SISTEMAS DE CONTROLE DE PROCESSOS

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1 SISTEMAS DE CONTROLE DE PROCESSOS PACOTE DE ATIVIDADES DE APRENDIZADO MEDIçÕES DE NÍVEL TM 2 B270-XD-P

2 PACOTE DE ATIVIDADES DE APRENDIZADO 6 MEDIÇÕES DE NÍVEL INTRODUÇÃO Nível é uma das variáveis de processo mais freqüentemente medidas. Alguns processos requerem que a medição e o controle de nível sejam precisos. Como exemplo podemos citar um processo químico onde o nível no tanque de reação deve ser mantido num valor específico constante para que as substâncias químicas sejam misturadas corretamente. Neste PAA veremos como os vários dispositivos sensores de nível operam e como interpretar os seus sinais elétricos em unidades físicas de nível, como pés ou metros. No último capítulo veremos como um medidor de processo é usado para exibir a saída de um sensor de nível. Os medidores de processo são geralmente usados para proporcionar uma indicação visual do estado de uma variável de processo. r e t Ma l ia Nece s s á r io MATERIAL NECESSÁRIO Fornecido pela Amatrol 1 Sistema de Treinamento em Controle de Processos T5552 Fornecido pela Escola 1 Sistema de Abastecimento de Água (10 galões) 1 Fonte de Ar Comprimido 1 Multímetro Digital PRIMEIRA EDIÇÃO, PAA 6, REV. A Amatrol, AMNET, CIMSOFT, MCL, MINI-CIM, IST, ITC, VEST, e Technovate são marcas registradas da Amatrol, Inc. Todos os outros logotipos ou nomes de produtos são marcas registradas das suas respectivas empresas. Copyright 2007 pela AMATROL, INC. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida, traduzida, ou transmitida em qualquer forma ou por qualquer meio, eletrônico, óptico, mecânico, ou magnético, incluindo, mas não limitado a fotografia, fotocópia, gravação ou qualquer sistema de armazenamento ou recuperação, sem uma permissão escrita dos proprietários dos direitos autorais. Amatrol,Inc., P.O. Box 2697, Jeffersonville, IN USA, Ph , FAX Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 2

3 ÍNDICE CAPÍTULO 1 OPERAÇÃO DO SENSOR DE NÍVEL...4 OBJETIVO 1 Descrever as funções dos dois componentes de um sensor: o transdutor e o transmissor OBJETIVO 2 Descrever dois tipos de sinais de saída de transmissores analógicos OBJETIVO 3 Descrever quatro métodos de sensoriamento de nível e citar uma aplicação para cada um deles OBJETIVO 4 Descrever como medir nível de líquido usando um sensor de pressão e citar uma aplicação OBJETIVO 5 Descrever como medir nível de líquido usando um borbulhador e citar uma aplicação OBJETIVO 6 Descrever a operação de um sensor de pressão de capacitância variável OBJETIVO 7 Descrever como usar um multímetro para medir o sinal de saída de um sensor de pressão PRÁTICA 1 Conectar e operar um sensor de pressão de capacitância variável CAPÍTULO 2 MEDIÇÃO DO SINAL DO SENSOR DE NÍVEL...27 OBJETIVO 8 Definir densidade relativa e descrever o seu efeito nas medições de nível OBJETIVO 9 Descrever como converter unidades de nível de líquido em unidades de pressão de fluido PRÁTICA 2 Converter unidades de nível de líquido para unidades de pressão de fluido OBJETIVO 10 Definir sensibilidade e explicar a sua importância OBJETIVO 11 Descrever como converter sinais de saída de sensor de pressão para unidades de pressão PRÁTICA 3 Converter sinais de saída de um sensor de pressão para unidades de pressão OBJETIVO 12 Descrever como converter unidades de nível de líquido para unidades de sinal de saída de sensor PRÁTICA 4 Converter unidades de nível de líquido para unidades de sinal de saída de sensor PRÁTICA 5 Usar um multímetro para testar a operação de sensor de pressão CAPÍTULO 3 ESCALA DO DISPLAY...51 OBJETIVO 13 Definir a escala de display OBJETIVO 14 Descrever a função de um medidor de processo e citar uma aplicação OBJETIVO 15 Descrever a operação de um medidor de processo OBJETIVO 16 Descrever como configurar um medidor de processo Honeywell UDI 1700 para exibir uma variável de processo PRÁTICA 6 Configurar um medidor de processo Honeywell UDI 1700 para exibir uma variável de processo APÊNDICE A DENSIDADES RELATIVAS DE VÁRIOS LÍQUIDOS... Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 3

4 CAPÍTULO 1 OPERAÇÃO DO SENSOR DE NÍVEL OBJETIVO 1 Leia o Texto DESCREVER AS FUNÇÕES DOS DOIS COMPONENTES DE UM SENSOR: O TRANSDUTOR E O TRANSMISSOR Um sensor é um dispositivo que responde a algum tipo de entrada física (por exemplo: pressão, calor, magnetismo, movimento, etc.) produzindo um sinal de saída, geralmente elétrico, como mostra a figura 1. ENTRADA FÍSICA SENSOR SAÍDA ELÉTRICA Figura 1. Função de um Sensor Genérico Os dois componentes principais de um sensor são o transdutor e o transmissor, conforme ilustração da figura 2. O transdutor (por exemplo: um resistor variável, um capacitor variável, etc.) converte uma entrada física em um valor elétrico variável. Em seguida, o transmissor cria um sinal de saída elétrico proporcional que é enviado a um controlador ou a algum outro dispositivo. SENSOR ENTRADA FÍSICA TRANSDUTOR MEDIÇÃO DA VARIÁVEL ELÉTRICA TRANSMISSOR SAÍDA ELÉTRICA Figura 2. Os Dois Componentes Principais de um Sensor Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 4

5 Alguns sensores, como o sensor de pressão ilustrado na figura 3, são construídos com o transmissor e o transdutor instalados no alojamento do sensor. O sensor recebe um sinal de entrada de pressão e produz um sinal de saída elétrico que é proporcional à pressão aplicada. SINAL ELÉTRICO PARA O TRANSMISSOR TRANSDUTOR Figura 3. PRESSÃO DE ENTRADA Sensor de Pressão com Transmissor e Transdutor Internos Em alguns casos, o transdutor e transmissor são acondicionados separadamente. A figura 4 ilustra um exemplo de um transdutor de vazão com um transmissor externo. À medida que o líquido flui por entre as lâminas, as pás fazem a roda girar. Este movimento giratório produz uma freqüência de saída que é enviada ao transmissor externo e convertida em saída analógica. SAÍDA DE CORRENTE ANALÓGICA DE 4-20mA TRANSMISSOR PULSOS CORRESPONDENTES À VAZÃO VAZÃO TRANSDUTOR DE VAZÃO Figura 4. Transdutor de Vazão com Transmissor Externo Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 5

6 OBJETIVO 2 Leia o Texto DESCREVER DOIS TIPOS DE SINAIS DE SAÍDA DE TRANSMISSORES ANALÓGICOS Os transmissores são projetados para produzirem dois tipos de sinais de saída analógicos: Tensão de CC Corrente de CC Os transmissores que produzem sinais de saída de tensão geralmente produzem um sinal de 0 Volts para quando o sinal físico de entrada (ex: pressão, temperatura, etc.) também for zero. À medida que o sinal físico de entrada aumenta, a tensão de saída também aumenta proporcionalmente. Por exemplo, o gráfico da figura 5 mostra a saída de um transmissor de 0 a10 V. O transmissor produz 0 Volts para 0 psi e 10 Volts para 1 psi VOLTS (SAÍDA) PRESSÃO (psi) (ENTRADA) Figura 5. Gráfico de Pressão de Entrada/Tensão de Saída para um Transmissor Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 6

7 As saídas dos transmissores podem apresentar um valor mínimo diferente de zero. O transmissor com saída em corrente de CC da figura 6 possui uma faixa de 4 a 20 ma (miliampère), onde 4 ma representa a saída para um sinal físico de entrada de valor zero e 20 ma representa a saída para o valor máximo do sinal de entrada. O gráfico de saída também é proporcional, mas deslocado para cima (off-set), como mostra a figura 6. Os fabricantes informam a faixa de operação do transmissor em suas especificações técnicas CORRENTE (ma) (SAÍDA) OFFSET PRESSÃO (psi) (ENTRADA) Figura 6. Gráfico de Pressão de Entrada/Corrente de Saída para um Transmissor Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 7

8 OBJETIVO 3 Leia o Texto DESCREVER QUATRO MÉTODOS DE SENSORIAMENTO DE NÍVEL E CITAR UMA APLICAÇÃO PARA CADA UM DELES Há uma variedade de sensores utilizados nas medições de nível. O tipo usado depende da aplicação. Existem quatro métodos utilizados para o sensoriamento de nível: Pressão Resistência Elétrica Capacitância Elétrica Ultra-som Pressão Os sensores de nível do tipo pressão medem o nível pela pressão do líquido no fundo de um reservatório. Esta pressão é, em seguida, convertida em um sinal elétrico analógico que é proporcional ao nível do líquido no tanque. A figura 7 apresenta o exemplo de um sensor de nível do tipo pressão. Este tipo de sensor de nível possui um transmissor interno que produz uma saída de corrente elétrica de 4-20 ma. SENSOR DE NÍVEL DO TIPO PRESSÃO COM TRANSMISSOR INTERNO 4-20mA Figura 7. Aplicação para o Sensor de Nível do Tipo Pressão Os sensores de nível do tipo pressão são freqüentemente usados em tanques de tratamento de águas servidas, substâncias químicas e fabricação de combustível. Os tipos mais comuns de sensores de nível do tipo pressão incluem os strain-gage, os sistemas de borbulhamento e os sensores de pressão de capacitância variável. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 8

9 Resistência Elétrica Um sensor de nível de resistência mede o nível de líquido por meio da variação do valor da sua resistência à medida que o nível varia. Este valor de resistência é, em seguida, convertido em um sinal elétrico analógico que é proporcional ao nível de líquido no tanque. Um exemplo deste tipo de sensor é o sensor de nível de resistência variável, como o mostrado na figura 8. Ele consiste em uma fita metálica e um enrolamento de fio. Quando o sensor é imerso em um líquido, a pressão do líquido faz o enrolamento entrar em contacto com a fita metálica. Este contato cria uma mudança na resistência do fio que é proporcional à variação do nível. Um transmissor interno converte a medida de resistência em uma saída de 4-20 ma. TRANSMISSOR INTERNO SAÍDA DE 4-20 ma MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA FIO CONDUTOR ENROLADO FITA METÁLICA PRESSÃO DE LÍQUIDO Figura 8. Sensor de Nível Submerso Os sensores de nível de resistência variável são geralmente usados para medir nível de esgoto em estado natural, efluentes e níveis de gasolina. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 9

10 Capacitância Elétrica Um sensor capacitivo mede o nível por meio da variação da sua capacitância provocada por uma variação no nível do produto. Esta variação de capacitância é, em seguida, convertida em um sinal elétrico analógico que é proporcional ao nível do produto no tanque. Um sensor capacitivo, como o mostrado na figura 9, é formado pela sonda do sensor e uma das paredes do recipiente. O produto no interior do recipiente age como sendo o material dielétrico. O valor da capacitância varia com as variações do nível do material no interior do recipiente. O sensor contém um circuito eletrônico que detecta a mudança no valor da capacitância e produz uma saída elétrica proporcional, que é normalmente uma corrente variando na faixa de 4 a 20 ma. SAÍDA DE 4-20 ma CAPACITÂNCIA PONTA DA SONDA (PLACA DO CAPACITOR) LÍQUIDO (DIELÉTRICO) PAREDE DO TANQUE (PLACA DO CAPACITOR) Figura 9. Sensor de Nível Capacitivo Os sensores capacitivos são geralmente usados com materiais não condutivos e não corrosivos. Uma aplicação comum para o sensor de nível capacitivo sensores são as medições de nível de líquido refrigerante. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 10

11 Ultra-som Os sensores de nível por ultra-som medem o nível no tanque por meio da transmissão de ondas de ultra-som e a medição do tempo de retorno das ondas refletidas ao sensor. O sensor converte esta medida de tempo em um sinal elétrico analógico que é proporcional ao nível de líquido no tanque. Um transmissor interno produz uma saída de 4-20 ma que pode ser enviada a um controlador ou a algum outro dispositivo. SAÍDA DE 4-20 ma SENSOR DE NÍVEL POR ULTRA-SOM ONDAS TRANSMITIDAS ONDAS REFLETIDAS Figura 10. Sensor de Nível por Ultra-som As aplicações para os sensores de nível por ultra-som incluem a medição de nível de substâncias químicas que podem ser contaminadas ao sofrer algum tipo de contato. Os sensores por ultra-som também são usados para medir níveis de fluidos combustíveis. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 11

12 OBJETIVO 4 Leia o Texto DESCREVER COMO MEDIR NÍVEL DE LÍQUIDO USANDO UM SENSOR DE PRESSÃO E CITAR UMA APLICAÇÃO O volume de líquido em um tanque exerce uma pressão no fundo do tanque devido a seu peso. Esta pressão é chamada de pressão hidrostática e, geralmente, é medida em libras por polegada quadrada (psi). A pressão também pode ser expressa em termos de altura de líquido. Neste caso, é chamada de altura hidrostática e é medida em pés/pols ou metro/centímetro. A figura 11 apresenta um exemplo da pressão no fundo de um tanque expressa em termos de pressão hidrostática e altura hidrostática. A quantidade de pressão depende da altura e da densidade do líquido. Aumentando-se o nível de líquido no tanque aumenta-se a pressão ao fundo da coluna de líquido. Diminuindo-se o nível de líquido no tanque diminui-se a pressão. PRESSÃO HIDROSTÁTICA 5 psi ALTURA HIDROSTÁTICA 11,6 pés ÁGUA 5 lb 11,6 pés SUPERFÍCIE DE 1 pol2 PRESSÃO = 5 lb 1pol2 Figura 11. Pressão Hidrostática vs Altura Hidrostática Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 12

13 Medida de Nível em um Recipiente Aberto A altura hidrostática pode ser medida em um recipiente aberto por meio de um sensor de pressão analógico colocado no fundo do tanque. Como a pressão no fundo do tanque (Pressão absoluta = Pabs) é igual à soma da pressão atmosférica (P1) com a pressão hidrostática, pode-se usar um sensor de pressão para se determinar a pressão relativa. A pressão relativa é a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica. Este tipo de sensor subtrai o efeito da pressão atmosférica dessa forma o sinal medido é a pressão hidrostática. PRESSÃO ATMOSFÉRICA P = 14.7 psia 1 RECIPIENTE ABERTO ALTURA HIDROSTÁTICA 5 pés = 16,86 psia PRESSÃO ABSOLUTA P abs = = psia CONTROLADOR 5.00 SENSOR DE PRESSÃO Psensor = = psia Figura 12. Medida de Nível em Recipiente Aberto Usando um Sensor de Nível por Pressão Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 13

14 Medida de Nível em um Recipiente Fechado Se o líquido for mantido em um tanque pressurizado, as medições de pressão padrões não serão precisas uma vez que a pressão no fundo do tanque é maior que a soma da pressão atmosférica com a pressão de hidrostática. Por exemplo, na figura 13, a pressão medida pelo sensor é de psia que é a soma da pressão de ar no tanque (30 psia) com a pressão hidrostática (16.86 psia). Portanto, o controlador indicará um nível de ft embora o nível real do líquido seja somente de 5 pés PRESSÃO DE AR = 30 psia ALTURA HIDROSTÁTICA 5 pés = 16,86 psia CONTROLADOR PRESSÃO TOTAL = = psia = 74,44 pés Figura 13. Medida de Nível em Tanque Pressurizado Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 14

15 A solução para este problema é o uso de um sensor de pressão diferencial para monitoramento do nível no tanque. Este método usa dois pontos de tomadas de pressão, um no topo e outro no fundo do tanque, conforme ilustração da figura 14. O transmissor de pressão diferencial subtrai a pressão de ar medida no topo do tanque da pressão medida no fundo do tanque. Essa diferença de pressão representa a pressão hidrostática. P 1 = 30 psia TOMADA DE PRESSÃO 5 pés = 16,86 psia SINAL DE PRESSÃO (DIFERENÇA) 16,86 psia CONTROLADOR 5.00 TOMADA DE PRESSÃO P 2 = psia TRANSMISSOR DE PRESSÃO DIFERENCIAL Figura 14. Medida de Pressão Diferencial Os sensores de nível por pressão são usados em várias indústrias incluindo as de petróleo e gás, naval, química, etc. A medição de pressão diferencial é geralmente usada nas medidas de nível de líquidos potencialmente voláteis como o oxigênio ou o hidrogênio líquido. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 15

16 OBJETIVO 5 Leia o Texto DESCREVER COMO MEDIR NÍVEL DE LÍQUIDO USANDO UM BORBULHADOR E CITAR UMA APLICAÇÃO Um sistema borbulhador é um tipo de dispositivo de medição de nível que determina o nível de um líquido pela medida da pressão de um gás que é forçado para fora de um tubo que está imerso no líquido. Este tipo de sistema é freqüentemente usado nas medições de nível, mas raramente para controle porque sua a precisão não é tão alta quanto a dos outros métodos. O sistema borbulhador consiste em um tubo, um regulador, uma fonte de gás (geralmente ar ou nitrogênio) e um manômetro, conforme ilustração da figura 15. O tubo é colocado no interior do tanque ou recipiente, de forma que sua extremidade fique próxima ao fundo do tanque ou ligeiramente abaixo do ponto do nível desejado. A fonte de gás e o regulador forçam um volume regulado de ar ou nitrogênio a circular pelo tubo até a extremidade aberta. O manômetro mede a pressão necessária para forçar o gás para fora do tubo. MANÔMETRO SUPRIMENTO DE GÁS REGULADOR 0 PSIG TUBO BORBULHADOR Figura 15. Sistema Borbulhador Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 16

17 A pressão exigida para forçar o gás para fora do tubo é aproximadamente igual à pressão hidrostática no fundo do tanque. A pressão hidrostática pode ser expressa em termos de altura de coluna de líquido (por exemplo: polegadas de água, milímetros de mercúrio, etc.). Dessa forma, o operador também poderá determinar o nível. Como o nível no tanque sobe e desce, a pressão para forçar o gás para fora do tubo também aumenta e diminui. Os sistemas borbulhadores são freqüentemente usados em aplicações que envolvam fluidos combustíveis. Eles evitam a presença de um sinal elétrico no tanque, reduzindo o risco de fogo ou de explosão devido a faíscas. Ainda, o tubo é o único componente do sistema borbulhador imerso e seu custo é bem menor que o de um sensor de pressão típico. Logo, os componentes de um sistema borbulhador deverão ter uma vida útil mais longa que a de um sistema de medição de nível que utiliza um sensor de pressão no fundo do tanque. Os sistemas borbulhadores possuem algumas limitações. Por exemplo, um borbulhador não pode ser usado em um tanque selado a menos que se use um medidor de pressão diferencial ou que o tanque possua algum escape de ar, como mostra a figura 16. Se o tanque não possuir um escape de ar, o fluxo do gás cessará assim que a pressão no espaço livre do tanque igualar a pressão hidrostática. Além disso, se o material no tanque for quimicamente sensível, a introdução de um outro gás pode desequilibrar o balanço de materiais no interior tanque degradando o produto final. MANÔMETRO SUPRIMENTO DE GÁS REGULADOR 0 PSIG TUBO BORBULHADOR EXAUSTOR Figura 16. Borbulhador em um Recipiente Selado Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 17

18 OBJETIVO 6 Leia o Texto DESCREVER A OPERAÇÃO DE UM SENSOR DE PRESSÃO DE CAPACITÂNCIA VARIÁVEL Um tipo de sensor de pressão elétrico é o sensor de pressão de capacitância variável. Este sensor usa uma variação na capacitância para criar um sinal de saída elétrico que é proporcional à pressão. A figura 17 ilustra um exemplo de sensor de pressão de capacitância variável típico. Os sensores de pressão de capacitância variáveis caracterizam-se por possuírem um corpo redondo ou tubular, possuírem um tubo que se ajusta em uma das suas extremidades e uma conexão elétrica instalada na outra extremidade, como a figura 17 também mostra. ADAPTADOR PARA TUBO CORPO TUBULAR + - CONEXÃO ELÉTRICA Figura 17. Construção de um Sensor de Pressão Típico Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 18

19 A figura 18 ilustra os componentes internos de um sensor de pressão de capacitância variável. Ele contém um eletrodo estacionário e um diafragma flexível, normalmente confeccionado em aço inoxidável. Juntos eles formam um capacitor que é o transdutor do sensor. Este conjunto é conectado ao circuito eletrônico que operar como um transmissor. FIGURA DIAGRAMA DE BLOCOS DIAFRAGMA FLEXÍVEL DIAFRAGMA FLEXÍVEL ELETRODO ESTACIONÁRIO TRANSMISSOR CIRCUITO OSCILADOR DE CAPACITÂNCIA VARIÁVEL CIRCUITO OSCILADOR DE CAPACITÂNCIA FIXA ELETRODO ESTACIONÁRIO CIRCUITO COMPARADOR GERANDO UMA SAÍDA DE 4-20 ma TRANSMITTER COMPONENTS 4-20 ma - + Figura 18. Construção de um Sensor de Pressão de Capacitância Variável Quando pressão do fluido atua sobre o diafragma, ele flexiona fazendo a capacitância mudar. Para detectar a mudança na capacitância, este sensor usa dois circuitos osciladores sendo um deles conectado a um capacitor fixo e o outro conectado ao capacitor criado pelo diafragma flexível. Quando a pressão aumenta, a freqüência do circuito oscilador conectado ao diafragma muda. Um circuito comparador compara a diferença entre a freqüência do circuito oscilador conectado ao diafragma flexível e a freqüência do circuito oscilador conectado ao capacitor fixo e produz um sinal de saída analógico proporcional, normalmente de 4 a 20 ma. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 19

20 O sinal de saída analógico de 4 a 20 ma do sensor de pressão de capacitância variável varia linearmente com a pressão de entrada, como mostra a figura CORRENTE (ma) (SAÍDA) OFFSET PRESSÃO (psi) (ENTRADA) Figura 19. Relação Linear Entre a Corrente de Saída vs Pressão de Entrada de um Sensor de Pressão de Capacitância Variável Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 20

21 OBJETIVO 7 DESCREVER COMO USAR UM MULTÍMETRO PARA MEDIR O SINAL DE SAÍDA DE UM SENSOR DE PRESSÃO Leia o Texto A saída de um sensor pode ser testada com um multímetro utilizado para medir os sinais de saída de sensores tanto em corrente como em tensão. Para medir a corrente de saída de um sensor, as pontas de prova do multímetro deverão ser ligadas em série com a saída do sensor, como mostra a figura 20. MULTÍMETRO 7mA ENTRADA DO CONTROLADOR + - SENSOR DE PRESSÃO DE 2 FIOS FONTE ALIMENTAÇÃO DE CC + - Figura 20. Medição da Corrente de Saída de um Sensor de Pressão A saída de um sensor também pode ser medida em tensão conectando-se um resistor aos terminais de entrada do controlador e ligando-se as pontas de prova do multímetro nos terminais de entrada de controlador, conforme ilustração da figura 21. Este método também é usado com medidores de display digitais uma vez que eles, às vezes, são projetados para receber somente sinais de entrada de tensão. MULTÍMETRO 3V ENTRADA DO CONTROLADOR + - SENSOR DE PRESSÃO DE 2 FIOS FONTE ALIMENTAÇÃO DE CC + - Figura 21. Medição da Tensão de Saída de um Sensor de Pressão de 2 Condutores Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 21

22 Muitos sensores de pressão produtores de tensão utilizam três fios condutores. A tensão de saída pode ser medida conectando-se o multímetro aos terminais de entrada do controlador, como mostra a figura 22. MULTÍMETRO 3V + - ENTRADA COMUM EXCITATION + ENTRADA DO CONTROLADOR + - SENSOR DE PRESSÃO DE 3 FIOS FONTE ALIMENTAÇÃO DE CC + - Figura 22. Medição da Tensão de Saída de um Sensor de Pressão de 3 Condutores Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 22

23 s ALM DI OUT Func. Loop 1/2 Setup INPUTS ANALOG AL1 DISCRETE DL1 DL PID CONTROLLER MAN Lower Display Man Auto FC OUTPUTS ANALOG AO1 AL2 ALARM AL1 AL2 PV SP SP Select Run Hold AUX. POWER 24 VDC FLOW TRANSMITTER 24 VDC OUTPUTS ANALOG 4-20mA DISCRETE OPEN COLLECTOR FT1 4-20mA LT1 4-20mA LS1 SV1 FLOW SENSORS FT2 4-20mA LEVEL SENSORS LT2 4-20mA LS2 CR3 SOLENOID VALVES SV2 TEST 24VDC CONTROL RELAYS CR1 CR2 FLOWPVALVE SV3 FV1 4-20mA PL1 SS1 ALARMPHORN AH1 24VDC PL2 SS2 DC POWER SUPPLY 24VDC PL3 SS3 24VDC GND PL4 SS4 CIRC.PPUMP P PROCESS METER ANALOG INPUTP0-10 VDC NO ANALOG OUTPUTP4-20mA NO 3 PLC DISCRETE I/O 24VDC 4 12 PLC ANALOG I/O 4-20mA OUTPUT RELAY 1 COM OUTPUT RELAY 2 COM NC NC PRÁTICA 1 CONECTAR E OPERAR UM SENSOR DE PRESSÃO DE CAPACITÂNCIA VARIÁVEL Descrição do Procedimento Neste procedimento, você conectará um sensor de pressão de capacitância variável de 2 fios condutores em uma fonte de alimentação instalada no Sistema de Controle de Processos T5552. Em seguida você conectará um multímetro digital (DMM) ao circuito para verificar se o sensor produz um sinal de saída. u c e Ex t e os P a s s o 1. Execute um lockout/tagout. 2. Execute os sub-passos a seguir para montar o T5552 conforme ilustração da figura 23. TOMADA ELÉTRICA -sp HV2 REGULADOR DE PRESSÃO AJUSTADO PARA ZERO VÁLVULAS MANUAIS DE DRENO FECHADAS VÁLVULAS MANUAIS ABERTAS HV1 VÁLVULA MANUAL DE CONTROLE DE VAZÃO ABERTA CONEXÃO DE AR DE SUPRIMENTO Figura 23. Montagem do T5552 A. Conecte a linha de ar de suprimento ao T5552. B. Ajuste o regulador de pressão para 0 psi. Você não efetuará um controle de vazão com a válvula de atuador de diafragma nesta prática. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 23

24 AVETEK m LOGIC 2000 M 20M 2000k 200k 20k MAX 1000V 750V 2k 200 OFF 200 l FUSED 2m FUSED DM15XL 2 10A 200m 200 2m 20m 200m 10A C. Encha o tanque reservatório com água. D. Feche (gire completamente no sentido horário) as duas válvulas manuais de dreno do tanque de processo. E. Abra a válvula manual de controle de vazão. F. Localize um multímetro digital (DMM) e ajuste-o para medir miliampères (ma). G. Certifique-se de que as pontas de prova do DMM estão conectadas nos bornes corretos (COM e ma) e de que a chave seletora está comutada para ma de CC. 3. Localize o sensor de pressão instalado no fundo do tanque, conforme a figura 24. O sensor de pressão instalado no tanque de processo do T5552 é um sensor do tipo de capacitância variável. Ele produz uma corrente de saída na faixa de 4 a 20 ma. Os cabinhos deste sensor são pré-conectados aos bornes de saída do painel de controle e são etiquetados como LT1, como mostra a figura Conecte o circuito ilustrado na figura 24. Este circuito lhe permite controlar o fluxo no tanque de processo usando as válvulas manuais ou ligando e desligando a bomba de circulação. Ele também lhe permite medir a saída do sensor de pressão (LT1) com o DMM. FLOW SENSORS FLOW VALVE DISCRETE I/O FT1 FT2 FV1 PL1 PL2 PL3 PL4 4-20mA 4-20mA TEST 4-20mA SS1 SS2 SS3 SS4 LEVEL SENSORS LT1 LT2 4-20mA 4-20mA 24VDC LS1 LS LT1 CONTROL RELAYS CR1 ALARM HORN AH1 CIRC. PUMP P1 6 5 CR SV1 CR3 SOLENOID VALVES SV2 SV3 24VDC DC POWER SUPPLY 24VDC 24VDC GND SENSOR DE PRESSÃO PARA LT1 W V ma V m 20m A A DMM AJUSTADO PARA MEDIR ma DE CC (PONTAS DE PROVA CONECTADAS AOS BORNES COM E ma) V COM ma 10A DMM Figura 24. Circuito Utilizado para Medir a Saída do Sensor de Pressão Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 24

25 5. Remova o lockout/tagout. 6. Ligue o interruptor principal do circuito. 7. Execute os sub-passos a seguir para encher o tanque de processo e determinar os efeitos na saída do sensor. A. Com o tanque de processo vazio, olhe o display do DMM e registre o valor indicado. Saída do Sensor de Pressão (ma) Este valor representa o valor mínimo do sensor produzido para esta aplicação. B. Acione a bomba de circulação comutando a chave seletora SS1 para a posição ON. A água deverá começar a fluir e encher o tanque de processo. C. Deixe o tanque encher por aproximadamente 30 segundos e determine o efeito dessa ação na saída do sensor observando o display do DMM. Depois de 30 segundos, desligue a bomba de circulação (SS1 em OFF). Saída do Sensor de Pressão (Aumenta/Diminui) Você deverá observar que o valor da saída do sensor aumenta, pois a pressão sobre o seu diafragma aumenta à medida que o volume de água no tanque também aumenta. D. Abra completamente (gire completamente no sentido anti-horário) as duas válvulas manuais de dreno do tanque de processo e determine o efeito do escoamento do tanque de processo na saída do sensor observando o display do DMM. Saída do Sensor de Pressão (Aumenta/Diminui) Você deverá observar que o valor da saída do sensor diminui, pois a pressão sobre o diafragma também diminui à medida que a água do tanque é drenada. 8. Execute os sub-passos a seguir para desligar o T5552. A. Quando o tanque de processo estiver vazio, feche as válvulas manuais de dreno girando seus manípulos no sentido horário. B. Desligue o interruptor principal do circuito. C. Desconecte o circuito de controle. D. Guarde o DMM no local indicado pelo seu professor. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 25

26 R e CAPÍTULO 1 REVISÃO n o p s e da as Q ue s t õ s 1. Um é um dispositivo que responde a algum tipo de entrada física produzindo um sinal de saída. 2. Um converte a energia de entrada de um dispositivo na energia de saída desejada. 3. Um cria e envia o sinal de saída para um controlador ou para algum outro tipo de dispositivo. 4. Dois tipos de sinais de saída de transmissores analógicos são corrente e de CC. 5. Quatro métodos utilizados para o sensoriamento de nível incluem os de capacitância elétrica, pressão, ultra-som e elétrica. 6. A pressão que um líquido exerce no fundo de um tanque é chamada de pressão ou altura hidrostática. 7. A pressão exercida no fundo de um tanque depende da altura e da do líquido. 8. Um sistema que usa a medida da pressão de um gás que é forçado para fora de um tubo imerso no líquido é denominado. 9. Um sensor de variável contém um eletrodo estacionário e um diafragma flexível. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 26

27 CAPÍTULO 2 MEDIÇÃO DO SINAL DO SENSOR DE NÍVEL OBJETIVO 8 Leia o Texto DEFINIR DENSIDADE RELATIVA E DESCREVER O SEU EFEITO NAS MEDIÇÕES DE NÍVEL Densidade relativa é a razão entre a massa de um dado volume de uma substância e a massa do mesmo volume de água. Por se tratar de uma medida relativa, a densidade relativa é adimensional. A fórmula abaixo mostra como calcular a densidade relativa de um material. FÓRMULA: DENSIDADE RELATIVA d = m substância mágua Onde: d m material m water = Densidade Relativa = Massa da substância = Massa de um volume igual de água Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 27

28 Para podermos converter um valor de pressão hidrostática em nível de líquido é necessário se conhecer a densidade relativa do líquido em questão. A figura 25 mostra que o mesmo nível de três líquidos com densidades relativas diferentes produzem uma pressão hidrostática diferente (em psi). ALTURA = 231 pés ÁGUA GASOLINA ACETONA 231 pés d 1.0 d 0.74 d psi 74 psi 79 psi Figura 25. Relação Entre Densidade Relativa, Pressão e Altura Hidrostáticas A figura 26 apresenta a densidade relativa de alguns líquidos. LÍQUIDO Acetona 0.79 Óleo Comum 0.92 Petróleo Bruto 0.85 Gasolina 0.74 DENSIDADE RELATIVA Glicose Glicol 101 Melaço 1.45 Óleo De Soja 0.93 Alcatrão 1.2 Àgua Doce 1.00 Àgua Do Mar 1.03 Figura 26. Densidade Relativa de Alguns Líquidos Um líquido que tem uma densidade relativa maior que 1 (densidade relativa da água doce) exerce uma pressão no fundo de um tanque maior que a da água ou de qualquer fluido com uma densidade relativa menor que 1. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 28

29 OBJETIVO 9 Leia o Texto DESCREVER COMO CONVERTER UNIDADES DE NÍVEL DE LÍQUIDO EM UNIDADES DE PRESSÃO DE FLUIDO As unidades de nível de líquido podem ser convertidas em unidades de pressão de fluido se o nível no tanque e a densidade relativa do líquido no interior do tanque forem conhecidas. A conversão das unidades de nível de líquido em unidades de pressão é útil para se determinar os componentes apropriados para o sistema. A fórmula a seguir é utilizada para converter unidades de nível de líquido em unidades de pressão. FÓRMULA: PARA CONVERTER NÍVEL DE LÍQUIDO PARA PRESSÃOE P = L d k Onde: P = Pressão (psi, kpa) L = Nível (polegadas, pés, metros) d = Densidade Relativa k = Fator de Conversão = psi/pol = psi/pés = kpa/m Exemplo: Determinar a faixa adequada para um sensor de pressão que vai ser instalado em um tanque. O nível máximo é de 25 pés de água, como mostra a figura 27. NÍVEL = 25 ft. PRESSÃO =? Figura 27. Sistema de Medição de Nível Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 29

30 s A pressão máxima exercida pela água é determinada pela fórmula de conversão de nível para pressão a seguir: p = L d p = p = p = psi Neste caso, o sensor de pressão deverá possuir uma faixa larga o suficiente para poder operar com a pressão máxima de 10.8 psi. PRÁTICA 2 CONVERTER UNIDADES DE NÍVEL DE LÍQUIDO PARA UNIDADES DE PRESSÃO DE FLUIDO Descrição do Procedimento Neste procedimento, será dada a altura de um líquido e você deverá calcular a pressão detectada pelo sensor de nível ou poderá ser dada a pressão e você deverá calcular a altura do líquido. Estas informações deverão ser, em seguida, usadas para a seleção de um sensor de nível adequado à aplicação. u c e Ex t e os P a s s o 1. Para o cenário a seguir determine a pressão máxima exercida pela coluna de líquido. Cenário: Um tanque contém glicose a uma altura máxima de pés (5.59 m), conforme ilustração da figura 28 e você deseja selecionar um sensor de nível adequado a este tanque. Pressão Máxima = (psi/kpa) GLICOSE ALTURA MÁXIMA = 18,35 pés (5,59 m) Figura 28. Tanque Contendo Glicose Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 30

31 Sua resposta deverá ser de psi (73.74 kpa) a psi (77.57 kpa). Para esta aplicação, você deveria selecionar um sensor de pressão com um valor de faixa superior a psi (77.57 kpa). 2. Para o cenário a seguir determine a pressão máxima exercida pela coluna de líquido. Cenário: Um tanque contém alcatrão a uma altura máxima de 43 ft (13.11 m) e você deseja selecionar um sensor de nível apropriado para este tanque. Pressão Máxima = (psi/kpa) Você deverá encontrar uma pressão máxima de psi ( kpa). 3. Determine a pressão máxima exercida por uma coluna de líquido para o cenário a seguir. Cenário: Um tanque contém água do mar a uma altura máxima de 98.5 pol (2.5 m) e você deseja selecionar um sensor de nível adequado a este tanque. Pressão Máxima = (psi/kpa) Você deverá encontrar uma pressão máxima de 3.65 psi (25.16 kpa). 4. Determine a altura da coluna de líquido para o cenário a seguir. Cenário: Um tanque contém melado que exerce uma pressão de psi ( kpa), como mostra a figura 29, e você deseja determinar a altura da coluna (nível) de melado. Altura da Coluna (Nível) = (pés/m) ALTURA DA COLUNA (NÍVEL)=? MELAÇO PRESSÃO = 32.8 psi ( kpa) Figura 29. Tanque Contendo Melado Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 31

32 Você deverá encontrar uma altura de coluna (nível) de pés (15.96 m). 5. Determine a altura da coluna de líquido para o cenário a seguir. Cenário: Um tanque contém óleo de soja exercendo uma pressão de 4.82 psi (33.23 kpa) e você deseja determinar a altura da coluna (nível) desse óleo de soja. Altura da Coluna (Nível) = (pol/m) Você deverá encontrar uma altura de coluna (nível) de 144 pol (3.66 m). OBJETIVO 10 DEFINIR SENSIBILIDADE E EXPLICAR A SUA IMPORTÂNCIA Leia o Texto Sensibilidade de um sensor é a relação existente entre a variação do sinal elétrico de saída e a variação do sinal físico de entrada que está sendo sensoriado. Esta relação é mostrada na fórmula a seguir: FÓRMULA PARA CÁLCULO DA SENSIBILIDADE O S = I Elétrico Físico Onde S = Sensibilidade = Variação do Sinal O Elétrico = Sinal Elétrico de Saída I Físico = Sinal Físico de Entrada Exemplo: Se um sensor de pressão aumenta o seu sinal elétrico de saída em Volt para cada aumento de 1 psi em pressão, como mostra a figura 30, a sua sensibilidade é Volt por 1 psi (0.001 Volt/1 psi). ÄIfís = 1 psi O ele = 0.001V SENSOR ENTRADA SAÍDA Figura 30. Sensibilidade de um Sensor de Pressão Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 32

33 A sensibilidade é importante em sistemas de controle de processos porque o resultado final do processo de coleta de dados não é um sinal elétrico dado em unidades de Volts ou de Ampères, mas dados na unidade do sinal físico que está sendo sensoriado. A sensibilidade pode ser usada para calcular o valor de saída do sensor na unidade do sinal físico de entrada. OBJETIVO 11 Leia o Texto DESCREVER COMO CONVERTER SINAIS DE SAÍDA DE SENSOR DE PRESSÃO PARA UNIDADES DE PRESSÃO A fórmula da sensibilidade será modificada a seguir para possibilitar o cálculo dos valores do sinal em unidades físicas, neste caso pressão, para um determinado sinal de corrente ou de tensão variando de zero a um determinado valor (ex: 0-10 V, 0-20 ma). FÓRMULA: PARA CONVERSÃO DE SINAL ELÉTRICO EM SINAL DE PRESSÃO (Sinal de Saída Mínimo = 0) P m Om = S Onde: P m O m S = Pressão Medida = Valor do Sinal de Saída Medido = Sensibilidade Exemplo: Determinar a pressão real exercida no sensor de pressão da figura 31 se a faixa de saída do sensor for de 0-5 V e a faixa de entrada for de 0-20 psi. PRESSÃO = 0.5V Figura 31. Sinal do Sensor de Pressão para um Controlador Eletrônico Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 33

34 Em primeiro lugar, determine a sensibilidade. 5 S = = 0.25 volts/ psi 20 Em seguida, calcule a pressão real. 0.5 P = m 2.0 psi 0.25 = Para calcular valores de sinais de corrente ou tensão em sensores que não possuem o zero como valor de saída mínimo (ex: 4-20 MA), a fórmula deverá incluir uma dedução para o offset de zero. Veja a seguir: FÓRMULA: PARA CONVERSÃO DE SINAL ELÉTRICO EM SINAL DE PRESSÃO (Sinal de Saída Mínimo 0) P m = ( O O ) m S min Onde: P m O m = Pressão Medida = Valor do Sinal de Saída Medido O min = Valor Mínimo do Sinal de Saída S = Sensibilidade Exemplo: Calcular a pressão exercida sobre o sensor da figura 32 usando a informação dada a seguir: Faixa do Sinal Elétrico de Saída = 1-5 V Faixa do Sinal de Pressão da Entrada = 0-20 psi Saída Medida = 1.5 V CONTROLADOR PRESSÃO = 1.5V Figura 32. Sensor de Pressão com um Sinal de Saída de 1,5 V Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 34

35 Para solucionar o problema, determine em primeiro lugar a sensibilidade. Em seguida, use a sensibilidade para determinar a pressão medida. Para determinar a sensibilidade: S = O I = = Elétrico Físico 5V 1V 20 psi 0 psi 4 V 20 psi = 0.2 V/psi Para determinar a pressão medida: Pm = (1.5 1) 0.2 = = 2.5 psi Para calcular o valor do sinal de saída do sensor de pressão quando for dado o valor do sinal de entrada de pressão medido, pode-se re-arranjar a fórmula anterior da seguinte maneira: FÓRMULA: PARA CONVERSÃO DE SINAL DE PRESSÃO EM SINAL ELÉTRICO Onde: O m P m S O m = (P m S) + Omín = Valor do Sinal de Saída Medido = Pressão Medida = Sensibilidade O mín = Valor Mínimo do Sinal de Saída Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 35

36 Exemplo: Determinar o valor do sinal de saída medido pelo sensor de pressão da figura 33 usando a informação a seguir: Faixa do Sinal Elétrico de Saída = 1-5 V Faixa do Sinal de Pressão de Entrada = 0-20 psi Pressão Medida = 2,5 psi PRESSÃO = 2.5 psi Figura 33. Sensor de Pressão Medindo uma Pressão de 2,5 psi Para solucionar o problema, em primeiro lugar você deverá determinar a sensibilidade. Em seguida você deverá usara sensibilidade para determinar a saída medida. Para determinar a sensibilidade: S = = 5V 1V 20 psi 0 psi 4 V 20 psi = 0.2 V/psi Para determinar a saída medida: O m = (2,5 0,2) + 1 O m = 0,5 + 1 O m = 1,5V Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 36

37 s PRÁTICA 3 CONVERTER SINAIS DE SAÍDA DE UM SENSOR DE PRESSÃO PARA UNIDADES DE PRESSÃO Descrição do Procedimento Neste procedimento, você converterá sinais de saída de um sensor de pressão para unidades de pressão e vice-versa sendo dadas as pressões e as faixas de saída do sensor e ou o sinal de saída medido ou a pressão de entrada medida. u c e Ex t e os P a s s o 1. Calcule a pressão exercida no sensor de nível do tipo pressão mostrado na figura 34. A faixa de entrada do sensor é de 0-5 psi (0-34,47 kpa) e a faixa de saída é de 4-20 ma. A saída medida do sensor é 15 ma. Pressão psi (kpa) 15 ma 15 ma Figura 34. Sensor de Pressão com uma Saída de 15 ma Você deverá encontrar uma pressão de aproximadamente 3,44 psi (23,72 kpa). 2. Calcule a pressão exercida no sensor de nível do tipo pressão que tem uma faixa de entrada de 0-3 psi (0-20,68 kpa) e uma faixa de saída de 1-5 V para quando a saída medida for de 3,5 V. Pressão psi (kpa) Você deverá encontrar uma pressão de aproximadamente 1,85 psi (12,76 kpa). Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 37

38 3. Calcule a pressão exercida no sensor de nível do tipo pressão que tem uma faixa de entrada de 0-7 psi (0-48,26 kpa) e uma faixa de saída de 4-20 ma para quando a saída medida for 16 ma. Pressão psi (kpa) Você deverá encontrar uma pressão de aproximadamente 5,25 psi (36,20 kpa). 4. Calcule a saída medida no sensor de nível do tipo pressão, mostrado na figura 35, que tem uma faixa de entrada de 0-4 psi (0-27,58 kpa) e uma faixa de saída de 0-20 ma para quando a pressão exercida em sua entrada for de 3 psi (20,68 kpa). Sinal Elétrico de Saída (ma) PRESSÃO = 3 psi (20.68 kpa) Figura 35. Sensor de Pressão Medindo uma Pressão de 3 psi Você deverá encontrar uma saída de sinal elétrico de aproximadamente 15 ma. 5. Calcule a pressão exercida no sensor de nível do tipo pressão que tem uma faixa de entrada de 0-1 psi (0-6,89 kpa) e uma faixa de saída de 1-5 V para quando a saída medida for de 2 V. Pressão psi (kpa) Você deverá encontrar uma pressão de 0.25 psi (1,72 kpa). 6. Calcule a pressão exercida no sensor de nível do tipo pressão que tem uma faixa de entrada de 0-15 psi (0-103,42 kpa) e uma faixa de saída de 0-10 V para quando a saída medida for de 8 V. Pressão psi (kpa) Você deverá encontrar uma pressão de 12 psi (82,74 kpa). Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 38

39 7. Calcule a saída medida em um sensor de nível do tipo pressão que tem uma faixa de entrada de 0-9 psi (0-62,05 kpa) e uma faixa de saída de 4-20 ma para quando a pressão exercida em sua entrada for de 5 psi (34,47 kpa). Sinal Elétrico de Saída (ma) Você deverá encontrar uma saída de sinal elétrico de aproximadamente 12,9 ma. 8. Calcule a saída medida em um sensor de nível do tipo pressão que tem uma faixa de entrada de 0-12 psi (0-82,74 kpa) e uma faixa de saída de 1-5 V para quando a pressão exercida em sua entrada for de 10 psi (68,95 kpa). Sinal Elétrico de Saída (V) Você deverá encontrar uma saída de sinal elétrico de aproximadamente 4.33 V. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 39

40 OBJETIVO 12 Leia o Texto DESCREVER COMO CONVERTER UNIDADES DE NÍVEL DE LÍQUIDO PARA UNIDADES DE SINAL DE SAÍDA DE SENSOR Para se converter unidades de nível de líquido para unidades de sinal de saída de sensor deve-se converter, em primeiro lugar, as unidades de nível de líquido para unidades de pressão e, em seguida, converter as unidades de pressão para unidades de sinal de saída de sensor. Este cálculo é útil nos diagnósticos de falhas e, também, permite ao técnico determinar se o sensor de pressão está entregando a saída correta. Substituindo-se a expressão que relaciona o nível de líquido com a pressão na equação que converte unidades de pressão para unidades de sinal de saída de sensor obtém-se a equação a seguir: CONVERSÃO DE NÍVEL DE LÍQUIDO PARA SAÍDA DE SENSOR Onde: ( d ) O = S L k + O m O m = Sinal de Saída Medido S = Sensibilidade L = Nível (polegadas, pés, metros) d = Densidade Relativa O mín = Valor Mínimo do Sinal de Saída k = Fator de Conversão = psi/pol = psi/pés = kpa/m Exemplo: Calcular a saída medida em um sensor de pressão com uma faixa de entrada de 0-3 psi e uma faixa de sinal de saída de 1-5 V se o nível de óleo bruto (d = 0.85) no tanque é de 26 polegadas. A figura 36 ilustra o sistema. mín 26 pol PETRÓLEO BRUTO SENSOR DE PRESSÃO (0-3 psi) SAÍDA =?V Figura 36. Sistema de Medição de Nível de Óleo Bruto Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 40

41 Usando a equação: 4 O m = O m = ( ) + 1 O m = O m = 2.06 V Para determinar o nível de líquido quando a saída elétrica for dada, a equação acima pode ser reescrita da seguinte forma: FÓRMULA PARA CONVERSÃO DO SINAL DE SAÍDA DO SENSOR PARA NÍVEL DE LÍQUIDO L (O m O mín ) = (S d k) Onde: L = Nível (polegadas, pés, metros) O m = Sinal de Saída Medido O min = Valor Mínimo do Sinal de Saída S = Sensibilidade d = Densidade Relativa k = Fator de Conversão = psi/pol = psi/pés = kpa/m Exemplo: Calcule o nível (em polegadas) de óleo de soja (d = 0.93) em um tanque se a saída medida de um sensor de 6 psi com uma faixa de pressão de 0-5 psi é de 8 ma. O sensor tem faixa de saída de 0-20 ma. Usando a equação: L = L = (8 0) (( 20 ) ) 5 8 ( ) 8 L = L = pol Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 41

42 s PRÁTICA 4 CONVERTER UNIDADES DE NÍVEL DE LÍQUIDO PARA UNIDADES DE SINAL DE SAÍDA DE SENSOR Descrição do Procedimento Neste procedimento, você converterá unidades de nível de líquido para unidades de sinal de saída de sensor usando as equações para converter nível de líquido em pressão e pressão em sinal de saída de sensor. Consulte o Apêndice A para conhecer a densidade relativa dos líquidos. u c e Ex t e os P a s s o 1. Calcule o sinal de saída de corrente de um sensor de pressão que tem uma faixa de sinal de entrada de 0-2 psi (0-13,79 kpa) e está medindo um nível de água de 21 polegadas (0.53 m). O sensor tem uma faixa de saída de 4-20mA. Sinal Elétrico de Saída (ma) 21 pol (0.53m) ÁGUA SENSOR DE PRESSÃO SAÍDA =?ma Figura 37. Sistema de Medição de Nível de Água Você deverá encontrar um sinal elétrico de saída de aproximadamente 10,05 ma. 2. Calcule o sinal de saída medido em um sensor de pressão que tem uma faixa de sinal de entrada de 0-4 psi (0-27,5 kpa) e está medindo um nível de água de 72 polegadas (1,83 m). O sensor tem uma faixa de saída de 4-20mA. Sinal Elétrico de Saída (ma) Você deverá encontrar um sinal elétrico de saída de aproximadamente 14,37 ma. Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 42

43 3. Calcule o sinal de saída medido em um sensor de pressão que tem uma faixa de sinal de entrada de 0-1 psi (0-6,89 kpa) e está medindo um nível de acetona de 18 polegadas (0,46 m). O sensor tem uma faixa de saída de 1-5 V. Sinal Elétrico de Saída (V) Você deverá encontrar um sinal elétrico de saída de aproximadamente 3,05 V. 4. Calcule o sinal de saída medido em um sensor de pressão que tem uma faixa de sinal de entrada de 0-5 psi (0-34,47 kpa) e está medindo um nível de óleo bruto de 100 polegadas (2,53 m). O sensor tem uma faixa de saída de 0-20 ma. Sinal Elétrico de Saída (ma) Você deverá encontrar um sinal elétrico de saída de aproximadamente 12,24 ma. 5. Calcule o sinal de saída medido em um sensor de pressão que tem uma faixa de sinal de entrada de 0-2 psi (0-13,79 kpa) e está medindo um nível de glicol de 21 polegadas (0,53 m). O sensor tem uma faixa de saída de 0-10 V. Sinal Elétrico de Saída (V) Você deverá encontrar um sinal elétrico de saída de aproximadamente 4,16 V. 6. Calcule o nível de alcatrão em um tanque se a saída medida em um sensor de pressão que tem uma faixa de sinal de entrada de 0-3 psi (0-20,68 kpa) é de 7 ma. O sensor tem uma faixa de saída de 4-20 ma. Nível pol (m) Você deverá encontrar um nível de aproximadamente 13,02 polegadas (0,33m). 7. Calcule o nível de gasolina em um tanque se saída medida em um sensor de pressão que tem uma faixa de sinal de entrada de 0-7 psi (0-48,26 kpa) é de16ma. O sensor tem uma faixa de saída de 0-20 ma. Nível pol (m) Você deverá encontrar um nível de aproximadamente 210,53 polegadas (5,38 m). 8. Calcule o nível de alcatrão em um tanque se a saída medida em um sensor de pressão que tem uma faixa de sinal de entrada de 0-3 psi (0-20,68 kpa) é de 7 V. O sensor tem uma faixa de saída de 0-10 V. Nível pol (m) Você deverá encontrar um nível de aproximadamente 48,61 polegadas (1,24m). Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 43

44 9. Determine o sinal de saída medido no sensor de pressão mostrado na figura 38. O sensor tem uma faixa de sinal de entrada de 0-3 psi ( kpa) e uma faixa de saída de 4-20 ma. Sinal Elétrico de Saída (ma) NÍVEL = 70 pol (1.78m) ÁGUA DOCE Figura 38. Sistema de Nível SENSOR DE PRESSÃO Você deverá encontrar um sinal elétrico de saída de 17,44 ma. 10. Determine o nível no tanque mostrado na figura 39 para um sinal de saída do sensor de pressão de 4.5 V. O sensor tem uma faixa de sinal de entrada de 0-7 psi (0-48,26 kpa) e uma faixa de saída de 1-5 V. Nível pol (m) NÍVEL =? ÓLEO DE MILHO SENSOR DE PRESSÃO 4.5V Figura 39. Sistema de Nível Você deverá encontrar nível de aproximadamente 184,93 polegadas (4,7m). Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 44

45 s ALM DI OUT Func. Loop 1/2 Setup INPUTS ANALOG AL1 DISCRETE DL1 DL PID CONTROLLER MAN Lower Display Man Auto FC OUTPUTS ANALOG AO1 AL2 ALARM AL1 AL2 PV SP SP Select Run Hold AUX. POWER 24 VDC FLOW TRANSMITTER 24 VDC OUTPUTS ANALOG 4-20mA DISCRETE OPEN COLLECTOR FT1 4-20mA LT1 4-20mA LS1 SV1 FLOW SENSORS FT2 4-20mA LEVEL SENSORS LT2 4-20mA LS2 CR3 SOLENOID VALVES SV2 TEST 24VDC CONTROL RELAYS CR1 CR2 FLOWPVALVE SV3 FV1 4-20mA PL1 SS1 ALARMPHORN AH1 24VDC PL2 SS2 DC POWER SUPPLY 24VDC PL3 SS3 24VDC GND PL4 SS4 CIRC.PPUMP P PROCESS METER ANALOG INPUTP0-10 VDC NO ANALOG OUTPUTP4-20mA NO 3 PLC DISCRETE I/O 24VDC 4 12 PLC ANALOG I/O 4-20mA OUTPUT RELAY 1 COM OUTPUT RELAY 2 COM NC NC PRÁTICA 5 USAR UM MULTÍMETRO PARA TESTAR A OPERAÇÃO DE SENSOR DE PRESSÃO Descrição do Procedimento Neste procedimento, você verificará a saída de um sensor de pressão usando um multímetro digital (DMM). O sensor deverá produzir um sinal elétrico analógico (corrente) que é proporcional ao nível do fluido no tanque de processo. À medida que o nível no tanque aumentar, o valor do sinal de saída do sensor também deverá aumentar. Você constatará esta relação neste procedimento. Este é um procedimento geralmente usado para se diagnosticar um sensor com suspeita de falha. u c e Ex t e os P a s s o 1. Execute um lockout/tagout. 2. Execute os sub-passos a seguir para montar o T5552, conforme ilustração da figura 40. TOMADA ELÉTRICA -sp VÁLVULAS MANUAIS DE DRENO FECHADAS HV2 REGULADOR DE PRESSÃO AJUSTADO PARA ZERO VÁLVULAS MANUAIS ABERTAS HV1 VÁLVULA MANUAL DE CONTROLE DE VAZÃO ABERTA CONEXÃO DE AR DE SUPRIMENTO Figura 40. Montagem do T5552 Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 45

46 AVETEK m LOGIC 2000 M 20M 2000k 200k 20k MAX 1000V 750V 2k 200 OFF 200 l FUSED 2m FUSED DM15XL 2 10A 200m 200 2m 20m 200m 10A A. Conecte a linha de ar de suprimento ao T5552. B. Ajuste o regulador de pressão para 0 psi. Nesta prática você não usará a válvula de controle de diafragma para controlar vazão. C. Encha o tanque reservatório com água. D. Feche (gire completamente no sentido horário) as duas válvulas manuais de dreno do tanque de processo. E. Abra a válvula manual de controle de vazão. F. Localize um multímetro digital (DMM) e ajuste-o para medir miliampère de CC (ma). Quando você medir miliampère com o DMM, certifique-se de que as pontas de prova estão conectadas aos bornes apropriados (COM e ma) do DMM e a chave seletora está ajustada para ma de CC. G. Conecte o circuito mostrado na figura 41. Este circuito lhe permitirá ativar e desativar a bomba de circulação para controlar a vazão no tanque de processo. Ele também lhe permitirá medir a saída do sensor de pressão (LT1) com o DMM. FLOW SENSORS FLOW VALVE DISCRETE I/O FT1 FT2 FV1 PL1 PL2 PL3 PL4 4-20mA 4-20mA TEST 4-20mA SS1 SS2 SS3 SS4 LEVEL SENSORS LT1 LT2 4-20mA 4-20mA 24VDC LS1 LS2 CONTROL RELAYS CR1 ALARM HORN AH1 CIRC. PUMP P1 CR2 CR3 DC POWER SUPPLY 24VDC 24VDC 24VDC SV1 SOLENOID VALVES SV2 SV3 GND W V ma V m 20m A A DMM AJUSTADO PARA MEDIR ma DE CC (PONTAS DE PROVA CONECTADAS AOS BORNES COM E ma) V COM ma 10A DMM Figura 41. Circuito para Medir a Pressão de Entrada Autorais Direitos 2007 Amatrol, Inc. 46