistemas de rede

10.2 ESTAÇÃO DE CONTROLE

A estação de Controle tem as seguintes características:

Tecnologia estado da arte;

Possibilidade de expansões futuras;

Robustez;

Redundância de processadores, fontes e de redes de comunicação;

Alta performance de processadores garantindo tempo de varredura máximo de 500 ms ara

controle;

Troca a quente de módulos;

Status dos componentes dos sistemas na estação de operação ou/e engenharia ;

Possibilidade de I/O remoto;

Cartões de interface com protocolos digitais de comunicação Hart e Fieldbus Foundation;

Possibilidade de diagnóstico dos instrumentos inteligentes à distância;

Módulos para comunicação RS232, RS422/485 e Ethernet;

Transferência de informações entre processadores.

10.3 CONSOLE DE OPERAÇÃO

A console de operação deve garantir que os operadores e engenheiros tenham acesso aos dados

necessários para o controle e monitoração do processo, de maneira fácil e intuitiva. Para tal deve-se

considerar as seguintes características:

Interface de operação baseada em microprocessadores PC, considerando-se processadores de

mercado;

Plataforma Windows;

Interface OPC (OLE for Process Control);

Base de dados única;

não necessidade de teclados especiais;

Page 139: manual instrumentacao

139

sistema de multi-window onde possam ser visualizadas várias telas simultaneamente;

tempo de atualização menor ou igual a 1 segundo;

fácil navegação entre telas;

arquivamento de dados em CD; fita dat ou computador remoto.

10.3.1 Alarmes

Quanto aos alarmes, a console deve possuir:

telas de alarmes de processo e de sistema, que possam ser ordenados por seqüência horária e por

prioridade;

alarme sonoro;

ferramenta para impressão dos alarmes;

ferramenta para impressão de telas gráficas;

alteração de cores dos símbolos gráficos em detrimento do tipo de alarme.

10.3.2 Telas

Quanto à visualização gráfica, as seguintes características são necessárias:

telas gráficas de alta resolução que permitam visualização do processo;

faceplates para monitoração e controle;

telas de trend que permitam a visualização dos dados históricos e em tempo real;

telas de sintonia com trend, para o ajuste dos parâmetros e alarmes dos instrumentos;

utilização dos mesmos padrões para todos os tipos de I/O, independentes se estes estão conectados

ponto a ponto ou via rede.

10.3.3 Segurança

Para minimizar erros de operação e prevenir operações não autorizadas, a console de operação possui

diversos níveis de acesso às suas funções. Desta maneira é possível através de senhas, criar vários

usuários e classificá-los quanto ao acesso à operação, configuração, sintonia e outras funções.

10.3.4 Relatórios

A console possuir ferramenta para configuração de relatórios. Estes relatórios serão configurados

utilizando-se ferramentas consolidadas como MS Excel. Os relatórios podem ser horários, diários,

mensais ou sob demanda.

Os seguintes dados devem estar disponíveis para utilização em relatórios:

dados instantâneos de processo tanto para instrumentos conectados ponto a ponto como via rede;

dados históricos de trend;

Page 140: manual instrumentacao

140

dados estatísticos tais como média; máximo e mínimo;

alarmes de processo

Estes relatórios devem ser impressos automaticamente e/ou sob demanda e devem ser arquivados em

disco rígido durante um determinado período.

10.3.5 Armazenamento de Dados

O armazenamento de dados históricos de processo será feito através de Fita Dat,. Os dados devem ser

salvos automaticamente e sob demanda. A visualização dos trend´s históricos contidos em mídia, deve ser

feita através da própria console de operação, sem que sejam necessários softwares adicionais para tal.

A console será responsável pela exportação de dados on-line para outros computadores via rede Ethernet.

Os dados que serão utilizados para relatórios de gestão deverão ser exportados para a rede coorporativa,

onde serão alocados em um computador específico para armazenagem deste banco de dados.

10.3.6 Estação de Engenharia

A interface de engenharia deve possuir ferramentas amigáveis que permitam a sua fácil utilização nas

fases de configuração, comissionamento e manutenção. As características gerais da estação de engenharia

estão listadas abaixo:

Interface de engenharia baseada em microprocessadores PC, considerando-se processadores de

mercado;

Monitor de 21 ““.

Plataforma Windows;

Base de dados única para configuração;

não necessidade de teclados especiais;

autodocumentação;

ferramentas de testes agregadas ao software de configuração;

configuração e monitoração do hardware;

configuração on-line;

bibliotecas de símbolos gráficos;

bibliotecas para reuso de estratégias de controle.

Quanto às ferramentas de configuração, estas devem ser totalmente integradas, garantido facilidade no

fluxo de informações entre malhas de controle, intertravamentos e sequenciamentos..

Para o projeto HDF de Botucatu, é importante ressaltar que estas ferramentas configuram também os

instrumentos que utilizam os protocolos Fieldbus Foundation e Hart.

Page 141: manual instrumentacao

141

11 REDES DE COMUNICAÇÃO

11.1 CONCEITOS BÁSICOS

A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes requer um estudo para

determinar o tipo de rede que melhor se adapta ao empreendimento. Deve ser dada prioridade a

arquiteturas de sistemas abertos que ao contrário de arquiteturas proprietárias, permitem uma gama maior

de produtos compatíveis. As redes industriais são padronizadas em 3 níveis de hierarquias, cada qual

responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos: Informação , Controle, Campo.

Abaixo alguns conceitos utilizados para redes

Concepção determinística: Identifica a capacidade da rede em garantir a disponibilidade de

informações entre seus integrantes em um tempo determinado, embora sendo característica intrínseca

das redes determinística, dependendo da aplicação algumas redes probabilísticas podem apresentar tal

concepção onde a probabilidade de disponibilizar informações em um tempo determinado seria

suficientemente elevada para traduzir-se em garantia

Tratamento de erro: caracteriza a capacidade da rede em identificar e tratar erros corridos no

intercambio de informações, visto que o erro é uma característica inerente ao processo de comunicação

associado a fatores de natureza diversa, a rede deve ser capaz de identificar e tratar adequadamente tal

ocorrência de forma a evitar que uma informação, partindo de uma origem e tendo sofrido distorção

durante o processo de comunicação, não seja interpretada no destino como correta.

Imunidade Elétrica: característica que confere à rede capacidade de isolação e susceptibilidade

eletromagnética compatíveis com o ambiente elétrico, em nossa planta tem dispositivos de controle de

velocidade, (Inversor de Freqüência) que devido ao seu chaveamento em alta freqüência geram

distúrbios elétricos.

Tempo de resposta: Identifica o tempo consumido pela rede para transferir informações, podemos

relacionar ele ao tempo de ciclo e não à velocidade da rede

Métodos de acesso : define como é gerido o uso da rede por seus integrantes, podemos ter acesso

livre, pergunta resposta ou compartilhado que è a característica de nossa rede na planta de energia.

Capacidade operacional ; os recursos disponíveis para a efetivação da comunicação de dados em

uma aplicação compõem a capacidade operacional da rede, alguns fatores definem esta característica

Quantidade de integrantes : Determina o numero de integrantes que podem ser interligados na rede

de comunicação de forma simultânea .

Área de cobertura : especifica a abrangência física da rede em termos de distancia máxima

Topologia : Define a adaptação geográfica da rede onde a mesma será implantada, a topologia

mais conhecida temos anel, barramento , estrela e arvore.

Page 142: manual instrumentacao

142

Protocolo de comunicação : Considerado o principal elemento tecnológico das redes de

comunicação, ao qual estão associadas todas as suas características operacionais, como:

a) procedimentos de acesso b) definição de dados c) seleção de dispositivos d) priorização e) status e etc

Funcionalidade : À funcionalidade estão relacionados fatores associados com a implantação e a

utilização da rede de comunicação

Instalação : A implantação da rede todos os seus dispositivos de maneira simples facilita a sua

colocação em operação

11.2 CLASSIFICAÇÃO DAS REDES DE COMUNICAÇÃO

O elemento conceitual fundamental para uma abordagem de seleção é a compreensão da classificação das

redes de comunicação industriais. O objetivo fundamental da comunicação de dados aplicada na industria

é a integração de informação entre os diversos elementos que compõem o sistema de automação.

A classificação pode ser mais bem analisada utilizando a pirâmide CIM – Computer Integrated

Manufacturing, podemos identificar os níveis e equipamento característico de um sistema de automação

completa:

Nível 0 :Caracterizada pelos dispositivos que interagem diretamente com o processo, tais como:

sensores e atuadores, onde encontramos baixo volume dos dados, porem com elevada dinâmica

Nível 1 :Onde está às unidades de controle com estruturas de dados mais completas e grandes

interação entre dispositivos

Nível 2 :Composto por equipamentos de supervisão, onde predominam maiores concentrações de

dados intercabiados em base eventual ou cíclica

Nível 3 :Formado por sistemas de gestão da produção com grandes quantidades de dados

transferidos em tempo não critico

Nível 4 :Caracterizado por sistemas corporativos com volume maciços de dados intercambiados

através de recursos de multimídia

11.3 REDE DE INFORMAÇÃO

Esta é a rede responsável pelo tráfego de informações entre as consoles de operação e engenharia. O

tráfego de dados entre o sistema de controle e a rede coorporativa também deve ser através desta mesma

rede, tomando-se as devidas precauções para não interferência da rede coorporativa no sistema de

controle.

Page 143: manual instrumentacao

143

O Padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP deve ser adotado como padrão para este tipo de

rede. Deve ser especificado cabo tipo 10/100 Base T e para trechos maiores que 100m ou entre prédios

deve ser utilizado fibra óptica.

As conexões entre os equipamentos da rede (consoles de operação, engenharia, impressoras) devem ser

via hubs ou switches, que facilitam na implantação de novos pontos na rede. O fornecedor do sistema de

controle deve ser responsável pela especificação desta rede garantida a performance de comunicação

entre os equipamentos.

11.4 REDE DE CONTROLE

A rede de controle é a responsável em trafegar os dados de controle em tempo real entre os

processadores, permitindo desta maneira que um processador acesse dados (I/O) de outro processador.

Esta rede é do tipo determinística para garantir confiabilidade e performance na transmissão dos dados de

controle. O meio físico desta rede é determinado pelo fornecedor do sistema. Para grandes distancias deve

ser utilizado fibra óptica.

Para o projeto de Utilidades será utilizada rede redundante de controle, com encaminhamento diferente de

cabos.

11.5 REDE DE CAMPO

Este é o nível mas baixo da hierarquia de controle de processos e conecta o I/O com os demais níveis. As

redes de campo são classificadas pelos tipos de equipamentos conectados a elas e pelo tipo de dados que

trafega pela rede. A tabela a seguir mostra estas características:

A crescente necessidade da industria pela integração de equipamentos e dispositivos em todos os níveis

do sistema de automação têm impulsionado o desenvolvimento de tecnologias de comunicação de dados,

especificamente desenvolvidas para atender das mais diversas aplicações industriais.

Atualmente, existe uma quantidade razoável de tecnologias de concepção aberta ou proprietária

disponível no mercado,podemos citar as principais como :

AS-i

Device Net

Foudation Field bus

Interbus

Lon Works

Modbus

Profibus

WordFip

Page 144: manual instrumentacao

144

ControlNet

Como podemos observar temos uma quantidade muito grande de redes industriais, estas tecnologias

existentes compõem um universo grande de opção, desta forma, para que possamos definir a nossa

escolha utilizamos critérios particulares de cada aplicação industrial, de forma a atender adequadamente a

todas as nossas necessidades.

O objetivo fundamental da comunicação de dados aplicada na industria é a integração de informação

entre os diversos elementos que compõem o sistema de automação. Desta forma para atender a integração

entre todos os níveis, bem como atender às necessidades características de cada um deles, podemos

destacar quatro classes de redes de comunicação de campo:

SensorBus : De característica determinística e tempo de resposta extremamente curta, é uma rede

que atende bem as aplicações com dispositivos discretos, sensores e atuadores por exemplo, quanto às

redes temos por exemplo:AS-i,Siriplex,etc.

DeviceBus : Com perfil determinísticos e alta performance orientada para distribuição dos

automatismos e seus periféricos com íntima relação com unidades centrais de processamento:Ex.

DeviceNet,Profibus-DP

FieldBus : possui estruturas de dados mais completa e alta performance aplicada na comunicação

entre unidades inteligentes, uma característica bem típica para processos continuos, como é nosso

caso:Ex. Foudation Fieldbus,Modbus,Profibus-PA

databus : possui capacidade de manipular grandes quantidades de informações em tempo não

critico destinada ao domínio da informática industrial:Ex.Ethernet,Tcp/Ip

Apesar de permitir uma separação das diversas tecnologias , a classificação das redes de comunicação

industrias existentes não é o suficiente para permitir uma seleção adequada por existir várias redes dentro

de uma mesma classificação. Na planta de energia iremos compartilhar dois protocolos de comunicação

de redes industriais, Foundation Fieldbus e Hart.

Na planta de energia iremos compartilhar dois protocolos de comunicação de redes industriais,sendo que

um protocolo é digital e outro analógico,são poucos pontos adotados com a tecnologia Hart, são pontos

considerados de alta criticidade,conforme podemos ver em nossa configuração abaixo,os instrumentos

são ligados ponto a ponto e não em rede como o Foundation Fieldbus, isto garantirá uma segurança com

um eventual rompimento da rede devido a um acidente, também os instrumentos Hart irão passar por um

trajeto também diferente.

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145

12 FOUNDATION FIELDBUS

O nosso objetivo aqui é difundirmos os conceitos básicos sobre Foundation Fieldbus,assim esperamos

esclarecermos duvidas e difundirmos esta tecnologia empregada em nossa planta de energia .

12.1 INTRODUÇÃO

Em 1985, a ISA – International Society for Measurement and Control, posteriormente unindo-se com o

IEC – International Eletrotechnical Committee, começava a desenvolver um padrão para comunicações

digitais bidirecionais multidrop entre dispositivos de campo (instrumentos) e sistemas de controle para o

controle de processo e manufatura. O objetivo desta normalização é gerar um único padrão internacional

para o fieldbus , os fabricantes e usuários finais da indústria de controle têm acompanhado a revolução

das comunicações digitais e como ela tem afetado a maioria das áreas do cotidiano - e reconhecem as

oportunidades, vantagens e economias que poderiam vir a ter se adotassem esta tecnologia em medidas de

processo e aplicações de controle. Como o processo de normalização do IEC levou muito tempo, um

grupo de fabricantes teve a iniciativa de unir-se e começar a usar as atuais especificações disponíveis do

padrão IEC, assumindo que seriam definidas as partes faltantes deste padrão num futuro próximo. Foi

constituída uma organização de todos os principais fabricantes ao redor do mundo chamado de Fieldbus

Foundation (FF),desta forma temos a origem do Foundation Fieldbus com o objetivo de construir uma

base de implementação e apoio ao IEC, para desenvolver os equipamentos conforme o mesmo padrão de

redes fieldbus. Desde a sua criação em 1994, vem usando os recursos das companhias associadas para

definir e testar o protocolo padrão, chamado Foundation Fieldbus, e habilitou disponibilidade de produto

em 1996.

O padrão Foundation Fieldbus viu-se obrigado a especificar partes que estavam faltando na especificação

da norma internacional, pois ela ainda não estava completa. E deste modo, utilizou um subgrupo das

especificações da norma internacional. No entanto, foi feito um acordo entre os dois grupos, da Fieldbus

Foundation e do IEC, para que o que fosse desenvolvido pela Fieldbus Foundation fosse acrescentado ao

IEC, com o compromisso de um grupo apoiar o outro.

12.2 O QUE É UMA REDE FIELDBUS ?

O Fieldbus é uma rede de transmissão de dados para comunicação com equipamentos de instrumentação

e controle de plantas industriais, tais como transmissores, atuadores e controladores, podendo, inclusive,

ser utilizado em aplicações que requeiram especificações quanto aos requisitos de segurança intrínseca.

Esta rede é do tipo digital, serial, half-duplex e multidrop. Ela é digital porque as informações são

transmitidas em forma de mensagens de acordo com as camadas de comunicação definidas pelo protocolo

Fieldbus; serial, porque as informações são transmitidas e recebidas bit a bit; half-duplex, porque a

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146

comunicação é bidirecional, porém, em uma única direção a cada instante e multidrop, porque é permitida

a comunicação entre vários equipamentos conectados à rede.

O fieldbus surgiu com o objetivo de interligar e operar os instrumentos de campo com características

diferentes e de diversos fabricantes. Usufruindo toda sua inteligência através de uma rede,

proporcionando a descentralização das tarefas. Esta interligação incorpora vantagens como: maior

imunidade a ruídos, pré-processamento em dados específicos, transmissão de informações adicionais dos

dados capacitando o diagnóstico do dispositivo e a previsão de falhas, redução dos custos de projeto, de

fiação, de instalação e de expansão, entre outras. A descentralização das tarefas, é muitas vezes vista

como uma possibilidade de espalhar entre vários dispositivos um determinado programa ou processo de

controle na busca de melhor uso de suas características. Para alcançar uma maior confiabilidade foi

prevista a capacidade de, em caso de pane do dispositivo, sua substituição imediata por outro

implementando o mesmo programa. Como os dispositivos podem ser diferentes e de diferentes

fabricantes, a padronização das funções a serem distribuídas nos mesmos foi necessária. Estas funções

são chamadas de Blocos Funcionais (FB-Function Blocks). A interligação desses blocos funcionais é que

define a estratégia de controle e programação do processo a ser controlado. Na configuração especifica-se

a escolha do FB e em que dispositivo será executado.

A versatilidade do fieldbus permite, em caso de pane em alguns deles, a reconfiguração automática on-

line, especificando em qual dispositivo o(s) FB(s) do dispositivo em pane será(ão) executado(s). Sem esta

padronização internacional a redundância de FB's (conseqüentemente a redundância de dispositivos) fica

limitada a só ser implementada em dispositivos iguais e dos mesmos fabricantes. A verdadeira

interoperabilidade e intercambialidade ficam inviáveis.

O Fieldbus é um protocolo interoperável suportado pela quase totalidade dos fabricantes mundiais de

instrumentação. Ao seu término deverá ter reconhecimento mundial, devido ao comprometimento destes

fabricantes em seguir um padrão único. A opção de baixa velocidade para Fieldbus é 25 vezes mais

rápida que os protocolos comuns para transmissores inteligentes, além de ser muito mais eficiente. Esta

versão do fieldbus foi projetada para usar o mesmo tipo de fiação dos transmissores analógicos e

inteligentes, para facilitar a substituição do sistema. O fieldbus é baseado no modelo OSI (Open System

Standards Organization) para representar as várias funções requeridas em uma rede de comunicação. O

fieldbus não é só mais um protocolo de comunicação digital. Ele foi concebido para a indústria de

controle de processos de modo a atender plenamente a todos os itens de uma lista longa e antiga de

desejos do usuário. Esta lista de desejos inclui itens tais como: - estar de acordo com o modelo ISO/OSI; -

uso de cabos de conexão de utilização industrial normal; - segurança intrínseca para atmosferas perigosas;

- variáveis identificadas por tags e expressas em unidades de engenharia; - variáveis com status, onde o

Page 147: manual instrumentacao

147

status indique as condições da variável; - blocos de função, com parâmetros de entrada e saída

padronizados, parâmetros de configuração padronizados e algoritmos padronizados.

12.3 APLICAÇÕES

Uma das primeiras instalações usando o FF que foi capaz de demonstrar a interoperabilidade de

dispositivos de vários fabricantes em uma mesma rede foi implementada em 3 de Junho de 1997 na

cidade de Daishowa no estado de Washington, onde a instalação era composta de 1 host, 6 transmissores,

6 entradas analógicas e 5 saídas analógicas; durante 18 meses foram realizadas diversas experiências,

analisando-se os benefícios, problemas com manutenção, treinamento, etc... Hoje, plantas muito maiores

podem ser citadas como exemplos de aplicações utilizando Fieldbus Foundation pode ser encontrados em

instalações como as da SFT - França, BASF - Bélgica, Estação Geradora de Mohave - USA, CFE –

México-Polo de Camaçari-Brasil.

12.4 CONFIGURAÇÕES

12.4.1 Níveis de Protocolo :

O protocolo FIELDBUS foi desenvolvido baseado no padrão ISO/OSI. Embora não contenha todos os

seus níveis, podemos em primeira análise dividi-lo em nível físico ("Physical Layer" – que trata das

técnicas de interligação dos instrumentos) e níveis de software ("Communication Stack" – que tratam da

comunicação digital entre os equipamentos).

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148

12.5 NÍVEIS DE SOFTWARE:

12.5.1 Nível de Enlace

O nível de enlace garante a integridade da mensagem através de dois bytes calculados através de um

polinômio aplicado a todos os bytes da mensagem e que é acrescentado no final da mesma. Este nível

controla também o acesso ao meio de transmissão, determinando quem pode transmitir e quando. O nível

de enlace garante que os dados cheguem corretamente ao equipamento. Características Técnicas : I - Acesso ao Meio Existem três formas para acessar a rede : a) Passagem de Token : O Token é o modo direto de iniciar uma transmissão no barramento. Quando

termina de enviar as mensagens, o equipamento retorna o Token para o LAS (Link Active Scheduler). O

LAS transmite o Token para o equipamento que requisitou via preconfiguração ou via escalonamento. b) Resposta Imediata : O mestre dará uma oportunidade para uma estação responder com uma mensagem. c) Requisição de Toem : Um equipamento requisita um Toem usando um código em alguma das respostas

que ele transmitiu para o barramento. O LAS recebe esta requisição e envia um Token para o

equipamento quando houver tempo disponível nas fases aperiódicas do escalonamento. II – Modelo Produtor/Consumidor Um equipamento pode produzir ou consumir variáveis que são

transmitidas através da rede usando o modelo de acesso à rede de resposta imediata. O produtor coloca as

variáveis em buffers e qualquer estação pode acessar estes dados. Com apenas uma transação, dados

podem ser transmitidos para todos os equipamentos que necessitam destes dados. Este modelo é o modo

mais eficiente para transferência de dados entre vários usuários. Um controlador consome a variável de

processo produzida pelo sensor e produz a saída consumida pelo atuador. III – Escalonamento para suportar aplicações de tempo crítico O LAS coordenará o tempo necessário para

cada transmissão na rede, garantindo o período de troca de dados. IV – Sincronização do tempo Existe um mecanismo para garantir uma referência de tempo da rede para

conseguir sincronização do barramento e atividades de processo. V – Endereçamento Pode ser usado para endereçar um grupo de estações, uma estação ou até uma

variável. Este endereçamento permite uma otimização do acesso às mensagens. VI – Passagem do Token num anel lógico Este método é usado pelo Profibus e pelo ISP para acessar a

rede. Ele pode ser simulado, mas não com a mesma eficiência, pelo uso da atual definição do nível de

enlace do SP50.

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149

12.5.2 Nível de Aplicação

O nível de aplicação fornece uma interface para o software aplicativo do equipamento. Basicamente este

nível define como ler, escrever ou disparar uma tarefa em uma estação remota. A principal tarefa é a

definição de uma sintaxe para as mensagens. Ele também define o modo pelo qual a mensagem deve ser

transmitida : ciclicamente, imediatamente, somente uma vez ou quando requisitado pelo consumidor. O

gerenciamento define como inicializar a rede : atribuição do Tag, atribuição do endereço, sincronização

do tempo, escalonamento das transações na rede ou conexão dos parâmetros de entrada e saída dos blocos

funcionais. Ele também controla a operação da rede com levantamento estatístico de detecção de falhas e

de adição de um novo elemento ou remoção de uma estação. O gerenciamento monitora continuamente o

barramento para identificar a adição de novas estações. 12.5.3 Nível do Usuário

Define o modo para acessar a informação dentro de equipamentos FIELDBUS e de que forma esta

informação pode ser distribuída para outros equipamentos no mesmo nó ou , eventualmente, em outros

nós da rede FIELDBUS. Este atributo é fundamental para aplicações em controle de processo. A base

para arquitetura de um equipamento FIELDBUS são os blocos funcionais, os quais executam as tarefas

necessárias às aplicações existentes hoje, tais como : aquisição de dados, controle PID, cálculos e

atuação. Todo bloco funcional contém um algoritmo, uma base de dados (entradas e saídas) e um nome

definido pelo usuário (o Tag do bloco deve ser único na planta do usuário). Um equipamento FIELDBUS

conterá um número definido de blocos funcionais. A base de dados pode ser acessada via comunicação.

12.5.4 Nível Físico

A Norma ANSI/ISA-S50.02-1992, aprovada em 17 de maio de 1994 – "Fieldbus Standard for Use in

Industrial Control Systems Part 2 : Physical Layer Specification and Service Definition" trata do meio

físico para a realização das interligações. Os principais itens são : transmissão de dados somente digital ;

self clocking ; comunicação bidirecional ; código Manchester ; modulação de voltagem (acoplamento

paralelo) ; velocidades de transmissão de 31.25 Kb/s, 1.0 Mb/s e 2.5 Mb/s ; barramento sem energia, não

intrinsecamente seguro ; barramento com energia, não intrinsecamente seguro ; barramento sem energia,

intrinsecamente seguro ; barramento com energia, intrinsecamente seguro. No nível de instrumentos

ligados aos barramentos de campos, a velocidade normalizada é 31.25 Kb/s. As outras velocidades

deverão ser utilizadas para a interligação de bridges e gateways para a conexão em alta velocidade destes

dispositivos.

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150

Na velocidade de 31.25 Kb/s, a norma determina, dentre outras coisas, as seguintes regras : a) Um instrumento FIELDBUS deve ser capaz de se comunicar entre os seguintes números de

equipamentos : _entre 2 e 32 equipamentos numa ligação sem segurança intrínseca e alimentação separada da fiação de

comunicação ; _entre 2 e 6 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação com segurança

intrínseca ; _entre 1 e 12 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação sem segurança

intrínseca. Obs. : Esta regra não impede a ligação de mais instrumentos do que o especificado. Estes números foram

alcançados levando-se em consideração o consumo de 9 mA +/- 1 mA, com tensão de alimentação de 20

VDC e barreiras de segurança intrínseca com 19 VDC de saída e entre 40 e 60 mA de corrente para os

instrumentos. b) Um barramento carregado com o número máximo de instrumentos na velocidade de 31.25 Kb/s não

deve Ter entre quaisquer dois equipamentos o comprimento maior que 1900 m (incluindo as derivações).

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151

Obs. : Esta regra não impede o uso de comprimentos maiores, desde que sejam respeitadas as

características elétricas dos equipamentos. c) O número máximo de repetidores para a regeneração da forma de onda entre dois instrumentos não

pode exceder a 4.

d) Um sistema FIELDBUS deve ser capaz de continuar operando enquanto um instrumento está sendo

conectado ou desconectado. e) As falhas de qualquer elemento de comunicação ou derivação (com exceção de exceção de curto-

circuito ou baixa impedância) não deverá prejudicar a comunicação por mais de 1 ms. f) Deve ser respeitada a polaridade em sistemas que utilizem pares trançados. Seus condutores devem ser

identificados e esta polarização deve ser mantida em todos os pontos de conexão. g) Para sistemas com meio físico redundante : _ cada canal deve atender as regras de configuração de redes ; _ não deve existir um segmento não redundante entre dois segmentos redundantes ; _ os repetidores também deverão ser redundantes ;

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152

_ os números dos canais deverão ser mantidos no FIELDBUS, isto é, os canais do FIELDBUS devem ter

os mesmos números dos canais físicos. h) os "shield" dos cabos não deverão ser utilizados como condutores de energia. Considerações e

Limitações Um importante aspecto na concepção de um projeto FIELDBUS é a determinação de como

serão instalados os equipamentos que farão parte da rede. Dessa forma devem ser consideradas as

distâncias máximas permitidas entre os equipamentos, ou seja, deve-se Ter em mãos a planta onde será

efetuado o projeto para a determinação dos melhores pontos para instalação dos equipamentos de forma a

otimizar ao máximo o comprimento do barramento (trunk) e das derivações (spurs). Além disso, outras

características também devem ser consideradas, tais como : número máximo de equipamentos ligados a

uma mesma rede (um fator limitante pode ser a fonte de alimentação, que deve alimentar todos os

transmissores caso o barramento seja energizado), a topologia utilizada na implementação dos

equipamentos e os elementos que constituirão a rede fieldbus conjuntamente com os equipamentos

(dispositivos que permitam facilidade e agilidade quando for solicitados algum tipo de manutenção com

um determinado equipamento, como por exemplo as caixas de campo). Outro ponto a ser analisado

refere-se à utilização de barreiras de segurança intrínseca e redundância dos equipamentos. Deve-se fazer

uma análise preliminar destas características no ambiente de instalação do sistema, visando a maior

otimização possível no que se refere às instalações dos equipamentos (número de equipamentos e

comprimento de cada barramento), caso se faça necessário à utilização destes recursos. 12.6 TOPOLOGIAS

As topologias mais comumente utilizadas em um sistema FIELDBUS são :

12.6.1 Topologia de barramento com Spurs

Nesta topologia utiliza-se um barramento único onde equipamentos ou barramentos secundários (spurs)

são conectados diretamente a ele. Pode-se ter ainda vários equipamentos diferentes em cada spur.

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153

12.6.2 Topologia Ponto a Ponto

Nesta topologia tem-se a ligação em série de todos os equipamentos utilizados na aplicação . O cabo

FIELDBUS é roteado de equipamento para equipamento neste segmento e é interconectado nos terminais

de cada equipamento FIELDBUS. As instalações que utilizam esta topologia devem usar conectores de

forma que a desconexão de um simples equipamento não interrompa a continuidade do segmento.

12.6.3 Topologia em Árvore

A topologia em árvore concentra em acopladores/caixas de campo a ligação de vários equipamentos.

Devido à sua distribuição, esta topologia é conhecida também como "Pé de Galinha".

Page 154: manual instrumentacao

154

12.6.4 Topologia End to End

Esta topologia é utilizada quando se conecta diretamente apenas dois equipamentos. Esta ligação pode

estar inteiramente no campo (um transmissor e uma válvula sem nenhum outro equipamento conectado)

ou pode ligar um equipamento de campo (um transmissor) ao Device Host.

12.6.5 Topologia Mista

Nesta configuração encontra-se as três topologias mais comumente utilizadas entre si. Deve-se observar

no entanto, o comprimento máximo do segmento que deve incluir o comprimento dos spurs no

comprimento total.

Tempo de Supervisão Um importante aspecto quando se trabalha com sistemas FIELDBUS é o tempo

gasto para que todos os devices na linha possam publicar parâmetros úteis na supervisão de um processo.

Este tempo deve ser minimizado tanto quanto possível, pois pode-se comprometer o tempo de atualização

dos links entre os blocos funcionais que operam na malha de controle. A atualização dos links é feita a

Page 155: manual instrumentacao

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cada Macro Cycle (MC) e este tempo pode variar dependendo do tipo de instrumento e seus parâmetros

para publicação. Num projeto deve-se verificar o tempo do MC para comparar com o tempo crítico do

processo e verificar se o MC definido não compromete a dinâmica do processo.