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INSTRUMENTISTA DESISTEMAS
INSTRUMENTAÇÃO BÁSICA
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INSTRUMENTISTA DE SISTEMAS
INSTRUMENTAÇÄO BÁSICA
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TEIXEIRA, Paulo Roberto FradeACOSTA, Simone M. (adaptação e revisão)
FARIA, Rubens Alexandre de (adaptação e revisão)Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, 2006.
232 p.:il.
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ÍNDICE
1 Apresentação............................................................................................................................8 1.1 Histórico ....................................................................................................................................8 1.2 Classes de instrumentos...........................................................................................................9 1.3 Terminologia ...........................................................................................................................12 1.4 Identificação e símbolos de instrumentos ..............................................................................14 1.4.1 Identificação funcional ............................................................................................................14 1.4.2 Identificação da malha............................................................................................................15 1.4.3 Símbolos.................................................................................................................................19 1.5 Principais sistemas de medida ...............................................................................................22 1.5.1 Sistema métrico decimal.........................................................................................................23 1.5.2 Sistema físico ou cegesimal ...................................................................................................23 1.5.3 Sistema industrial francês.......................................................................................................23 1.5.4 Sistema prático ou gravitatório ............................................................................................... 24 1.5.5 Sistemas ingleses...................................................................................................................24
1.5.5.1 Sistema absoluto ....................................................................................................................24 1.5.5.2 Sistema prático .......................................................................................................................25 1.6 Telemetria...............................................................................................................................25 1.6.1 Transmissores.........................................................................................................................25 1.6.1.1 Transmissão pneumática........................................................................................................25 1.6.1.2 Transmissão eletrônica...........................................................................................................26 2 Pressão...................................................................................................................................28 2.1 Medição de pressão ...............................................................................................................28 2.2 Pressão atmosférica ...............................................................................................................28 2.3 Pressão manométrica ou relativa ...........................................................................................29 2.3.1 Pressão relativa negativa ou vácuo........................................................................................30 2.4 Pressão absoluta ....................................................................................................................31 2.5 Pressão diferencial .................................................................................................................32
2.6 Pressão estática .....................................................................................................................32 2.7 Pressão dinâmica ...................................................................................................................33 2.8 Unidades de pressão..............................................................................................................34 2.9 Dispositivos para medição de pressão...................................................................................34 2.9.1 Tubo de Bourdon ....................................................................................................................34 2.9.2 Membrana ou diafragma.........................................................................................................36 2.9.3 Fole .........................................................................................................................................36 2.9.4 Coluna de líquido....................................................................................................................37 2.9.5 Sensor tipo Piezoelétrico ........................................................................................................38 2.9.6 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo ...........................................................................39 2.9.7 Sensor tipo capacitivo.............................................................................................................42 2.9.8 Sensor tipo silício ressonante.................................................................................................44 3 Nível........................................................................................................................................48
3.1 Métodos de medição de nível de líquido................................................................................48 3.1.1 Medição de nível direta...........................................................................................................48 3.1.1.1 Régua ou gabarito ..................................................................................................................48 3.1.1.2 Visores de nível ......................................................................................................................49 3.1.1.3 Bóia ou flutuador.....................................................................................................................55 3.1.2 Medição de nível indireta........................................................................................................56 3.1.2.1 Medição de nível por pressão................................................................................................. 56 3.1.2.2 Medição de nível por pressão diferencial em tanques fechados e pressurizados................. 58 3.1.2.3 Medição de nível com Borbulhador ........................................................................................61 3.1.2.4 Medição de nível por empuxo.................................................................................................62 3.1.2.5 Medição de nível de interface.................................................................................................65 3.1.2.6 Medição de nível com raios gama..........................................................................................66
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3.1.2.7 Medição de nível capacitivo....................................................................................................68 3.1.2.8 Medidor de nível por ultra som ...............................................................................................69 3.1.2.9 Medição de nível por radar.....................................................................................................70 3.1.3 Medição descontínua de nível................................................................................................71 3.1.3.1 Medição de nível com eletrodos.............................................................................................71 3.1.3.2 Medição de nível com bóias ...................................................................................................72
3.1.3.3 Medição de nível com sensor capacitivo................................................................................73 3.1.3.4 Medição de nível com chave vibratória ..................................................................................73 3.2 Métodos de medição de nível de sólidos ...............................................................................74 3.2.1 Medição de nível eletromecânica ...........................................................................................74 3.2.2 Medição de nível com célula de carga ...................................................................................74 4 Vazão......................................................................................................................................77 4.1 Medição de vazão...................................................................................................................77 4.2 Tipos de medidores de vazão.................................................................................................78 4.2.1 Medidores de quantidade .......................................................................................................78 4.2.1.1 Medidores de quantidade por pesagem .................................................................................78 4.2.1.2 Medidores de quantidade volumétrica....................................................................................79 4.2.2 Medidores volumétricos..........................................................................................................79 4.2.2.1 Medição de vazão por pressão diferencial.............................................................................80
4.2.2.2 Medidores de vazão por pressão diferencial constante (área variável) .................................97 4.2.3 Medidores de vazão em canais abertos...............................................................................100 4.2.3.1 Vertedor ................................................................................................................................101 4.2.3.2 Calha Parshall.......................................................................................................................101 4.2.4 Medidores especiais de vazão..............................................................................................102 4.2.4.1 Medidor eletromagnético de vazão.......................................................................................102 4.2.4.2 Medidor tipo turbina ..............................................................................................................113 4.2.4.3 Medidor tipo vórtex ...............................................................................................................115 4.2.4.4 Medidores ultra-sônicos........................................................................................................118 4.2.4.5 Medidor por Efeito Coriolis....................................................................................................122 5 Tubulação de impulso e sistemas de selagem.....................................................................128 5.1 Tubulação de impulso...........................................................................................................128 5.1.1 Instalação..............................................................................................................................128
5.1.2 Constituição da tubulação de impulso..................................................................................130 5.2 Sistemas de selagem............................................................................................................132 5.2.1 Selo líquido ...........................................................................................................................132 5.2.2 Selo de ar..............................................................................................................................134 5.2.3 Selo volumétrico ...................................................................................................................134 5.2.4 Manômetro petroquímico......................................................................................................135 5.2.5 Selo sanitário ........................................................................................................................136 5.3 Purga.....................................................................................................................................137 5.3.1 Purga com gás......................................................................................................................137 5.3.2 Purga com líquido.................................................................................................................138 5.4 Sangria..................................................................................................................................139 6 Temperatura..........................................................................................................................140 6.1 Conceitos básicos.................................................................................................................140
6.1.1 Temperatura e calor..............................................................................................................140 6.1.2 Escalas de temperatura........................................................................................................141 6.1.2.1 Escalas..................................................................................................................................142 6.1.2.2 Conversão de escalas ..........................................................................................................143 6.1.2.3 Escala internacional de temperatura ....................................................................................144 6.1.2.4 Normas..................................................................................................................................145 6.2 Medidores de temperatura por dilatação/expansão.............................................................145 6.2.1 Termômetro a dilatação de líquido .......................................................................................145 6.2.1.1 Características......................................................................................................................145 6.2.1.2 Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro...............................................146 6.2.1.3 Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico................................................ 147
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6.2.2 Termômetros à pressão de gás............................................................................................151 6.2.2.1 Princípio de funcionamento ..................................................................................................151 6.2.2.2 Características......................................................................................................................152 6.2.3 Termômetro à pressão de vapor...........................................................................................153 6.2.3.1 Principio de funcionamento...................................................................................................153 6.2.4 Termômetros à dilatação de sólidos (termômetros bimetálicos).......................................... 154
6.2.4.1 Princípio de funcionamento ..................................................................................................154 6.2.4.2 Características de construção ..............................................................................................154 6.3 Medição de temperatura com termopar ...............................................................................156 6.3.1 Efeitos termoelétricos ...........................................................................................................157 6.3.1.1 Efeito termoelétrico de Seebeck...........................................................................................157 6.3.1.2 Efeito termoelétrico de Peltier...............................................................................................158 6.3.1.3 Efeito termoelétrico de Thomson..........................................................................................159 6.3.1.4 Efeito termoelétrico de Volta.................................................................................................159 6.3.2 Leis termoelétricas................................................................................................................159 6.3.2.1 Lei do circuito homogêneo....................................................................................................159 6.3.2.2 Lei dos metais intermediários ...............................................................................................160 6.3.2.3 Lei das temperaturas intermediárias ....................................................................................161 6.3.3 Correlação da f.e.m. em função da temperatura..................................................................161
6.3.4 Tipos e características dos termopares................................................................................162 6.3.4.1 Termopares básicos .............................................................................................................162 6.3.4.2 Termopares nobres...............................................................................................................164 6.3.4.3 Termopares epeciais ............................................................................................................165 6.3.5 Correção da junta de referência ...........................................................................................166 6.3.6 Fios de compensação e extensão........................................................................................168 6.3.7 Erros de ligação....................................................................................................................168 6.3.7.1 Usando fios de cobre............................................................................................................168 6.3.7.2 Inversão simples...................................................................................................................170 6.3.7.3 Inversão dupla ......................................................................................................................170 6.3.8 Termopar de isolação mineral ..............................................................................................171 6.3.9 Associação de termopares...................................................................................................174 6.3.9.1 Associação série...................................................................................................................174
6.3.9.2 Associação série–oposta......................................................................................................174 6.3.9.3 Associação em paralelo........................................................................................................175 6.4 Medição de temperatura por termoresistência.....................................................................175 6.4.1 Princípio de funcionamento ..................................................................................................175 6.4.2 Construção física do sensor .................................................................................................176 6.4.3 Características da termoresistência de platina.....................................................................178 6.4.4 Vantagens e desvantagens ..................................................................................................178 6.4.5 Princípio de medição ............................................................................................................179 6.4.5.1 Ligação a dois fios................................................................................................................179 6.4.5.2 Ligação a três fios.................................................................................................................180 6.5 Medição de temperatura por radiação .................................................................................181 6.5.1 Radiação eletromagnética....................................................................................................182 6.5.1.1 Hipóteses de Maxwell...........................................................................................................182
6.5.1.2 Ondas eletromagnéticas.......................................................................................................182 6.5.1.3 Espectro eletromagnético .....................................................................................................183 6.5.2 Teoria da medição de radiação............................................................................................183 6.5.3 Pirômetros ópticos ................................................................................................................188 6.5.4 Radiômetro ou pirômetros de radiação ................................................................................189 7 Elementos finais de controle.................................................................................................192 7.1 Válvulas de controle..............................................................................................................193 7.1.1 Partes principais de uma válvula de controle.......................................................................194 7.1.2 Atuador..................................................................................................................................194 7.1.2.1 Atuador pneumático tipo mola diafragma............................................................................. 194 7.1.2.2 Atuador pneumático tipo pistão ............................................................................................195
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7.1.2.3 Atuador pneumático de dupla ação ......................................................................................196 7.1.2.4 Atuador elétrico.....................................................................................................................197 7.1.2.5 Atuador hidráulico.................................................................................................................198 7.1.3 Corpo ....................................................................................................................................198 7.2 Válvulas de deslocamento linear da haste ...........................................................................199 7.2.1 Válvulas globo.......................................................................................................................199
7.2.1.1 Válvulas globo sede simples.................................................................................................200 7.2.1.2 Válvula globo sede dupla......................................................................................................203 7.2.2 Válvula globo tipo gaiola.......................................................................................................204 7.2.2.1 Válvula globo tipo gaiola sede simples não balanceada......................................................205 7.2.2.2 Válvula globo tipo gaiola sede simples balanceada .............................................................205 7.2.3 Válvula de controle tipo diafragma ou Saunders.................................................................. 206 7.2.4 Válvula de controle tipo guilhotina........................................................................................207 7.2.5 Válvula de controle 3 vias.....................................................................................................208 7.3 Válvulas de deslocamento rotativo da haste ........................................................................208 7.3.1 Válvula de controle tipo borboleta ........................................................................................208 7.3.2 Válvula de controle esfera ....................................................................................................210 7.3.3 Válvula de controle tipo obturador rotativo excêntrico..........................................................212 7.4 Internos das válvulas ............................................................................................................213
7.4.1 Obturador..............................................................................................................................213 7.4.1.1 Tipos de obturadores............................................................................................................213 7.4.1.2 Obturadores torneados.........................................................................................................214 7.4.1.3 Obturadores com entalhes em “V”........................................................................................214 7.4.1.4 Obturadores simples estriados ou perfilados .......................................................................215 7.4.1.5 Obturadores de abertura rápida............................................................................................215 7.4.1.6 Obturadores com disco ou O-Ring .......................................................................................216 7.4.2 Obturadores tipo gaiola.........................................................................................................217 7.4.3 Anel de sede .........................................................................................................................218 7.4.4 Classes de vazamentos........................................................................................................219 7.5 Castelo..................................................................................................................................219 7.5.1 Castelo normal......................................................................................................................220 7.5.2 Castelo aletado.....................................................................................................................220
7.5.3 Castelo alongado..................................................................................................................221 7.5.4 Castelo com fole ...................................................................................................................221 7.6 Caixa de gaxetas ..................................................................................................................222 7.7 Gaxetas.................................................................................................................................222 7.7.1 Teflon (TFE)..........................................................................................................................223 7.7.2 Amianto impregnado.............................................................................................................223 7.8 Características de vazão ......................................................................................................224 7.8.1 Introdução.............................................................................................................................224 7.8.2 Característica de vazão ........................................................................................................224 7.8.3 Características de vazão inerentes ......................................................................................225 7.8.4 Característica de vazão instalada das válvulas de controle................................................. 226 7.8.5 Alcance de faixa da válvula ..................................................................................................227 7.9 Coeficiente de vazão (CV)....................................................................................................227
7.10 Posicionadores .....................................................................................................................228 7.10.1 Posicionador inteligente........................................................................................................230
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CAPÍTULO I
1 Apresentação1.1 Histórico
Os processos industriais exigem sistemas de controle na fabricação de seus produtos. Estes
processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos como, por exemplo, a fabricação
dos derivados do petróleo, os produtos alimentícios, a indústria de papel e celulose, entre outros.
Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas
variáveis, tais como, pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade etc.
Os instrumentos de medição e controle são os elementos que permitem manter controladas as
variáveis do processo com os objetivos de melhorar a qualidade do produto, aumentar em quantidade
produzida, manter a segurança e melhorar do meio ambiente.
No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através do controle manual
destas variáveis utilizando somente instrumentos simples, como manômetros, termômetros e válvulas
manuais, e isto era suficiente porque os processos eram simples.
Com o passar do tempo, os processos foram se sofisticando e exigindo a automação cada vez
maior dos instrumentos de medição e controle. Os operadores foram liberados de sua atuação física
direta no processo e, ao mesmo tempo, ocorreu um movimento de centralização do monitoramentodas variáveis em uma única sala.
Devido à centralização das variáveis do processo, podemos fabricar produtos que seriam
impossíveis através do controle manual. Para atingir os níveis que estamos hoje, os sistemas de
controle sofreram grandes transformações tecnológicas passando do controle manual, para o controle
mecânico e hidráulico, o controle pneumático, o controle elétrico, o controle eletrônico e, atualmente,
o controle digital.
Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e processos
descontínuos. Em ambos, devem-se manter as variáveis próximas aos valores desejados. O sistema
de controle que permite fazer isto compara o valor de uma variável qualquer do processo com um
valor desejado para ela naquele momento e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio
encontrado, sem a intervenção do operador.
Para fazer esta comparação e, conseqüentemente, a correção, é necessário que o sistema de
controle possua uma unidade de medição, uma unidade de controle e um elemento final de controle
no processo.
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Este conjunto de unidades forma uma malha de controle. A malha de controle pode ser aberta
ou fechada. Na Figura 1.1 temos uma malha de controle fechada e na Figura 1.2, uma malha de
controle aberta.
Elemento finalde controle
Unidade demedição
Processo
Unidade decontrole
Figura 1.1 - Malha de controle fechada
Processo
Unidade deIndicação
Unidade de
medida
Figura 1.2 - Malha de controle aberta
1.2 Classes de instrumentos
Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo
com a função que o mesmo desempenha no processo.
a) Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual
podemos ler o valor da variável, Figura 1.3. Existem também indicadores digitais que indicam a
variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas.
Figura 1.3 – Instrumento indicador analógicoFonte: Wika do Brasil
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b) Registrador: Instrumento que registra a(s) variável(is) através de um traço contínuo ou
pontos em um gráfico, Figura 1.4. Um instrumento registrador pode, também, apresentar uma
indicação.
Figura 1.4 – Instrumento registrador
Fonte: Westronics
c) Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um
elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas
em função da variável do processo. O elemento primário pode ou não estar acoplado ao transmissor.
A Figura 1.5 apresenta um transmissor.
Figura 1.5 – TransmissorFonte: Smar
d) Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades
físicas, modifica, caso necessário, essas informações e fornece um sinal de saída resultante.
Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro
dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinal de entrada e saída
padronizado. A Figura 1.6 apresenta um conversor de corrente para pressão.
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Figura 1.6 – Conversor I/PFonte: ABB Sensycon
e) Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e
fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre
valores determinados. A variável pode ser medida, diretamente pelo controlador ou indiretamente
através do sinal de um transmissor ou transdutor. A Figura 1.7 apresenta um controlador.
Figura 1.7 – ControladorFonte: Yokogawa
f) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável
manipulada de uma malha de controle, Figura 1.8.
Figura 1.8 – Válvula de controleFonte: Smar
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Além destas denominações, os instrumentos podem ser classificados em instrumentos de
painel, de campo, à prova de explosão, poeira, líquido, etc. Combinações dessas classificações são
efetuadas formando instrumentos conforme necessidade.
1.3 TerminologiaOs instrumentos de controle empregados na indústria de processos possuem sua própria
terminologia. Os termos utilizados definem as características próprias de medida e controle dos
diversos instrumentos utilizados: indicadores, registradores, controladores, transmissores e válvulas
de controle.
A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes, os usuários e os organismos que
intervêm, diretamente ou indiretamente, no campo da instrumentação industrial. Os termos a seguir
estão de acordo com o Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia
(VIM).
a) Faixa de medida (Range) - Conjunto de valores da variável medida que estão
compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do
instrumento. Se expressa determinando os valores extremos.
Exemplos: Range entre 100 e 500oC Range entre 0 e 20 PSI
b) Amplitude da faixa nominal (Span) - É a diferença, em módulo, entre o valor superior e
inferior de uma faixa de medida (range). Em algumas áreas, a diferença entre o maior e o menor valor
é denominada “faixa”.
Exemplos:
Para uma faixa nominal de -10V a +10V a amplitude da faixa nominal é 20V.
Um instrumento com range de 100 - 5000C seu Span é de 400oC.
c) Erro (de medição) – É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em
relação ao valor real da variável medida.
Se tivermos o processo em regime permanente chamaremos de erro estático, que poderá ser
positivo ou negativo dependente da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a maisou menos.
Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo teremos um atraso na
transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em
relação ao valor real da variável. Esta diferença, entre o valor real e o valor medido, é chamado de
erro dinâmico.
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d) Repetitividade - Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um
mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição.
Estas condições são denominadas condições de repetitividade e incluem: mesmo
procedimento de medição; mesmo observador; mesmo instrumento de medição, utilizado nas
mesmas condições; mesmo local; repetição em curto período de tempo.
e) Exatidão de medição - Podemos definir como sendo a aptidão de um instrumento de
medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.
O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão. A exatidão pode ser descrita de três
maneiras:
Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.)
Percentual do Span (% do Span)
Percentual do Valor Lido (% do V.L.)
Exemplo: Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250oC e valor medido 100oC
determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições:
Exatidão de 1% do Fundo de Escala
Valor real = 100oC ± (0,01 x 250) = 100 oC ± 2,5 oC
Exatidão de 1% do Span
Valor real = 100oC ± (0,01 x 200) = 100 oC ± 2,0 oC
Exatidão 1% do Valor Lido (Instantâneo)
Valor real = 100o
C ± (0,01 x 100) = 100o
C ± 1,0o
C
f) Rangeabilidade (Largura de Faixa) - É a relação entre os valores máximos e os valores
mínimos, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento.
Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por minuto), com
exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, significa que a exatidão será respeitada entre 30 e
300 GPM.
g) Zona Morta - Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos, sem
produzir variação na resposta de um instrumento de medição.
A zona morta pode depender da taxa de variação. A zona morta, algumas vezes, pode ser
deliberadamente ampliada, de modo a prevenir variações na resposta para pequenas variações no
estímulo.
Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 200ºC e com zona morta de 0,1% representa ±
0,2ºC.
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h) Sensibilidade - Variação da resposta de um instrumento de medição dividida pela
correspondente variação do estímulo. A sensibilidade pode depender do valor do estímulo.
Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 500ºC e com uma sensibilidade de 0,05%
representa ± 0,25ºC.
1.4 Identificação e símbolos de instrumentos
As normas de instrumentação estabelecem símbolos, gráficos e codificação para identificação
alfanumérica de instrumentos ou funções programadas que deverão ser utilizadas nos diagramas e
malhas de controle de projetos de instrumentação.
O Tagname ou Tag é um código alfanumérico cuja finalidade é a de identificar equipamentos
ou instrumentos, dentro de uma planta de processos. O Tagname também é a identificação física de
um instrumento ou equipamento. Por meio deste, podemos localizar onde o instrumento/equipamento
está instalado, se há painel, se instalado no campo ou numa sala de controle etc.
De acordo com a norma ISA-S5 e a Norma 8190 da ABNT, cada instrumento ou função
programada será identificada por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto
de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence.
Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo.
1.4.1 Identificação funcional
A identificação funcional do instrumento ou seu equivalente funcional consiste de letras da
Tabela 1.1. A identificação funcional do instrumento é feita de acordo com sua função e não com a
sua construção.
A primeira letra é a variável do processo medida ou de inicialização. A primeira letra pode ter
um modificador opcional.
As letras subseqüentes identificam as funções do instrumento, podendo ser:
• Funções passivas - elemento primário, orifício de restrição, poço;
• Funções de informação - indicador, registrador, visor,
• Funções ativas ou de saída - controlador, transmissor, chave e outros;
• Funções modificadoras - alarmes ou indicação de instrumento multifunção.As letras subseqüentes podem, também, fazer o papel de letras modificadoras, pois modificam
o nome original do instrumento. As letras subseqüentes usadas como modificadoras podem atuar ou
complementar o significado da letra precedente. A letra modificadora modifica a primeira letra ou uma
das subseqüentes.
A seqüência de formação da identificação intencional de um instrumento é a seguinte:
A primeira letra deve sempre indicar a variável medida. Veja a coluna "Variável medida ou
inicial" na Tabela 1.1. Se a primeira letra possuir sua função modificada, veja a coluna "Modificador".
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As letras subseqüentes (segundo grupo de letras) indicam as funções do instrumento na
seguinte ordem:
• Letras que designam funções passivas ou de informação, veja a coluna "Função de
informação ou passiva" na Tabela 1.1.
• Letras que designam funções ativas ou saídas, veja a coluna "Função de Saída".• Letras que modificam a função do instrumento ou que funcionam como complemento
de explicação de função, veja a coluna "Modificador" dentro do segundo grupo de
letras.
Se houver letras modificadoras, estas devem ser colocadas imediatamente após a letra que
modificam. Todas as letras da identificação funcional devem ser maiúsculas.
1.4.2 Identificação da malha
A identificação da malha geralmente é feita por um número, colocado ao final da identificação
funcional do instrumento associado a uma variável de processo.
A numeração pode ser serial ou paralela. Numeração paralela começa de 0 para cada nova
variável, por exemplo, TIC-100, FIC-100, LIC-100 e AI-100. Numeração serial usa uma única
seqüência de números para um projeto ou seção grande de um projeto, de modo que se tem TIC-100,
FIC-101, LIC-102 e AI-103. A numeração pode começar de 1 ou qualquer outro número conveniente,
como 101, 1001, 1201.
Quando a malha tem mais de um instrumento com a mesma função deve-se usar apêndice ou
sufixo ao número. Por exemplo, se a mesma malha de vazão tem um extrator de raiz quadrada e umtransdutor corrente para pneumático, o primeiro pode ser FY-101-A e o segundo FY-101-B.
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Tabela 1.1 - Letras de identificação
Primeiro Grupo de Letras Segundo Grupo de Letras (Letras Subseqüentes)
Variável medida ouinicial
ModificadorFunção de
informação oupassiva
Função desaída (final)
Modificador
A Analisador AlarmeB
Chama dequeimador (burner)
Escolha Escolha Escolha
C Condutividadeelétrica Controlador
D Densidade Diferencial
E Tensão (voltage) Elemento sensor(elemento primário)
F Vazão (flow)Fração ou
relação
G EscolhaVisor ou indicador
local (glass)
H
Comando manual
(hand) Alto (high)I Corrente elétrica Indicador
J PotênciaVarredura
(scan)
K Tempo Tempo demudançaEstação de
controle
L Nível (level) Lâmpada piloto Baixo (low)
M Umidade (moisture) Momentâneo Médio ouintermediário
N Escolha Escolha Escolha Escolha
O Escolha Orifício ou restrição
PPressão, vácuo Ponto de teste
Q Quantidade Integrador outotalizador
R Radiação(radioatividade) Registrador
SVelocidade ou
freqüência (speed)Segurança Chave (switch)
T Temperatura Transmissor
U Multivariável Multifunção Multifunção Multifunção
VVibração, análise
mecânica Válvula, damper
WPeso, força
(weight)Poço (well)
X Não classificadoVariável a definir Eixo X Não classificado Não classificado Não classificado
Y Evento, estado oupresença Eixo YRelé, conversor,
solenóide
Z Posição oudimensãoEixo Z
Elemento finalde controle não
classificado
Observação: Segundo a NBR 8190 no Primeiro Grupo de Letras a Variável Medida ou Inicial:
G – representa medida dimensional
V – representa viscosidade
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Notas para a Tabela 1.1
a) Uma letra de escolha do usuário tem o objetivo de cobrir significado não listado que é
necessário em uma determinada aplicação. Se usada, a letra pode ter um significado como de
primeira letra ou de letras subseqüentes. O significado precisa ser definido uma única vez em uma
legenda. Por exemplo, a letra N pode ser definida como módulo de elasticidade como uma primeiraletra ou como osciloscópio como letra subseqüentes.
b) Qualquer primeira letra combinada com as letras modificadoras D (diferencial), F (relação),
M (momentâneo), K (tempo de alteração) e Q (integração ou totalização) representa uma variável
nova e separada e a combinação é tratada como uma entidade de primeira letra. Assim, os
instrumentos TDI e TI indicam duas variáveis diferentes: diferença de temperatura e temperatura. As
letras modificadoras são usadas quando aplicável.
c) A letra A (análise) cobre todas as análises não descritas como uma escolha do usuário. O
tipo de análise deve ser especificado fora do circulo de identificação. Análise é variável de processo e
não função de instrumento, como muitos pensam principalmente por causa do uso inadequado do
termo analisador.
d) O termo segurança se aplica a elementos primários e finais de proteção de emergência.
Assim, uma válvula auto atuada que evita a operação de um sistema de fluido atingir valores
elevados, aliviando o fluido do sistema tem um tag PCV (válvula controladora de pressão). Porém, o
tag desta válvula deve ser PSV (válvula de segurança de pressão) se ela protege o sistema contra
condições de emergência, ou seja, condições que são perigosas para o pessoal ou o equipamento e
que são raras de aparecer. A designação PSV se aplica a todas as válvulas de proteção contra
condições de alta pressão de emergência, independente de sua construção, modo de operação, localde montagem, categoria de segurança, válvula de alívio ou de segurança.
e) A função passiva G se aplica a instrumentos ou equipamentos que fornecem uma indicação
não calibrada, como visor de vidro ou monitor de televisão. Costuma-se aplicar TG para termômetro e
PG para manômetro, o que não é previsto por esta norma.
f) As funções associadas com o uso de letras subseqüentes Y devem ser definidas do lado de
fora do circulo de identificação. Por exemplo, FY pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de
vazão; TY pode ser o conversor corrente para pneumático em uma malha de controle de temperatura.
Quando a função é evidente como para uma válvula solenóide ou um conversor corrente para
pneumático ou pneumático para corrente a definição pode não ser obrigatória.g) Os termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário correspondem aos valores da
variável medida e não aos valores do sinal. Por exemplo, um alarme de nível alto proveniente de um
transmissor de nível com ação inversa deve ser LAH, mesmo que fisicamente o alarme seja atuado
quando o sinal atinge um valor mínimo crítico.
h) Os termos Alto e Baixo quando aplicados a posições de válvulas e outras dispositivos de
abrir e fechar são assim definidos: alto significa que a válvula está totalmente aberta e baixo significa
que a válvula está totalmente fechada.
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i) O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar permanentemente a
informação que permita a sua recuperação por qualquer modo.
j) A primeira letra V, vibração ou análise mecânica, destina-se a executar as tarefas em
monitoração de máquinas que a letra A executa em uma análise mais geral. Exceto para vibração, é
esperado que a variável de interesse seja definida fora das letras de tag.
Exemplos de formação da identificação funcional de instrumentos
P RC 001 02 A
Variável Função Área da Atividade No Seqüencial da Malha
Identificação Funcional Identificação da MalhaSufixo
Identificação do Instrumento
Onde:
P - Variável medida - PressãoR - Função passiva ou de informação - RegistradorC - Função ativa ou de saída - Controlador001 - Área de atividade, onde o instrumento atua02 - Número seqüencial da malhaA - Sufixo
PI = Indicador de pressão: “P" é a variável medida (Pressão), e “I“ é a função de informação ou
passiva. Neste caso pode-se ter vários tipos de instrumentos, desde um manômetro mecânico à
instrumentos eletrônicos sofisticados.
PIC = Indicador Controlador de Pressão: Neste caso a função final é o controle de uma malha,
portanto, a letra "C" da coluna “função final". A letra "I” é somente uma função passiva mencionando
que o instrumento também esta indicando de alguma forma a variável "P" pressão.
LAH = Alarme de Nível Alto: Neste exemplo a letra "A" define a função de informação,
indicando que o instrumento está sendo utilizado para um alarme. A letra modificadora "H“
complementa esta informação indicando o parâmetro do alarme, no caso nível alto.
HV = Válvula de controle manual: A letra “V“ indica a função final e a letra “H“ indica a variável
inicial.
LCV = Válvula de controle de nível auto-operada: Neste exemplo a letra “C" pode estar
indicando que a válvula é auto-operada.
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LV = Válvula de nível: Geralmente esta notação determina que se trata de uma válvula de
controle proporcional.
A Figura 1.9 apresenta exemplos de identificação de instrumentos.
Figura 1.9 – Exemplos de identificação de instrumentos
1.4.3 Símbolos
A simbologia correta da instrumentação deve conter os seguintes parâmetros:
Identificação das linhas de interligação dos instrumentos, por exemplo, eletrônica física,
eletrônica por configuração, pneumática.
Determinação do local de instalação dos instrumentos, acessível ou não acessível ao operador
de processo.
Filosofia da instrumentação, quanto ao instrumento ser dedicado a cada malha ou
compartilhado por um conjunto de malhas de processo.
Identificação (tag) do instrumento, envolvendo a variável do processo, a função do instrumento
e o numero da malha do processo.
Outras informações adicionais.
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As linhas de interligações entre os instrumentos devem ser mais finas que as linhas de
processo e são simbolizadas como mostrado na Tabela 1.2.
Tabela 1.2 – Símbolos de linhas para instrumentos
Observações da Tabela 1.2:
1- Esta linha representa a conexão do processo, elo mecânico ou alimentação do
instrumento.
Sugerimos as seguintes abreviaturas para denotar os tipos de alimentação. Essas designações
podem ser também aplicadas para suprimento de fluidos.
AS - suprimento de ar
HS - suprimento hidráulico
Opções:
IA - ar do instrumentoNS - suprimento de nitrogênio
PA - ar da planta
SS - suprimento de vapor
ES - alimentação elétrica
WS - suprimento de água
GS - alimentação de gás
SINAL BINÁRIOPNEUMÁTICO
LIGAÇÃO PORSOFTWARE
SINALELETROMAGNÉTICO OU
SÔNICO GUIADO OBS: 3
SINAL ELÉTRICO
SINAL BIN RIOELÉTRICO
LIGAÇÃO MECÂNICA
SINAL HIDRÁULICO
SUPRIMENTO OUIMPULSO OBS:1
SINAL PNEMÁTICOOBS: 2
TUBO CAPILAR
SINAL NÃO DEFINIDO
SINALELETROMAGNÉTICO OU
SÔNICO NÃO GUIADO
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2- O símbolo do sinal pneumático aplica-se para um sinal usando qualquer gás como veículo.
Se o gás não for o ar, deve ser identificado qual o gás usando através de uma nota nos símbolos ou
em outro local apropriado.
3- Fenômeno eletromagnético inclui calor, ondas de rádio, radiação nuclear e luz.
O instrumento completo é simbolizado por um pequeno balão circular, conforme Tabela 1.3.
Porém, os avanços nos sistemas de controle com instrumentação aplicando microprocessadores e
computadores digitais, que permitem funções compartilhadas em um único instrumento e que utilizam
ligações por programação ou por elo de comunicação, fizeram surgir outros símbolos de instrumentos
e de interligações.
A padronização ISA considera que, quando da elaboração de um diagrama de controle, a
identificação do instrumento será escrita dentro do símbolo geral e que, em casos específicos, a sua
função será detalhada pelo acréscimo de um símbolo de processamento de sinais ao seu símbolo
geral. A Tabela 1.4 apresenta os principais símbolos e funções de processamento de sinais.
Tabela 1.3- Representação dos instrumentos
Localizaçãoprincipal
normalmenteacessível ooperador
Montado nocampo
Localizaçãoauxiliar
normalmenteacessível ao
operador
Localizaçãoauxiliar
normalmentenão acessívelao operador
Instrumentos
discretos
Instrumentoscompartilhados
Computador deprocesso
Controlador
programável
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Tabela 1.4 - Símbolos e funções de processamento de sinais
1.5 Principais sistemas de medida
Os sistemas podem ser classificados quanto à natureza de suas unidades fundamentais,
quanto ao valor dessas unidades e também quanto às relações escolhidas na determinação dos
derivados.
- Quanto à Natureza: Dois são os sistemas principais: L.M.T. e L.F.T.
a) L.M.T. - Tem como grandezas fundamentais:
comprimento = L
massa = M
tempo = T
b) L.F.T. - Tem como grandezas fundamentais:
comprimento = Lforça = F
tempo = T
- Quanto ao Valor Atribuído: As unidades fundamentais temos:
a) Tipo L.M.T.
1o) Físico ou Cegesimal (C.G.S.) : centímetro, grama, segundo.
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2o) Industrial Francês (M.T.S.) : metro, tonelada, segundo.
3o) Métrico Decimal (M.K.S.) : metro, quilograma, segundo.
4o) Absoluto Inglês (Ft, Pd, S): pé, libra, segundo.
b) Tipo L.F.T.1o) Prático, Terrestre ou Gravitatório (M. kgf.s.): metro, quilograma força, segundo.
2o) Prático Inglês (Ft, Pd, sec.): pé, libra-força, segundo.
Quanto às Relações: Se forem escolhidas na derivação, pode haver, às vezes, liberdade de
escolha. Citaremos como exemplo, a unidade de volume.
1.5.1 Sistema métrico decimal
Criado oficialmente no ano de 1.795, passou a ser obrigatório na França, a partir de 1.840. No
Brasil, foi oficializado a partir de 1.862. Tem como unidades fundamentais o metro, o quilograma e o
segundo (M.K.S.).
Metro: Inicialmente foi definido como distância correspondente à décima milionésima parte de
um quarto do meridiano terrestre. Atualmente é definido em função do padrão depositado no Gabinete
Internacional de Pesos e Medidas, em Sèvres, França.
Quilograma: Inicialmente, foi definido como a massa de um decímetro cúbico de água
destilada, considerada a 15oC. Hoje, é definido em função do padrão, também em Sèvres, adotado
como quilograma - padrão.Segundo: Fração de tempo correspondente a 1/86.400 o dia solar médio.
1.5.2 Sistema físico ou cegesimal
Criado pelo 1o Congresso Internacional de Eletricistas, reunido em Paris, em 1.881, que
aprovou proposta de Lord Kelvin. Tem como unidades fundamentais o centímetro, o grama e o
segundo (C.G.S.).
Centímetro: Centésima parte do metro - padrão.
Grama: Milionésima parte da massa do quilograma - padrão.Segundo: Tem a mesma definição citada anteriormente.
1.5.3 Sistema industrial francês
Tem como unidades fundamentais o metro, a tonelada e o segundo (M.T.S.), definidas em
função do sistema métrico decimal.
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1.5.4 Sistema prático ou gravitatório
Sancionado em 1.901 pela 3a Conferência Geral de Pesos e Medidas, surgiu pelo
desvirtuamento do sistema decimal, em conseqüência da confusão entre peso e massa. A unidade de
massa do sistema decimal, definida em função da massa do decímetro cúbico de água, passou a serconsiderada como peso do decímetro cúbico de água.
Como sabemos, o peso é uma força que varia de um lugar para outro, em função da
gravidade. As derivadas do sistema decimal foram, no entanto, estabelecidas em função do
quilograma-peso e não do quilograma-massa, como deveria ser. As verdadeiras derivadas do sistema
decimal nunca foram usadas e as definidas em função do quilograma-peso tornaram-se de uso
universal. Em 1901, fixou-se então, o valor do quilograma-peso e ficou oficializado o sistema. Suas
unidades fundamentais são: o metro, o quilograma-força e o segundo (m.kgf.s.).
OBS.: O quilograma-força é o peso do quilograma-padrão na latitude de 45 graus ou força que,
atuando sobre a massa do quilograma-padrão, imprime-lhe a aceleração de 9,80665 metros por
segundo, em cada segundo. O metro e o segundo são do sistema decimal.
1.5.5 Sistemas ingleses
Enquanto as diversas nações foram sucessivamente oficializando o sistema decimal, as
nações de língua inglesa o tornaram legal conservando, apenas, o sistema tradicionalmente em uso.
Devemos considerar na Inglaterra o sistema absoluto e o prático.
1.5.5.1 Sistema absoluto
Tem como unidades fundamentais: o pé (foot), a libra (Pound) e o segundo (second).
a) Foot: Um terço da distância entre os eixos de dois traços paralelos gravados
transversalmente numa barra de bronze, reconhecida como a Imperial Standard Yard (Jarda Padrão)
e depositada no Board of Trade, em Londres. A medida deve ser efetuada a temperatura de 62 oF.
Divide-se em 12 polegadas (inches) e equivale a 0,3048 metros.
b) Pound: Massa de um cilindro de platina iridiada reconhecida como a Imperial StandardPound (libra-padrão) e depositada na Board of Trade, em Londres. Divide-se em 16 onças e equivale
a 453,592 gramas.
c) Second: É a mesma fração de tempo dos outros sistemas.
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1.5.5.2 Sistema prático
Surgiu da mesma confusão entre peso e massa que originou a deturpação do sistema métrico-
decimal. É o sistema realmente usado e a libra-peso assim se define:
a) Pound Force: É o peso Imperial Standard Pound na latitude de 45o ou é a força queatuando sobre a massa da Imperial Standard Pound lhe imprime a aceleração de 32,174 m/s2.
1.6 Telemetria
Chamamos de Telemetria à técnica de transportar medições obtidas no processo à distância,
em função de um instrumento transmissor. A transmissão à distância dos valores medidos está tão
intimamente relacionada com os processos contínuos, que a necessidade e as vantagens da
aplicação da telemetria e do processamento contínuo se entrelaçam.
Um dos fatores que se destacam na utilização da telemetria é a possibilidade de centralizar
instrumentos e controles de um determinado processo em painéis de controle ou sala de controle.
Teremos, a partir daqui, inúmeras vantagens, as quais não são difíceis de imaginar:
Os instrumentos agrupados podem ser consultados mais facilmente e rapidamente,
possibilitando à operação uma visão conjunta do desempenho da unidade.
Podemos reduzir o número de operadores com simultâneo aumento da eficiência do trabalho.
Cresce consideravelmente a utilidade e a eficiência dos instrumentos face às possibilidades de
pronta consulta, manutenção e inspeção, em situação mais acessível, mais protegida e mais
confortável.
1.6.1 Transmissores
Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a transmitem, à
distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combinação destas.
Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos.
1.6.1.1 Transmissão pneumática
Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável e linear, de 3 a
15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 à 100% da variável.
Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association),
Associação de Fabricantes de Instrumentos, e adotada pela maioria dos fabricantes de transmissores
e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas
de sinais de transmissão como, por exemplo: de 20 a 100 kPa.
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Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de 0,2 a 1 kgf/cm2 que
equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi.
O alcance do sinal no sistema métrico é aproximadamente 5% menor que o sinal de 3 a 15 psi,
sendo este um dos motivos pelos quais devemos calibrar todos os instrumentos de uma malha
(transmissor, controlador, elemento final de controle etc.) utilizando uma mesma norma.Note, também, que o valor mínimo do sinal pneumático não é zero, e sim 3 psi ou 0,2 kgf/cm2.
Deste modo, conseguimos calibrar o instrumento, comprovar sua correta calibração e detectar
vazamentos de ar nas linhas de transmissão.
Também, podemos ver que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura com
range de 0 a 200oC e o mesmo tivesse com o bulbo à 0oC e com um sinal de saída de 1 psi, o mesmo
estaria descalibrado. Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta
comparação rapidamente e, para que pudéssemos detectá-lo, seria necessário esperar um aumento
de temperatura para a obtenção de um sinal de saída, o que seria incorreto.
1.6.1.2 Transmissão eletrônica
Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V em
painéis, sendo estes os mais utilizados. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre
diferentes fabricantes devido a estes instrumentos estarem preparados para uma fácil mudança do
seu sinal de saída.
A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi de um sinal
pneumático.
O “zero vivo” utilizado quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também
de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios), que provocará a queda do sinal, quando o
mesmo estiver em seu valor mínimo.
O transmissor a 2 fios é um tipo de transmissor utilizado quando o mesmo cabo, com dois
condutores e normalmente uma malha de terra, serve para alimentar o instrumento com 24 Vdc e
também para transmitir o sinal de corrente de 4 a 20 mA. A Figura 1.10 mostra um exemplo de
transmissor a 2 fios.
24 Vdc
Figura 1.10 – Transmissor a 2 fios
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O transmissor a 4 fios é um tipo de transmissor utilizado quando o transmissor é alimentado
com 110 Vac ou 220 Vac. Portanto, precisa de um cabo de alimentação e um cabo de sinal de
corrente de 4 a 20 mA, independentes. A Figura 1.11 mostra um exemplo de transmissor a 4 fios.
Alimentação 110 Vac
Saída digital
Saída 4 – 20 mA
Figura 1.11 – Transmissor a 4 fios
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CAPÍTULO II
2 Pressão
2.1 Medição de pressão
A Medida de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível
etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio.
Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área.
P = F / A onde: P = Pressão
F = Força
A = Área
A Figura 2.1 apresenta um exemplo de medição de pressão com o manômetro.
Figura 2.1- Exemplo de medição de pressão com o manômetro
2.2 Pressão atmosférica
É a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície terrestre, que é medida em um
barômetro, Figura 2.2. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg. Quanto mais
alto o local, menor a pressão atmosférica.
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Figura 2.2– Representação do significado de pressão atmosférica
2.3 Pressão manométrica ou relativa
É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência,
Figura 2.3. Ela pode ser chamada de pressão relativa positiva ou pressão relativa negativa. A Figura
2.4 apresenta um exemplo de medição de pressão relativa positiva.
Importante: Ao se exprimir um valor de pressão manométrica podemos colocar após a unidade
a letra “g” ou não. Exemplo: 3 psig = 3 psi.
Figura 2.3– Representação do significado de pressão manométrica
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Figura 2.4- Exemplo de medição de pressão relativa positiva
2.3.1 Pressão relativa negativa ou vácuo
É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. A Figura 2.5
apresenta exemplos de medição de pressão relativa negativa ou vácuo.
Figura 2.5- Exemplos de medição de pressão relativa negativa ou vácuo
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2.4 Pressão absoluta
É a soma da pressão relativa e atmosférica, Figura 2.6. 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.
O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos
medem pressão manométrica.
Exemplo: 3 kgf/cm2 ABS Pressão Absoluta
4kgf/cm2 Pressão Relativa
Figura 2.6- Representação do significado de pressão absoluta
A Figura 2.7 apresenta um transmissor de pressão absoluta e a Figura 2.8 apresenta um
diagrama comparativo das escalas de pressão.
Figura 2.7- Exemplo de transmissor de pressão absoluta
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Figura 2.8– Diagrama comparativo das escalas de pressão
2.5 Pressão diferencial
É a diferença entre duas pressões, sendo representada pelo símbolo ∆P (delta P). Essa
diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão etc. A Figura 2.9
apresenta um exemplo de medição de pressão diferencial.
Figura 2.9- Exemplo de medição de pressão diferencial
2.6 Pressão estática
É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo
perpendicularmente a tomada de impulso. As Figuras 2.10 e 2.11 apresentam exemplos de medição
de pressão estática.
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Figura 2.10- Exemplo de medição de pressão estática ou hidrostática
Figura 2.11- Exemplo de medição estática
2.7 Pressão dinâmica
É a pressão exercida por um fluído em movimento paralelo à sua corrente, conforme a Figura
2.12. A Figura 2.13 apresenta um exemplo de medição de pressão estática e dinâmica.
Figura 2.12– Representação da definição de pressão dinâmica
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Figura 2.13- Exemplo de medição de pressão estática e dinâmica
2.8 Unidades de pressão
Como existem muitas unidades de Pressão é necessário saber a correspondência entre elas,
pois nem sempre na indústria temos instrumentos-padrão com todas as unidades. Desta forma, é
necessário saber fazer a conversão, por exemplo:
10 psi = ______?______ kgf/cm2
conforme a Tabela 2.1: um psi = 0,0703 kgf/cm2 10 X 0,0703 = 0,703 kgf/cm2
2.9 Dispositivos para medição de pressão
Um dos instrumentos 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.
2.9.1 Tubo de Bourdon
Consiste geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência
tendo uma extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão
agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua
extremidade fechada. Esse movimento através da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai
indicar uma medida de pressão.
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Quanto à forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e
helicoidal, conforme Figura 2.14.
a) Tipo C b) Tipo Espiral C) Tipo Helicoidal
Figura 2.14– Tipos de tubos de Bourdon
A Figura 2.15 apresenta detalhes de um manômetro tipo Bourdon C.
Figura 2.15- Detalhes de um manômetro tipo Bourdon C
Quando desejamos calibrar um manômetro, na maioria das vezes, utilizamos a Máquina de
Teste, Figura 2.16, que funciona pelo princípio de Pascal.
O Princípio de Pascal diz que todo o líquido confinado, quando recebe pressão em um
determinado ponto ele se transmite a todos os pontos do líquido.
Figura 2.16- Máquina de Teste ou calibração de manômetros
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2.9.2 Membrana ou diafragma
É constituído pôr um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste
fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a
membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.O diagrama geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva, conforme
Figura 2.17.
Figura 2.17– Tipos de diafragmas
2.9.3 Fole
O fole é também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindrometálico, corrugado ou sanfonado.
Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que
vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à
pressão aplicada à parte interna, conforme Figura 2.18.
Figura 2.18– Tipo fole
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2.9.4 Coluna de líquido
Consiste, basicamente, em um tubo de vidro contendo certa quantidade de líquido, fixado a
uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser basicamente de três tipos: coluna reta
vertical, reta inclinada e em forma de “U”. A Figura 2.19 apresenta o manômetro de tubo em “U”, aFigura 2.20 o manômetro de coluna reta vertical e a Figura 2.21, manômetro de coluna reta inclinada.
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, sendo a fórmula:
P1 – P2 = h . dr.
Figura 2.19- Manômetro de tubo em “U”
Figura 2.20- Manômetro de coluna reta vertical
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Figura 2.21- Manômetro de coluna reta inclinada
Neste tipo de medidor, a tensão superficial dos líquidos é evidente, ou seja, neste tipo de
medidor devido à força de coesão e adesão entre as moléculas do vidro do líquido, aparece o que
chamamos de menisco. Em tubos de pequenos diâmetros, a superfície do líquido deverá ser uma
curva. No caso de líquidos como a água e o álcool, a qual tem uma tensão superficial baixa, a
superfície será côncava. No caso do mercúrio, a qual tem uma tensão superficial alta, o menisco será
convexo. Para evitar o erro de paralaxe quando fizermos a leitura de pressão, esta deve ser feita na
direção horizontal no ápice do menisco, como mostra a Figura 2.22.
Figura 2.22- Menisco
2.9.5 Sensor tipo Piezoelétrico
Os elementos piezoelétricos são cristais (como o quartzo, a turmalina e o titanato) que
acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina quando sofrem uma deformação
física, por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Seu sinal de
resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas
freqüências, de milhões de ciclos por segundo.
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O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico,
resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e
exato, por isso é utilizado em relógios de precisão.
A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é
um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada a entrada de um amplificador, sendo indicadaou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior. A Figura 2.23 apresenta o sensor
piezoelétrico.
Figura 2.23– Sensores piezoelétricos
2.9.6 Sensor 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:
R = (ρ . L) / S
Onde:
R : Resistência do condutor
ρ : Resistividade do material
L : Comprimento do condutor
S : Área da seção transversal
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A equação apresenta 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 na Figura 2.24.
Figura 2.24– Condutor sob tração
Seguindo esta linha de raciocínio, para um comprimento L obtemos ∆L, então, para um
comprimento 10 x L teremos 10 x ∆L. 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
2.25.
Figura 2.25– Sensor tipo strain gauge
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. A Figura 2.26 apresenta a
fixação do sensor strain gauge.
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Figura 26– Fixação do sensor strain gauge
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 raiode curvatura). A Figura 2.27 apresenta o efeito tração-compressão.
Figura 2.27- Efeito tração-compressão
Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o
circuito em ponte de Wheatstone, como mostrado na Figura 2.28, que tem a vantagem adicional de
compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um
único bloco. A Figura 2.29 apresenta um transmissor de pressão.
Figura 2.28- Ponte de Wheatstone com sensor strain gauge
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Figura 2.29- Transmissor de pressão
2.9.7 Sensor 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 adistância 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, conforme ilustra a Figura 2.30:
Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido;
Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube);
Armadura móvel (diafragma sensor).
A Figura 2.31 apresenta um transmissor de pressão diferencial com sensor do tipo capacitivo.
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Figura 2.30- Sensor capacitivo
Figura 2.31- Transmissor de pressão diferencial
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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2.9.8 Sensor tipo silício ressonante
O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma,
utilizando do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa
freqüência seja proporcional a pressão aplicada, conforme Figura 2.32.
Figura 2.32- Sensor de silício ressonante
Na Figura 2.33 são exibidos mais detalhes sobre a construção e funcionamento desse tipo de
célula.
Figura 2.33- Célula de pressão de silício ressonante
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Todo o conjunto pôde ser visto através da Figura 2.33, porém, para uma melhor compreensão
de funcionamento deste transmissor de pressão, faz-se necessário desmembrá-lo em algumas partes
vitais.
Na Figura 2.34 podemos ver o conjunto do sensor. Ele possui um imã permanente e o sensor
de silício propriamente dito.Na Figura 2.35 são apresentados 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 campo elétrico gerado por uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o
sensor, obviamente).
Figura 2.34- Conjunto do sensor
Figura 2.35- Fatores que influenciam na ressonância do sensor de silíc io
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Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração
do sensor. 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 pelodiafragma.
Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si, que pode ser
sentida por um circuito eletrônico. Essa diferença de freqüência será proporcional ao ∆P aplicado. Na
Figura 2.36 é exibido o circuito eletrônico equivalente. Através dessas informações é possível obter
um gráfico da freqüência x pressão, referente aos pontos de operação, conforme Figura 2.37. A
Figura 2.38 apresenta um transmissor de pressão diferencial com sensor do tipo silício ressonante.
Figura 2.36- Circuito eletrônico equivalente do sensor
Figura 2.37- Gráfico de freqüência x pressão de um sensor de silício ressonante
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Figura 2.38- Transmissor de pressão diferencial
Tabela 2.1- Tabela de Conversões - Unidades de Pressão
psi kPaPolegadas
H2OmmH2O
Polegadas
HgmmHg Bar m Bar kgf/cm2 gf/cm2
psi 1 6,8947 27,7620 705,1500 2,0360 51,7150 0,0689 68,9470 0,0703 70,3070
kPa 0,1450 1 4,0266 102,2742 0,2953 7,5007 0,0100 10,0000 0,0102 10,1972
Polegadas
H2
O
0,0361 0,2483 1 25,4210 0,0734 1,8650 0,0025 2,4864 0,0025 2,5355
mmH2O 0,0014 0,0098 0,0394 1 0,0028 0,0734 0,0001 0,0979 0,0001 0,0982
Polegadas
Hg0,4912 3,3867 13,6200 345,9400 1 25,4000 0,0339 33,864 0,0345 34,532
mmHg 0,0193 0,1331 0,5362 13,6200 0,0394 1 0,0013 1,3332 0,0014 1,3595
Bar 14,5040 100,00 402,1800 10215,0000 29,5300 750,0600 11000
1,0197 1019,700
m Bar 0,0145 0,1000 0,402 10,2150 0,0295 0,7501 0,001 1 0,0010 1,0197
kgf/cm2 14,2230 97,9047 394,4100 10018,0 28,9590 735,560 0,9800 980,7000 1 1000
gf/cm2 0,0142 0,0970 0
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