Modelos de Instrumentação. Sensores/Transmissores. Válvula de Controle

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1 Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF custo Modelos de Instrumentação Outros Processos de Sensores/Transmissores Separação Válvula de Controle Prof a Ninoska Bojorge Controle Feedback Controle do Nível Fluxo entra SP LT LC Fluxo saída

2 Diagrama de blocos do Controle Feedback Var. perturbação comparação manipulada sp sp e u VM VC Controlador válvula Processo y set-point erro sinal D Variavel controlada VC m Sensor/ Transmisor Tipos de sensores Princípios dos sensores Seleção do sensores Filtração de ruídos Representação de Diagrama de Blocos Blocos Somatório Ponto de Bifurcação - TEQ/UFF 4

3 Introdução 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.. INTRODUÇÃO AO SENSOR Variável física (T, P, F, L, x, ) Sensor Medição (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) Transmissor Elemento (gerador de sinal/line sensitivo driver) Transdutor 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).

4 Sistema de Instrumentação Transmissor Transdutor Sensor 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)

5 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) VP( s) K H τ s + 1 H onde: K H Ganho do transdutor, possui unidades [C (?) / VP (?) ] τ H Constante de tempo do transdutor, [tempo] 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

6 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

7 Parâmetros do sensor SENSORES DE TEMPERATURA Principio Expansão térmica Tipo Gás Líquido Bimetal Faixa de aplicação (ºC) -230~ ~350-50~500 Observação N2 Óleo Resistência PT-100 Termistor 200~600 <300 Exato, linear, autoaquecimento, Baratos, impreciso, não-linear EMF Radiação ou Infravermelho Termopar -200~1600 Baixa sensitividade sensor temperatura CI Pirômetro ótico -100~150 Alta voltagem, preciso, linear Muito ampla Sem contato, necessidade de calibração precisa 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 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 Sensor de Pressão Existem duas categorias básicas de sensores analógicos de pressão Coletores de Força (Bourdon) Piezo resistivo:

9 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 Ganho do Sensor de Pressão Transdutor de pressão eletrônico linear com a faixa de medição de 0 a 200 psig % ST e(t), ma P, psig (20 4) ma 16mA K H 0,08mA / (200 0) psig 200 psig psig

10 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 100 ( f máx 2 ) dc 2(100 ) KH f df ( 2 fmáx ) f 2 Medidor de Vazão Vazão Vazão mássica ( m& ) Kg/s Vazão volumétrica ( V & ), L/s Vazão molar ( N & ), Kmol/s

11 Medidor de Vazão Medidores de vazão (principio de detecção) Pressão diferencial Área variável Velocidade Medidores direto de massa Rotatório Medidor de Vazão Célula de pressão diferencial Q C d 1 A P A 2 2 ( ) G A 2 1 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 Nível Flutuador sensor de nível Sensor de nível ultra-sônico Uso de célula DP - Cabeça de fluido como medida Delta P - Várias implementações: 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.

13 Atuadores SP e u Controlador Atuador PROCESSO VM VC 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 de processo possa ser manipulada. Para a maioria dos processos químicos e de 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.

14 Válvulas de Controle Existem muitas maneiras diferentes de manipular os fluxos de materiais e energia dentro e fora de um processo, por exemplo, mediante alterações da 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 automática de controle. A válvula de controle inclui o corpo da válvula, haste, sede, e o atuator. 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: Pneumático; Elétrico; Hidráulico.

15 ATUADOR e CONVERSOR Conversor Digital-Analógico (D/A e A/D; I/P, P/I, etc.) O sinal original é convertido noutro sinal contínuo e guarda o sinal até que o sinal seja alterado (a cada delta t). São normalmente concebidos para ter características lineares e de dinâmicas insignificantes (rápido), assumese que, a FT do conversor consiste meramente de um ganho de estado estacionário, K IP : K I / P U p U c Modelo de uma válvula de controle 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.

16 Modelo de uma válvula de controle 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 V X( s) K v U ( s ) 1+ +τ v. s v U(s) K τ v v K v K v U c (s) U p (s) Diagrama de Bloco para o conversor I/P U p (s) Diagrama de Bloco para a válvula de controle. 32

17 Sinal de atuação diafragma haste mola Indicador de posição de válvula obsturador sede Partes de uma válvula de controle pneumática (ar-para-abrir). Profª Ninoska 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.

18 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 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

19 Válvulas de Controle Ação Reversa FALHA FECHA (F.F.) AR PARA ABRIR 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 1 100

20 Tipos de Válvulas de Controle Geometrias mais comuns para válvulas de controle Referências 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,