INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS TRANSMISSAO E TELEMETRIA Introdução Frequentemente, o instrumento indicador, controlador, registrador, etc. e instalado a uma distancia considerável do ponto de medição. Em indústrias de grande porte, é comum a existência de uma ou mais salas de controle, onde se centralizam as informações e os comandos referentes ao processo. Nesses casos, a ligação direta do processo aos instrumentos respectivos apresenta uma série de desvantagens, tais como: a) Existência de fluidos viscosos, inflamáveis, explosivos, corrosivos, "sanitários" ou sob pressão nas tubulações de conexão; b) Custo elevado das mesmas; c) Atrasos de medição; d) Impossibilidade de miniaturização dos instrumentos. Convém, então, converter as medições das diversas variáveis era sinais que possam ser transmitidos a distância, de forma econômica. Os métodos comumente utilizados cora tal finalidade são: a) Transmissão pneumática, em que a grandeza medida ê convertida, por intermédio de um transmissor pneumático, em um sinal de pressão de ar comprimido, o qual ê transmitido por tubos metálicos (de cobre, alumínio, aço inoxidável, etc.) ou plásticos (de polietileno, PVC, etc.), com um diâmetro de cerca de 1/4" (6 mm) até um instrumento receptor. O sinal comumente utilizado, correspondendo a uma variação de 0 a 100% da faixa de medição, e de 3-15 psig, 0,2-1,0 kg/cm² ou 0,2 a 1,0 bar. O limite inferior ê diferente de zero, devido a limitações tecnológicas de construção dos transmissores. Alem disso, um sinal menor que o limite inferior indica ao operador a existência de alguma falha no sistema (defeito do transmissor, falta de ar comprimido, etc,); b) Transmissão eletrônica, em que a grandeza medida é convertida, por meio de um transmissor eletrônico, num sinal elétrico (corrente, tensão, resistência, etc.). O sinal mais comum é de corrente, com uma gama de variação de 4-20 ma ou de 10 50 ma, transmitido por 2 fios. Comumente, os mesmos 2 fios usados para transmissão são também usados para a alimentação do próprio transmissor. c) Telemetria, em que sinais elétricos correspondentes as variáveis são transmitidos a grandes distâncias, geralmente através de linhas telefônicas ou por radio. Aplicações típicas de telemetria se encontram em oleodutos, gasodutos e redes de águia, esgotos e energia elétrica. 1
Transmissão Pneumática O elemento básico da maioria dos transmissores pneumáticos e o sistema bicopalheta, do mesmo tipo utilizado nos controladores pneumáticos. Um movimento muito pequeno da palheta, de encontro ao bico, faz com que a pressão de saída varie de um extremo ao outro. Por esse motivo, e também devido ã relação não-linear entre posição da palheta e pressão de saída, utiliza-se normalmente um sistema de realimentação, que, no equilíbrio, faz com que a palheta se posicione próxima ao bico, fornecendo uma pressão de saída dentro dos limites normais de operação. Existem transmissores pneumáticos adaptados para a medição da maioria das grandezas físicas normalmente medidas: temperatura, pressão, nível, vazão, etc. São em geral montados próximos do local de medição, exceto nos casos em que a medição ê eletrônica, em que muitas vezes ê mais prático montá-los na sala de controle, em geral na parte de trás do painel de comando. Aplicações típicas desses últimos se encontram na conversão de sinais de termopares, bulbos de resistência, milivolts, miliamperes, etc., para os sinais pneumáticos convencionais. De acordo com o princípio básico de funcionamento, os transmissores pneumáticos se classificam em: a) Transmissores de equilíbrio de forças, ou de momentos, era que o equilíbrio consiste na igualdade entre a força (ou o momento) exercida pela pressão de saída sobre um fole ou diafragma de realimentação, e a força (ou o momento) exercida pelo elemento de medição; b) Transmissores de equilíbrio de posição (ou de movimento), em que o equilíbrio consiste na igualdade entre o deslocamento do elemento de medição e o deslocamento de componentes do sistema pneumático; c) Repetidores, que constituem um tipo especial de transmissor de equilíbrio de forças, em que a pressão de ar comprimido de saída é igual ã pressão medida. Transmissores de equilíbrio de forças A fig.1 mostra, de maneira esquemática, um transmissor de pressão diferencial, do tipo de equilíbrio de forças, (página 3). Transmissores desse tipo são largamente utilizados na medição de vazão, nível e densidade. A "alta pressão" ê aplicada a um diafragma, e a "baixa pressão" a outro. Os dois diafragmas, solidários entre si, fazem parte de um conjunto denominado "cápsula de diafragmas", O espaço interno é preenchido com um líquido de alta viscosidade. Geralmente, o espaço ê dividido em duas partes; a movimentação do líquido de um lado para outro ê feita através de uma válvula de agulha ajustável, com a qual se pode aumentar ou diminuir o amortecimento do sistema. A diferença entre as duas pressões resulta numa diferença entre as forcas aplicadas aos dois diafragmas. A força resultante ê aplicada a extremidade inferior do braço de força. O braço de força constitui uma alavanca, que pode girar em torno do selo de diafragma. 2
A extremidade superior do braço de força traciona a haste de "range" movimentando a palheta de encontro ao bico. A pressão do bico ê amplificada por um relé piloto, e a pressão de saída resultante é aplicada ao fole de realimentação, tendendo a afastar a palheta do bico, O "zero" é ajustado através do parafuso de "zero", e o "span" através da roda de "range". No equilíbrio: a) A força exercida sobre a extremidade inferior do braço de força e proporcional à diferença de pressões; b) A força exercida pela extremidade superior do braço de força, sobre a haste de "range", é proporcional à força na extremidade inferior; c) A força exercida pelo fole de realimentação sobre a haste de "range" ê proporcional a pressão de saída. Portanto, a pressão de saída é proporcional à pressão diferencial. O movimento dos diafragmas ê muito pequeno; por esse motivo, não há necessidade de potes de selagem quando se trabalha com fluidos condensáveis. A faixa de medição ê ajustável dentro de limites bastante amplos, movendo-se a roda de "range" para cima ou para baixo, ou agindo-se sobre o parafuso de "zero". 3
O ajuste de "span", para un transmissor desse tipo, "de faixa média", pode ser feito desde 20 até 250" H O. O "zero" também pode ser ajustado, se necessário, de 250 a +230" H O. Em geral, quando há necessidade de supressão ou elevação, utiliza-se uma mola de "zero" diferente daquela utilizada nos instrumentos cuja faixa de medição se inicia em 0" H O. Caso se deseje indicação do valor da variável, deverá ser colocado um manômetro na saída. Note-se, entretanto, que a indicação se perde no caso de falta de ar comprimido, ou de falha no sistema pneumático do transmissor. A precisão de instrumentos desse tipo ê da ordem de 0,5% do span. Transmissores de equilíbrio de movimentos A fig.2 mostra, esquematicamente, um transmissor de temperatura com sistema termal, do tipo de equilíbrio de movimentos. 4
Um aumento na temperatura do bulbo faz com que a espiral se desenrole. Através das hastes de conexão, a palheta se move para baixo, diminuindo assim a distância entre o bico e a palheta. Isso faz aumentar a contra-pressão no bico na câmara acima do diafragma e faz com que o tubo do bico e o pistão se movam para baixo. O movimento para baixo restaura aproximadamente a distância entre o bico e a palheta, quando a força exercida pela mola iguala a força exercida pela contra-pressão do bico. Esse aumento da força da mola move o fole de equilíbrio de forças e o tubo de alívio para baixo, abrindo a válvula interna e aumentando a pressão de saída. A pressão de saída dentro do fole aumenta ate que ela equilibre a força de entrada que atua sobre o fole. Quando a temperatura do bulbo diminui, a pressão de saída diminui, através do escape através do tubo de alívio. O equilíbrio é estabelecido quando a pressão de saída é proporcional à posição da palheta, que é proporcional à temperatura. No caso da figura, existe um ponteiro, que é movido pelo elemento de medição através de um setor e de um acionamento por intermédio de fita. A indicação é independente do sistema pneumático. Portanto, se houver falha no suprimento de ar ou nos componentes pneumáticos, a indicação não se perde. Nos transmissores de equilíbrio de movimentos não há em geral, possibilidade de se variar a faixa de medição. A precisão é da ordem de 0,5% do span. Repetidores A fig.3 mostra um repetidor de pressão. A pressão do processo exerce uma força de cima para baixo no diafragma, que é equilibrada pela força exercida pela contrapressão do bico, atuando de baixo para cima. O ar de suprimento, fornecido a uma pressão ligeiramente maior que a máxima pressão do processo, passa pela restrição para a câmara abaixo do diafragma, e escapa através do bico para a atmosfera. No equilíbrio, a distância entre o bico e o assento é tal que a vazão de ar peia restrição é igual ã vazão de ar que escapa. Se a pressão do processo aumentar, o diafragma se aproxima do bico, diminuindo o escape e aumentando a pressão de saída. Se a pressão do processo diminuir, o diafragma se afasta do bico. aumentando o escape e diminuindo a pressão de saída. 5
A precisão é da ordem de 1%, para pressões de processo nem muito baixas nem muito próximas da pressão de suprimento de ar. Acessórios pneumáticos Os sinais dos transmissores podem ser manipulados por diversos acessórios pneumáticos, tais como: a) Extratores de raiz quadrada, que produzem um sinal na saída proporcional à raiz quadrada do sinal de entrada; b) Relés computadores (somadores. subtratores, multiplicadores e divisores), que executam as operações aritméticas sobre dois ou mais sinais de entrada. Transmissão Eletrônica Existe uma grande variedade de transmissores eletrônicos, entre os quais podemos citar a) Transmissores de equilíbrio de forcas, com sistema de medição semelhante aos transmissores pneumáticos, e nos quais o sistema bico-palheta é substituído por um transformador com núcleo-móvel, e a realimentação e obtida por uma bobina móvel que flutua no campo magnético produzido por um ímã permanente. b) Transmissores do tipo capacitivo, em que o movimento do elemento de medição desloca uma ou duas placas de um capacitor. A variação de capacidade resultante e transformada por um circuito eletrônico em uma corrente de saída; c) Transmissores do tipo resistivo, em que o elemento de medição move o cursor de um potenciômetro; d) Transmissores com "strain gages", em que as variações de dimensões de um elemento elástico alteram as resistências de condutores elétricos; e) Transmissores com entrada elétrica (termopares, bulbos de resistência, milivolts, medidores magnéticos de vazão, etc.) que obtém um sinal de saída de corrente elétrica por meios eletrônicos. f) Acessórios, tais como extratores de raiz quadrada, computadores (somadores, subtratores, multiplicadores, divisores, computadores de vazão de gases, etc.) Telemetria Embora o termo telemetria tenha um sentido amplo, de transmissão de dados a qualquer distancia, na prática usual o conceito é mais utilizado quando as distâncias são grandes. Um sistema de telemetria completo é composto de: a) Um elemento primário, que detecta o valor dê uma variável; 6
b) Um transmissor, que converte o resultado da medição em um sinal adequado; c) Um meio de conexão, através do qual o sinal do transmissor é levado a um receptor; d) Um receptor, que recebe o sinal e o converte numa forma que possa ser utilizada pelo dispositivo final; e) Um, dispositivo final, que mostra o valor da grandeza medida, seja através de um indicador analógico ou digital, ou através de um registrador, impressor, etc. Já foi discutida a transmissão de sinais de tensão, corrente e resistência elétrica. Tais sinais são normalmente transmitidos nos dois (ou mais) fios estando sujeitos a problemas de indução eletro-magnético, resistência dos fios, etc. A transmissão a distancias maiores pode ser feita por sinais de impulsos (digitais), com duração ou frequência variáveis de acordo com o sinal de medição, ou por sinais de freqüências (analógicos], em que a frequência do sinal transmitido e relacionada com o valor da variável. Às vezes, usa-se uma combinação dos dois tipos. Esses sinais podem ser transmitidos por fios do tipo telefônico, ou por rádio. É freqüente haver necessidade de transmitir diversos dados através de um único canal. Para tanto, utiliza-se um sistema de multiplexação, que pode ser de dois tipos: a) Multiplexação em frequência, em que os diversos sinais são transmitidos em frequências diferentes. b) Multiplexaçao em tempo, em que os diversos sinais são transmitidos numa sequência preestabelecida. 7