Modelos de Instrumentação. Sensores/Transmissores. Válvula de Controle

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1 Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF Modelos de Instrumentação Outros Processos de Sensores/Transmissores Separação Válvula de Controle Prof a Ninoska Bojorge Sumário Estrutura do Controle Feedback Variáveis Perturbação setpoint Controlador Atuador PROCESSO Variável manipulada Variável controlada Sensor Tipos de sensores Princípios dos sensores Seleção do sensores Filtração de ruídos

2 Introdução INTRODUÇÃO AO SENSOR Que é um Sensor? Sensor é um dispositivo que converte a grandeza física para um sinal que pode ser reconhecido por outros componentes, como transmissor de exibição, etc.. Variável física Medição Sensor (T, P, F, L, x, ) (V, ma, psig, ) Tipo de Sensor Temperatura: termopar, RTD, termistor Pressão: fole, Tubo Bourdon, diafragma, Capacitivo,... Vazão: orifício, Venturi, magnético, ultrassónico, Efeito Coriolis Nível de liquido: boia, pressão diferencial ph: eletrodo de ph Composição: densidade, condutividade, GC, IR, NIR, UV, biossensores Sistema de Instrumentação Sensor -Transdutor Quantidade medida (variável de processo) Elemento sensitivo Transdutor Transmissor (gerador de sinal/line driver) Sinal transmitida (ao controlador) Um processo típico de um sensor- transdutor A figura ilustra a configuração geral de um transdutor de medição, que geralmente consiste em um elemento de detecção combinada com um elemento de condução (transmissor).

3 Desde 1960, instrumentação eletrônica entrou em uso generalizado Sensor Nesta aula veremos brevemente os sensores comumente usados para as variáveis de processo mais importantes. Transmissor Um transmissor normalmente converte a saída do sensor a um nível de sinal adequado para a entrada de um controlador, tal como 4 a 20 ma. Os transmissores são geralmente destinado a ser de ação direta. Além disso, os transmissores mais comerciais têm um intervalo de entrada ajustável. Por exemplo, um transmissor de temperatura pode ser ajustada para que o intervalo de entrada de um elemento de resistência de platina (o sensor) é de 50 a 150 C ª Sistema de Instrumentação SINAIS DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO Transdutor: Sensor + Transmissor Transmissor gera um sinal padrão industrial a partir da saída do sensor. Níveis de sinais padrões de instrumentação: Pneumático: 3-15psig Voltagem: 1~5VDC, 0~5VDC, -10~+10VDC, etc. Corrente: 4~20mA (transporte a longa distância ) Digital: 0 / 1 Conversão de sinal Transdutor I/P ou P/I : corrente-a-pressão ou vice-versa I/V (I/E) ou V/I: corrente-a-voltagem ou vice-versa P/E ou E/P: pressão-a-voltagem ou vice-versa Convertedor Analógico-a-Digital (A/D) Sinal Continuo convertido a sinal digital depois de amostragem Especificação: taxa de amostragem, resolução (8bit, 12bit, 16bit)

4 Sistema de Instrumentação Diagrama de blocos de uma combinação sensor-transdutor VP (s) Variável do Processo (T, P, F, L, x, ) H (s) C (s) Saída do transdutor (V, ma, psig, ) H ( s) = C( s) K H = VP ( s ) τ s + 1 H onde: K H = Ganho do transdutor possui unidades τ H = Constante de tempo do transdutor, [tempo] ª Parâmetros do sensor Ganho do transmissor (K H ): ajustável O ganho (ou sensibilidade) é a razão da variável do sinal de saída (leitura) para variação no sinal de entrada, após atingir estado estacionário: razão = span saída span entrada Span e Zero: ajustáveis Span: magnitude do alcance do sinal do transdutor Zero: limite inferior de sinal do transdutor

5 Parâmetros do sensor Ex) Transdutor de Temperatura Entrada Saída 50 C 4 ma 150 C 20 ma (20 ma 4mA ) K H = = (150 º C 50 º C ) 0,16 [ ma Curva de calibração do transmissor de temperatura /º C ) Parâmetros do sensor O ganho do elemento de medição é de 0,16 ma / C. Para qualquer instrumento linear: K H = faixa saída instrumento faixa entrada instrumento ª

6 Parâmetros do sensor SENSORES DE TEMPERATURA Expansão térmica Gás Líquido Bimetal çã º -230~ ~350-50~500 çã N2 Óleo Resistência PT-100 Termistor 200~600 <300 Exato, linear, autoaquecimento, Baratos, impreciso, não-linear EMF Termopar -200~1600 Baixa sensitividade sensor temperatura CI Radiação Pirômetro ótico Muito ampla -100~150 Alta voltagem, preciso, linear Sem contato, necessidade de calibração precisa Parâmetros do sensor Tipos de Termopar Cromel-Alumel (tipo K): mais popularmente usado O Ferro-Constantan (tipo J): maior FEM Cromel-Constantan (tipo E): temperatura criogênica Rh 13%. Pt - Pt (tipo-r): a alta temperatura (> 900 º C) FEM típica é 0,041mV / ºC para o tipo K - Precisa de amplificação de sinal A união fria pode ser um banho de gelo ou um dispositivo eletrônico para compensar a temperatura ambiente.

7 Tipos de Termopar Tipo Faixa ºC Fem (mv/ C) B (platina/rodium) 100~ E (Cromel / Constantan) -270~ J (Iron / Constantan) -210~ K (Chromel / Alumel) -270~ N (Nicrosil / Nisil) -260~ R (Platinum / Rhodium) -50~ S (Platinum / Rhodium) -50~ T (Copper / Constantan) -270~ B,R,S: de alta temperatura. baixa sensibilidade, alto custo T (Cu / Constantan) -270~ S: muito estável, utiliza como padrão de calibração para o ponto de fusão do ouro ( C). N: tipo K melhorado, ficando cada vez mais popular T: uso criogenico Ref:

8 DETECTOR DE TEMPERATURA À RESISTÊNCIA (RTD) DETECTOR DE TEMPERATURA À RESISTÊNCIA (RTD) mudanças de resistência devido a mudanças de temperatura. Platina (Pt100) é amplamente utilizada. Cobre (Cu) e tungstênio (W) são usados às vezes. (ASME / ºC, JIS / ºC) A distância entre o sensor e o conversor deve ser considerado. - Conexão de fio tem resistência e devem ser compensados Vantagens - Robusto - Alta precisão (~ +/- 0,01 º C) - Uma boa repetibilidade ª Desvantagens - Requer um conversor de resistência ao sinal elétrico - preço mais elevado que do termopar - Tamanho da haste limita seu uso em locais estreitos Sensor Vantagens Desvantagens Termopar RTD Auto-alimentação Simples Robusto Barato Ampla variedade Ampla faixa Mais estáveis e precisas Área sensitiva Mais linear que termopar Mais repetitivos resistentes a contamin. Não-linear Baixa tensão Referência Exigido Menos estável Menos sensível Caro Necessidade de fonte de corrente tempo de resposta grande Baixa sensibilidade à T pequena Autoaquecimento Termistor infravermelhos Alta saída Rápido Económico Dois fios de medição ohms Nenhum contato requerida Muito rápido tempo de resposta Boa estabilidade Alto nível de repetição Não afeita corrosão / oxidação não linear faixa limitada Frágil Auto-aquecimento Fonte de corrente necessária Alto custo inicial Mais complexo/ suporte eletrônico Tamanho do spot limita aplicação variações de emissividade afetam as leituras Precisão afetadas por poeira, fumaça e radiação de fundo

9 Sensor de Pressão Existem duas categorias básicas de sensores analógicos de pressão Tipos Coletores de Força :Estes tipos de sensores de pressão geralmente usam um coletor de força (como um diafragma, pistão, tubo de Bourdon, ou foles) para medir a tensão (ou deformação), devido à força aplicada (pressão) sobre uma área dada. Tipos geram sinais Piezoresistivo: Usa o efeito piezo de medidores de tensão ligados ou formados para detectar tensão devido à pressão aplicada. Tipos de tecnologia comuns são silício (monocristalino), películas finas de polisilicone, etc. Geralmente, os medidores de tensão estão ligados para formar um circuito de ponte de Wheatstone para maximizar a saída do sensor e reduzir a sensibilidade a erros. Esta é a tecnologia de detecção mais comumente empregado para medição de pressão de uso geral. Geralmente, essas tecnologias são adequados para medir Pabs, vácuo e pressão diferencial. Sensor de Pressão Capacitivo O deslocamento do diafragma devido à variação de pressão resulta em aumento da capacitância de um e diminuição de outro. E um circuito oscilador pode detectar essa variação. Tecnologias comuns usam um metal, cerâmica e diafragmas de silício. Geralmente, essas tecnologias são mais aplicadas a baixas pressões (Absoluta, Diferencial e Gauge) Eletromagnético Mede o deslocamento de um diafragma por meio de mudanças na indutância (relutância). Piezoelétrico Utiliza o efeito piezelétrico, em certos materiais tais como o quartzo para medir a tensão sobre o mecanismo de detecção, devido à pressão. Esta tecnologia é geralmente utilizada para a medição das pressões altamente dinâmicas. Potentiomêtrico Utiliza o de um movimento ao longo de um mecanismo de células resistiva para detectar a deformação provocada pela pressão aplicada.

10 Sensor de Pressão Ótico As técnicas incluem a utilização da mudança física de uma fibra ótica para detectar a deformação devido à pressão aplicada. Nos transdutores óticos, uma lente conectada ao diafragma aumenta ou diminui a intensidade de luz, emitida por uma fonte (led), que um fotodiodo recebe. E um circuito eletrônico completa o dispositivo. Piezoresistivo Sensor de Pressão Transdutor de pressão eletrônico linear com a faixa de medição de 0 a 200 psig % ST e(t), ma K H = 0 (20 ( P, psig 4) ma 0) psig = 16mA 200 psig = 0,08mA / psig

11 Medidor de Pressão Um sensor de pressão diferencial que mede a pressão diferencial, P, através de um orifício. De modo ideal, a pressão diferencial é proporcional ao quadrado da veloc.do fluxo volumétrico, f.. Isto é: 2 f α P Sinal de saída, %, a partir de um transdutor de P diferencial para medir o fluxo volumétrico, para uma faixa de 0 - f máx : Por tanto, C Km= 100 = ( f dc df máx 2 ) f 2 2(100) = 2 ( f ) máx f Medidor de Vazão (1) Célula de pressão diferencial P : Delta P através do orifício A 1 : área de vazão da tubulação A 2 : área do orifício Cd: coeficiente do orifício Máxima queda de pressão deve ser menor que 4% da pressão total da linha. Seleção do tamanho do orifício e faixa do P é muito importante para a precisão da leitura.

12 Medidor de Vazão (2) Medidor de Vazão Tipo Vortex Usados na medição de vazão de líquidos de baixa viscosidade, gases e vapor (saturado e superaquecido),e tem como principal característica, a ausência de partes móveis em contato com o fluido, baixa perda de carga e boa exatidão. Dispõem de unidades eletrônicas versáteis diversas opções de sinais de saídas típicos na instrumentação. O medidor de vórtice utiliza um sensor de cristal piezoelétrico para detectar a pressão exercida pelos vórtices na a asa de sensoriamento. O cristal piezoelétrico converte este vórtices de frequência em sinais elétricas. Medidor de Vazão Eletromagnética líquido condutor de eletricidade que passa por um campo magnético criado pelo dispositivo. Medidor de Vazão (3) FLUXÔMETRO CORIOLIS - A vazão é medida por efeito Coriolis (1835) - Vazão mássica ou volumétrica, temperatura e densidade são simultaneamente medidos. Nos medidores de tubos de fluxo duplo, o fluido de processo que entra no sensor é dividido e metade do fluido passa através de cada tubo. Durante o funcionamento, uma bobina impulsora é energizada, fazendo com que os tubos oscilem em oposição um ao outro.

13 Medidor de Vazão (3) FLUXÔMETRO CORIOLIS - A vazão é medida por efeito Coriolis (1835) - Vazão mássica ou volumétrica, temperatura e densidade são simultaneamente medidos. As bobinas captoras são montadas nas laterais de um dos tubos e os ímãs são montados nas laterais do tubo de fluxo oposto. Cada bobina se move através do campo magnético uniforme do ímã adjacente. A tensão gerada por cada bobina captora cria uma onda senoidal. Como os ímãs são montados num tubo e as bobinas no tubo oposto, as ondas senoidais geradas representam o movimento de um tubo em relação ao outro Medidor de Vazão (4) Medidor de Vazão Ultra-sônico - Alta precisão - Sem contato com o fluxo Medidor de Vazão de Deslocamento Positivo - turbina, engrenagem, rodas Medidor de Vazão Termal Dispersão - Fluxo de superaquecimento da bobina será a mudança de temperatura

14 Medidor de Nível Flutuador sensor de nível Sensor de nível ultra-sônico Uso de célula DP - Cabeça de fluido como medida Delta P - Várias implementações: Outros medidores Medição de composição Caro tempo de atraso Alto custo de manutenção Instrumentos: -Cromatografia Gasosa - IR, NIR, Raman, espectrofotômetro UV - Sensor de eletrodo de ph: a concentração de [H +] - oxigênio dissolvido, condutividade, etc. Medições Secundária - Densidade ou temperatura para a composição binária Sensores Soft/virtuais - estimado por um modelo baseado em outras medições

15 Outros medidores Malha fechada de controle NIR Medição de propriedades usando NIR - Composição ou conteúdo. Umidade Gordura Proteína Açúcar Nicotina Cafeína Etc. - Dimensões físicas Peso do revestimento Espessura do filme Etc. Assim, Os elementos primários de medição têm por função medir alguma propriedade do sistema e convertê-la em um sinal que possa ser utilizado para controle. Tipicamente, o sensor e o transmissor estão localizados perto do processo, e por isso são denominados "elementos de campo. Existem diversas padronizações para o envio de sinais a um sistema de controle. O padrão pneumático (pressões de ar de 0,2 a 1,0 kgf/cm 2 ou de 3 a 15 psi), ainda são usuais, mas c/ tendência de desuso. O padrão eletrônico consiste em sinais de corrente de 4 a 20 ma. O padrão digital - o protocolo Fieldbus de comunicação digital, em que os elementos de campo trocam informações entre si.

16 Atuadores Controlador Atuador PROCESSO Sensor O que é o atuador? - Conversor D / A, os tipos de válvulas - características das válvulas de controle Elementos finais de controle Cada malha de controle de processo contém um elemento de controle final (atuador), o dispositivo que permite que uma variável do processo para ser manipulada. Para a maioria dos processos químicos e refino de petróleo, os elementos de controle final (geralmente, válvulas de controle) ajustam as taxas de fluxo de materiais e, indiretamente, as taxas de transferência de energia e de matéria para o processo.

17 ATUADOR e CONVERSOR Atuador Mecanismos que alteram a grandeza controlada, ou seja, transformam energia elétrica ou de pressão de fluidos em mecânica, com o objetivo de realizar um determinado trabalho. Classificação: Elétricos; Pneumatico; Hidraulico. ATUADOR e CONVERSOR Conversor Digital-Analógico (D/A e A/D; I/P, P/I, etc.) D/A :O sinal digital é convertido em sinal contínuo e guarda o sinal até que o sinal seja alterado (delta t). Especificação: delta t, resolução (8bit, 12bit, 16bit)

18 Válvulas de Controle Existem muitas maneiras diferentes de manipular os fluxos de materiais e energia dentro e fora de um processo, por exemplo, a velocidade de uma bomba, inversores de frequências, ou um transportador pode ser ajustado. No entanto, um método simples e amplamente utilizado para realizar este resultado com fluidos é a utilização de uma válvula de controle, também chamada de válvula de controle automático. A válvula de controle inclui o corpo da válvula, haste, sede, e atuator. ª Válvulas pneumáticas são usadas largamente na indústria. Sua dinâmica é ignorada quando o tempo de atuação é bem menor do que o tempo de resposta do processo.

19 A função de transferência de uma válvula de controle em conjunto com um atuador pneumático pode ser expressa como uma função de primeira ordem, que inclui a dinâmica do atuador com diafragma e o corpo da válvula G AT = X ( s) V ( s) K = 1+τ AT AT. s Sinal de atuação diafragma haste mola Indicador de posição de válvula obsturador sede Partes de uma válvula de controle pneumática (ar-para-abrir). ª

20 Válvulas de Controle Air-to-Open vs. Air-to-Close Control Valves Normalmente, a seleção de válvulas A-O ou A-C é baseada em considerações de segurança: Um dos aspectos importantes na especificação de uma válvula de controle é a sua posição de falha, ou seja, sua posição na ausência do sinal de controle externo. Esta especificação é geralmente ditada pela segurança do processo. Em algumas aplicações, como no suprimento de vapor para um aquecedor, é desejável que a válvula feche na falta de um sinal de comando: esta válvula é chamada de falha-fecha ou ar-paraabrir. Em outras situações, a segurança do processo exige a abertura da válvula em caso de falha do sistema: falha-abre ou ar-parafechar. Válvulas de Controle Air-to-Open vs. Air-to-Close Control Valves AR PARA FECHAR (A.F.) OU FALHA ABRE (F.A.) Com o aumento da pressão de ar na cabeça da válvula, a haste do atuador desloca-se de cima para baixo até provocar o assentamento do obturador na sede, fechando a válvula. Com a diminuição da pressão do ar, a haste se deslocará de baixo para cima, abrindo a válvula. AR PARA ABRIR (A.A.) OU FALHA FECHA (F.F.) Com o aumento da pressão de ar na cabeça da válvula, a haste do atuador desloca-se de baixo para cima, provocando a abertura da válvula. Com a diminuição da pressão do ar, a haste se deslocará de cima para baixo até provocar o assentamento do obturador na sede, fechando a válvula. VÁLVULA DE AÇÃO DIRETA, Kv<0 VÁLVULA DE AÇÃO REVERSA, Kv>0

21 Válvulas de Controle Air-to-Open vs. Air-to-Close Control Valves Entrada de Ar movimento do eixo com o aumento da pressão de ar Entrada de Ar movimento do eixo com o aumento da pressão de ar retração da mola, ar para fechar, normalmente aberto VÁLVULA DE AÇÃO DIRETA, Kv<0 Extensão da mola, ar para abrir, normalmente fechada VÁLVULA DE AÇÃO REVERSA, Kv>0 Válvulas de Controle Ação Reversa FALHA FECHA (F.F.) Ar para Abrir

22 Válvulas de Controle Air-to-Open vs. Air-to-Close Control Valves A ação da válvula determina o sinal do ganho da válvula Válvula de ar para abrir tem um ganho positivo. Válvula de ar para fechar tem um ganho negativo. Fórmulas que relacionam a posição da válvula com a saída do controlador (valores estacionários) : Ar para abrir: Ar para fechar: m vp = 100 m vp = Tipos de Válvulas de Controle Geometrias mais comuns para válvulas de controle

23 Características de uma válvula de controle Curvas características A curva em que o eixo das abscissas é a abertura de uma válvula de controle e o eixo das ordenadas é a vazão resultante é chamada curva característica da válvula. Em geral, ambos os termos são tomados como percentuais do valor máximo. A curva pode ser levantada em laboratório, mantendo-se a pressão constante entre os pontos imediatamente antes e depois da válvula (característica de vazão inerente) ou instalando-se a válvula no local de utilização e permitindo-se que essa pressão varie livremente (característica de vazão instalada). Os catálogos dos fabricantes sempre trazem a primeira curva. Características de uma válvula de controle Curvas características As válvulas podem ser classificadas em três tipos, de acordo com a curva característica de vazão: linear, cuja curva característica é, aproximadamente, uma linha reta. de igual porcentagem, cuja curva característica é, aproximadamente, uma parábola com a concavidade voltada para cima. de abertura rápida, cuja curva característica é, aproximadamente, uma parábola com a concavidade voltada para baixo.

24 Rangeabilidade Por definição, a rangeabilidade da válvula de controle é a relação matemática entre a máxima vazão sobre a mínima vazão controláveis com a mesma eficiência. É desejável se ter alta rangeabilidade, de modo que a válvula possa controlar vazões muito pequenas e muito grandes, com o mesmo desempenho. Capitulo 5 Smith e Corripio Intech Edição 74, Transmissores de Pressão: sensores, tendências, mercado e aplicações, César Cassiolato, 2005 Controle&Instrumentação - Edição nº 106, O Brasil quebrando as barreiras tecnológicas com a inovação Transmissores de Pressão César Cassiolato,