CONCEITOS BÁSICOS DE INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE

CONCEITOS BÁSICOS DE INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL - ENG3501 PROFª. LETÍCIA CHAVES

Conceitos básicos de Instrumentação 1 INTRODUÇÃO 1.1 Histórico 1.2 Elementos de uma Malha de Controle 1.2.1 Processo Industrial 1.2.2 Variáveis de Processo 1.2.3 Malha de controle 2

Conceitos básicos de Instrumentação 2 DEFINIÇÕES EM INSTRUMENTAÇÃO 2.1 Classes de Instrumentos 2.2 Faixa de Medição (Range) 2.3 Alcance (SPAN) 2.4 Erro 2.5 Repetitividade 2.6 Exatidão 2.7 Precisão 2.8 Rangeabilidade (Largura de Faixa) 2.9 Terminologia 2.10 Símbolos Utilizados nos Fluxogramas de Processo 2.11 Simbologia Geral em Instrumentação Localização 2.12 Tabela de Identificação Funcional dos Instrumentos 3

Conceitos básicos de Instrumentação 3 CALIBRAÇÃO 3.1 Padrão 4

1 Introdução INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais. 5

1 Introdução Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo. 6

1.1 Histórico No princípio da era industrial, o operário realizava o controle manual das variáveis de processo utilizando somente instrumentos simples, manômetro, termômetro e válvulas manuais, etc. e isto era suficiente porque os processos eram simples. 7

1.1 Histórico Com o passar do tempo os processos foram se complicando exigindo um aumento da automação nos processos industriais, através dos instrumentos de medição e controle. Centralização das variáveis em uma única sala. Devido à centralização podemos fabricar produtos que seriam impossíveis através do controle manual. Mas para atingir o nível que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram grandes transformações tecnológicas. 8

1.2 Elementos de uma malha de controle 1.2.1 Processo Industrial Na ciência do controle automático, um processo denota uma operação ou uma série de operações sobre materiais sólidos ou fluidos, de modo a conseguir que estes materiais sejam colocados em um estado de utilização mais conveniente. 9

1.2 Elementos de uma malha de controle Ex: Controle do processo para obter a água aquecida 10

1.2 Elementos de uma malha de controle Geralmente, existem várias condições internas e externas que afetam o desempenho de um processo. Estas condições são denominadas de variáveis de processo, tais como: temperatura, pressão, nível, vazão, volume, etc. O processo pode ser controlado medindo-se a variável que representa o estado desejado e ajustando automaticamente as outras variáveis, de maneira a se conseguir um valor desejado para a variável controlada. 11

1.2 Elementos de uma malha de controle 1.2.2 Variáveis de Processo Variável controlada: também denominada como variável de processo (PV), é aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto. Ex: temperatura da água 12

1.2 Elementos de uma malha de controle Meio controlado: é a energia ou material no qual a variável é controlada. Ex: água Variável manipulada: é aquela sobre a qual o controlador automático atua no sentido de se manter a variável no valor desejado. Ex: vazão de vapor 13

1.2 Elementos de uma malha de controle Agente de controle: é a energia ou material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica. Ex: vapor, pois a variável manipulada é a vazão do vapor. 14

1.2 Elementos de uma malha de controle Então, quais são as variáveis de processo no exemplo? Variável controlada: temperatura da água Meio controlado: água na saída do processo Variável manipulada: vazão de vapor Agente de controle: vapor 15

1.2 Elementos de uma malha de controle Vários são os tipos de indústrias existentes. Em geral, podemos distinguir indústrias de duas naturezas: 1 - Indústrias de processamento contínuo: aquelas cujo processo produtivo envolve de maneira mais significativa variáveis contínuas no tempo. A produção é medida em toneladas ou metros cúbicos e o processo produtivo essencialmente manipula fluidos. Ex: indústrias petrolíferas, químicas, petroquímicas, papel e celulose, etc. Variáveis mais usuais: temperatura, pressão, vazão e nível. Outras como condutividade elétrica, tensão, corrente elétrica, etc. 16

1.2 Elementos de uma malha de controle 2 - Indústrias de processamento discreto ou manufaturas: referem-se às unidades industriais cujo processo produtivo envolve de maneira mais significativa variáveis discretas no tempo. A produção é medida em unidades produzidas. Ex: indústrias automobilísticas e fábricas em geral. As variáveis de interesse normalmente são ligado, desligado e limites de quaisquer variáveis de processos (para alarmes). Obs.: Evidentemente existem, em qualquer tipo de indústria, variáveis contínuas e discretas no tempo a ser controladas. 17

1.2 Elementos de uma malha de controle 1.2.3 Malha de controle Quando se fala em regulação (ou controle), deve-se necessariamente subentender uma medição (de uma variável qualquer do processo), isto é, a informação que o regulador recebe. Recebida essa informação, o sistema regulador compara com um valor pré-estabelecido (SET POINT), verifica-se a diferença entre ambos, e age-se de maneira a diminuir ao máximo essa diferença. 18

1.2 Elementos de uma malha de controle 1.2.3 Malha de controle Esta sequência de operações: medir a variável comparar com valor pré determinado atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida e o set point, denominados malha de controle. Uma malha de controle pode ser ABERTA ou FECHADA 19

1.2 Elementos de uma malha de controle MALHA ABERTA: a informação sobre a variável controlada não é usada para ajustar qualquer entrada no sistema para compensar variações nas variáveis do processo. Obs.: a informação da temperatura do líquido de saída, não afeta na regulação da entrada ou de vapor para o sistema. 20

1.2 Elementos de uma malha de controle MALHA FECHADA: a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é usada para manipular uma ou mais variáveis do processo. Obs.: a informação da temperatura do líquido de saída, vai acarretar uma regulação de uma variável do processo, no caso, da entrada de vapor. 21

1.2 Elementos de uma malha de controle Nos sistema de MALHA FECHADA, o controle de processo pode ser efetuado e compensado antes ou depois de afetar a variável controlada: Controle à Realimentação (feedback) Controle Antecipativo (feedforward) 22

1.2 Elementos de uma malha de controle Controle à Realimentação (feedback): é a maneira tradicional de se controlar um processo é medir a variável a ser controlada, comparar seu valor com o set point e alimentar a diferença (erro) em um controlador que mudará a variável manipulada de modo a levar a variável controlada ao valor desejado. 23

1.2 Elementos de uma malha de controle Controle Antecipativo (feedforward): se aplica a processos com grandes atrasos. Consiste em detectar o distúrbio assim que este ocorre no processo e realizar a alteração apropriada na variável manipulada, de modo a manter a saída igual ao valor desejado. A ação corretiva tem início assim que o distúrbio na entrada do sistema for detectado, em vez de aguardar que o mesmo se propague por todo o processo, como ocorre na realimentação. 24

2 Definições em Instrumentação Os termos utilizados definem as características próprias de medida e controle dos 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. 25

2 Definições em Instrumentação 2.1 Classes de Instrumentos Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que o mesmo desempenha no processo. a) 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. 26

2 Definições em Instrumentação b) Registrador: Instrumento que registra a (s) variável (s) através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico. c) Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. b) Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica caso necessário às informações e fornece um sinal de saída resultante. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados. 27

2 Definições em Instrumentação e) Controlador: 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. Tipos: Analógicos Digitais Single-loop: controla apenas uma malha de controle Multi-loop: com apenas um controlador pode-se controlar, simultaneamente, uma malha de pressão, uma de temperatura, uma de vazão, etc. 28

2 Definições em Instrumentação f) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle. OBS: Os instrumentos em geral são classificados em instrumentos de painel, de campo, à prova de explosão, de poeira, de líquidos, etc. 29

2 Definições em Instrumentação SDCD: Sistema: conj. Integrado de dispositivos que se complementam no cumprimento das suas funções. Digital: utilizando técnicas de processamento digital (discreto) em contraposição ao analógico (contínuo) De Controle: com vistas a manter o comportamento de um dado processo dentro do pré-estabelecido. Distribuído: descentralizado dos dados, do processamento e das decisões (estações remotas). Além de oferecer uma IHM, permite o interfaceamento com CLP, equipamentos inteligentes (comunicação digital - HART) e sistemas em rede. 30

2 Definições em Instrumentação 31

2 Definições em Instrumentação Exemplos de instrumentos em malhas de controle: 32

2 Definições em Instrumentação 2.2 Faixa de Medição (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. Exemplos: 100 a 5000ºC ou 0 a 20 PSI ou 0 a 60 m3 /h, etc. 33

2 Definições em Instrumentação 2.3 Alcance (SPAN) É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Exemplos: Um instrumento com range de 1000 5000ºC. Seu Span é de 4000ºC. Ou um transmissor de pressão, cujo range é de 30 a +30 mm.c.a., seu span será de 60 mm.c.a. 34

2 Definições em Instrumentação 2.4 Erro É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de erro dinâmico. 35

2 Definições em Instrumentação 2.5 Repetitividade 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. 36

2 Definições em Instrumentação 2.6 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.). 37

2 Definições em Instrumentação 2.6 Exatidão Exemplo: Para um sensor de temperatura com Range de 50 a 250ºC, o valor medido é 100ºC. Determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições: a) Exatidão 1% do Fundo de Escala Valor real = 100ºC ± (0,01. 250) = 100ºC ± 2,5ºC b) Exatidão 1% do Span Valor real = 100ºC ± ( 0,01. 200 ) = 100ºC ± 2,0ºC c) Exatidão 1% do Valor Lido (Instantâneo) Valor real = 100ºC ± ( 0,01. 100 ) = 100ºC ± 1,0ºC 38

2 Definições em Instrumentação 2.7 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. 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. 39

2 Definições em Instrumentação 2.7 Precisão As figuras a seguir ilustram as características de exatidão e precisão de um instrumento ou equipamento. 40

2 Definições em Instrumentação 2.7 Precisão 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. Figuras a seguir ilustram as características de exatidão e precisão de um instrumento ou equipamento. 41

2 Definições em Instrumentação 2.8 Rangeabilidade (Largura de Faixa) É a relação entre o valor máximo e o valor mínimo lido com a mesma exatidão na escala de um instrumento. Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM, com exatidão de 1% do Span e rangeabilidade 10:1 significa que a exatidão será respeitada entre os valores de 30 e 300 GPM. 42

2 Definições em Instrumentação 2.9 Terminologia As normas de instrumentação estabelecem símbolos, gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas que deverão ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. 43

2 Definições em Instrumentação 2.9 Terminologia Norma ANSI/ISA-S5.1-1984 (R 1992) - ABNT NBR 8190:1983, cancelada em 02/12/2010: cada instrumento ou função programada será identificada por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. 44

2 Definições em Instrumentação 2.9 Terminologia 45

2 Definições em Instrumentação 2.10 Símbolos Utilizados nos Fluxogramas de Processo 46

2 Definições em Instrumentação 2.10 Símbolos Utilizados nos Fluxogramas de Processo 47

2 Definições em Instrumentação 2.11 Simbologia Geral em Instrumentação Localização 48

2 Definições em Instrumentação 2.12 Tabela de Identificação Funcional dos Instrumentos 49

3 Calibração 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. 50

3 Calibração 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 ou Relatório de calibração. 51

3 Calibração 3.1 Padrão Medida materializada, 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. 52

Exercícios 1) Qual a função de cada um dos instrumentos abaixo, de acordo com a sua identificação: a) WT b) FIC c) TI d) PIT e) LR f) TSL g) PSLL h) TIR i) TT j) PIC k) FR l) LT m) FSHH n) LSH o) FY 53

Exercícios 2) Defina a localização dos equipamentos e tipos de sinais de transmissão de cada malha de controle, além da sua função (equipamento). 54

Bibliografia ALVES, J. L. L. Instrumentação, controle e automação de processos. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010. FIALHO, A. B. Instrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises. 7. ed. São Paulo: Érica, 2010. PESSA, Rogério. Manual de Treinamento SMAR: Instrumentação Básica para Controle de Processo. Rev. 2.10. SMAR, 2004. 55