Instrumentação Industrial
Instrumentação Industrial
Vol
Volta Redta Redondonda -a - RJRJ
2004
ÍNDICE
ÍNDICE
1. INT
1. INTRODUÇÃO RODUÇÃO À INSTRUMÀ INSTRUMENTAÇÃO INDUSTENTAÇÃO INDUSTRIAL RIAL ... 2... 2 2.
2. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS ESTÁTICAS DOS DOS INSTRUMENTOS...INSTRUMENTOS...23...23 3.
3. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DINÂMICAS DOS DOS INSTRUMENTOS...INSTRUMENTOS...28..28 4.
4. CALIBRAÇÃO CALIBRAÇÃO DE DE INSTRUMENTOS...INSTRUMENTOS...31...31 5.
5. GRANDEZAS GRANDEZAS BASE BASE E E PADRÕES PADRÕES ASSOCIADOS...ASSOCIADOS...32....32 6.
6. MEDIDAS MEDIDAS DE DE PRESSÃO...PRESSÃO...34...34 7.
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ÍNDICE
ÍNDICE
1. INT
1. INTRODUÇÃO RODUÇÃO À INSTRUMÀ INSTRUMENTAÇÃO INDUSTENTAÇÃO INDUSTRIAL RIAL ... 2... 2 2.
2. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS ESTÁTICAS DOS DOS INSTRUMENTOS...INSTRUMENTOS...23...23 3.
3. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DINÂMICAS DOS DOS INSTRUMENTOS...INSTRUMENTOS...28..28 4.
4. CALIBRAÇÃO CALIBRAÇÃO DE DE INSTRUMENTOS...INSTRUMENTOS...31...31 5.
5. GRANDEZAS GRANDEZAS BASE BASE E E PADRÕES PADRÕES ASSOCIADOS...ASSOCIADOS...32....32 6.
6. MEDIDAS MEDIDAS DE DE PRESSÃO...PRESSÃO...34...34 7.
11 – – INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃOINTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO INSTRUMENTAÇÃO
INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação deé a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.
em equipamentos nos processos industriais.
Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo.
de um processo.
1.2 - Classificação de Instrumentos de Medição 1.2 - Classificação de Instrumentos de Medição
Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais Podemos classificar os instrumentos de medição por:
Podemos classificar os instrumentos de medição por:
funçãofunção
sinal transmitido ou suprimentosinal transmitido ou suprimento
tipo de sinaltipo de sinal
1.2.1 - Classificação por Função 1.2.1 - Classificação por Função
Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se
instrumentos chama-se malhamalha e em uma malha cada instrumento executa uma funçãoe em uma malha cada instrumento executa uma função (vide figura 1). Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados (vide figura 1). Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função cuja
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Figura
Figura 1 1 - - Classificação Classificação por por função de função de instrumentos instrumentos que compõe que compõe uma malha uma malha dede instrumentação.
instrumentação.
INSTRUMENTAÇÃO DEFINIÇÃO INSTRUMENTAÇÃO DEFINIÇÃO Detetor
Detetor São São dispositivos dispositivos com com os os quais quais conseguimos conseguimos detectardetectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor.
do transmissor. Transmissor
Transmissor Instrumento Instrumento que que tem tem a a função função de de converter converter sinais sinais dodo detetor em outra forma capaz de ser enviada à distância detetor em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel.
painel. Indicador
Indicador Instrumento Instrumento que que indica indica o o valor valor da da quantidade quantidade medidamedida enviado pelo detetor, transmissor, etc.
enviado pelo detetor, transmissor, etc. Registrador
Registrador Instrumento Instrumento que que registra registra graficamente graficamente valoresvalores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados pelo detetor, transmissor, Controlador etc.
enviados pelo detetor, transmissor, Controlador etc. Conversor
Conversor Instrumento Instrumento cuja cuja função função é é a a de de receber receber uma uma informaçãoinformação na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como um sinal
um sinal de saída de saída proporcional ao proporcional ao de de entrada.entrada. Unidade
Unidade Aritmética Aritmética Instrumento Instrumento que que realiza realiza operações operações nos nos sinais sinais de de valoresvalores de entrada de acordo com uma determinada expressão e de entrada de acordo com uma determinada expressão e fornece uma saída resultante da operação.
Integrador Instrumento que indica o valor obtido pela integração de quantidades medidas sobre o tempo.
Controlador Instrumento que compara o valor medido com o desejado e, baseado na diferença entre eles, emite sinal de correção para a variável manipulada a fim de que essa diferença seja igual a zero.
Elemento Final de
Controle Dispositivo cuja função é modificar o valor de umavariável que leve o processo ao valor desejado. Tabela 1 – Classificação dos instrumentos por função.
1.2.2 - Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens. 1.2.2.1 - Tipo pneumático
Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizados é de 0,2 a 1,0 kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês).
Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e em casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS).
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A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo).
Desvantagens
a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento.
b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc. ..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.
c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m.
d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados.
e) Não permite conexão direta aos computadores. 1.2.2.2 - Tipo Hidráulico
Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas.
Vantagens
a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão.
b) Resposta rápida.
a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento.
b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca.
c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc... 1.2.2.3 - Tipo elétrico
Esse tipo de transmissão é feito utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Em face da tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utiliza-se sinais em tensão contínua de 1 a 5V.
Vantagens
a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.
b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão.
c) Não necessita de poucos equipamentos auxiliares. d) Permite fácil conexão aos computadores.
e) Fácil instalação.
f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas.
g) Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja “lido” por mais de um instrumento, ligando
em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor.
8 Desvantagens
a) Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção.
b) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos.
c) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. d) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.
1.2.2.4 - Tipo Digital
Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma
estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada
uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação.
Vantagens
a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento.
b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados. c) Imune a ruídos externos.
d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. e) Menor custo final.
Desvantagens
a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes.
b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha.
Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.
Vantagens
a) Não necessita de cabos de sinal.
b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.
Desvantagens
a) Alto custo inicial.
b) Necessidade de técnicos altamente especializados. 1.2.2.6 - Via Modem
A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude.
Vantagens
a) Baixo custo de instalação.
b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias.
Desvantagens
a) Necessita de profissionais especializados. b) baixa velocidade na transmissão de dados.
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1.3 - Simbologia de Instrumentação
Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países. No Brasil Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR 8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. No entanto, como é dada a liberdade para cada empresa estabelecer/escolher a norma a ser seguida na elaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação outras são utilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrumentation Society of America).
A seguir serão apresentadas as normas ABNT e ISA, de forma resumida, e que serão utilizadas ao longo dos nossos trabalhos.
1.3.1 – Finalidades
1.3.1.1 - Informações Gerais:
As necessidades de procedimentos de vários usuários são diferentes. A norma reconhece essas necessidades quando estão de acordo com os objetivos e fornece métodos alternativos de simbologia. Vários exemplos são indicados para adicionar informações ou simplificar a simbologia. Os símbolos dos equipamentos de processo não fazem parte desta norma, porém são incluídos apenas para ilustrar as aplicações dos símbolos da instrumentação.
1.3.1.2 - Aplicação na Indústria
A norma é adequada para uso em indústrias químicas, de petróleo, de geração de energia, refrigeração, mineração, refinação de metal, papel e celulose e muitas outras.
Algumas áreas, tal como astronomia, navegação e medicina usam instrumentos tão especializados que são diferentes dos convencionais. Não houve esforços para que a norma atendesse às necessidades dessas áreas. Entretanto, espera-se que a mesma seja flexível suficientemente para resolver grande parte desse problema.
1.3.1.3 - Aplicação nas atividades de trabalho
A norma é adequada para uso sempre que qualquer referência a um instrumento ou a uma função de um sistema de controle for necessária com o objetivo de simbolizar a identificação. Tais referências podem ser aplicadas para as seguintes utilizações (assim como outras):
Projetos;
exemplos didáticos;
material técnico - papeis, literatura e discussões;
diagramas de sistema de instrumentação, diagramas de malha, diagramas
lógicos;
descrições funcionais;
diagrama de fluxo: processo, mecânico, engenharia, sistemas, tubulação
(processo);
e desenhos/projetos de construção de instrumentação;
Especificações, ordens de compra, manifestações e outras listas; Identificação de instrumentos (nomes) e funções de controle;
Instalação, instruções de operação e manutenção, desenhos e registros.
A norma destina-se a fornecer informações suficientes a fim de permitir que qualquer pessoa, ao revisar qualquer documento sobre medição e controle de processo, possa entender as maneiras de medir e controlar o processo (desde que possua certo conhecimento do assunto). Não constitui pré-requisito para esse entendimento um conhecimento profundo/detalhado de um especialista em instrumentação.
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1.3.2 - Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190) 1.3.2.1 - Tipos de Conexões
1) Conexão do processo, ligação mecânica ou suprimento ao instrumento.
2) Sinal pneumático ou sinal indefinido para diagramas de processo.
3) Sinal elétrico.
4) Tubo capilar (sistema cheio).
5) Sinal hidráulico.
6) Sinal eletromagnético ou sônico (sem fios).
1.3.2.2 - Código de Identificação de Instrumentos
Cada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifique funcionalmente (Tabela 2).
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Obs 1 : Multifunção significa que o instrumento é capaz de exercer mais de uma função. Obs 2 : Os números entre parênteses se referem às notas relativas descritas a seguir. Notas Relativas
1) As letras “indefinidas ” são próprias para indicação de variáveis não listadas que
podem ser repetidas em um projeto particular. Se usada, a letra deverá ter um
significado como “primeira - letra ” e outro significado como “letra - subsequente ”. O
significado precisará ser definido somente uma vez e uma legenda para aquele respectivo projeto. Por exemplo: a letra N pode ser definida como Módulo de
Elasticidade na “primeira - letra ” e na “letra subsequente ”.
2) A letra “não classificada ”, X, é própria para indicar variáveis que serão usadas uma
vez, ou de uso limitado. Se usada, a letra poderá ter qualquer número de
significados como “primeira - letra ” e qualquer número de significados como “letra -
subsequente ”. Exceto para seu uso como símbolos específicos, seu significado
deverá ser definido fora do círculo de identificação no fluxograma. Por exemplo: XR-3 pode ser um “registrador de vibração ”, XR-2 pode ser um “registrador de tensão
mecânica ” e XX4 pode ser um “osciloscópio de tensão mecânica ”.
3) Qualquer primeira - letra, se usada em combinação com as letras modificadoras D (diferencial), F (razão) ou Q (totalização ou integração), ou qualquer combinação,
será tratada como uma entidade “primeira - letra ”. Então, instrumentos TDI e TI
medem duas diferentes variáveis, que são: temperatura diferencial e temperatura. 4) A “primeira - letra ” A, para análise, cobre todas as análises não listadas na Tabela 1
e não cobertas pelas letras “indefinidas ”. Cada tipo de análise deverá ser definido
fora do seu círculo de indefinição no fluxograma. Símbolos tradicionalmente conhecidos como pH, O2, e CO, têm sido usados opcionalmente em lugar da
5) O uso da “primeira - letra ” U para multivariáveis em lugar de uma combinação de “primeira letra ” é opcional.
6) O uso dos termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário e varredura ou seleção é preferido, porém opcional.
7) O termo “segurança” se aplicará somente para elementos primários de proteção de
emergência e elementos finais de controle de proteção de emergência. Então, uma válvula auto - operada que previne a operação de um sistema acima da pressão desejada, aliviando a pressão do sistema, será uma PCV, mesmo que a válvula não opere continuamente. Entretanto esta válvula será uma PSV se seu uso for para proteger o sistema contra condições de emergência, isto é, condições que colocam em risco o pessoal e o equipamento, ou ambos e que não se esperam acontecer normalmente. A designação PSV aplica-se para todas as válvulas que são utilizadas para proteger contra condições de emergência em termos de pressão, não importando se a construção e o modo de operação da válvula enquadram-se como válvula de segurança, válvula de alívio ou válvula de segurança e alívio.
8) A função passiva “visor ” aplica-se a instrumentos que dão uma visão direta e não
calibrada do processo.
9) O termo “indicador ” é aplicável somente quando houver medição de uma variável.
Um ajuste manual, mesmo que tenha uma escala associada, porém desprovido de
medição de fato, não deve ser designado “indicador ”.
10) Uma “lâmpada - piloto ”, que é a parte de uma malha de instrumentos, deve ser
designada por uma “primeira - letra ” seguida pela “letra subsequente ”. Entretanto, se é desejado identificar uma “lâmpada - piloto ” que não é parte de uma malha de instrumentos, a “lâmpada - piloto ” pode ser designada da mesma maneira ou
alternadamente por uma simples letra L. Por exemplo: a lâmpada que indica a operação de um motor elétrico pode ser designada com EL, assumindo que a
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tensão é a variável medida ou XL assumindo a lâmpada é atuada por contatos elétricos auxiliares do sistema de partida do motor, ou ainda simplesmente L. A ação
de uma “lâmpada - piloto ” pode ser acompanhada por um sinal audível.
11) O uso da “letra - subsequente ” U para “multifunção ” em lugar de uma combinação
de outras letras funcionais é opcional.
12) Um dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos pode ser,
dependendo das aplicações, uma “chave ”, um “relé ”, um “controlador de duas
posições ”, ou uma “válvula de controle ”. Se o dispositivo manipula uma corrente
fluida de processo e não é uma válvula de bloqueio comum atuada manualmente,
deve ser designada como uma “válvula de controle ”. Para todas as outras
aplicações o equipamento é designado como: a) uma “chave ”, quando é atuado manualmente;
b) uma “chave ” ou um “controlador de duas posições ”, se é automático e se é
atuado pela variável medida. O termo “chave ” é geralmente atribuído ao dispositivo que é usado para atuar um circuito de alarme, “lâmpada piloto ”, seleção, intertravamento ou segurança. O termo “controlador ” é geralmente atribuído ao
equipamento que é usado para operação de controle normal;
c) um “relé ”, se é automático e não atuado pela variável medida, isto é, ele é atuado por uma “chave ” ou por um “controlador de duas posições ”.
13) Sempre que necessário as funções associadas como o uso da “letra - subsequente ”
Y devem ser definidas fora do círculo de identificação. Não é necessário esse procedimento quando a função é por si só evidente, tal como no caso de uma válvula solenóide.
14) O uso dos termos modificadores “alto ”, “baixo ”, “médio ” ou “intermediário ”, deve
corresponder a valores das variáveis medidas e não dos sinais, a menos que de outra maneira seja especificado. Por exemplo: um alarme de nível alto derivado de
um transmissor de nível de ação reversa é um LAH, embora o alarme seja atuado quando o sinal alcança um determinado valor baixo. Os termos podem ser usados em combinações apropriadas.
15) Os termos “alto ” e “baixo ”, quando aplicados para designar a posição de válvulas,
são definidos como:
alto - denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente aberta; baixo - denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente fechada.
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1.3..2.4 - Instrumentação de Vazão
1.3.2.5 - Válvula de Controle
1.3.2.6 - Alguns Arranjos Típicos de Instrumentos
22 Nível
1.3.3 - Simbologia Conforme Norma ISA
1.3.3.1 - Aplicação para Classes e Funções de Instrumentos
As simbologias e o método de identificação desta norma são aplicáveis para toda classe de processo de medição e instrumentação de controle. Podem ser utilizados não somente para identificar instrumentos discretos e suas funções, mas também para identificar funções analógicas de sistemas que são denominados de várias formas
como “Shared Display” (display compartilhado), “Shared Control” (controle compartilhado), “Distribuided Control” (controle distribuído) e “Computer Control”
(controle por computador).
1.3.3.2 - Conteúdo da Identificação da Função
A norma é composta de uma chave de funções de instrumentos para sua identificação e simbologia. Detalhes adicionais dos instrumentos são melhores descritos em uma
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especificação apropriada, folha de dados, ou outro documento utilizado que esses detalhes requerem.
1.3.3.3 - Conteúdo de Identificação da Malha
A norma abrange a identificação de um instrumento e todos outros instrumentos ou funções de controle associados a essa malha. O uso é livre para aplicação de identificação adicional. tais como, número de serie, número da unidade, número da área, ou outros significados.
As diferenças básicas entre a tabela da ABNT (tabela 2) e a tabela da norma ISA (tabela 3) são :
A letra “C” na tabela ABNT indica condutividade elétrica (como primeira letra) para a
norma ABNT e controlador para segunda letra; na norma ISA a primeira letra é definida pelo usuário;
A letra “D” na tabela ABNT indica densidade ou massa específica (como primeira
letra) e a letra modificadora significa diferencial; já para a norma ISA, a primeira letra é de escolha do usuário, mantendo-se a letra modificadora como diferencial;
A letra “G” significa medida dimensional para a norma ABNT e é de escolha do
usuário para a norma ISA;
A letra “M” significa umidade para a norma ABNT e é de escolha do usuário para a
norma ISA e a letra modificadora significa momentâneo;
A letra “V” significa viscosidade para a norma ABNT na primeira letra e vibração ou
análise mecânica para a norma ISA. 1.3.3.4 - Símbolos de Linha de Instrumentos
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1.3.3.5 - Símbolos opcionais binários (ON - OFF)
Nota: “OU” significa escolha do usuário. Recomenda-se coerência.
São sugeridas as seguintes abreviaturas para denotar os tipos de alimentação.
Essas designações podem ser também aplicadas para suprimento de fluidos. AS - suprimento de ar IA - ar do instrumento PA - ar da planta ES - alimentação elétrica GS - alimentação de gás HS - suprimento hidráulico NS - suprimento de nitrogênio SS - suprimento de vapor WS - suprimento de água
* O valor do suprimento pode ser adicionado à linha de suprimento do instrumento; exemplo: AS-100, suprimento de ar 100-psi; ES-24DC; alimentação elétrica de 24VDC. ** O símbolo do sinal pneumático se aplica para utilização de sinal, usando qualquer gás.
1.3.3.6 - Símbolos Gerais de Instrumentos ou de Funções
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* O tamanho do símbolo pode variar de acordo com a necessidade do usuário e do tipo do documento. Sugerimos acima um tamanho de quadrado e círculo para diagramas grandes.
Recomenda-se coerência.
** As abreviaturas da escolha do usuário, tal como IPI (painel do instrumento n.º 1, IC2 (console do instrumento n.º 2). CC3 (console do computador n.º 3) etc... podem ser usados quando for necessário especificar a localização do instrumento ou da função. *** Normalmente, os dispositivos de funções inacessíveis ou que se encontram na parte traseira do painel podem ser demonstrados através dos mesmos símbolos porém, com linhas horizontais usando-se os pontilhados.
**** Não é obrigado mostrar um alojamento comum.
***** O desenho (losango) apresenta metade do tamanho de um losango grande. ****** Veja ANSI/ISA padrão S5.2 para símbolos lógicos específicos.
2.0 – CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DOS INSTRUMENTOS 2.1 - Exatidão (Accuracy)
É a aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro convencional. A exatidão é um conceito qualitativo e normalmente é dada como um valor percentual do fundo de escala do instrumento.
Ex.: Um voltímetro com fundo de escala 10V e exatidão ±1%. O erro máximo esperado é de 0,1 V. Isto quer dizer que se o instrumento mede 1V, o possível erro é de 10% deste valor (0,1V). Por esta razão é uma regra importante escolher instrumentos com uma faixa apropriada para os valores a serem medidos.
Obs.: O Termo precisão não deve ser utilizado como sinônimo de exatidão. 2.2 - Classe de Exatidão
É a classe de instrumentos de medição que satisfazem a certas exigências metrológicas destinadas a conservar os erro dentro de limites especificados.
Ex.: Seja o caso dos TPs e dos TCs . A escolha da classe de exatidão dependerá da aplicação do equipamento, que deverão possuir classe de exatidão igual ou superior. As aplicações mais comuns são as seguintes:
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Tabela 4 – Classe de Exatidão de instrumentos de medidas.
2.3 – Precisão
A precisão é um termo que descreve o grau de liberdade a erros aleatórios, ou seja, ao nível de espalhamento de várias leituras em um mesmo ponto. A precisão é freqüentemente confundida com a exatidão. Um aparelho preciso não implica que seja exato. Uma baixa exatidão em instrumentos precisos decorre normalmente de um desvio ou tendência (bias) nas medidas, o que poderá ser corrigido por uma nova calibração.
As figuras a seguir ilustram as características de exatidão e precisão de um instrumento ou equipamento.
Os graus de repetitividade e de reprodutibilidade são maneiras alternativas de se expressar a precisão. Embora estes termos signifiquem praticamente a mesma coisa, eles são aplicados a contextos diferentes.
A repetitividade (mesmas condições) descreve o 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 o mesmo procedimento de medição, mesmo observador, mesmo instrumento de medição utilizado nas mesmas condições, mesmo local e repetição em curto período de tempo.
A reprodutibilidade expressa o grau de concordância entre os resultados das medições de um mesmo mensurando, efetuadas sob condições variadas de medição. Para que uma expressão de reprodutibilidade seja válida, é necessário que sejam
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método de medição, observador, instrumento de medição, padrão de referência, local, condições de utilização e condições climáticas.
2.4 – Incerteza
A incerteza é um parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentalmente atribuídos a um mensurando. Este parâmetro pode ser, por exemplo, um desvio padrão (ou múltiplo dele), ou a metade de um intervalo correspondente a um nível de confiança estabelecido. Em geral, compreende muitos componentes, incluindo aqueles resultantes dos efeitos sistemáticos, como os associados com correções, distribuições, desvios padrões, assumidos com base na experiência ou em outras informações, que contribuem para a dispersão.
2.5 – Tolerância
A tolerância é um termo muito próximo à exatidão e define o erro máximo que é esperado em um determinado valor. Embora não seja uma característica estática de instrumentos, é aqui mencionado porque a exatidão de alguns instrumentos é especificada em termos de tolerância. Quando aplicado corretamente, a tolerância de um componente manufaturado descreve o máximo desvio de um valor especificado. Por exemplo, um resistor escolhido aleatoriamente com valor nominal 1000 ohms, de tolerância 5%, pode ter seu valor real entre 950 Ohms e 1050 Ohms.
2.6 - Tendência de um instrumento (bias)
A tendência de um instrumento é um erro sistemático da indicação de um instrumento que ocorre em toda a sua faixa de indicação. A tendência é normalmente estimada pela média dos erros de indicação de um número apropriado de medições repetidas e poderão ser removidas através de nova calibração ou simplesmente um ajuste de zero.
2.7 – Discrição
É aptidão de um instrumento em não alterar o valor do mensurando. 2.8 - Linearidade e a não - linearidade
A linearidade é uma característica normalmente desejável onde a leitura de um instrumento é linearmente proporcional à grandeza sendo medida. O gráfico a seguir mostra a relação entre uma grandeza e o resultado de medições. Nesta figura pode-se observar um certo grau de linearidade que pode ser notado mesmo visualmente. No entanto, utilizar-se-á métodos estatísticos, tais como um coeficiente de correlação, para saber o quão a curva mostrada se aproxima de uma reta.
A não – linearidade , por sua vez, é definida como o máximo desvio de qualquer uma
das leituras com relação à reta obtida, e é normalmente expressa como uma percentagem do fundo de escala.
2.7 - Sensibilidade do instrumento
A sensibilidade é definida como a resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação no estímulo. A sensibilidade pode depender do valor do
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estímulo. Sendo assim, a sensibilidade pode ser contabilizada como a inclinação da reta que define a relação entre a leitura e a grandeza medida.
Ex.: A pressão de 2 bar produz uma deflexão de 10 graus em um transdutor de pressão, a sensibilidade do instrumento é 5 graus/bar, desde que a deflexão seja zero quando aplica-se zero bar.
2.8 - Sensibilidade a Distúrbios
Todas as calibrações e especificações de um instrumento são válidos somente sob condições controladas de temperatura, pressão, etc. Estas condições ambientais padrão são usualmente definidas na especificação do instrumento. Em função da variação das condições ambientais, certas características estáticas dos instrumentos podem se alterar lentamente. Sendo assim, a sensibilidade a distúrbios é uma medida da extensão destas alterações. Tais variações de condições ambientais podem afetar os instrumentos de duas maneiras, conhecidas como deriva (drift ) de zero e deriva de sensibilidade.
A Deriva de Zero descreve o efeito de como a leitura de zero de um instrumento é modificada pela alteração nas condições ambientais. Em um voltímetro, por exemplo, a deriva de zero relacionada à variações de temperatura é dada em Volts/oC. Se o zero deste voltímetro é modificado em funções de outras condições ambientais, outros coeficientes deverão ser determinados.
A Deriva de Sensibilidade ou deriva do fator de escala define o quão a sensibilidade de um instrumento varia em função das condições ambientais. As figuras a seguir exemplificam a existência de deriva de zero, deriva de sensibilidade, e o caso onde ambas acontecem, respectivamente.
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Exercício
Uma balança de mola é calibrada em um ambiente à temperatura de 20 0C com as seguintes características deflexão/carga:
Quando usado em um ambiente à temperatura de 30 0C, obtém-se as seguintes
características deflexão/carga:
Determine a deriva de zero e de sensibilidade por 0C. Solução
A 20 0C - sensibilidade 20 mm/kg; A 30 0C - sensibilidade 22 mm/kg
Tendência (bias) = 5 mm (deflexão a carga zero); Sensibilidade = 2 mm/kg Deriva de zero / 0C = 5 / 10 = 0,5 mm/ 0C; Deriva de sensibilidade / 0C = 2 / 10 = 0,2 (mm/kg)/ 0C.
2.9 - Faixa de indicação e amplitude
A faixa de indicação ou alcance (range ) é o conjunto de valores limitados pelas indicações extremas, ou seja, entre os valores máximos e mínimos possíveis de serem medidos com determinado instrumento.
Por outro lado, a diferença entre o maior e o menor valor de uma escala de um instrumento é denominado amplitude da faixa nominal (span ) ou varredura.
Ex.: Um instrumento capaz de reagir entre 20 e 200 psi tem um span de 180 psi. 2.10 – Resolução
É a menor diferença entre indicações de um dispositivo mostrador que pode ser significativamente percebida. Para um dispositivo mostrador digital, é a variação na indicação quando o dígito menos significativo varia de uma unidade. Este conceito também se aplica a um dispositivo registrador.
2.11 - Zona morta
É o 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 e pode, muitas vezes, ser deliberadamente ampliada, de modo a prevenir variações na resposta para pequenas variações no estímulo.
3.0 – CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DOS INSTRUMENTOS
As características estáticas dos instrumentos se referem somente a medidas em regime permanente. As características dinâmicas, no entanto, descrevem o seu comportamento durante o intervalo de tempo em que a grandeza medida varia até o momento em que o seu valor medido é apresentado. Como nas características estáticas, as características dinâmicas se aplicam somente
quando os instrumentos são utilizados sob condições ambientais especificadas. Fora destas condições de calibração pode-se esperar alterações nestas características dinâmicas. Qualquer sistema de medida linear e invariante no tempo respeita a seguinte relação entre entrada (qi) e saída (q0) em um tempo t maior que zero.
38
Se for considerado que a grandeza a ser medida permanece constante durante o tempo de leitura, então esta equação fica simplificada, podendo ser chamada EQUAÇÃO DINÂMICA.
Simplificações adicionais podem ser consideradas quando esta equação é aplicada a classes típicas de instrumentos.
3.1 - Instrumento de ordem zero
A menos de a0, todos os outros coeficientes da equação dinâmica são iguais a zero.
Onde K é uma constante conhecida como sensibilidade do instrumento, definida anteriormente. Qualquer instrumento que se comporte segundo esta equação é dito ser de ordem zero. Como exemplo, pode-se citar um potenciômetro usado para medir movimento; a tensão de saída muda instantaneamente tão logo a haste do potenciômetro se movimente ao longo de seu curso. Em geral os instrumentos de ordem zero são formados por elementos com características dissipativas, ou seja, são elementos passivos, elétricos ou mecânicos, que não possuem capacidade de armazenamento de energia.
3.2 - Instrumento de primeira ordem
A menos de a0 e a1, todos os outros coeficientes da equação dinâmica são iguais a zero.
Se “d/dt” for substituído pelo operador “D”, tem-se:
Definindo-se K = b0/a0 como sendo a sensibilidade estática e t = a1/a0 como a constante de tempo do sistema, tem-se:
Resolvendo-se analiticamente esta equação, a saída q0 em resposta a um degrau na entrada qi varia de maneira aproximada à figura a seguir. A constante de tempo t da resposta ao degrau é o tempo tomado quando a saída atinge 63% do seu valor final.
40
O termopar é um bom exemplo de instrumento de primeira ordem. Se um termopar à temperatura ambiente for colocado em água fervente, a tensão de saída não irá instantaneamente para o nível de 100oC, mas irá gradativamente conforme mostrado na figura anterior até atingir o seu valor definitivo. Um grande número de instrumentos pertence à classe de instrumentos de primeira ordem e, na maioria destes casos, as constantes de tempo possuem valores reduzidos. É conveniente salientar que em se tratando de sistemas de controle, é de fundamental importância que esta constante de tempo seja levada em consideração. Os instrumentos de primeira ordem são formados por associações de um elemento, elétrico ou mecânico, que possua característica dissipativa e um elemento armazenativo. Ou seja, a energia armazenada em um elemento vai se dissipando em outro, resultando em uma característica exponencial. Elementos elétricos passivos que armazenam energia são os indutores (campo magnético) e os capacitores (campo elétrico), os quais possuem os análogos mecânicos: mola e amortecedor. A perda elétrica por efeito Joule sobre uma resistência tem como análogo mecânico a perdas por atrito.
3.3 - Instrumento de segunda ordem
A resposta a um degrau de um instrumento de segunda ordem se dá de maneira oscilatória amortecida sobre uma exponencial amortecida. Este fato se deve principalmente à presença de pelo menos dois elementos passivos com características armazenativas, responsáveis pela resposta oscilatória (senoidal), e por pelo menos um
elemento dissipativo, responsável pela característica exponencial amortecida. O sensor mais comum que se encaixa nesta classificação é o acelerômetro. Nele, a vibração é sensoreada através do deslocamento observado em um sistema composto por uma mola e um amortecedor. A característica dissipativa é obtida por atrito.
4.0 – CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS
A Calibração de Instrumentos é um conjunto de operações que estabelece, sob condições específicas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões. Muitas vezes o termo Aferição também é empregado com o sentido de calibração; no entanto a tendência é o desuso deste, já que em nível mundial não existe o seu sinônimo em inglês ou em francês como acontece com o termo calibração (CALIBRATION _ou ÉTALONNAGE ).
O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicações, como a determinação das correções a serem aplicadas. Além disto, uma calibração pode, também, determinar outras propriedades metrológicas como o efeito das grandezas de influência. O resultado de uma calibração pode ser registrado em um documento, algumas vezes denominado Certificado de calibração ou Relatório de calibração.
4.1 – Padrão
Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza para servir como referência. Sendo assim, tem-se os seguintes tipos de padrões:
42 Padrão de Referência: Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica
disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do qual as medições lá executadas são derivadas;
Padrão Primário: Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo
as mais altas qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões de mesma grandeza. Este conceito é igualmente válido para grandezas de base e para grandezas derivadas;
Padrão Secundário: Padrão cujo valor é estabelecido por comparação a um padrão
primário da mesma grandeza;
Padrão Internacional: Padrão reconhecido por um acordo internacional para servir,
internacionalmente, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere;
Padrão Internacional: Padrão reconhecido por uma decisão nacional para servir, em
um país, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere;
Padrão de Trabalho: Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar
medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de transferência. Um padrão de trabalho é, geralmente, calibrado por comparação a um padrão de referência. O padrão de trabalho utilizado rotineiramente para assegurar que as medições estão sendo executadas corretamente é chamado Padrão de Controle;
Padrão de Transferência: Padrão utilizado como intermediário para comparar
padrões. O termo dispositivo de transferência deve ser utilizado quando o intermediário não é um padrão;
Padrão Itinerário: Padrão, algumas vezes de construção especial, para ser
transportado entre locais diferentes, como, por exemplo, o padrão de freqüência de césio, portátil, operado por bateria.
4.2 – Rastreabilidade
Propriedade do resultado de uma medição, ou do valor de um padrão, estar relacionado a referências estabelecidas, geralmente padrões internacionais ou nacionais, através de uma cadeia contínua de comparações, Cadeia de Rastreabilidade, todas tendo incertezas estabelecidas. Sendo assim, este padrão pode ser dito Rastreável. A figura a seguir apresenta um esquema de uma cadeia de rastreabilidade.
44
5.0 - GRANDEZAS BASE E PADRÕES ASSOCIADOS
O sistema corrente de unidades - Sistema Internacional (SI) - adotado e recomendado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas, se baseia nas sete unidades de base seguintes.
* Um esterradiano é o ângulo sólido no qual, tendo o seu vértice no centro de uma esfera, corta uma área da superfície desta esfera igual à área de um quadrado cujos lados têm o comprimento igual ao raio da esfera.
Através destas unidades base pode-se obter as chamadas unidades derivadas. 6.0 – MEDIDAS DE PRESSÃO
A pressão é, por definição, a relação entre a força normal exercida em uma superfície e a área desta superfície, por isso, muitas vezes, os métodos de medida de pressão e de força se confundem. A pressão pode ser apresentada de duas formas. A primeira na forma de pressão absoluta, ou seja, referida à pressão zero absoluto. A outra, denominada pressão manométrica, é referida à pressão atmosférica no local da medição. A figura 6.1 a seguir apresenta as escalas de referência para medidas de pressão.
46
De uma maneira geral, pode-se dizer:
A pressão é provavelmente a grandeza física que possua o maior número de unidades empregadas para representá-la. As relações entre as principais são mostradas a seguir. 1 [atm] = 1,03323 [kgf/cm2] = 101325 [Pa] = 10,33 [mmH2O] = 760 [mmHg] = 1,01325 [bar] = 14,70 [psi]
Como a definição de pressão emprega o conceito de força, muitos medidores e transdutores de pressão partem da medição da força sobre um elemento de determinada área. A seguir serão apresentadas algumas técnicas de medição de pressão.
6.1 – Manômetro de Coluna
O manômetro de coluna consiste de um tubo de vidro, normalmente no formato da letra U, contendo em seu interior um fluído específico para cada aplicação (fluído manométrico). Quando se deseja medir pressão absoluta, a pressão desconhecida é aplicada em uma extremidade, fazendo-se vácuo entre a outra extremidade selada e o fluído. Quando este manômetro é utilizado para medir pressão manométrica, ambas as extremidades do tubo serão abertas, estando a outra exposta à pressão atmosférica. Este manômetro também pode ser usado para medir diferenças de pressão - pressão diferencial -, aplicando-se pressões desconhecidas em ambas as extremidades. Tais alternativas são, respectivamente, mostradas na figura 6.2 a seguir:
Figura 6.2
Figura 6.2 – – Alternativas para medição de pressão usando Manômetro de Coluna.Alternativas para medição de pressão usando Manômetro de Coluna.
A diferença entre as pressões aplicadas nas extremidades do manômetro está A diferença entre as pressões aplicadas nas extremidades do manômetro está relacionada com a diferença da altura - h - entre os níveis do fluído através da seguinte relacionada com a diferença da altura - h - entre os níveis do fluído através da seguinte expressão.
expressão.
Onde Onde
Aplicando-se esta fórmula à relação anterior , tem-se P2 igual a zero, pressão Aplicando-se esta fórmula à relação anterior , tem-se P2 igual a zero, pressão atmosférica (1 atm) e pressão desconhecida, respectivamente. A faixa de aplicação atmosférica (1 atm) e pressão desconhecida, respectivamente. A faixa de aplicação deste tipo de manômetro é bastante extensa, já que o fluído manométrico também pode deste tipo de manômetro é bastante extensa, já que o fluído manométrico também pode ser mudado. Normalmente usa-se água, mercúrio ou álcool. Para a medição de grandes ser mudado. Normalmente usa-se água, mercúrio ou álcool. Para a medição de grandes pressões costuma-se empregar mercúrio, para pressões muito baixas utiliza-se álcool. pressões costuma-se empregar mercúrio, para pressões muito baixas utiliza-se álcool. Uma alt
Uma alternativa para ernativa para a a medição de medição de pequenas pressões pequenas pressões é a é a utilização do utilização do manômetromanômetro em uma posição inclinada (vide figura 6.3), aumentando-se o espectro de medição e em uma posição inclinada (vide figura 6.3), aumentando-se o espectro de medição e sensibilidade. A equação a ser utilizada deverá ser corrigida com o seno do ângulo de sensibilidade. A equação a ser utilizada deverá ser corrigida com o seno do ângulo de inclinação:
48 48
Figura 6.3
Figura 6.3 – – Manômetro em posição inclinada para medições de pequenas pressões.Manômetro em posição inclinada para medições de pequenas pressões.
A figura 6.4
A figura 6.4 a seguir apresenta alguns a seguir apresenta alguns modelos de manômetros de modelos de manômetros de coluna comerciais.coluna comerciais.
Figura 6.4
Figura 6.4 – – Exemplos de Manômetros de Coluna comerciaisExemplos de Manômetros de Coluna comerciais
Para automatizar a medida de pressão em um manômetro de coluna com mercúrio, Para automatizar a medida de pressão em um manômetro de coluna com mercúrio, pode-se usar uma ponte de Wheatstone com duas resistências externas conectadas pode-se usar uma ponte de Wheatstone com duas resistências externas conectadas por um cabo de alta resistência, como mostrado a seguir na figura 6.5.
Figura 6.5
Figura 6.5 – – Manômetro de coluna com ponte de wheatstoneManômetro de coluna com ponte de wheatstone
Chamando r de RW / RREF, a pressão desconhecida poderá ser obtida pela medida da Chamando r de RW / RREF, a pressão desconhecida poderá ser obtida pela medida da tensão de saída Vo:
tensão de saída Vo:
6.2
6.2 – – Manômetro de Peso MortoManômetro de Peso Morto
O manômetro de peso morto é um instrumento de zero central, onde massas calibradas O manômetro de peso morto é um instrumento de zero central, onde massas calibradas são colocadas na plataforma de um pistão até que duas marcas de referência fiquem são colocadas na plataforma de um pistão até que duas marcas de referência fiquem adjacentes. Neste ponto, a força peso exercida pelas massas se iguala à força exercida adjacentes. Neste ponto, a força peso exercida pelas massas se iguala à força exercida pela pressão sobre a superfície interna do pistão. Infelizmente este instrumento não é pela pressão sobre a superfície interna do pistão. Infelizmente este instrumento não é muito adequado para aplicação industrial mas, por permitir medidas com alto grau de muito adequado para aplicação industrial mas, por permitir medidas com alto grau de exatidão, é muito usado como padrão em laboratórios. A figura 6.6 ilustra o esquema de exatidão, é muito usado como padrão em laboratórios. A figura 6.6 ilustra o esquema de
50 50
um manômetro de peso morto, bem como exemplos de manômetros de peso morto um manômetro de peso morto, bem como exemplos de manômetros de peso morto comerciais.
comerciais.
Figura 6.6
Figura 6.6 – – Manômetro de peso morto utilizado em laboratórios para calibração deManômetro de peso morto utilizado em laboratórios para calibração de
instrumentos. instrumentos. 6.3
6.3 – – Manômetro de BourdonManômetro de Bourdon
O manômetro de Bourdon é um transdutor de pressão empregando elemento elástico O manômetro de Bourdon é um transdutor de pressão empregando elemento elástico que é muito comum no meio industrial. Consiste basicamente de um tubo curvo, flexível que é muito comum no meio industrial. Consiste basicamente de um tubo curvo, flexível e de seção transversal oval, tendo sua tomada de pressão em uma de suas e de seção transversal oval, tendo sua tomada de pressão em uma de suas extremidades, fixada, sendo a outra selada e livre para se movimentar. Quando a extremidades, fixada, sendo a outra selada e livre para se movimentar. Quando a pressão é aplicada em sua entrada, a seção oval vai se tornando circular, havendo pressão é aplicada em sua entrada, a seção oval vai se tornando circular, havendo então uma deflexão da extremidade do tubo. Medindo-se esta deflexão pode-se inferir então uma deflexão da extremidade do tubo. Medindo-se esta deflexão pode-se inferir sobre o valor da pressão. Isto é feito empregando-se um transdutor de deslocamento, sobre o valor da pressão. Isto é feito empregando-se um transdutor de deslocamento, ou mais simplesmente, associando-se um ponteiro à extremidade móvel do tubo. A ou mais simplesmente, associando-se um ponteiro à extremidade móvel do tubo. A figura 6.7 a seguir ilustra o exposto.
Muitas vezes o manômetro de Bourdon vem preenchido com um líquido viscoso com a finalidade de diminuir o efeito oriundo de vibrações da máquina ou linha onde está instalado, bem como para manter lubrificada as partes internas do mesmo.
Pode-se também encontrar manômetros de Bourdon de precisão, usados como padrão. Possuem, neste caso, escalas maiores, com um maior número de divisões, resultando em alta resolução, como mostram a figura 6.8.
Figura 6.7 – Esquema de Manômetros de Bourdon e Manômetros de Bourdon
52
Figura 6.8 –Manômetros de Bourdon comerciais de precisão.
6.4 – Transmissores de Pressão
Os transmissores, em geral, são uma junção de um elemento transdutor e um circuito de transmissão de sinal, seja este sinal em tensão, corrente, freqüência ou outros. A seguir serão apresentadas várias tecnologias empregadas na construção de transdutores de pressão.
6.4.1 - Sensores (Transdutores) Capacitivos
Os sensores capacitivos são encontrados em configurações típicas, normalmente em um encapsulamento compacto contendo duas superfícies metálicas paralelas e eletricamente isoladas, uma das quais sendo um diafragma capaz de fletir a uma dada pressão aplicada. O diafragma deve ser construído com material de baixa histerese ou ligas de vidro e cerâmica. Estas duas superfícies, que se comportam como as placas do capacitor, são montadas de modo que a uma pequena flexão mecânica, causada pela aplicação de uma pressão, altera o espaço entre elas criando o efeito de um capacitor variável. A alteração da capacitância deve ser detectada por um circuito comparador bastante sensível e amplificado para sinais proporcionais de alto nível. A figura 6.9 abaixo mostra o esquema de um transdutor capacitivo.
Figura 6.9 – Esquema de um Transdutor Capacitivo.
Sabe-se que a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser expressa em função da área (A) da placa e da distância (d) que as separa como:
Onde ε
considerado que pelo menos uma das placas esteja fixa e que a outra sofra deflexão em função da pressão submetida, resulta em uma variação da distância entre as placas e, em última análise, da capacitância do elemento. Sendo assim, ao submeter este sensor a uma ponte de corrente alternada, pode-se detectar a variação da pressão como uma função da variação da capacitância do sensor. A figura 6.10 mostra transdutores de pressão capacitivos comerciais.
54
Figura 6.10 –Transdutores Capacitivos de pressão comerciais.
6.4.2 - Sensores (Transdutores) Piezoresistivos
Os sensores piezoresistivos (STRAIN-GAUGE) são fabricados usando técnicas de processamento do silício, comuns na indústria de semicondutores. Por esta razão, grande parte da tecnologia dos semicondutores é empregada em sua fabricação. Os sensores piezoresistivos são também freqüentemente denominados sensores integrados, sensores de estado sólido, sensores monolíticos (formados de um único cristal de silício) ou, simplesmente, sensores de silício. Este sensor parte do princípio da deformação de uma estrutura quando sujeita a uma força. Como mostrado na figura 6.11 a seguir.
Figura 6.11 – Atuação de forças de tração e compressão deformando blocos de
Nesta figura tem-se uma estrutura livre de forças externas, sofrendo tração e compressão, respectivamente. A pressão descreve a intensidade da força – STRESS –
em uma estrutura por unidade de área (P=F/A), enquanto a tensão – STRAIN_ –
descreve a deformação como uma variação incremental no comprimento (DL/L). A resistência de uma barra retangular de comprimento L e área de seção A, com resistividade volumétrica r é dada por R=Lr/A. Tomando
as derivadas parciais, tem-se:
Rearranjando teremos:
Quando há uma deformação longitudinal haverá também uma deformação na seção do strain gauge segundo a relação de Poisson. Para pequenas tensões a deformação da área é o dobro da deformação radial:
56
O coeficiente de Poisson varia de 0,25 a 0,35 para a maioria dos metais, de modo que a sensibilidade do strain gauge (G) será da ordem de 1,5 a 2,5. Algumas ligas podem possuir sensibilidades variando de 0,5 a 6, podendo ser até 150 para semicondutores. Sendo assim, a pressão à qual uma estrutura está sujeita poderá ser determinada pela variação da resistência de um sensor. Na maioria dos sensores, quatro resistores são integrados formando uma ponte de
Wheatstone, de modo que dois resistores aumentam sua resistência e dois diminuem com o aumento ou decréscimo da pressão aplicada. A figura 6.12 a seguir apresenta uma configuração de resistor integrado e o sensor.
Figura 6.12 – Detalhes construtivos de um instrumento STRAIN – GAUGE com resistor
integrado.
Quando se deseja medir a intensidade de uma força, bem como a sua direção, usa-se STRAIN-GAUGES estrategicamente posicionados em direções diferentes
A direção e intensidade da força serão obtidas a partir da decomposição das deformações nos eixos coordenados. A figura 6.13 a seguir apresenta o aspecto construtivo de um transdutor de pressão integrado. O deste tipo de dispositivo é o estado da arte na medição de pressão e suas derivações nas medidas de nível de vazão.
Figura 6.13 – Dispositivo à base de processamento de silício para medição de Pressão.
Os transmissores de pressão encontram larga aplicação na indústria, com saídas em corrente, tensão, freqüência ou em barramento. Alguns incorporam recursos de apresentação numérica em Display do valor da medida. A figura 6.14, ilustra alguns exemplos de medidores de Pressão Comerciais.
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Figura 6.14 – Medidores de Pressão Comerciais.
6.4.3 - Medidas de pressão diferencial
A medição de pressão diferencial é de suma importância em processos industriais. As suas maiores aplicações se encontram, principalmente, na medição de vazão onde se utilizam dispositivos do tipo placas de orifício, bocais e venturis, uma vez que fornecem o valor da vazão como uma função da pressão diferencial medida. A estrutura interna de um sensor diferencial se assemelha muito à dos sensores convencionais considerando-se apenas que, nestes últimos, um único diafragma é submetido apenas à pressão desconhecida. Nos sensores diferenciais, por outro lado, pode-se ter um ou dois diafragmas sujeitos às pressões que se deseja conhecer a diferença.
A fim de proteger as membranas ou diafragmas dos transdutores, normalmente emprega-se um conjunto de registros (Manifolds ) que, sendo convenientemente operados, limitam a sobre-pressão impostas nestes elementos pelas operações
rotineiras do processo industrial. A figura 6.15 mostra um esquema de medição diferencial de pressão com a utilização de Manifolds.
Figura 6.15 – Esquema para medição de Pressão Diferencial usando Manifolds.
Um tipo especial de sensor diferencial que dispensa o uso de Manifold é o sensor capacitivo apresentado na figura 6.16 a seguir. Nesta concepção, a sobrepressão é limitada por batentes, evitando o rompimento de diafragmas, provocando uma saturação do sinal de saída.
60
O diafragma sensor colocado no centro da célula é, na verdade, uma placa móvel de um capacitor. Esta deflete em função das pressões aplicadas à direita e à esquerda do sensor, sobre os diafragmas isoladores, transmitidas através do fluído de preenchimento, que é incompressível. Considerando CH e CL como capacitâncias de placas planas, de mesma área paralelas, medidas entre a placa fixa e o diafragma sensor, tem-se:
Onde e é a constante dielétrica do meio, d é a distância entre as placas fixas e d é a
deflexão sofrida pelo diafragma sensor devido à aplicação da pressão diferencial DP. 7.0 – MEDIDAS DE VAZÃO
A medição de vazão é uma das tarefas mais importantes em vários processos industriais, principalmente nos setores químico e petroquímico – onde possuem um
papel fundamental sobre a receita e a produtividade da empresa –, papel e celulose,
alimentício, água e esgoto, energia e outros.
De uma maneira geral a vazão pode ser definida como vazão volumétrica e vazão mássica. A vazão volumétrica trata do fluxo de um determinado volume em um intervalo de tempo, enquanto a vazão mássica trabalha com o fluxo de uma massa em um determinado intervalo de tempo. Assim:
Vazão mássica:
Enquanto a primeira é dada em metros cúbicos por segundo (m3/s), litros por segundo (l/s) e outros, a segunda é dada em quilos por segundo (kg/s), toneladas por hora (t/h) e outras. No entanto, uma vazão pode ser relacionada à outra, uma vez que a massa está relacionada ao volume, através da densidade. Dessa forma, tem-se:
A maioria dos medidores parte da medida da velocidade do fluído ou da variação da energia cinética para determinar o valor da vazão. A velocidade, por sua vez, depende da diferença de pressão atuante sobre o fluído que o faz atravessar uma tubulação, um canal ou um conduto. Uma vez definida a área da seção transversal, A, pode-se obter a vazão através da velocidade média do fluído, v.
ou, quando a velocidade é variável ao longo da área da seção.
62
A figura 7.1 a seguir mostra como o perfil do escoamento de um fluído varia ao longo da seção transversal de um turbo ou canal, em condições de escoamento laminar ou turbulento.
Figura 7.1 – Tipos de escoamento de um fluido em uma tubulação.
O engenheiro e cientista inglês Osborne Reynolds descobriu que, ser um escoamento laminar ou turbulento, depende apenas da relação entre as forças inerciais e as forças de origem viscosa (arraste e fricção). Considerando ainda velocidade média do escoamento (v) e uma dimensão característica (D), resulta em um número adimensional denominado número de Reynolds:
Onde m é a viscosidade e r é a densidade. A dimensão característica é quatro vezes o raio hidráulico dado pela relação entre área da seção e o perímetro molhado que se encosta à parede do tubo ou canal. Para tubulações pressurizadas a dimensão característica é o seu próprio diâmetro. Vale lembrar que m/ é a chamada viscosidade
cinemática. Escoamentos laminares apresentam número de Reynolds menor que 2000, enquanto valores maiores que 2000 são usualmente turbulentos. Na verdade, a transição entre laminar e turbulento não ocorre em um valor específico de número de Reynolds, mas em uma faixa que começa entre 1000 e 2000 e se estende até entre 3000 e 5000. Características físicas tais como estado da matéria, número de Reynolds,
viscosidade, densidade, temperatura, velocidade média, além do tipo de medida desejada, restrições mecânicas, processo, meio de medição e outros irão pesar decisivamente na seleção do melhor método de medida de vazão.
7.1 – Bocais, Venturis e Placas de Orifício
Neste sistema a vazão é obtida provocando-se o estrangulamento das tubulações, conforme é mostrado na figura 7.2 (ponto 2). Uma vez que a vazão permanece constante, a velocidade no ponto 2 terá que aumentar, reduzindo-se a pressão. A vazão será, então, obtida a partir da diferença de pressão verificada. O estrangulamento nas tubulações deve ser feito em trechos retos dos condutos, onde o escoamento não sofre as influências das singularidades colocadas a montante e a jusante do medidor.
Considerando-se que a velocidade do fluido é suficientemente subsônica e desprezando-se as perdas, pode-se aplicar a expressão de Bernoulli (princípios da conservação da massa) para fluidos incompressíveis entre os pontos 1 e 2 e tendo por base a figura 7.2 a seguir, temos a relações de vazão em função da variação da pressão nas duas seções do conduto:
Figura 7.2 – Arranjo do estrangulamento de tubulações para determinação da vazão em
64
Com as tomadas de pressão no centro da tubulação, tem-se que z1 é igual a z2, cancelando-se as parcelas. Tomando-se os diâmetros no ponto 1 e 2, iguais a D1 e D2, respectivamente, a diferença de pressão será:
Considerando os coeficientes constantes pertinentes a cada arranjo de tubulação em particular, temos:
As figuras 7.3, 7.4, 7.5 e 7.6 mostram alguns arranjos possíveis para medição de vazão por diferencial de pressão.
Figura 7.3 – Venturi Curto.
66
Figura 7.4 – Diafragma em Placa de Orifício.
Um outro sistema de medida de vazão baseado em pressão diferencial é o chamado V-CONE; a característica fundamental para este tipo de medição de vazão é a imposição do condicionamento do fluxo anterior à medida, desta forma o V-CONE pode ser aplicado para diferentes perfis de escoamento. A figura 7.5, 7.6 e 7.7 mostram as características de instalação e de tomada de pressão para medição da vazão. A exatidão de um V-CONE é da ordem de 0,5%, com repetibilidade de 0,1% e faixa de medição de 10:1 ou maior. Pode ser disponibilizado em tamanhos de ½” a 120”. O V
-CONE é utilizado na medição de óleo, gás natural, nos controles de processos em geral e sistemas de saneamento. A grande vantagem deste sistema são os baixos custos de manutenção por não existirem partes móveis.
Figura 7.5 – Instalação do V-CONE em tubulações para qualquer tipo de escoamento.
Figura 7.6 – Detalhe de uma tomada de pressão em um V-CONE .
