Instrumentação Instrumentação é o ramo da Engenharia que trata de Projeto Fabricação Especificação Montagem Operação Manutenção de instrumentos para medição, alarme e controle do processo industrial 09/04/2010 1
Vantagens do instrumento Não reclama Não faz greve Não pede aumento de salário Não tira férias Não se apaixona Não torce por time de futebol Não brinca carnaval e nem São João Trabalha no escuro 09/04/2010 2
Desvantagens do instrumento Capacidade limitada de tomar decisão Precisa de programação para operar Requer ajustes periódicos Requer manutenção periódica Consome energia Custo de propriedade 09/04/2010 3
Instrumentação mecânica 09/04/2010 4
Instrumentação eletrônica 09/04/2010 5
Instrumentação inteligente 09/04/2010 6
Instrumento virtual 09/04/2010 7
Símbolos e Identificação Fluido do trocador de calor TAL FR 1 PR 2 4 TV 3 TRC 3 09/04/2010 8
Símbolo e filosofia do instrumento DEDICADO COMPARTILHADO FUNÇÃO DE COMPUTADOR LÓGICA DUAS FUNÇÕES UM INSTRUMENTO 09/04/2010 9
Símbolo e local de montagem ACESSÍVEL AO NÃO ACESSÍVEL OPERADOR AO OPERADOR ACESSÍVEL AO OPERADOR NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR PAINEL DE LEITURA ARMÁRIO CEGO PAINEL AUXILIAR PAINEL AUXILIAR MONTADO NO CAMPO OU ÁREA 09/04/2010 10
Linhas de interligação Sinal indefinido Sinal eletrônico, 4 a 20 ma cc Sinal pneumático, 20 a 100 kpa Sinal eletrônico, binário Comunicação digital ou configuração Tubo capilar Linha de processo 09/04/2010 11
Identificação do instrumento Conjunto alfanumérico incluindo Variável do processo (1 a letra) Função do instrumento (2 a letra) Modificadores da 1 a e 2 a letra Número da malha Exemplos: TIC 201 FRQI 503 LSHH 29 09/04/2010 12
Variável do instrumento Variável inicializada ou medida Análise (A) - análise não é função: analisador (?) Vazão (F) Nível (L) Pressão (P) Temperatura (T) Modificadores (da 1 a ou 2 a letra) Diferencial (D), Fração (F), Varredura (J), Segurança (S), Alta (H), Baixa (L) 09/04/2010 13
Função do instrumento Controle (quase) sempre tem Indicação FIC = FC Totalização e Indicação de Vazão quase sempre estão associadas FIQ = FQI, FQ Transmissor pode ter indicação local da variável FIT, TIT 09/04/2010 14
ELEMENTO DE VAZÃO TRANSMISSOR DE VAZÃO FE FT CAMPO PAINEL EXTRATOR DE RAIZ QUADRADA REGISTRADOR FR Diagrama detalhado de uma malha de controle PID CONTROLADOR DIFERENÇA (ERRO) AÇÃO PROPORCIONAL FEEDFORWARD K RELÉ TRANSFERÊNCIA A/M LIMITADOR AJUSTÁVEL H e L ESTAÇÃO AUTO-MANUAL TRANSDUTOR I/P K Σ Τ < > I/P SAÍDA MEDIÇÃO PONTO DE AJUSTE AÇÃO INTEGRAL SOMADOR TRANSFERÊNCIA MANUAL I T A I MANUAL EMERGÊNCIA PAINEL CAMPO VÁLVULA COM ATUADOR PNEUMÁTICO 09/04/2010 15
Instrumentação Pneumática Ainda é usada, no Brasil, EUA e Europa para processos simples, seguros e antigos Há uma tendência universal de substituir instrumentação pneumática por eletrônica microprocessada Baseada no sinal padrão de 20 a 100 kpa (0,2 a 1,0 kgf/cm 2 ou 3 a 15 psi) 09/04/2010 16
Instrumentação Eletrônica Analógica Também ainda é usada, no Brasil, EUA e Europa para controle de processos Há uma tendência universal de substituir instrumentação eletrônica analógica por microprocessada Baseada no sinal de 4 a 20 ma cc, criado em 1950, padronizado em 1975 (ISO/IEC) 09/04/2010 17
Instrumentação inteligente Instrumentação inteligente é aquela à base de microprocessador Condiciona o sinal, no lugar do operador e apresenta informação de modo amigável Possui CPU Memória Módulo I/O 09/04/2010 18
Funções de Instrumentos 09/04/2010 19
Cadeia de informação na malha Sensor de nível Transmissor de nível Ajuste manual do nível Controlador de nível Indicador Suprimento de água Válvula de controle (elemento final de controle) Tanque de armazenagem (processo de nível) Registrador Sistema de alarme Sistema de intertravamento Vazão da água (variável manipulada) Computador Usuários da água do processo 09/04/2010 20
Funções de Instrumentos Elemento Sensor Condiconador de sinal Transmissor Display Indicador Registrador Contador Controlador Atuador final: válvula de controle 09/04/2010 21
Elemento sensor Parte do instrumento que detecta a variável, convertendo-a em outra mais usável Entrada do sensor: variável do processo Pressão Temperatura Nível Vazão Análise Velocidade Densidade Força (peso) Posição Queima (combustão) Tempo Torque Umidade Vibração 09/04/2010 22
Elemento sensor Alimentação (opcional) Indicador Variável Sensor Sinal Registrador Totalizador 09/04/2010 23
Sensor de pressão 09/04/2010 24
Sensor de temperatura 09/04/2010 25
Sensor de vazão volumétrica 09/04/2010 26
Fatos sobre o sensor Nem sempre está em contato direto Nem sempre é linear Pode afetar valor da variável medida Sempre contribui com incerteza Pode ser fisicamente distribuído Pode ser mais de um 09/04/2010 27
Transmissor Instrumento que sente a variável de processo e gera na saída um sinal padrão proporcional ao valor da variável medida Alimentado pelo instrumento receptor de painel com 24 V cc Aplicações Uso remoto do sinal Padronização do sinal Isolação do sinal 09/04/2010 28
Características do transmissor Sinais padrão Eletrônico: 4 a 20 ma cc Pneumático: 20 a 100 kpa Digital (?): Hart, Fieldbus, Modbus Locais de montagem Área industrial (campo) Sala de controle (painel cego) 09/04/2010 29
Alimentação do transmissor Transmissor + Transmissor Receptor + + - Fonte Fonte - - + Receptor - Transmissor a 2 fios Transmissor a 3 fios Transmissor + - Fonte + Receptor - Transmissor a 4 fios 09/04/2010 30
Transmissor convencional 09/04/2010 31
Transmissor d/p cell 09/04/2010 32
Transmissor inteligente 09/04/2010 33
Transmissor descartável 09/04/2010 34
Transmissor de vazão 09/04/2010 35
Fatos sobre o transmissor Nem sempre é usado (opcional) Nem sempre está no campo Sua saída é linear com a entrada, mas nem sempre é linear com a variável medida Sempre contribui com incerteza Sempre requer alimentação elétrica (da sala de controle) ou pneumática Às vezes é chamado de outro nome (errado) 09/04/2010 36
Mostrador do Sinal (Display) Tipos de mostradores de sinal Indicador Registrador Controlador (Indicador) Totalizador (Contador) Modos de apresentação Analógico Digital 09/04/2010 37
Indicador Instrumento que sente a variável e apresenta o seu valor instantâneo Analógico: escala + ponteiro (um móvel, outro fixo) Digital: números em LED, LCD, TRC Precisão (resolução) Maior escala e número de divisões Maior número de dígitos 09/04/2010 38
Indicadores analógicos Painel Campo 09/04/2010 39
Escalas do indicador analógico 09/04/2010 40
Registrador Instrumento que sente a variável e imprime valor histórico ou de tendência da variável em um gráfico através de uma pena Especificações Número de penas Registro contínuo ou ponto Enrolamento do gráfico Tipo de pena Acionamento do gráfico 09/04/2010 41
Registrador Certamente, o instrumento que mais evoluiu na Instrumentação: atualmente é um computador em caixa de registrador Registrador microprocessado (inteligente) Imprime tabelas Imprime relatórios Imprime lista de alarmes correntes Apresenta valores instantâneos em displays digitais 09/04/2010 42
Registrador mecânico 09/04/2010 43
Registrador microprocessado 09/04/2010 44
Controlador Instrumento que 1. Recebe a medição de uma variável 2. Recebe um ponto de ajuste 3. Compara-os e 4. Gera automaticamente um sinal de saída para atuar o elemento final para manter a medição igual ou em torno do ponto de ajuste 09/04/2010 45
Controlador de campo 09/04/2010 46
Controlador de painel 09/04/2010 47
Controlador virtual 09/04/2010 48
Chave automática Chave operada pela posição de algum dispositivo ou valor ajustado de uma variável Pressostato - PS Termostato - TS Chave de nível - LS Chave de vazão - FS Chave fim de curso - ZS 09/04/2010 49
Chave limite ou de posição 09/04/2010 50
Válvula de Controle Válvula é uma dispositivo que altera a passagem de um fluido em seu interior Válvula pode ser acionada automaticamente ou manualmente Válvula é aplicada em tubulações de entrada e saída de vasos, tanques, reatores e containeres 09/04/2010 51
Válvula de Controle Válvula de controle altera a passagem de um fluido em seu interior de conformidade com o sinal proveniente de um controlador Pode estar entre 0 e 100% de abertura Controle liga-desliga: 0 ou 100% Funções da válvula de controle Conter o fluido do processo Responder ao sinal do controlador Variar a passagem do fluido manipulado Absorver a queda variável da pressão 09/04/2010 52
Válvula de Controle Válvula de controle é atuada pelo sinal que tipicamente vem do controlador Válvula de controle não requer alimentação Válvula de controle não é de vedação Válvula com atuador pneumático é ainda o elemento final de controle mais usado Simples Seguro Barato Rápido 09/04/2010 53
Válvula de Controle 09/04/2010 54
Válvula de Controle 09/04/2010 55
Acessórios da válvula 09/04/2010 56
Acessório da válvula: posicionador Posicionador: controlador de posição que estabelece uma abertura biunívoca da válvula com relação ao sinal do controlador Aplicação é justificada: Eliminar histerese da válvula Dividir a faixa de controle da válvula Eliminar os efeitos do atrito do engaxetamento Apressar a resposta da válvula 09/04/2010 57
Posicionador da válvula 09/04/2010 58
Medição das Variáveis 09/04/2010 59
Variável de processo Quantidade física que altera seu valor em função de outra quantidade e em relação ao tempo ou espaço Dependendo do valor da variável, o operador: Altera o ponto de ajuste do controlador Atua manualmente no processo Liga ou desliga equipamento 09/04/2010 60
Pressão 09/04/2010 61
Pressão Conceito: força/área Unidades SI: pascal, símbolo Pa Pa = N/m 2, Usados também kpa, MPa Não SI: kgf/cm 2, psi, mm H 2 O Símbolos associados: PI, PG, PR, PSL, PSH, PIC Sensores mecânicos: Bourdon C, fole, espiral, helicoidal Sensores elétricos: strain gauge e cristal piezelétrico Padrões de pressão: Bomba peso morto, Manômetro padrão 09/04/2010 62
Terminologia da Pressão Pressão absoluta Pressão manométrica ou relativa Pressão atmosférica Pressão diferencial Pressão de vácuo Pressão estática Pressão hidrostática Pressão de vapor 09/04/2010 63
Pressão Pressão manométrica Pressão Atmosférica Vácuo ou pressão manométrica negativa Pressão atmosférica Pressão absoluta Pressão absoluta Zero Absoluto 09/04/2010 64
Manômetro, PI ou PG Escala Bourdon C 09/04/2010 65
Pressostato Chave automática atuada pelo valor da pressão PSL ou PSH (alarme) PSLL ou PSHH (intertravamento) Não é sensor (possui) Não é indicador (opcional) 09/04/2010 66
Medição de Temperatura 09/04/2010 67
Temperatura Conceito: Propriedade de um objeto que determina a direção do fluxo de calor (energia) quando ele é colocado em contato com outro: energia vai do ponto mais quente para o mais frio Temperatura termodinâmica: ponto triplo da água igual a 273,16 K Unidade SI: Recomendada: kelvin, símbolo K Uso industrial: grau Celsius ( o C) Símbolos: TI, TR, TJI, TJR, TSL, TSH, TAL, TAH, TIC 09/04/2010 68
Temperatura Variável de qualidade Em medição de vazão de gás, temperatura é medida para compensação do volume Temperatura é relativamente difícil de medir e de controlar, pois tem o mais amplo espectro de dificuldade, de liga-desliga a PID Há pouca novidade ou evolução na medição de temperatura 09/04/2010 69
Escala de Temperatura O C = ( o F - 32)/1,8 o C (K) o F ( o R) 100 (373) 212 (672) F=1,8C+32 Escala Celsius (Kelvin) 100 (100) 180(180) Escala Farenheit (Rankine) 0 (273) 32 (492) -273 (0) -460 (0) sensor 09/04/2010 70
Sensores de temperatura Mecânicos: Bimetal Enchimento termal Haste de vidro Elétricos Termopar Resistência Detectora de Temperatura (RTD) Termistor 09/04/2010 71
Faixas e sensores Método Faixa de Medição ( o C) Termopares -200 a 1700 Enchimento Termal -195 a 760 Resistência Detectora -250 a 650 Termistores -195 a 450 Pirômetros Radiação -40 a 4 000 09/04/2010 72
Termostato Chave automática atuada pelo valor da temperatura TSL ou TSH (alarme) TSLL ou TSHH (desarme) Não é sensor (possui) Não é indicador 09/04/2010 73
Vazão Volumétrica: volume por unidade de tempo Mássica: massa por unidade de tempo Unidades: m 3 /s ou kg/s Símbolos associados: FG FI FR FIC FrC ou FFC FQ FIQ FSL FSH FSLL ou FSHH 09/04/2010 74
Medidores Favoritos de Vazão (2) Efeito Coriolis Ultra-som Vortex Alvo (target) Termal Canal aberto 09/04/2010 75
Placa de orifício Elemento sensor de vazão (FE), que gera um p proporcional ao quadrado da vazão volumétrica instantânea Usado para líquidos, gases e vapor d água Aceito legalmente para custódia (AGA # 3) Precisão do sistema: 0,5 a 5% do fundo de escala; típica de 2% do f.s. 09/04/2010 76
Placa de orifício 09/04/2010 77
Placa de orifício 09/04/2010 78
Porta-placa de orifício 09/04/2010 79
Detector da pressão diferencial A placa de orifício provoca uma queda de pressão proporcional ao quadrado da vazão volumétrica A placa de orifício é sensor de vazão (FE) e não da pressão diferencial Quem detecta a pressão diferencial gerada pela placa é: Transmissor d/p cell Diafragma ou câmara Barton 09/04/2010 80
Transmissor de Pressão Diferencial Transmissor d/p cell associado à placa de orifício, FT 09/04/2010 81
Nível 09/04/2010 82
Nível Altura da coluna líquida ou de sólidos granulados em um tanque ou reservatório Unidades %, comprimento, volume ou massa Símbolos: LG, LI, LR, LSL, LSH, LSLL, LSHH 09/04/2010 83
Visor de Nível 09/04/2010 84
Medição de nível com fita e bóia Medição direta do nível, com uma bóia em contato direto com a superfície líquida Bóia é presa por fita, passa por polia e ligada e uma escala invertida de nível de 100 a 0% Vantagens: Simplicidade Baixo custo Desvantagens: Necessita de selo, em tanque pressurizado Precisão de ruim a média (±1% f.e.) 09/04/2010 85
Medição de nível com fita e bóia Bóia Escala 09/04/2010 86
Medição de nível a p Medição se baseia na pressão exercida pela coluna líquida: P = ρ g H Pressão hidrostática independe do formato Medição se complica quando Fluído medido é corrosivo, tóxico ou sujo Tanque é fechado, requerendo selagem na perna molhada de medição Medição é facilitada com tomadas especiais Flange plana Flange com extensão Flanges com capilares 09/04/2010 87
Medição de nível a p Vantagens: Facilidade de medição e calibração da pressão diferencial Flexibilidade pela variedade de tomadas Possibilidade de transmissão Desvantagens: Variação da densidade causa erro Líquidos voláteis requerem selagem ou purga Geralmente requer supressão de zero Local da montagem pode afetar calibração Variações de temperatura ambiente causam erros, quando se usa tubo capilar 09/04/2010 88
Medição de nível a p 09/04/2010 89
Medição de nível por P 09/04/2010 90
Medição de nível a Radar 09/04/2010 91
Medição de nível a Radar Vantagens: Pode medir níveis de fluidos complicados Não requer licença legal (radiativo) Medição sem contato Antena pode ser externa ao tanque Medição independe das características do líquido Desvantagens: Relativamente caro Não pode ser usado em sólidos ou líquidos sujos 09/04/2010 92
CONTROLE DE PROCESSO 09/04/2010 93
Variáveis de Processo VARIÁVEL DE PROCESSO(PV): É aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto. VARIÁVEL MANIPULADA (MV): É aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de manter a variável controlada no valor desejado. SET-POINT (SP): É o valor predeterminado que servirá de referência para o controlador como o ponto ideal de operação do processo. 09/04/2010 94
Conceitos importantes INSTRUMENTO Detector Transmissor Indicador Registrador Conversor Controlador Integrador Elemento Final de Controle DEFINIÇÃO São dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor Instrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor. Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detector, transmissor, etc... Registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados por um detector, transmissor, controlador, etc... 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. Instrumento que compara o valor medido(pv) com o desejado(sp) e, baseado na diferença entre eles, emite um sinal de correção para a variável manipulada(mv) a fim de que essa diferença seja igual a zero. Instrumento que indica o valor obtido pela integração(totalização) de quantidades medidas sobre o tempo. Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado. 09/04/2010 95