Instrumentação 09/04/2010 1

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1 Instrumentação Instrumentação é o ramo da Engenharia que trata de Projeto Fabricação Especificação Montagem Operação Manutenção de instrumentos para medição, alarme e controle do processo industrial 09/04/2010 1

2 Vantagens do instrumento Não reclama Não faz greve Não pede aumento de salário Não tira férias Não se apaixona Não torce por time de futebol Não brinca carnaval e nem São João Trabalha no escuro 09/04/2010 2

3 Desvantagens do instrumento Capacidade limitada de tomar decisão Precisa de programação para operar Requer ajustes periódicos Requer manutenção periódica Consome energia Custo de propriedade 09/04/2010 3

4 Instrumentação mecânica 09/04/2010 4

5 Instrumentação eletrônica 09/04/2010 5

6 Instrumentação inteligente 09/04/2010 6

7 Instrumento virtual 09/04/2010 7

8 Símbolos e Identificação Fluido do trocador de calor TAL FR 1 PR 2 4 TV 3 TRC 3 09/04/2010 8

9 Símbolo e filosofia do instrumento DEDICADO COMPARTILHADO FUNÇÃO DE COMPUTADOR LÓGICA DUAS FUNÇÕES UM INSTRUMENTO 09/04/2010 9

10 Símbolo e local de montagem ACESSÍVEL AO NÃO ACESSÍVEL OPERADOR AO OPERADOR ACESSÍVEL AO OPERADOR NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR PAINEL DE LEITURA ARMÁRIO CEGO PAINEL AUXILIAR PAINEL AUXILIAR MONTADO NO CAMPO OU ÁREA 09/04/

11 Linhas de interligação Sinal indefinido Sinal eletrônico, 4 a 20 ma cc Sinal pneumático, 20 a 100 kpa Sinal eletrônico, binário Comunicação digital ou configuração Tubo capilar Linha de processo 09/04/

12 Identificação do instrumento Conjunto alfanumérico incluindo Variável do processo (1 a letra) Função do instrumento (2 a letra) Modificadores da 1 a e 2 a letra Número da malha Exemplos: TIC 201 FRQI 503 LSHH 29 09/04/

13 Variável do instrumento Variável inicializada ou medida Análise (A) - análise não é função: analisador (?) Vazão (F) Nível (L) Pressão (P) Temperatura (T) Modificadores (da 1 a ou 2 a letra) Diferencial (D), Fração (F), Varredura (J), Segurança (S), Alta (H), Baixa (L) 09/04/

14 Função do instrumento Controle (quase) sempre tem Indicação FIC = FC Totalização e Indicação de Vazão quase sempre estão associadas FIQ = FQI, FQ Transmissor pode ter indicação local da variável FIT, TIT 09/04/

15 ELEMENTO DE VAZÃO TRANSMISSOR DE VAZÃO FE FT CAMPO PAINEL EXTRATOR DE RAIZ QUADRADA REGISTRADOR FR Diagrama detalhado de uma malha de controle PID CONTROLADOR DIFERENÇA (ERRO) AÇÃO PROPORCIONAL FEEDFORWARD K RELÉ TRANSFERÊNCIA A/M LIMITADOR AJUSTÁVEL H e L ESTAÇÃO AUTO-MANUAL TRANSDUTOR I/P K Σ Τ < > I/P SAÍDA MEDIÇÃO PONTO DE AJUSTE AÇÃO INTEGRAL SOMADOR TRANSFERÊNCIA MANUAL I T A I MANUAL EMERGÊNCIA PAINEL CAMPO VÁLVULA COM ATUADOR PNEUMÁTICO 09/04/

16 Instrumentação Pneumática Ainda é usada, no Brasil, EUA e Europa para processos simples, seguros e antigos Há uma tendência universal de substituir instrumentação pneumática por eletrônica microprocessada Baseada no sinal padrão de 20 a 100 kpa (0,2 a 1,0 kgf/cm 2 ou 3 a 15 psi) 09/04/

17 Instrumentação Eletrônica Analógica Também ainda é usada, no Brasil, EUA e Europa para controle de processos Há uma tendência universal de substituir instrumentação eletrônica analógica por microprocessada Baseada no sinal de 4 a 20 ma cc, criado em 1950, padronizado em 1975 (ISO/IEC) 09/04/

18 Instrumentação inteligente Instrumentação inteligente é aquela à base de microprocessador Condiciona o sinal, no lugar do operador e apresenta informação de modo amigável Possui CPU Memória Módulo I/O 09/04/

19 Funções de Instrumentos 09/04/

20 Cadeia de informação na malha Sensor de nível Transmissor de nível Ajuste manual do nível Controlador de nível Indicador Suprimento de água Válvula de controle (elemento final de controle) Tanque de armazenagem (processo de nível) Registrador Sistema de alarme Sistema de intertravamento Vazão da água (variável manipulada) Computador Usuários da água do processo 09/04/

21 Funções de Instrumentos Elemento Sensor Condiconador de sinal Transmissor Display Indicador Registrador Contador Controlador Atuador final: válvula de controle 09/04/

22 Elemento sensor Parte do instrumento que detecta a variável, convertendo-a em outra mais usável Entrada do sensor: variável do processo Pressão Temperatura Nível Vazão Análise Velocidade Densidade Força (peso) Posição Queima (combustão) Tempo Torque Umidade Vibração 09/04/

23 Elemento sensor Alimentação (opcional) Indicador Variável Sensor Sinal Registrador Totalizador 09/04/

24 Sensor de pressão 09/04/

25 Sensor de temperatura 09/04/

26 Sensor de vazão volumétrica 09/04/

27 Fatos sobre o sensor Nem sempre está em contato direto Nem sempre é linear Pode afetar valor da variável medida Sempre contribui com incerteza Pode ser fisicamente distribuído Pode ser mais de um 09/04/

28 Transmissor Instrumento que sente a variável de processo e gera na saída um sinal padrão proporcional ao valor da variável medida Alimentado pelo instrumento receptor de painel com 24 V cc Aplicações Uso remoto do sinal Padronização do sinal Isolação do sinal 09/04/

29 Características do transmissor Sinais padrão Eletrônico: 4 a 20 ma cc Pneumático: 20 a 100 kpa Digital (?): Hart, Fieldbus, Modbus Locais de montagem Área industrial (campo) Sala de controle (painel cego) 09/04/

30 Alimentação do transmissor Transmissor + Transmissor Receptor Fonte Fonte Receptor - Transmissor a 2 fios Transmissor a 3 fios Transmissor + - Fonte + Receptor - Transmissor a 4 fios 09/04/

31 Transmissor convencional 09/04/

32 Transmissor d/p cell 09/04/

33 Transmissor inteligente 09/04/

34 Transmissor descartável 09/04/

35 Transmissor de vazão 09/04/

36 Fatos sobre o transmissor Nem sempre é usado (opcional) Nem sempre está no campo Sua saída é linear com a entrada, mas nem sempre é linear com a variável medida Sempre contribui com incerteza Sempre requer alimentação elétrica (da sala de controle) ou pneumática Às vezes é chamado de outro nome (errado) 09/04/

37 Mostrador do Sinal (Display) Tipos de mostradores de sinal Indicador Registrador Controlador (Indicador) Totalizador (Contador) Modos de apresentação Analógico Digital 09/04/

38 Indicador Instrumento que sente a variável e apresenta o seu valor instantâneo Analógico: escala + ponteiro (um móvel, outro fixo) Digital: números em LED, LCD, TRC Precisão (resolução) Maior escala e número de divisões Maior número de dígitos 09/04/

39 Indicadores analógicos Painel Campo 09/04/

40 Escalas do indicador analógico 09/04/

41 Registrador Instrumento que sente a variável e imprime valor histórico ou de tendência da variável em um gráfico através de uma pena Especificações Número de penas Registro contínuo ou ponto Enrolamento do gráfico Tipo de pena Acionamento do gráfico 09/04/

42 Registrador Certamente, o instrumento que mais evoluiu na Instrumentação: atualmente é um computador em caixa de registrador Registrador microprocessado (inteligente) Imprime tabelas Imprime relatórios Imprime lista de alarmes correntes Apresenta valores instantâneos em displays digitais 09/04/

43 Registrador mecânico 09/04/

44 Registrador microprocessado 09/04/

45 Controlador Instrumento que 1. Recebe a medição de uma variável 2. Recebe um ponto de ajuste 3. Compara-os e 4. Gera automaticamente um sinal de saída para atuar o elemento final para manter a medição igual ou em torno do ponto de ajuste 09/04/

46 Controlador de campo 09/04/

47 Controlador de painel 09/04/

48 Controlador virtual 09/04/

49 Chave automática Chave operada pela posição de algum dispositivo ou valor ajustado de uma variável Pressostato - PS Termostato - TS Chave de nível - LS Chave de vazão - FS Chave fim de curso - ZS 09/04/

50 Chave limite ou de posição 09/04/

51 Válvula de Controle Válvula é uma dispositivo que altera a passagem de um fluido em seu interior Válvula pode ser acionada automaticamente ou manualmente Válvula é aplicada em tubulações de entrada e saída de vasos, tanques, reatores e containeres 09/04/

52 Válvula de Controle Válvula de controle altera a passagem de um fluido em seu interior de conformidade com o sinal proveniente de um controlador Pode estar entre 0 e 100% de abertura Controle liga-desliga: 0 ou 100% Funções da válvula de controle Conter o fluido do processo Responder ao sinal do controlador Variar a passagem do fluido manipulado Absorver a queda variável da pressão 09/04/

53 Válvula de Controle Válvula de controle é atuada pelo sinal que tipicamente vem do controlador Válvula de controle não requer alimentação Válvula de controle não é de vedação Válvula com atuador pneumático é ainda o elemento final de controle mais usado Simples Seguro Barato Rápido 09/04/

54 Válvula de Controle 09/04/

55 Válvula de Controle 09/04/

56 Acessórios da válvula 09/04/

57 Acessório da válvula: posicionador Posicionador: controlador de posição que estabelece uma abertura biunívoca da válvula com relação ao sinal do controlador Aplicação é justificada: Eliminar histerese da válvula Dividir a faixa de controle da válvula Eliminar os efeitos do atrito do engaxetamento Apressar a resposta da válvula 09/04/

58 Posicionador da válvula 09/04/

59 Medição das Variáveis 09/04/

60 Variável de processo Quantidade física que altera seu valor em função de outra quantidade e em relação ao tempo ou espaço Dependendo do valor da variável, o operador: Altera o ponto de ajuste do controlador Atua manualmente no processo Liga ou desliga equipamento 09/04/

61 Pressão 09/04/

62 Pressão Conceito: força/área Unidades SI: pascal, símbolo Pa Pa = N/m 2, Usados também kpa, MPa Não SI: kgf/cm 2, psi, mm H 2 O Símbolos associados: PI, PG, PR, PSL, PSH, PIC Sensores mecânicos: Bourdon C, fole, espiral, helicoidal Sensores elétricos: strain gauge e cristal piezelétrico Padrões de pressão: Bomba peso morto, Manômetro padrão 09/04/

63 Terminologia da Pressão Pressão absoluta Pressão manométrica ou relativa Pressão atmosférica Pressão diferencial Pressão de vácuo Pressão estática Pressão hidrostática Pressão de vapor 09/04/

64 Pressão Pressão manométrica Pressão Atmosférica Vácuo ou pressão manométrica negativa Pressão atmosférica Pressão absoluta Pressão absoluta Zero Absoluto 09/04/

65 Manômetro, PI ou PG Escala Bourdon C 09/04/

66 Pressostato Chave automática atuada pelo valor da pressão PSL ou PSH (alarme) PSLL ou PSHH (intertravamento) Não é sensor (possui) Não é indicador (opcional) 09/04/

67 Medição de Temperatura 09/04/

68 Temperatura Conceito: Propriedade de um objeto que determina a direção do fluxo de calor (energia) quando ele é colocado em contato com outro: energia vai do ponto mais quente para o mais frio Temperatura termodinâmica: ponto triplo da água igual a 273,16 K Unidade SI: Recomendada: kelvin, símbolo K Uso industrial: grau Celsius ( o C) Símbolos: TI, TR, TJI, TJR, TSL, TSH, TAL, TAH, TIC 09/04/

69 Temperatura Variável de qualidade Em medição de vazão de gás, temperatura é medida para compensação do volume Temperatura é relativamente difícil de medir e de controlar, pois tem o mais amplo espectro de dificuldade, de liga-desliga a PID Há pouca novidade ou evolução na medição de temperatura 09/04/

70 Escala de Temperatura O C = ( o F - 32)/1,8 o C (K) o F ( o R) 100 (373) 212 (672) F=1,8C+32 Escala Celsius (Kelvin) 100 (100) 180(180) Escala Farenheit (Rankine) 0 (273) 32 (492) -273 (0) -460 (0) sensor 09/04/

71 Sensores de temperatura Mecânicos: Bimetal Enchimento termal Haste de vidro Elétricos Termopar Resistência Detectora de Temperatura (RTD) Termistor 09/04/

72 Faixas e sensores Método Faixa de Medição ( o C) Termopares -200 a 1700 Enchimento Termal -195 a 760 Resistência Detectora -250 a 650 Termistores -195 a 450 Pirômetros Radiação -40 a /04/

73 Termostato Chave automática atuada pelo valor da temperatura TSL ou TSH (alarme) TSLL ou TSHH (desarme) Não é sensor (possui) Não é indicador 09/04/

74 Vazão Volumétrica: volume por unidade de tempo Mássica: massa por unidade de tempo Unidades: m 3 /s ou kg/s Símbolos associados: FG FI FR FIC FrC ou FFC FQ FIQ FSL FSH FSLL ou FSHH 09/04/

75 Medidores Favoritos de Vazão (2) Efeito Coriolis Ultra-som Vortex Alvo (target) Termal Canal aberto 09/04/

76 Placa de orifício Elemento sensor de vazão (FE), que gera um p proporcional ao quadrado da vazão volumétrica instantânea Usado para líquidos, gases e vapor d água Aceito legalmente para custódia (AGA # 3) Precisão do sistema: 0,5 a 5% do fundo de escala; típica de 2% do f.s. 09/04/

77 Placa de orifício 09/04/

78 Placa de orifício 09/04/

79 Porta-placa de orifício 09/04/

80 Detector da pressão diferencial A placa de orifício provoca uma queda de pressão proporcional ao quadrado da vazão volumétrica A placa de orifício é sensor de vazão (FE) e não da pressão diferencial Quem detecta a pressão diferencial gerada pela placa é: Transmissor d/p cell Diafragma ou câmara Barton 09/04/

81 Transmissor de Pressão Diferencial Transmissor d/p cell associado à placa de orifício, FT 09/04/

82 Nível 09/04/

83 Nível Altura da coluna líquida ou de sólidos granulados em um tanque ou reservatório Unidades %, comprimento, volume ou massa Símbolos: LG, LI, LR, LSL, LSH, LSLL, LSHH 09/04/

84 Visor de Nível 09/04/

85 Medição de nível com fita e bóia Medição direta do nível, com uma bóia em contato direto com a superfície líquida Bóia é presa por fita, passa por polia e ligada e uma escala invertida de nível de 100 a 0% Vantagens: Simplicidade Baixo custo Desvantagens: Necessita de selo, em tanque pressurizado Precisão de ruim a média (±1% f.e.) 09/04/

86 Medição de nível com fita e bóia Bóia Escala 09/04/

87 Medição de nível a p Medição se baseia na pressão exercida pela coluna líquida: P = ρ g H Pressão hidrostática independe do formato Medição se complica quando Fluído medido é corrosivo, tóxico ou sujo Tanque é fechado, requerendo selagem na perna molhada de medição Medição é facilitada com tomadas especiais Flange plana Flange com extensão Flanges com capilares 09/04/

88 Medição de nível a p Vantagens: Facilidade de medição e calibração da pressão diferencial Flexibilidade pela variedade de tomadas Possibilidade de transmissão Desvantagens: Variação da densidade causa erro Líquidos voláteis requerem selagem ou purga Geralmente requer supressão de zero Local da montagem pode afetar calibração Variações de temperatura ambiente causam erros, quando se usa tubo capilar 09/04/

89 Medição de nível a p 09/04/

90 Medição de nível por P 09/04/

91 Medição de nível a Radar 09/04/

92 Medição de nível a Radar Vantagens: Pode medir níveis de fluidos complicados Não requer licença legal (radiativo) Medição sem contato Antena pode ser externa ao tanque Medição independe das características do líquido Desvantagens: Relativamente caro Não pode ser usado em sólidos ou líquidos sujos 09/04/

93 CONTROLE DE PROCESSO 09/04/

94 Variáveis de Processo VARIÁVEL DE PROCESSO(PV): É aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto. VARIÁVEL MANIPULADA (MV): É aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de manter a variável controlada no valor desejado. SET-POINT (SP): É o valor predeterminado que servirá de referência para o controlador como o ponto ideal de operação do processo. 09/04/

95 Conceitos importantes INSTRUMENTO Detector Transmissor Indicador Registrador Conversor Controlador Integrador Elemento Final de Controle DEFINIÇÃO São dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor Instrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor. Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detector, transmissor, etc... Registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados por um detector, transmissor, controlador, etc... Instrumento cuja função é a de receber uma informação na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como um sinal de saída proporcional ao de entrada. Instrumento que compara o valor medido(pv) com o desejado(sp) e, baseado na diferença entre eles, emite um sinal de correção para a variável manipulada(mv) a fim de que essa diferença seja igual a zero. Instrumento que indica o valor obtido pela integração(totalização) de quantidades medidas sobre o tempo. Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado. 09/04/