Variáveis de Processo

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2 Variáveis de Processo A variável de processo é uma grandeza física que altera seu valor em função de outras variáveis e principalmente em relação ao tempo. O objetivo do controle de processo é o de manter uma variável constante ou, no mínimo, variando dentro de certos limites estabelecidos. Antes de ser controlada, uma variável deve ser medida, dentro de uma classe de exatidão requerida pelo processo. 2

3 Variáveis de Processo Em um processo industrial típico, mais de 90% das medições envolvem apenas quatro variáveis: pressão, temperatura, vazão e nível. As outras variáveis menos comuns incluem: posição, condutividade, densidade, vibração, análise (ph, O 2, CO 2,etc.). 3

4 Definida como força por unidade de área: P = F A De acordo com o Sistema Internacional de Medidas: Força Expressa em Newtons (N=kg.m/s 2 ) Área Expessã em metro quadrado (m 2 ) Pressão Expressa em Pascal (Pa=N/m 2 ) 4

5 Definições de pressão Pressão Total: É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento. É a pressão medida propriamente dita. Pressão Estática: É a pressão exercida em um ponto em fluidos estáticos. É transmitida integralmente em todas as direções, produzindo a mesma força em áreas iguais. 5

6 Definições de pressão Pressão Dinâmica: É a pressão exercida por um fluido em movimento paralelo à sua corrente. A pressão dinâmica é representada pela seguinte equação: P d = 0,5.ρ.V² Onde: P d = pressão dinâmica (N/m²) ρ= massa específica do fluido (Kg/m 3 ) V = velocidade do fluido (m/s) 6

7 Tipos de pressão Pressão atmosférica: É a pressão exercida pelos gases da atmosfera terrestre e foi a primeira pressão a ser realmente medida. Pressão manométrica: É a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local (pressão relativa), podendo ser positiva ou negativa. Geralmente se coloca a letra g (gauge) após a unidade para representá-la. Quando se fala em uma pressão negativa, em relação a pressão atmosférica, chama-se pressão de vácuo ou pressão manométrica negativa. 7

8 Tipos de pressão Pressão absoluta: É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a soma da pressão atmosférica e a pressão manométrica. Geralmente coloca-se a letra a após a unidade. Pressão diferencial: É o resultado da diferença de duas pressões medidas. Em outras palavras, é a pressão medida em qualquer ponto, menos no ponto zero de referência da pressão atmosférica. 8

9 Tipos de pressão ou Pressão Relativa 9

10 Unidades de pressão A pressão possui vários tipos de unidade. Usualmente a unidade utilizada na industria é o Kgf/cm 2, enquanto que o sistema industrial inglês utiliza o PSI (Lbf/in 2 ). Outras unidades também utilizadas: KPa, N/m², mmhg, mmh2o, atme bar. A seleção da unidade é livre, mas geralmente deve-se escolher uma grandeza para que o valor medido possa estar na faixa de 0,1 a 1000 (as oito unidades, além de casos especiais, são suficientes para cobrir estas faixas ). 10

11 Conversão de unidades de pressão: Unidade de Pressão Kgf/cm² lbf/pol² (psi) bar Pol Hg Pol H2O atm mmhg (Torr) mmh2o KPa (KN/m²) Kgf/cm² 1 14,2233 0, ,96 393,83 0, , ,0665 lbf/pol² (psi) 0, ,0689 2,036 27,689 0,068 51, ,895 bar 1, , ,53 401,6 0, , Pol Hg 0,0345 0,4911 0, ,599 0, , ,4 3,3863 Pol H2O 0, , , , , , ,399 0,24884 atm 1, ,696 1, , , , ,325 mmhg (Torr) 0, , , , ,5354 0, ,598 0,13332 mmh2o 0, , , , , , , ,0098 Kpa (KN/m²) 0, , ,01 0, ,0158 0, , ,

12 Dispositivos para medição de pressão Uma das formas mais simples para se medir pressão é através de sensores mecânicos. Nestes sensores a pressão é determinada pelo balançode um sensor contra uma força desconhecida. Este balanceamento pode ser feito através uma força (balanço de força), que requer uma deformação elástica (bourdon, diafragma, fole e cápsula). Ou através de uma outra pressão (balanço de pressão) como é o caso do manômetro de coluna líquida e omedidor de peso morto. 12

13 Elementos (manômetros) de deformação elástica São elementos cuja pressão é balanceada através de uma força provocada por uma deformação elástica. Este tipo de instrumento baseia-se na lei de Hookesobre elasticidade dos materiais onde o módulo da força aplicada em um corpo é proporcional à deformação provocada. Os medidores de pressão tipo elástico são submetidos a valores de pressão sempre abaixo do limite de elasticidade, pois assim cessada a força o medidor retorna a sua posição inicial sem perder suas características. 13

14 Elementos (manômetros) de deformação elástica A deformação provoca um deslocamento linear, que é convertido de forma proporcional a um deslocamento angular através de mecanismo específico. Ao deslocamento angular é anexado um ponteiro que percorre uma escala linear e cuja faixa representa a faixa de medição do elemento de recepção. 14

15 Elementos (manômetros) de deformação elástica Os principais tipos de elementos de deformação são: ELEMENTO Bourdon APLICAÇÃO / RESTRIÇÃO Não apropriado para micropressão FAIXA DE PRESSÃO (MÁX) ~ 2000 kgf/cm2 Diafragma Baixa pressão ~ 3 kgf/cm2 Fole Baixa e média pressão ~ 10 kgf/cm2 Cápsula Micropressão ~ 300 mmh2o 15

16 1) Manômetro de Bourdon O manômetro de Bourdonconsiste em um tubo com seção oval, que possui uma de suas extremidades fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando em um movimento na sua extremidade fechada. Esse movimento através de engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar uma medida de pressão em uma escala graduada. 16

17 1) Manômetro de Bourdon O elemento pode estar disposto em forma de C, espiral ou helicoidal. 17

18 1) Manômetro de Bourdon A construção básica: 18

19 1) Manômetro de Bourdon O movimento do tubo é não linear e deve-se projetar um sistema de acoplamento mecânico para linearizar este movimento. Isto é conseguido através do sistema do ângulo caminhante, do pinhão, do pivô e de engrenagens ou setores de engrenagens (cams). A exatidão dos dispositivos é uma função do diâmetro do tubo Bourdon, da qualidade do projeto e dos procedimentos de calibração. Ela varia de ±0,1% a ±5% da amplitude de faixa, com a maioria caindo na faixa de ±1%. 19

20 1) Manômetro de Bourdon Alguns desses medidores são ainda incrementados com compensadores térmicos, normalmente uma barra bimetálica integrada ao sistema do ponteiro para minimizar o erro. Os materiais mais usados nos Bourdonssão o aço-liga, aço inoxidável ou bronze, que variam de acordo com o tipo de produto a ser medido e são recomendados pelo fabricante. 20

21 1) Manômetro de Bourdon Manômetro de Pressão Diferencial: Este tipo construtivo, é adequado para medir a diferença de pressão entre dois pontos quaisquer do processo. É composto de dois tubos de Bourdon dispostos em oposição e interligados por articulações mecânicas 21

22 1) Manômetro de Bourdon Manômetro Duplo: São manômetros com dois Bourdonse mecanismos independentes e utilizados para medir duas pressões distintas, porém com mesma faixa de trabalho. A vantagem deste tipo está no fato de se utilizar uma única caixa e um único mostrador. 22

23 1) Manômetro de Bourdon Manômetro com Selagem Líquida: Em processos industriais que manipulam fluidos corrosivos, viscosos, tóxicos, sujeitos à alta temperatura, a medição de pressão com manômetro tipo elástico se torna impraticável, pois o Bourdonnão é adequado para essa aplicação, seja em função dos efeitos da deformação proveniente da temperatura, seja pela dificuldade de escoamento de fluidos viscosos ou seja pelo ataque químico de fluidos corrosivos.nesse caso, a solução é recorrer a utilização de algum tipo de isolação para impedir o contato direto do fluido do processo com o Bourdon. 23

24 1) Manômetro de Bourdon Basicamente existem dois tipos de isolação: Isolação com selagem líquida: Utiliza um fluido líquido inerte em contato com o Bourdon. Nesse caso é usado um pote de selagem ou selo por sifão. 24

25 1) Manômetro de Bourdon Isolação com selo diafragma: O fluido de selagem é isolado do processo. O fluido mais utilizado é a glicerina e o medidor já é fornecido pelos fabricantes totalmente selado. 25

26 2) Manômetro de Diafragma O Manômetro com sensor tipo Diafragma é composto por um disco circular utilizado para medir pressões geralmente de pequenas amplitudes. 26

27 2) Manômetro de Diafragma Uma haste fixada no centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, o diafragma se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada. O diafragma pode ser plano (disco circular plano) ou pode ser corrugado (a fim de aumentar sua área efetiva). 27

28 2) Manômetro de Diafragma A sensibilidade da cápsula ou do diafragma aumenta proporcionalmente ao seu diâmetro. Quanto maior a cápsula ou o diafragma, menores faixas e diferenças de faixa de pressão podem ser medidas. O material pode ser metálico ou não. Quando se tem duras condições de trabalho, temperaturas extremas e atmosferas corrosivas, os materiais usados são Inconele aço inoxidável 304 e

29 3) Manômetro de Fole Fole é um dispositivo que tem a possibilidade de expandir-se e contrair-se em função de pressões aplicadas no sentido do eixo. 29

30 3) Manômetro de Fole Como a resistência à pressão é limitada, este tipo de manômetro é utilizado somente para baixa pressão. 30

31 4) Manômetro de Cápsula Este tipo de manômetro é composto a partir de dois diafragmas corrugados com seus perímetros soldados na forma de uma cápsula conectada a um ponteiro e uma escala. 31

32 4) Manômetro de Cápsula Várias cápsulas montadas em série resultam em um deslocamento suficiente para acionar o ponteiro e o sistema de engrenagem. Estes manômetros são geralmente usados para medição a baixa pressão em vácuo. 32

33 5) Manômetro de coluna líquida Consiste num tubo de vidro contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. A pressão criada pela coluna do líquido é usada para balancear a pressão a ser medida. A leitura da coluna líquida dá o valor da pressão desconhecida medida. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio por ser denso e diminuir o tamanho da coluna. 33

34 5) Manômetro de coluna líquida As colunas podem ser de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U. 34

35 6) Medidor de peso morto Medidores de peso morto (ou peso estático) são utilizados principalmente como padrões para calibração de outros medidores menos precisos. O instrumento a ser calibrado é ligado a uma câmara cheia de fluído conectado a um embolo vertical ao qual são colocados vários pesos padrões. 35

36 6) Medidor de peso morto No interior da câmara, a pressão cresce lentamente até que oembolocomopeso"flutue. Neste momento a medida do instrumento deve ser igual ao peso suportado pelo pistão dividido por sua área. 36

37 Transmissores de pressão Os transmissores de pressão tem a função de enviar informações à distância das condições atuais de processo dessa variável. Essas informações são enviadas de forma padronizada através de diversos tipos de sinais e utilizando um elemento sensor associado a um conversor cuja finalidade principal é transformar as variações de pressão detectadas pelos elementos sensores em sinais padrões de transmissão. Os transmissores de pressão podem ser do tipo pneumático ou eletrônico. 37

38 Transmissores de pressão pneumáticos Foram os primeiros tipos de transmissores. Possui um elemento de transferência que converte o sinal detectado pelo elemento receptor de pressão em um sinal de transmissão pneumático. A faixa padrão de transmissão (pelo sistema internacional) é de 20 a 100 kpa, porém na prática são usados outros padrões equivalentes de transmissão tais como 3 a 15 psi, 0,2 a 1,0 kgf/cm2 e 0,2 a 1,0 bar. A alimentação do instrumento é normalmente de 1,4kgf/cm

39 Transmissores de pressão pneumáticos Os transmissores pneumáticos são fabricados a partir de dois métodos de conversão de sinal: a) Método de equilíbrio de força b) Método de equilíbrio de movimento Em ambos os casos, um mecanismo constituído por uma lâmina metálica denominada de palheta, e um orifício de exaustão de ar denominado de bico (sistema bico-palheta) é utilizado como elemento de conversão. 39

40 Transmissores de pressão pneumáticos Além disso, um dispositivo amplificador de sinais pneumáticos, denominado relé piloto é utilizado para prover a saída de um sinal linear variável. Completa esse instrumento um fole de realimentação cuja função é garantir as condições de equilíbrio do instrumento. A diferença básica entre esses dois métodos está somente na forma com que o sinal detectado é convertido. 40

41 Transmissores de pressão pneumáticos No método de equilíbrio de força o bico se mantém fixo e somente a palheta se afasta ou se aproxima do mesmo para ganhar uma contrapressão proporcional à detectada, contrapressão essa que será amplificada pelo relé piloto. No método de equilíbrio de movimento tanto o bico quanto a palheta se movimentam para obter a contrapressão correspondente à pressão detectada. 41

42 Transmissores de pressão pneumáticos Método de equilíbrio de Movimento Método de equilíbrio de força 42

43 Transmissores de pressão eletrônicos São os sucessores dos transmissores pneumáticos. Possui elementos de detecção similar ao pneumático porém utiliza elementos de transferência que convertem o sinal de pressão detectado em sinal elétrico padronizado (por exemplo 4 a 20 ma). Existem vários princípios físicos relacionados com a variações de pressão que podem ser utilizados como elemento de transferência ou transdutores (transformam um tipo de energia em outro, utilizando para isso um elemento sensor). 43

44 Transmissores de pressão eletrônicos Os elementos mais utilizados nos transmissores são: 1) Piezoresistivo(Strain Gauge) 2) Piezoelétrico 3) Capacitivo (Célula Capacitiva) 4) Silício Ressonante 44

45 1) Piezoresistivo (Strain Gauge) O elemento piezoresistivo, fita extensiométricaou straingauge, baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, alterando-se as suas dimensões. O sensor consiste em um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível. Esta montagem denomina-se tira extensiométrica. 45

46 1) Piezoresistivo (Strain Gauge) Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido, enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação da força. Portanto, ao inserirmos uma pressão na câmara de um sensor straingauge, sua lâmina sofre uma deformação proveniente desta força aplicada. 46

47 1) Piezoresistivo (Strain Gauge) Esta deformação altera o comprimento do fio fixado na lâmina, provocando mudança em sua resistência. A fita extensiométricaé interligada em um circuito tipo ponte de WHEATSTONE que ao ter os valores de resistência alterados com a pressão, sofre desbalanceamento proporcional à variação a pressão aplicada. 47

48 1) Piezoresistivo (Strain Gauge) A faixa de aplicação varia de 2 de H2O a psi, e sua precisão gira em torno de 0,1% a 2% do fim de escala. 48

49 1) Piezoresistivo (Strain Gauge) 49

50 1) Sensor Piezoelétrico Os elementos piezoelétricossão cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato, que acumulam cargas elétricas quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, sendo capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências. O efeito piezoelétricoé um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. 50

51 1) Sensor Piezoelétrico Este efeito é altamente estável e exato, sendo por isso utilizado em relógios de precisão. A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador e indicada ou convertida em um sinal de saída 51

52 1) Sensor Piezoelétrico 52

53 3) Capacitivo (Célula Capacitiva) É o sensor mais utilizado em transmissores de pressão. Nele um diafragma sensor se move entre duas placas fixas. Entre as placas fixas e o diafragma, existe um fluido de enchimento (em amarelo) que funciona como um dielétrico. 53

54 3) Capacitivo (Célula Capacitiva) Como um capacitor de placas paralelas é constituídos por placas separadas por um meio dielétrico. Ao sofrer um esforço de pressão, o diafragma sensor (que vem a ser uma das placas do capacitor) tem sua distância modificada em relação as placas. 54

55 3) Capacitivo (Célula Capacitiva) O circuito eletrônico é alimentado por um sinal AC através de um oscilador e então modula-se a frequência ou a amplitude do sinal em função da variação de pressão para se ter a saída em corrente ou digital. 55

56 3) Capacitivo (Célula Capacitiva) 56

57 4) Silício Ressonante Um sensor de pressão por silício ressonante é formado por dois ressonadores de silício encapsulados a vácuo, ambos com a forma da letra H. Um dos sensores fica localizado no centro, enquanto o outro fica na borda do diafragma. 57

58 4) Silício Ressonante Por estarem localizados em locais diferentes, havendo uma pressão, um sofrerá uma compressão, e o outro sofrerá uma tração. Desta maneira, os sensores apresentarão uma diferença de frequência entre si. Esta diferença pode ser lida por um microprocessador, cujo sinal será proporcional ao diferencial de pressão aplicado (P1-P2). 58