UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO PROJETOS DE AUTOMAÇÃO. Professor Leonardo Gonsioroski

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO

CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

PROJETOS DE AUTOMAÇÃO

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Introdução

Em todos os 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 permitem manter

constantes as variáveis do processo, objetivando a melhorias em qualidade e segurança.

Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais podemos classificar os instrumentos de medição por:

o Função

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Introdução

De acordo com a organização norte-americana

Instrument Society of America - ISA, um instrumento

industrial é

:

Todo dispositivo usado para

direta ou indiretamente

medir e/ou controlar uma variável.

Nesta definição inclui-se, segundo a ISA, elementos/sensores primários, elementos finais de controle, dispositivos computacionais, dispositivos elétricos como alarmes, chaves e botoeiras. E o termo não se aplica a partes que são componentes

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Instrumentação Industrial: Um Exemplo

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Instrumentos de Medição

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Instrumentos de Atuação

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Instrumentos de Atuação

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Classificação quanto a Função

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Classificação quanto a Função

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Classificação quanto a Função

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Classificação quanto ao tipo de sinais

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Instrumentos Discretos

Termostato / Chave de Temperatura

Pressostato / Chave de Pressão

Professor Leonardo Gonsioroski

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Classificação quanto ao tipo de sinais

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Instrumentos Digitais

Motor de Passo

Multímetro

O encoder é um transdutor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos. Esses pulsos

gerados podem ser usados para determinar velocidade, taxa de aceleração, distância, rotação, posição ou direção.

As principais aplicações dos encoders são: - em eixos de Robôs;

- controle de velocidade e posicionamento de motores elétricos; - posicionamento de antenas parabólicas, telescópios e radares; - mesas rotativas;

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Classificação quanto ao tipo de sinais

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Características dos Instrumentos

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Características dos Instrumentos

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Características dos Instrumentos

(variações na entrada sem consequência na saída)

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Principais Variáveis no Controle de Processos

Pressão

Temperatura

Nível

Vazão

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Medição de Pressão

Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível dentre outras, podem ser feitas utilizando-se esse processo.

Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área.

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Medição de Pressão

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Medição de Pressão

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Dispositivos para medição de pressão

O instrumento mais simples para se medir pressão relativa é o manômetro. Existem basicamente quatro tipos de medidores de pressão relativa, ou manômetros :

o Manômetro de peso morto

o Manômetros de coluna líquida

o Manômetros por deformação elástica

o Manômetros eletro-eletrônicos (transdutores de pressão)

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Manômetro de Peso Morto

É o manômetro utilizado na calibração de outros medidores de pressão devido a sua precisão.

A pressão é obtida pela colocação de massas conhecidas e padronizadas sobre um êmbolo de área também conhecida.

Para uma determinada força- Pesos

Manômetro

Reservatório de óleo Válvula agulha

Professor Leonardo Gonsioroski Para uma determinada

força-peso sobre o êmbolo pode-se

calcular a pressão exercida. Êmbolo Pesos

Volante Pistão

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Manômetros de coluna líquida

Os manômetros de coluna líquida, outrora largamente utilizados, estão sendo progressivamente abandonados, principalmente devido ao fato de normalmente necessitar de um líquido manométrico mais denso que a água, como é o caso do mercúrio metálico.

Este líquido pode vazar para o interior da tubulação, provocando contaminações.

Outro problema é a grande dificuldade de adaptar sistemas de leitura

Professor Leonardo Gonsioroski Outro problema é a grande dificuldade de adaptar sistemas de leitura

remota e saídas para registradores e processadores.

A princípio qualquer líquido com baixa viscosidade, e não volátil nas condições de medição, pode ser utilizado como líquido manométrico.

Entretanto, na prática, a água destilada e o mercúrio são os líquidos mais utilizados nesses manômetros.

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Manômetros de coluna líquida

Algumas Vantagens:

Não necessitam de calibração, desde que possa se garantir a densidade do liquido manométrico e a exatidão da escala que mede a altura da coluna.

Ainda hoje são utilizados freqüentemente como padrões práticos para calibração de transdutores de pressão.

Professor Leonardo Gonsioroski Tipos:

Tubo em U

Tubo com colunas de áreas diferentes Tubo com coluna inclinada

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Tubo em U

Na figura abaixo está esquematizado um tubo em U no qual se aplica somente um valor de pressão em cada um dos ramos (ramo a e ramo b). Na figura da direita a pressão no ramo a é maior, provocando a elevação do líquido no ramo b. O desnível h se relaciona com a diferença p_a - p_b por :

p

_a

-p

_b

= ρ g h

p

atm

p

a

_p

b

ρ

∆

h

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Tubo com colunas de áreas diferentes

É constituída por dois vasos comunicantes, sendo um deles de diâmetro menor (um tubo) que o outro, no qual se faz a leitura da pressão pelo nível através de uma régua montada aplica pela altura da coluna líquida, como se vê na figura abaixo.

Se a coluna de área menor é posicionada em um ângulo θ com o plano horizontal, o comprimento preenchido pelo líquido será maior, para uma

Tubo com coluna inclinada

horizontal, o comprimento preenchido pelo líquido será maior, para uma mesma diferença de pressão, melhorando a sensibilidade de medição.

ρ

∆

h

p

a

=p

b

+ρ

g

∆

h

p

a

= p

b

+ ρ

g

∆

h.sen

θ

∆

h

p

atm

p

atm

p

a

p

b

p

a

p

b

θ

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Manômetros de Deformação Elástica

Os instrumentos que medem pressão manométrica por deformação elástica usam a deformação de um elemento sob pressão para mover um ponteiro, normalmente com engrenagens intermediárias para amplificação.

O manômetro de Bourdon é um medidor totalmente mecânico de pressão.

Manômetro de Bourdon

O manômetro de Bourdon é um medidor totalmente mecânico de pressão. Secção oval Tubo de Bourdon

Engrenagem em setor Conexão ajustável Ponteiro A articulação e a engrenagem em setor transmitem a deformação do tubo de Bourdon à engrenagem central através de um movimento giratório de pequena dimensão.

A engrenagem central amplifica o movimento giratório movimentando o ponteiro, e a escala relaciona a posição do ponteiro com a pressão manométrica.

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Manômetro de Bourdon

O tubo de Bourdon mais comum é formado por um tubo de secção elíptica que se deforma com a aplicação de uma pressão interna.

O tubo de Bourdon pode ser curvado em várias formas constituindo o elemento sensor de diversos medidores.

Existem configurações na forma de C, helicoidal e espiral.

O medidor de tubo helicoidal pode indicar uma maior deformação sem o O medidor de tubo helicoidal pode indicar uma maior deformação sem o uso de engrenagens, possuindo esta vantagem sobre a configuração em C.

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Medição de Temperatura

A Temperatura é uma das variáveis mais monitoradas nos diversos segmentos de industriais, seja químico, petroquímico, siderúrgico, cerâmico, farmacêutico, vidreiro, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico, nuclear entre outros.

Temperatura é, geralmente, conceituada, como o grau de aquecimento ou resfriamento de uma substância, ou corpo e é medida por meio de instrumentos denominados termômetros.

A Termometria é medição de temperatura. Eventualmente, alguns

termos são utilizados com o mesmo significado, porém, baseando-se na

Professor Leonardo Gonsioroski termos são utilizados com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir os 3 tipos:

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Temperatura e calor

A literatura geralmente reconhece três meios distintos de transmissão de calor:

Professor Leonardo Gonsioroski de calor:

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Tipos de instrumentos medidores de temperatura

Sob o ponto de vista industrial, os termômetros podem ser classificados nos seguintes principais tipos, de acordo com seus princípios de funcionamento:

Termômetros de dilatação de líquidos

Termômetro de líquido em recipientes de vidro ou de metais; Termômetros bimetálicos;

Termômetro de pressão.

Sistemas termoelétricos

Termopares;

Termômetros de resistência.

Pirômetros óticos

Instrumentos indicadores, registradores e controladores para pares termoelétricos

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Termometros de Dilatação

Os termômetros à dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipiente fechado.

Os tipos podem ser de vidro transparente ou de recipiente metálico.

Termômetros de Dilatação em Recipientes de Vidro

É constituído de um reservatório soldado a

Professor Leonardo Gonsioroski É constituído de um reservatório soldado a um tubo capilar;

O reservatório e parte do capilar são preenchidos por um líquido.

A parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste.

Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona.

O termômetro de mercúrio é o mais

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Termometros de Dilatação

Termômetros de Dilatação em Recipientes de Metal

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),

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Termometros Bimetálicos

Se aquecermos uma barra metálica, constituída de dois metais de

coeficientes de dilatação diferentes, soldados entre si longitudinalmente, esta barra se deformará, alongando-se desigualmente em duas partes.

Professor Leonardo Gonsioroski esta barra se deformará, alongando-se desigualmente em duas partes. Como existe uma correlação entre a deformação da barra e a

temperatura a que é submetida, os elementos bimetálicos podem ser usados como termômetros indicadores.

É um instrumento resistente e preciso que substitui com vantagem o termômetro de mercúrio, na indicação local de temperatura.

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Termometros Bimetálicos

Se aquecermos uma barra metálica, constituída de dois metais de

coeficientes de dilatação diferentes, soldados entre si longitudinalmente, esta barra se deformará, alongando-se desigualmente em duas partes.

Professor Leonardo Gonsioroski esta barra se deformará, alongando-se desigualmente em duas partes. Como existe uma correlação entre a deformação da barra e a

temperatura a que é submetida, os elementos bimetálicos podem ser usados como termômetros indicadores.

É um instrumento resistente e preciso que substitui com vantagem o termômetro de mercúrio, na indicação local de temperatura.

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Termometros Bimetálicos

Em geral, a barra bimetálica é enrolada em forma de hélice, com uma das extremidades presa ao bulbo do termômetro e a outra

ligada a um ponteiro.

Quando varia a temperatura do meio em que está imerso o termômetro, a hélice

bimetálica expande-se ou contrai-se e sua ponta livre indicará, através do ponteiro,

Professor Leonardo Gonsioroski O termômetro bimetálico pode ser

empregado para medir temperaturas desde -40ºC (-104ºF) até +427ºC (+800ºF), com um erro de ±1%. ponta livre indicará, através do ponteiro,

numa escala previamente graduada, a temperatura medida.

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Termometros de Pressão

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 pode ser preenchido com um gás a alta pressão ou um líquido.

Com a variação da temperatura, o gás ou o liquido varia sua pressão, com o elemento de medição operando como medidor de pressão.

Professor Leonardo Gonsioroski Os termômetros de pressão de

líquido são utilizados na faixa de temperaturas entre -40ºC (-104ºF) e +538ºC (1.000ºF) e apresentam uma variação de ± 0,5%.

Quando o fluído de enchimento do sistema for um gás, teremos um termômetro de pressão de gás, usando na faixa de -130ºC (-200ºF) a 427ºC (800ºF).

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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.

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Termopares

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., princípio conhecido por efeito Seebeck.

O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura ( ΔT ) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

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Medição de Nível

Existem três tipos básicos de medição de nível. São eles os métodos direto, o indireto e o descontínuo.

Método Direto

É a medição para a qual 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.

A) Medição por Visor de Nível

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Método Direto

B) Bóia ou Flutuador

Professor Leonardo Gonsioroski As bóias normalmente são

conectadas a um mecanismo secundário de medida, como um potenciômetro, que

produzirá o sinal elétrico para a medição do nível.

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Medição de Nível

Método Indireto

Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas como: pressão, empuxo, radiação e propriedades elétricas.

A) Medição 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 a seguir o

Teorema de Stevin:

Professor Leonardo Gonsioroski Teorema de Stevin:

Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque, seja ele aberto, seja pressurizado.

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Medição por Pressão Hidrostática (Pressão diferencial)

Neste tipo de medição, utilizamos um transmissor de pressão diferencial cuja cápsula sensora é dividida em duas câmaras: a de alta (H) e a de baixa pressão (L).

Este transmissor de nível mede a pressão diferencial, subtraindo-se a pressão da câmara alta (H) da câmara baixa (L).

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Medição de nível por Capacitância

A medição de nível por capacitância é um sistema de medição com larga aplicação.

Com esse sistema é possível efetuar a medição contínua do nível de líquidos e sólidos, tendo seu princípio de funcionamento baseado no funcionamento de um capacitor cilíndrico.

A 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.

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Medição de Nível por Ultra-som

A propagação do ultra-som varia de acordo com o meio em que se propaga (sólido, líquido ou gasoso).

Assim, a velocidade do som serve como base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos.

Desta forma, sua aplicação se dá pela medição do tempo em que ela é emitida e recebida.

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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.

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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.

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Medição de Vazão

A medição de vazão inclui, no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um local

específico na unidade de tempo;

A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de

volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas, libras).

Existem dois tipos de medidores de vazão: os de quantidade e os

volumétricos.

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Estes medidores são utilizados como elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros, como por exemplo os disco nutante, tipo pistão rotativo, tipo pás giratórias, tipo engrenagem etc.

Medidores de Quantidade

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Estes medidores exprimem a vazão por unidade de tempo, tais como os rotâmetros e os medidores por pressão diferencial.

Medidores Volumétricos

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Medidores Volumétricos

Estes medidores exprimem a vazão por unidade de tempo, tais como os rotâmetros e os medidores por pressão diferencial.

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Medição de Vazão

Para medir a vazão por diferença das pressões usam-se instalações que se compõem:

a) De um elemento primário: dispositivo de restrição que produz a diferença (queda) das pressões;

b) De um elemento secundário: dispositivo que mede a diferença de pressões produzida pela restrição;

c) De um elemento terciário, que é usado para indicar, registrar e/ou controlar a vazão.

Professor Leonardo Gonsioroski controlar a vazão.

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Medição de Vazão

Os elementos primários mais usados são; • Placa de orifício;

• Tubo Venturi; • Tubo Pitot.

Tubo Pitot

É geralmente formado por dois tubos justapostos, que são inseridos na tubulação.

Professor Leonardo Gonsioroski na tubulação.

Um deles colocado de modo a medir a pressão estática existente e mais a pressão cinética devido à velocidade do fluido (P1 = Pe + Pv) O outro mede apenas a pressão estática: P2 = Pe .

A diferença das duas tomadas dá a medição da velocidade do fluido:

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Placas de Orifício

É dispositivo inserido na tubulação mais simples e mais comumente empregado para se criar uma pressão diferencial.

Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação.

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Tubo Venturi

É o elemento primário que combina, dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas.

É usualmente instalado entre dois flanges, numa tubulação, sendo seu propósito acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão

estática.

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Vimos instrumentos de medição de:

Pressão

Temperatura

Nível

Vazão

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Sensores

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Transdutores

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Transdutores

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Transdutores

Exemplos de Transdutores

Termoresistor(Pt100): Varia sua resistência de acordo com a temperatura. Termopar:Gera uma tensão elétrica quando submetido a uma

temperatura.

Tacogerador:Gera uma tensão proporcional a velocidade no qual é submetido.

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Tipos de Sensores

Sensores Magnéticos

Sensores Indutivos

Sensores Capacitivos

Sensores Ópticos

Sensores Magnéticos

Sensor magnético de sobrepor, para portas e janelas, com fio. Utilizado

Professor Leonardo Gonsioroski Sensor magnético de sobrepor, para portas e janelas, com fio. Utilizado

para acionar o alarme em caso de abertura de portas e janelas.

Também chamados de chaves de finais de curso ou read switches, emitem um sinal elétrico quando há um contato físico entre o objeto a ser detectado e o mecanismo de detecção.

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Tipos de Sensores

Sensores Indutivos

Os sensores indutivos são emissores de sinal que detectam, sem contato direto, elementos metálicos que atravessam o seu campo magnético

convertendo em um sinal elétrico inteligível.

Objeto metálico Fase do sensor Campo magnético

Sensor desacionado Sensor acionado

sensor Bobina Circuito magnético

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Tipos de Sensores

Sensores Indutivos - funcionamento

Um sensor de proximidade indutivo é composto de um circuito oscilador LC, um avaliador de sinais, e um amplificador chaveado.

A bobina deste circuito oscilador gera um campo alternado eletromagnético de alta freqüência.

Este campo é emitido pela face detectora do sensor. Quando um objeto metálico se aproxima da parte sensora, são geradas correntes parasitas (correntes de Foucault).

As perdas resultantes retiram energia do circuito oscilador e reduzem as

Professor Leonardo Gonsioroski As perdas resultantes retiram energia do circuito oscilador e reduzem as oscilações. O avaliador de sinais, depois do circuito oscilador LC, converte estas informações em um sinal limpo.

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Tipos de Sensores

Sensores Capacitivos

Este tipo de sensor é utilizado para detectar a presença de líquidos, papéis, plásticos, madeiras, metais, materiais orgânicos, etc.

Seu funcionamento baseia-se na variação de seu campo elétrico com a introdução do objeto

Objeto

metálico _Campo

elétrico

Professor Leonardo Gonsioroski Fase do sensor Capacitor Sensor acionado Sensor desacionado elétrico Aplicações

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Tipos de Sensores

Sensores Capacitivos

Este tipo de sensor é utilizado para detectar a presença de líquidos, papéis, plásticos, madeiras, metais, materiais orgânicos, etc.

Seu funcionamento baseia-se na variação de seu campo elétrico com a introdução do objeto

Objeto

metálico _Campo

elétrico

Professor Leonardo Gonsioroski Fase do sensor Capacitor Sensor acionado Sensor desacionado elétrico Aplicações

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Tipos de Sensores

Sensores Fotoelétricos

Sensor fotoelétrico é um equipamento de controle ótico utilizado em vários processos de automação.

Ele detecta um feixe de luz visível ou invisível e responde a mudanças na intensidade do feixe. As mudanças na luz podem ser o resultado da

presença ou ausência do alvo ou então resultado de mudança no tamanho, forma, refletividade ou cor de um alvo.

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Tipos de Sensores

Modos de detecção dos Sensores Fotoelétricos

Podemos dividir basicamente os modos de detecção em 4 tipos:

Feixe transmitido (Opposed mode)

Feixe retro-refletido (Retroreflective mode)

Feixe difuso ou de proximidade (Proximity mode)

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Tipos de Sensores

Modos de detecção dos Sensores Fotoelétricos