INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

Transcrição

1 NOTAS 01- ASPECTOS GERAIS DE SISTEMAS DE MEDIÇÃO 1 INTRODUÇÃO Medir uma grandeza é compará-la com um padrão pré definido. Grandeza é definida como a propriedade de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser expressa quantitativamente sob a forma de um número e de uma referência conforme definição do Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia (VIM). Temperatura, pressão, vazão, nível, ph, umidade são exemplos de algumas grandezas físicas que são monitoradas nos processos industriais. Dessa forma, o conjunto de operações necessárias para se determinar, direta ou indiretamente, o valor de uma grandeza é definido como Medição. Medição direta ou indireta do nível de um tanque. O valor verdadeiro de uma grandeza só poderia ser determinado por uma medição perfeita, o que é técnica ou economicamente inviável. Assim, o resultado da medição de uma grandeza deve ser expresso por um valor, uma incerteza e uma unidade (caso não seja adimensional). G ± ΔG [ Unidade ] O intervalo que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentalmente atribuídos a uma dada grandeza e definido como Incerteza, o qual possui o valor verdadeiro em si. A incerteza depende, entre outros, do instrumento de medição, das condições ambientais, da habilidade do operador, podendo ser expressa como uma porcentagem do valor da grandeza ou mesmo em termos absolutos. As unidades de medida são grandezas definidas e adotadas por convenção, com as quais outras grandezas de mesma natureza são comparadas para expressar as suas magnitudes. O sistema corrente de unidades - Sistema Internacional (SI) - adotado e recomendado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas, se baseia nas sete unidades de base seguintes. 1

2 Unidades fundamentais do SI. * Um Ester radiano é o ângulo sólido no qual, tendo o seu vértice no centro de uma esfera, corta uma área da superfície desta esfera igual à área de um quadrado cujos lados têm o comprimento igual ao raio da esfera. Através destas unidades base pode-se obter as chamadas unidades derivadas. Uma vez que a medição de uma grandeza sempre possui uma incerteza associada, um procedimento adequado na propagação da incerteza deverá ser seguido na realização de uma medição indireta de uma dada grandeza. O método aceito na literatura para se obter a incerteza de uma medição indireta é derivado do cálculo estatístico de variância, no qual a incerteza é expressa em função das derivadas parciais das grandezas e das incertezas obtidas pelas medições diretas. 2

3 Considere dois resistores de um mesmo lote de resistências de 10 Ω ± 10%. Determine o valor do resistor equivalente da associação em série e o da associação em paralelo. Considere que ao se aplicar uma tensão de 220 V ± 1% em um resistor de 10 Ω ± 10%. obteve-se uma corrente de 21 A ± 1%. Determine a potência dissipada pelo resistor. Note que a incerteza de uma medição indireta pode ser maior ou menor do que a das medições diretas e que a relação utilizada na propagação da incerteza tem influência no seu resultado final. Instrumento de medição é definido como o dispositivo mecânico ou eletromecânico ou eletrônico utilizado para realizar medições individualmente ou em conjunto com outros dispositivos. Transmissor eletrônico de pressão diferencial. Em geral, um instrumento de medição possui um elemento sensor ou transdutor, um tratamento de sinais e um elemento de saída (um indicador, registrador ou mesmo transmissor), que pode ser analógico ou digital. Estrutura típica de um instrumento de medição. INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de grandezas físicas em equipamentos nos processos industriais. 3

4 2 TIPOS DE INSTRUMENTOS Os instrumentos empregados na indústria tem a sua própria terminologia e uma função em uma malha de instrumentação. Os termos utilizados definem as características próprias diversos instrumentos utilizados: indicadores, registradores, controladores, transmissores e válvulas de controle. A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes e os usuários e os organismos que intervém diretamente ou indiretamente no campo da instrumentação industrial Classes de Instrumentos Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que o mesmo desempenha no processo. a) Elemento Primário: São elementos que estão em contato direto com a variável medida/controlada e que utilizam ou absorvem energia do próprio meio, para fornecer ao sistema de medição uma resposta em função da variação da variável medida/controlada. b) Transmissor: São os instrumentos que detectam as variações na variável medida/controlada através do elemento primário e transmitem-na à distância. O elemento primário pode ou não fazer parte integrante do transmissor. c) Cego: São instrumentos que não tem indicação visível do valor da variável medida. Os instrumentos de alarme, tais como pressostatos e termostatos (chaves de pressão e temperatura), que so possuem uma escala exterior com um índice de seleção para ajuste do ponto de atuação, são instrumentos cegos. d) Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor da variável. Existem também indicadores digitais que indicam a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. e) Registrador: Instrumento que registra a(s) variável(s) através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico. f) Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida, diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor. g) Conversor: O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados. Por exemplo, converte um sinal de entrada pneumático em sinal elétrico padrão de 4 a 20 ma. h) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle. Por exemplo, o conjunto vávula e atuador. OBS.: Os instrumentos também são classificados em instrumentos de painel, campo, à prova de explosão, poeira, líquido, etc. Combinações dessas classificações são efetuadas formando instrumentos conforme necessidades. 4

5 Exemplo de malha com as classe de instrumentos. 3 INSTRUMENTOS: TIPOS DE SINAIS TRANSMITIDOS Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens Tipo pneumático Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada em uma faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizados é de 0,2 a 1,0 kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15 psi no Sistema Inglês). Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também utilizado Nitrogênio. Vantagem A grande e única vantagem em se utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo). Desvantagens a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc, para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m. 5

6 d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. e) Não permite conexão direta aos computadores Tipo Hidráulico Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas. Vantagens a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão. b) Resposta rápida. Desvantagens a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca. c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc Tipo elétrico Esse tipo de transmissão é feito utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Em face da tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessado, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20 ma) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utiliza se sinais em tensão contínua de 1 a 5V. Vantagens a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. c) Necessita de poucos equipamentos auxiliares. d) Permite fácil conexão aos computadores. e) Fácil instalação. f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. g) Permite que o mesmo sinal (4~20mA) seja lido por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas destes instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor. Desvantagens a) Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. b) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos. c) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. d) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. 6

7 3.4 - Tipo Digital Nesse tipo, pacotes de informações sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor e receptor seja realizada com êxito é utilizada uma linguagem padrão chamado protocolo de comunicação. Vantagens a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento. b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados. c) Imune a ruídos externos. d) Permitem configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. e) Menor custo final. Desvantagens a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha Via Rádio Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica. Vantagens a) Não necessita de cabos de sinal. b) Podem-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. Desvantagens a) Alto custo inicial. b) Necessidade de técnicos altamente especializados Via Modem A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude. Vantagens a) Baixo custo de instalação. b) Podem-se transmitir dados a longas distâncias. Desvantagens a) Necessita de profissionais especializados. b) Baixa velocidade na transmissão de dados. c) Sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações. 7

8 4 - TERMINOLOGIA E CONCEITOS A terminologia adotada para descrever as características, sejam elas estáticas ou mesmo dinâmicas, de um instrumento de medição independe da sua natureza ou mesmo do seu propósito. As características estáticas são aquelas relacionadas com a utilização do instrumento em equilíbrio termodinâmico. Por sua vez, as características dinâmicas são aquelas relacionadas com a utilização nas quais a grandeza tempo é considerada na resposta do instrumento ( a constante de tempo, o coeficiente de amortecimento e a freqüência natural, por exemplo). As principais características a serem analisadas são a faixa de indicação, o alcance, a polarização, a precisão, a exatidão, a sensibilidade e a resolução. Assim, uma série de características devem ser consideradas na seleção do instrumento de medição que mais se adaptam a uma dada aplicação. Outras características, tais como a zona morta, a histerese, a linearidade, a sensibilidade e a deriva estão relacionadas aos erros de medição, que por sua vez irão compor a parcela da incerteza através da exatidão do instrumento Faixa de Medida (range) Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Se expressa determinando os valores extremos. Exemplo: 100 a 500 m3 / 0 a 20 psi Alcance (span) É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Exemplo: Um instrumento com range de m3 Seu span é de 400 m A Polarização No mundo real, sempre ocorrerá um erro de medição devido às fontes de erro sistemático e de erro aleatório. As fontes de erro sistemático descrevem os erros de medição que se apresentam sistematicamente em apenas um dos lados do valor verdadeiro da grandeza, um efeito definido como polarização (bias). Erro sistemático e erro aleatório 8

9 4.4 - Precisão Por sua vez, as fontes de erro aleatório descrevem os erros de medição que se apresentam aleatoriamente dos dois lados do valor verdadeiro da grandeza, de modo que erros positivos e negativos ocorrem em igual número de vezes em uma série de medições sobre uma mesma grandeza, um efeito definido também como precisão. A precisão é um termo que descreve o grau de liberdade a erros aleatórios, ou seja, ao nível de espalhamento de várias leituras em um mesmo ponto. Os graus de repetitividade e de reprodutibilidade são maneiras alternativas de se expressar a precisão. Embora estes termos signifiquem praticamente a mesma coisa, eles são aplicados a contextos diferentes. A REPETITIVIDADE descreve o grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição. Estas condições são denominadas condições de repetitividade e incluem o mesmo procedimento de medição, mesmo observador, mesmo instrumento de medição, utilizado nas mesmas condições, mesmo local e repetição em curto período de tempo. A REPRODUTIBILIDADE expressa o grau de concordância entre os resultados das medições de um mesmo mensurando, efetuadas sob VARIADAS CONDIÇÕES DE MEDIÇÃO. Para que uma expressão de reprodutibilidade seja válida, é necessário que sejam especificadas as condições alteradas, que podem incluir o princípio de medição, método de medição, observador, instrumento de medição, padrão de referência, local, condições de utilização e condições climáticas Exatidão Considerando tanto o efeito da polarização quanto o da precisão, tem-se um efeito denominado exatidão.podemos definir como sendo a aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro. A exatidão pode ser descrita de três maneiras: - Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.) - Percentual do Span (% do span) - Percentual do Valor Lido (% do V.L.) Exemplo: Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250 C e valor medido 100 C, determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições: Exatidão 1 % do Fundo de Escala Valor real = 100 C ± (0,01 x 250) = 100 C ± 2,5 C Exatidão 1 % do Span Valor real = 100 C ± (0,01 x 200) = 100 C ± 2,0 C Exatidão 1 % do Valor Lido (Instantâneo) Valor real = 100 C ± (0,01 x 100) = 100 C ± 1,0 C A precisão é frequentemente confundida com a exatidão. Um aparelho preciso não implica que seja exato. Uma baixa exatidão em instrumentos precisos decorre normalmente de um desvio ou tendência nas medidas, o que poderá ser corrigido por uma nova calibração. 9

10 A figura a seguir procura ilustrar as características de exatidão e precisão de um instrumento ou equipamento Zona Morta É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. Pode depender da taxa de variação e opcionalmente pode ser ampliada de modo a prevenir variações na resposta para pequenas variações no estímulo. Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 200 C e com zona morta de 0,1% do span Histerese É o erro máximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente. Expressa-se em porcentagem do span do instrumento. Deve-se destacar que a expressão zona morta está incluída na histerese. Exemplo: Num instrumento com range de 100 C a 200 C, sendo sua histerese de ± 0,3 %, o erro será 0,3 % de 100 C = ± 0,3 C. 10

11 4.8 - Linearidade e Não Linearidade A Linearidade é uma característica normalmente desejável onde a leitura de um instrumento é linearmente proporcional à grandeza sendo medida. O gráfico a seguir mostra a relação entre uma grandeza e o resultado de medições. Nesta figura pode-se observar certo grau de linearidade que pode ser notada mesmo visualmente. No entanto, podem se utilizar métodos estatísticos, tais como um coeficiente de correlação, para saber o quão a curva mostrada se aproxima de uma reta. A Não Linearidade, por sua vez, é definida como o máximo desvio de qualquer uma das leituras com relação à reta obtida, e é normalmente expressa como uma percentagem do fundo de escala Sensibilidade do instrumento A sensibilidade é definida como a resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação no estímulo. A sensibilidade pode depender do valor do estímulo. Sendo assim, a sensibilidade pode ser contabilizada como a inclinação da reta que define a relação entre a leitura e a grandeza medida. Ex1.: A pressão de 2 bar produz uma deflexão de 10 graus em um transdutor de pressão, a sensibilidade do instrumento é 5 graus/bar, desde que a deflexão seja zero quando aplica-se zero bar. Ex2: Uma balança de mola é calibrada em um ambiente à temperatura de 20 C: A 20 C - sensibilidade 20 mm/kg Sensibilidade a distúrbios Toda calibração e especificação de um instrumento é válido somente sob condições controladas de temperatura, pressão, etc. Estas condições ambientais padrão são usualmente definidas na especificação do instrumento. Em função da variação das condições ambientais, certas características estáticas dos instrumentos podem se alterar lentamente. Sendo assim, a sensibilidade a distúrbios é uma medida da extensão destas alterações. Tais variações de condições ambientais podem afetar os instrumentos de duas maneiras, conhecidas como deriva (drift) de zero e deriva de sensibilidade. A deriva de zero descreve o efeito de como a leitura de zero de um instrumento é modificada pela alteração nas condições ambientais. Em um voltímetro, por exemplo, a deriva de zero relacionada à variações de temperatura é dada em volts/oc. Se o zero 11

12 deste voltímetro é modificado em funções de outras condições ambientais, outros coeficientes deverão ser determinados. A deriva de sensibilidade ou deriva do fator de escala define o quão a sensibilidade de um instrumento varia em função das condições ambientais. As figuras a seguir exemplificam a existência de deriva de zero, deriva de sensibilidade, e os casos onde ambos acontecem, respectivamente. Para a balança do exemplo anterior quando usada em um ambiente à temperatura de 30 C temos: Deriva de sensibilidade / C = 2 / 10 = 0,2 (mm/kg)/ C 12

13 5 - CALIBRAÇÕES DE INSTRUMENTOS A CALIBRAÇÃO de instrumentos é um conjunto de operações que estabelece, sob condições específicas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões. O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicações, como a determinação das correções a serem aplicadas. Além disto, uma calibração pode, também, determinar outras propriedades metrológicas como o efeito das grandezas de influência. O resultado de uma calibração pode ser registrado em um documento, algumas vezes denominado CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO. Padrão Instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza para servir como referência. Sendo assim, tem-se os seguintes tipos de padrões: Padrão de Referência: Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do qual as medições lá executadas são derivadas. Padrão Primário: Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões de mesma grandeza. Este conceito é igualmente válido para grandezas de base e para grandezas derivadas. Padrão Seucundário: Padrão cujo valor é estabelecido por comparação a um padrão primário da mesma grandeza. Padrão Internacional: Padrão reconhecido por um acordo internacional para servir, internacionalmente, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere. Padrão Nacional: Padrão reconhecido por uma decisão nacional para servir, em um país, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere. Padrão de Trabalho: Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de transferência. Um padrão de trabalho é, geralmente, calibrado por comparação a um padrão de referência. O padrão de trabalho utilizado rotineiramente para assegurar que as medições estão sendo executadas corretamente é chamado padrão de controle. Padrão de Transferência: Padrão utilizado como intermediário para comparar padrões. O termo dispositivo de transferência deve ser utilizado quando o intermediário não é um padrão. 13

14 Rastreabilidade Propriedade do resultado de uma medição, ou do valor de um padrão, estar relacionado a referências estabelecidas, geralmente padrões internacionais ou nacionais, através de uma cadeia contínua de comparações, cadeias de rastreabilidade, todas tendo incertezas estabelecidas. Sendo assim, este padrão pode ser dito rastreável. A figura a seguir apresenta um esquema de uma cadeia de rastreabilidade. Rastreabilidade de Padrões. 14

15 6 - TEMPO DE RESPOSTA DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO. As características estáticas dos instrumentos se referem somente a medidas em regime permanente. As características dinâmicas, no entanto, descrevem o seu comportamento durante o intervalo de tempo em que a grandeza medida varia até o momento em que o seu valor medido é apresentado. Como nas características estáticas, as características dinâmicas se aplicam somente quando os instrumentos são utilizados sob condições ambientais especificadas. Fora destas condições de calibração pode-se esperar alterações nestas características dinâmicas. Qualquer sistema de medida linear e invariante no tempo respeita a seguinte relação entre entrada (qi) e saída (q0) em um tempo t maior que zero. Se for considerado que a grandeza a ser medida permanece constante durante o tempo de leitura, então esta equação fica simplificada, podendo ser chamada equação dinâmica. Simplificações adicionais podem ser consideradas quando esta equação é aplicada a classes típicas de instrumentos. Instrumento de ordem zero A menos de a0, todos os outros coeficientes da equação dinâmica são iguais a zero. Onde K é uma constante conhecida como sensibilidade do instrumento, definida anteriormente. Qualquer instrumento que se comporte segundo esta equação é dito ser de ordem zero. Como exemplo, pode-se citar um potenciômetro usado para medir movimento; a tensão de saída muda instantaneamente tão logo a haste do potenciômetro se movimente ao longo de seu curso. Em geral os instrumentos de ordem zero são formados por elementos com características dissipativas, ou seja, são elementos passivos, elétricos ou mecânicos, que não possuem capacidade de armazenamento de energia. 15

16 Instrumento de primeira ordem A menos de a0 e a1, todos os outros coeficientes da equação dinâmica são iguais a zero. Resolvendo-se analiticamente esta equação, a saída q0 em resposta a um degrau na entrada qi varia de maneira aproximada à figura a seguir. A constante de tempo t da resposta ao degrau é o tempo tomado quando a saída atinge 63% do seu valor final. O termopar é um bom exemplo de instrumento de primeira ordem. Se um termopar à temperatura ambiente for colocado em água fervente, a tensão de saída não irá instantaneamente para o nível de 100ºC, mas irá gradativamente conforme mostrado na figura anterior até atingir o seu valor definitivo. 16

17 EXERCÍCIOS 1) Defina e faça uma análise comparativa entre precisão e exatidão. 2) O que é deriva de zero e de sensibilidade, como compensar estes fenômenos? 3) Qual a importância de se conhecer a característica dinâmica de um instrumento? 4) Resolva a questão abaixo: 17