INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL VOLUME I

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1 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL VOLUME I

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3 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Segunda Edição Volume I Gustavo Vitorino Monteiro da Silva Escola Superior de Tecnologia de Setúbal

4 Título Instrumentação Industrial 2ª Edição Copyright 2004 do autor FICHA TÉCNICA Autor Gustavo Vitorino Monteiro da Silva Engenheiro Electrotécnico Mestre em Engª Electrotécnica e de Computadores [email protected] Foto do autor: Rita Caleiro Gabinete de Promoção e Comunicação da EST Edição Comercialização e Capa Escola Superior de Tecnologia de Setúbal Rua do Vale de Chaves, Estefanilha SETÚBAL PORTUGAL Tel: Fax: [email protected] FXS, Gestão de Marketing, Lda. Rua Prof. Mark Athias, 4, 3º Frente LISBOA PORTUGAL Tel: Fax: [email protected] Impressão Tipografia Peres R. das Fontaínhas, lote 2, Venda Nova AMADORA PORTUGAL Tel: Fax: ISBN Vol. I: Vol. II: Depósito Legal Vol. I: / 004 Vol II: / 004 Tiragem: 1000 exemplares Cada exemplar consta de 2 volumes Setúbal, Julho de 2004

5 Aos meus filhos

6 AGRADECIMENTOS O Capítulo 18, Aquisição de Dados, foi gentilmente escrito pelo colega Vítor Manuel Rodrigues Viegas, Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores pelo Instituto Superior Técnico, ramo de Medidas Eléctricas e Instrumentação, que lecciona na EST disciplinas na área científica de Instrumentação e Medida. Os Capítulos 1, 2, 3 e 17 foram revistos pelo colega Miguel Dias Pereira, Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores pelo Instituto Superior Técnico, ramo de Medidas Eléctricas e Instrumentação, que lecciona na EST disciplinas na área científica de Instrumentação e Medida. Os Capítulos 5, 8 e 16 (ph) foram revistos pelo colega Rui Nuno Vilela Dionísio, Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores pelo Instituto Superior Técnico, ramo de Controlo e Robótica e que lecciona na EST disciplinas na área científica de Instrumentação e Medida. A todos estes colegas expresso os meus sinceros agradecimentos.

7 PREFÁCIO A obra do autor surge na sequência de um esforço continuado no sentido de enriquecer o já vasto número de publicações que tem vindo a apresentar nas áreas de Instrumentação e Medida e Controlo e Processos, onde desenvolve a sua actividade como docente do Departamento de Sistemas e Informática da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal do Instituto Politécnico de Setúbal. Das obras já desenvolvidas são de realçar, para além das publicações de carácter pedagógico, efectuadas no âmbito das disciplinas que tem leccionado, os livros de Instrumentação Industrial (1ª edição), Processamento Digital de Sinais e Controlo Não Linear que teve oportunidade de publicar em Junho de 1999, Outubro de 2000 e Julho de 2003, respectivamente. Nesta 2ª edição do seu livro de Instrumentação Industrial é de realçar não apenas a reformulação de alguns aspectos de organização do texto, mas também a inclusão de um número significativo de novos capítulos. De entre estes, destaco os seguintes: elementos pneumáticos, sensores por infravermelhos, medidas eléctricas, aquisição de dados, instrumentação médica, controlo de processos, válvulas de controlo e metrologia. Considero como factor determinante de motivação subjacente para concretização das publicações referidas, e particularmente desta 2ª edição deste livro de Instrumentação Industrial, a excepcional preocupação que o autor tem manifestado no desenvolvimento de bibliografia de apoio aos alunos e outros interessados nas matérias que tem leccionado. Como nota de realce nas publicações apresentadas saliento ainda a capacidade que o autor tem demonstrado em aliar à sua experiência profissional, de cerca de 25 anos na área do projecto em instalações de sistemas de medida e controlo industriais, o rigor técnico-científico na apresentação de temas cuja abordagem nem sempre é fácil. Para isso contribuem de forma bastante positiva os casos de aplicação prática que são sugeridos no decurso da apresentação dos conteúdos teóricos, das matérias apresentadas, bem como o número significativo de problemas resolvidos e propostos em cada capítulo.

8 Por todos estes motivos e em especial pelo esforço evidenciado no sentido de apoiar os alunos da ESTSetúbal, em particular os do Curso de Automação, Controlo e Instrumentação, felicito o autor manifestando o meu reconhecimento pelo excelente trabalho desenvolvido. Setúbal, 10 de Junho de 2004 Dias Pereira ii

9 PREFÁCIO DA 1ª EDIÇÃO A instrumentação de medida constitui um dos campos técnico-científicos mais interessantes que conheço, mas que em língua portuguesa não dispõe de literatura suficiente que reuna os conhecimentos básicos existentes. Associando esta circunstância ao gosto que sempre tive pelos sistemas de medida, à experiência de cerca de 25 anos em projecto e instalação de sistemas de medida e de controlo industriais e ao facto de leccionar cadeiras de instrumentação no Instituto Politécnico de Setúbal, ficaram reunidas as condições essenciais para o aparecimento deste livro. Nesta obra procura fazer-se uma abordagem sistematizada da instrumentação de medida em linha correntemente utilizada na indústria. Os sensores, como são designados na indústria estes instrumentos, são aqui classificados de acordo com o tipo de variável que se pretende medir. Na apresentação de cada um deles dá-se mais ênfase ao princípio utilizado na transdução do que aos circuitos por eles utilizados. Penso que assim se terá uma melhor compreensão dos fenómenos envolvidos. Esta edição constitui apenas uma parte daquilo que se pretende fazer. Muitos dos tópicos que fazem parte da instrumentação nem sequer aqui estão mencionados, como por exemplo os sensores baseados em análise espectral, a aparelhagem para medida de grandezas eléctricas, as válvulas de controlo, os actuadores eléctricos e pneumáticos, o estudo do ruído e blindagem, os sistemas de aquisição de dados e de controlo distribuído, a instrumentação inteligente, a instrumentação baseada em PCs, a instrumentação virtual, etc. Espero que um segundo volume possa contemplar este temas, tão importantes quanto actuais. Apesar desta falta, penso que a publicação agora efectuada poderá prestar um bom trabalho a quem dela se servir. Este livro destina-se a um público muito restrito, mas apesar de tudo, diversificado. Tenho em mente todos aqueles que, tendo gosto por estas matérias, não dispõem de tempo ou oportunidade para consultar bibliografia estrangeira; penso também na contribuição que o livro poderá prestar aos instrumentistas das nossas fábricas, que tão bom trabalho vêm desempenhando, apesar da sua acção passar quase sempre despercebida; com alguns deles aprendi muito do que aqui exponho; penso ainda nos engenheiros e técnicos que projectam, instalam e mantêm a instrumentação de medida. Finalmente, a minha atenção vai para os alunos das escolas de engenharia, e em particular para os alunos da Escola Superior de Tecnologia do Instituto Politécnico de Setúbal, que me estimularam no sentido da publicação desta obra. O livro está dividido em capítulos, quase todos independentes. Cada capítulo é destinado ao estudo da medição de uma grandeza física ou química, ou de grandezas associadas. Quando considerado necessário, começa-se por dar uma muito breve introdução teórica, para relembrar e eventualmente clarificar os conceitos envolvidos; segue-se uma exposição sobre os diversos iii

10 métodos de transdução utilizados pelos respectivos sensores. Nalguns casos descrevem-se os circuitos utilizados. Sempre que julgado necessário, apresentam-se recomendações sobre o modo de instalação e os procedimentos utilizados para a calibração. Por vezes apresenta-se um mapa comparativo em que se resume o campo de aplicação, as gamas de medida, as vantagens, inconvenientes e limitações de cada instrumento. Cada capítulo termina com alguns problemas de aplicação, cujo objectivo é concretizar, com valores numéricos do mundo real, a abordagem teórica efectuada. O livro faz uma introdução genérica a cada um dos sensores, não sendo de modo algum uma exposição detalhada sobre os mesmos. Para tal deverão ser consultadas as obras da especialidade indicadas na bibliografia. Quero agradecer ao meu antigo aluno da EST, Helder António Gomes da Silva a execução de parte das figuras, bem como o empenho e cuidado que pôs na sua execução; ao antigo colega de mestrado e colega da EST Rui Nuno Vilela Dionisio a cuidadosa revisão efectuada aos capítulos 1,2 e a sua contribuição para o capítulo 16; ao meu filho Luís Pedro Monteiro da Silva a disponibilidade para a execução de parte das figuras; finalmente, à minha mulher Maria Teresa Salta Monteiro da Silva, que sempre tem sabido compreender que estas horas de atenção que não lhe dou são dedicadas a uma boa causa. Espero que este livro aproveite a todos. Lisboa, Julho de O Autor iv

11 CONTEÚDO RESUMIDO Volume I Pág. 1. A Instrumentação na Indústria Condicionadores e Fontes Posição, Deformação e Velocidade Força, Binário, Peso e Aceleração Pressão Elementos Pneumáticos Sensores de Nível Temperatura Caudalímetros Sensores de Viscosidade Volume II Pág. 11. Sensores Ópticos Cor, Brancura e Imagem Sensores de Fibra Óptica Sensores por Infravermelhos Sensores por Radiação Ph, Condutividade, Oxigénio Medidas Eléctricas Aquisição de Dados Redes de Campo Instrumentação Médica Controlo de Processos Válvulas de Controlo Instrumentação Intrinsecamente Segura Metrologia Constantes, Formulários e Tabelas Bibliografia Índice Remissivo v

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13 CONTEÚDO DO VOLUME I pág. 1. A INSTRUMENTAÇÃO NA INDÚSTRIA INTRODUÇÃO O PROCESSO INDUSTRIAL Processo e variáveis do processo Exemplos de processos Processos contínuos e descontínuos Representação de um processo SENSORES E CONVERSORES Introdução Sensores Conversores analógicos/ digitais VÁLVULAS, ACTUADORES E CONTROLADORES ESCRITA DOS NÚMEROS E UNIDADES Algarismos significativos Notação científica Arredondamentos SISTEMAS DIGITAIS Variáveis e operações booleanas Sistemas sem memória Sistemas com memória FENÓMENOS PERIÓDICOS Representação analítica e gráfica O sinal sinusoidal CONDICIONADORES E FONTES INTRODUÇÃO ELEMENTOS DE CIRCUITOS Resistência Bobina Condensador Leis de Kirchhoff Lei dos nós Lei das malhas Díodo Transístor de junção Circuito integrado AMPLIFICADORES Introdução Ganho Linearidade Impedância de entrada Impedância de saída Ligação em cascata Resposta em frequência...55 vii

14 2.3.8 Amplificador diferencial Ruído do amplificador AMPLIFICADORES OPERACIONAIS Introdução Amplificador não inversor Amplificador inversor Amplificador somador/subtractor Integrador Diferenciador Conversor corrente/tensão Conversor tensão/corrente Amplificador de carga Amplificador de instrumentação PONTE DE WHEATSTONE Pontes de medida Ponte de Wheatstone óhmica Ponte de Wheatstone alimentada a tensão constante Ponte de Wheatstone alimentada a corrente constante FILTROS Introdução Filtros analógicos passivos Filtros analógicos activos Filtros digitais Média fixa Média móvel Filtro exponencial ISOLAMENTO GALVÂNICO Introdução Isolamento por transformador Isolamento óptico FONTES DE ALIMENTAÇÃO Introdução Pilha Bateria Capacidade de uma bateria Fonte de alimentação Alimentação de um transmissor a dois fios INDICADORES PROBLEMAS POSIÇÃO, DEFORMAÇÃO E VELOCIDADE INTRODUÇÃO POSIÇÃO Sistemas de coordenadas Potenciómetro Introdução. Princípio Materiais. Características Transdutor indutivo LVDT Princípio Características viii

15 3.2.5 Resolvers Encoder Condensador Variável Princípio. Capacidade. Impedância O condensador como transdutor O efeito de Hall DEFORMAÇÃO Conceitos de tensão e deformação Lei de Hooke. Módulo de elasticidade Tensão de corte Viga encastrada Membrana circular Extensómetros Princípio de funcionamento Sensibilidade. Factor do extensómetro Circuitos de medida. Compensação de temperatura Outros métodos Ultra-sons Micro-ondas Laser Fibra óptica VELOCIDADE Velocidade linear e angular Movimento de um corpo sólido Velocidade linear Velocidade angular e de rotação Sensores de Velocidade Angular Gerador taquimétrico Taquímetro digital Velocidades muito baixas Sensores de Velocidade Linear Taquímetro acoplado Marcas no tapete Encoder linear Correlação Velocidade de Fluidos Anemómetro de conchas Molinete Tubo de Pitot Anemómetro de fio quente PROBLEMAS FORÇA, BINÁRIO, PESO E ACELERAÇÃO CONCEITOS FUNDAMENTAIS Força Momento e binário Aceleração e massa Peso Impulso de uma força Tensão e deformação DINAMÓMETROS ix

16 4.2.1 Célula de carga Célula em anel Barra encastrada SENSORES DE BINÁRIO Acoplamento elástico Extensómetros sobre o veio ACELERÓMETROS A piezoelectricidade BALANÇAS Breve Resumo Histórico Métodos de Pesagem Balanças de alavancas Balanças hidráulicas Balanças pneumáticas Balanças com células de deformação Balanças radioactivas Tapetes para Medida em Contínuo Pesagem por Medida Volumétrica Controlo do Alimentador do Tapete PROBLEMAS PRESSÃO CONCEITO DE PRESSÃO. UNIDADES Introdução Definições Fluidos estáticos Fluidos dinâmicos Unidades MANÓMETRO DE COLUNA LÍQUIDA MANÓMETRO DE BOURDON MANÓMETRO DE DIAFRAGMA Constituição e tipos Distribuição das tensões mecânicas Medição com extensómetros Medição por variação de capacidade Medição por método piezoresistivo Medição com balança de forças O diafragma como selante MANÓMETROS DE FOLE DE CÁPSULAS E DE CILINDRO Manómetro de fole Manómetro de cápsulas Manómetro de cilindro SENSORES PIEZOELÉCTRICOS PRESSÓSTATO Introdução Princípio de funcionamento Banda morta ou diferencial BLOCOS DE VÁLVULAS CALIBRAÇÃO Balança de pesos mortos Calibrador x

17 5.10. ESPECIFICAÇÃO E SELECÇÃO PROBLEMAS RESOLVIDOS PROBLEMAS PROPOSTOS ELEMENTOS PNEUMÁTICOS INTRODUÇÃO TRANSMISSORES Tipos de sinal O sistema tubeira-palheta O relé pneumático A balança de forças CONTROLADORES Introdução Controlador Proporcional Controlador proporcional integral (PI) Controlador proporcional derivativo (PD) Controlador proporcional integral e derivativo (PID) OUTROS DISPOSITIVOS Conversor I/P Conversor P/I Extractor de raiz quadrada COMPRESSORES Compressor de pistão Compressor de parafusos Compressor de turbina Características PROBLEMAS RESOLVIDOS SENSORES DE NÍVEL INTRODUÇÃO FUNDAMENTOS DE HIDROSTÁTICA Conceito de nível Equações fundamentais Teorema de Arquimedes Corpos totalmente mergulhados Corpos parcialmente mergulhados CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES TUBO DE VISUALIZAÇÃO RESERVATÓRIO COM FLUTUADOR DISPOSITIVOS DE DESLOCAMENTO VARIÁVEL NÍVEL POR PRESSÃO HIDROSTÁTICA Tubo de borbulhamento Reservatórios abertos Reservatórios fechados Nível por transmissor de pressão SENSORES POR CONDUTIVIDADE Medição em contínuo Liga/Desliga SENSORES CAPACITIVOS Princípio de funcionamento Líquidos isolantes xi

18 Líquidos condutores SENSORES DE ULTRA-SONS SENSORES RADIOACTIVOS SENSORES POR RADAR Introdução. História Radar CW-FM Radar por impulsos Vantagens e inconvenientes da medição por radar OUTROS SENSORES DE NÍVEL Detector gravimétrico Sensor por medição do binário Lâmina vibrante PROBLEMAS RESOLVIDOS PROBLEMAS PROPOSTOS TEMPERATURA INTRODUÇÃO TEMPERATURA, TERMÓMETROS, UNIDADES Conceito de temperatura. Termómetro A Escala Internacional de Temperaturas Unidades TERMÓMETROS DE LÍQUIDO, DE PRESSÃO E BIMETÁLICOS Dilatação linear e volumétrica Termómetro de líquido Termómetro de pressão de gás Termómetro de tensão de vapor Termómetro bimetálico TERMO-RESISTÊNCIAS Princípio, Materiais, Características Sensibilidade Linearização Considerações diversas Auto-aquecimento Sensibilidade à deformação Comprimento das ligações Estabilidade das leituras Protecção mecânica e química Circuitos de medida Ponte de Wheatstone Ponte de Wheatstone a três fios Gerador de corrente e medida da tensão TERMISTORES Constituição e características Sensibilidade Aspectos práticos Obtenção da temperatura Auto-aquecimento Construção Comprimento das ligações Precisão e estabilidade Linearização e circuitos condicionadores xii

19 8.6. TERMOPARES Constituição e princípio de funcionamento Efeito de Seebeck () Efeito de Peltier () Efeito de Thompson Funcionamento dos termopares Leis de comportamento dos termopares Dois metais, duas junções Independência da temperatura do percurso Lei dos metais intermédios Lei dos metais intermédios Lei das temperaturas sucessivas Lei dos metais sucessivos Considerações sobre as leis anteriores Sensibilidade Aspectos diversos Termopares standard Estabilidade Precisão Gamas de medida Temperatura da junção de referência Bainha e diâmetro dos condutores Cabos de ligação TERMÓMETROS DE SEMICONDUTORES A junção P-N como sensor de temperatura O transístor de junção como sensor de temperatura Sensores de temperatura em circuito integrado TERMÓMETROS DE QUARTZO Princípio de funcionamento Constituição Frequência de oscilação Sensibilidade Características Aplicações TERMÓMETROS POR RADIAÇÃO E PIRÓMETROS Introdução Fundamentos de Radiação Pirómetros e termómetros por radiação Pirómetros ópticos Termómetros de infra-vermelhos Detector de fotões PROPAGAÇÃO DE CALOR, RESPOSTA DINÂMICA Condutância e resistência térmicas Auto-aquecimento CALIBRAÇÃO Introdução Padrões primários Células para pontos fixos Estufas Termómetros de precisão xiii

20 Calibradores ESPECIFICAÇÃO E SELECÇÃO INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO Local de instalação dos elementos primários Ligação do sensor ao processo Ligação roscada Ligação por aperto Ligação soldada Ligação colada Ligação flangeada Local de instalação dos transmissores Instalação à cabeça Instalação em caixa de junção Instalação centralizada Cabos de ligação Identificação do equipamento Diagramas e esquemas de ligações Manutenção PROBLEMAS RESOLVIDOS PROBLEMAS PROPOSTOS CAUDALÍMETROS INTRODUÇÃO FUNDAMENTOS DE HIDRODINÂMICA. CAUDAL Nomenclatura Equações fundamentais Equação de Euler Teorema de Bernoulli Equação da continuidade Potência de um escoamento CLASSIFICAÇÃO DOS CAUDALÍMETROS Classificação baseada no tipo de grandeza primária Classificação baseada no fenómeno físico interveniente MEDIÇÃO DE CAUDAIS EM CANAIS ABERTOS Descarregadores Descarregador de secção rectangular, sem contracção da veia líquida Descarregador de secção rectangular, com contracção da veia líquida Descarregador de secção trapezoidal (inclinação da parede 4:1): Descarregador de secção triangular: Características dos descarregadores Canais Comportas CAUDALÍMETROS BASEADOS NA VARIAÇÃO DE PRESSÃO Orifício calibrado Bocal ( Flow Nozzle ) Venturi Cotovelo ( Elbow ) Compensação de pressão e temperatura CAUDALÍMETRO ELECTROMAGNÉTICO Princípio de funcionamento Detalhes construtivos xiv

21 Corpo Revestimento interior Eléctrodos Alimentação das bobinas Condições de funcionamento Temperatura de utilização Pressão Condutividade do fluido Densidade do fluido Viscosidade Gama de medida Precisão Perda de carga Sentido do fluido Escolha de secção do caudalímetro Instalação Transmissor Descrição Parametrização CAUDALÍMETROS POR FORÇA DE ARRASTAMENTO Princípio de funcionamento Rotâmetro Caudalímetro de alvo ( target ) CAUDALÍMETROS DE VÓRTICE OU TURBILHÃO CAUDALÍMETRO MÁSSICO DE CORIOLIS PROBLEMAS RESOLVIDOS PROBLEMAS PROPOSTOS SENSORES DE VISCOSIDADE INTRODUÇÃO FUNDAMENTOS TEÓRICOS Conceito de viscosidade. Lei de Newton Outras grandezas Unidades Reogramas. Características reológicas Influência da temperatura e pressão Variação com o tempo Medição da viscosidade MÉTODOS LABORATORIAIS DE MEDIDA Método do tubo capilar Método esfera em queda Viscosímetro de extrusão Viscosímetros rotacionais Viscosímetro de cilindros concêntricos Viscosímetro de cone Viscosímetro de prato MÉTODOS INDUSTRIAIS DE MEDIDA Viscosímetro de pressão diferencial Viscosímetro de vibração Viscosímetros rotacionais PROBLEMAS xv

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