CONCEITOS DE INSTRUMENTAÇÃO 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. Nas indústrias caracterizadas como indústrias de processos, a instrumentação de campo faz parte do sistema de controle e de automação. As principais grandezas físicas encontradas e medidas em tais processos industriais são pressão, nível, vazão, temperatura, massa, densidade, ph, deslocamento, velocidade angular entre outras. Este capítulo visa introduzir conceitos básicos para a classificação, especificação e análise de instrumentos de campo dentro do enfoque da automação industrial. CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO CLASSIFICAÇÃO POR FUNÇÃO Os instrumentos em sistemas de automação são interligados para realizar uma determinada tarefa de controle ou monitoramento em processos industriais. A um conjunto desses instrumentos chama-se malha, e os instrumentos que compõem uma malha são então classificados pela função que executam, conforme a lista a seguir: TRANSDUTORES: são os dispositivos ou elementos que detectam alterações nas variáveis físicas de processo e fornecem uma grandeza de saída em geral elétrica. O elemento do transdutor, ou elemento primário, que entra em contato direto com a variável física a ser medida (mensurando) é denominado sensor. Quando o elemento é responsável pela detecção de determinada condição no processo pode ser também denominado detector. www.meccomeletronica.com Página 1
TRANSMISSOR: instrumento que tem a função de converter sinais do transdutor, geralmente sinais elétricos de baixa potência, em outra forma de sinal (analógico ou digital) capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado longe do ponto de medição. INDICADOR: instrumento para indicação visual da quantidade medida e eventualmente enviada por um transmissor. Todo instrumento indicador possui uma faixa de indicação. Em indicadores analógicos pode-se denominar esta por faixa de escala. A escala possui divisões (parte de uma escala compreendida entre duas marcas sucessivas) com seus correspondentes valores expressas na unidade de engenharia indicada. As escalas podem ser lineares (coeficiente de proporcionalidade constante ao longo da escala) ou não lineares (exemplo: escala logarítmica, escala quadrática). www.meccomeletronica.com Página 2
REGISTRADOR: instrumento que registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados por transmissores, controladores, etc. CONVERSOR: instrumento cuja função é a de receber uma informação na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como um sinal de saída proporcional ao de entrada. UNIDADE ARITMÉTICA: instrumento que realiza operações aritméticas em seus sinais de entrada de acordo com uma determinada expressão, e fornece um sinal de saída resultante. INTEGRADOR: Instrumento que indica e/ou registra um valor obtido pela integração de sinais medidos em determinado período de tempo. Controlador: Instrumento que compara um valor medido (variável primária ou primary value ou PV ) com um valor desejado (referência ou set point ou SP ) e, baseado na diferença entre eles (erro), emite um sinal de correção (variável manipulada ou manipulated variable ou MV ) a fim de que a atuação no processo causada pela MV leve o erro calculado a zero. ELEMENTO FINAL DE CONTROLE OU ATUADOR: Instrumento cuja função é a de transformar um sinal (MV) vindo em geral de um controlador em uma atuação física efetiva no processo, por exemplo, válvulas, motores ou atuadores pneumáticos. www.meccomeletronica.com Página 3
Os instrumentos descritos em sistemas de automação estão em geral interligados entre si da seguinte forma: CLASSIFICAÇÃO POR SINAL TRANSMITIDO OU SUPRIMENTO Os elementos apresentados também podem ser classificados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir serão apresentados de forma simplificada os principais tipos com suas respectivas vantagens e desvantagens. ELEMENTOS PNEUMÁTICOS Neles é utilizado um gás comprimido para modulação do sinal, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. A variação da pressão do gás é linearmente manipulada em uma faixa específica e padronizada internacionalmente, para se representar a variação de uma grandeza física ou sinal desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de modulação de pressão para a representação de grandezas e para a transmissão ou recepção em instrumentos pneumáticos mais utilizado no setor industrial é o de 3 a 15psi (aprox. 0,2 a 1,0 kgf/cm²), para a faixa de 0% a 100% do sinal em www.meccomeletronica.com Página 4
questão. Os sistemas de transmissão analógica normalmente representam o valor de 0% da grandeza de medida com um sinal diferente de zero por uma questão de diagnóstico ou identificação de falhas em casos de rompimento do meio de comunicação (neste caso a linha de gás comprimido). O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, em alguns casos também se emprega o Nitrogênio. Uma grande vantagem em seu utilizar instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-ios com segurança em áreas onde existe risco de explosão (refinarias de petróleo, por exemplo). DESVANTAGENS: a) Necessidade de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para suprimento e sinalização. b) Necessidade de equipamentos auxiliares tais como compressores, filtros, unidades de tratamento, etc, para fornecer aos instrumentos ar comprimido devidamente tratado. c) Devido ao atraso intrínseco e à perda de carga na transmissão de sinais pneumáticos, estes não podem ser enviados à longa distância, sem o uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m. d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão, nas conexões ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. e) Não permite conexão direta a computadores. f) Trata-se de um fluido compressível. HIDRÁULICO Similar ao pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal ou potência. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas. As vantagens relacionadas ao uso de instrumentos hidráulicos estão relacionadas à incompressibilidade do fluido e à capacidade destes em gerar grandes forças e assim acionar com resposta rápida equipamentos de grande carga e dimensão. DESVANTAGENS: a) Necessidade de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. b) Necessidade de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca. c) Necessidade de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros e bombas. www.meccomeletronica.com Página 5
ELÉTRICO ANALÓGICO A modulação de sinais é realizada na corrente ou na tensão de sinais elétricos. Face à tecnologia atual dos instrumentos eletrônicos microprocessados, este tipo de transmissão é largamente aplicado. Assim como no caso da transmissão pneumática, o sinal elétrico analógico é linearmente modulado em uma faixa padronizada que representa a faixa de valores possíveis entre o limite mínimo e máximo de uma variável física em um processo industrial qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua modulados entre 4 a 20 ma. Para curtas distâncias de até 15 metros aproximadamente, também utilizam-se sinais em tensão contínua modulados entre 1 e 5V. Em um capítulo adiante, os sistemas de automação baseados em comunicação no padrão 4 a 20 ma serão detalhados. VANTAGENS: a) Possibilidade de transmissão em longas distâncias sem atenuações. b) A alimentação de instrumentos pode ser realizada pelos próprios condutores elétricos que conduzem o sinal de transmissão. c) Pouca necessidade de equipamentos auxiliares. d) Alta disponibilidade de sistemas para a interface com computadores. e) Fácil implantação circuitos para a realização de operações aritméticas. Desvantagens: a) Exige a utilização de instrumentos e diretrizes especiais em projetos de instalações localizadas em áreas com riscos de explosão. b) Os cabos de transmissão de sinal devem ser protegidos contra ruídos. ELÉTRICO DIGITAL Nesse tipo de sinal, "pacotes de informações" sobre a variável medida ou outras informações relacionadas ao processo industrial são enviados através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito, adota-se uma "linguagem" padrão ou protocolo de comunicação, similarmente às redes de computadores utilizadas em escritórios. Sistemas de comunicação digital para automação, denominados fieldbuses ou redes de campo serão detalhado adiante. VANTAGENS: a) Podem-se utilizar distintos meios (ex. cabos elétricos, fibra óptica, wireless) para a transmissão dos dados. b) Em geral, este tipo de sinal é relativamente imune a ruídos externos. c) Permitem ampla gama de funções de configurações, diagnósticos de falha e ajustes remotos nos instrumentos. DESVANTAGENS: a) Existência de distintos protocolos e tecnologias no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de origens diferentes. b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação em um sistema sem redundância, podem-se perder informações e/ou o controle de malhas. www.meccomeletronica.com Página 6