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Introdução ao Controle de Processos
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 1 / 52
Roteiro
1 Incentivos ao Controle de Processos
2 Principais Objetivos OperacionaisPlanta QuímicaExemplo
3 Objetivos do Sistema de ControleSuprimir a Influência de Perturbações ExternasRealimentação × AntecipatórioAssegurar a Estabilidade do ProcessoOtimizar o Desempenho do Processo
4 Justificativa Econômica para o Controle de Processos
5 Atividades Complementares
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Incentivos
Planta Químicaarranjo de unidades processadoras→ reatores, trocadores de calor,bombas, colunas de destilação, absorvedores, evaporadores, tanques,etc
Objetivo Global da Plantaconverter matéria-prima em produtos desejados da maneira maiseconômica possível
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Incentivoscontinuação
Tendências no Projeto da PlantaAs plantas estão cada vez mais complexas devido a redução noconsumo de energia, alta flexibilidade, produtos com maior qualidadee redução de estoques, enquanto continuam sendo mais e maisconduzidas aos seus limites operacionais.
Operação da Plantasatisfazer as exigências do projeto frente a todo tipo de influências —erros no modelo, perturbações, mudanças operacionais
Controle de Processomanter as variáveis do processo (temperaturas, pressões, vazões,composições, etc) dentro de valores operacionais de projeto
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Objetivos Operacionais
1 Segurança2 Especificações do Produto3 Proteção ao Meio Ambiente4 Restrições Operacionais5 Econômicas
Sistema de ControleAtingir os objetivos operacionais com o monitoramento e ação externasobre o processo (controle): equipamentos + intervenção humana
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Planta Química e sua Instrumentação
V6
V9
V5
V1
V2
V7
fasevapor ( )B
fase líquida( )A
alimentação( )A puro
V4
CN2
CN1
V8
CP1CT2
CT8
CT4
CT7
CT9
CT5
óleo quente
óleo quente
reciclo
água derefrigeração
TamborFlash
CF6
CF2
CF5
CF4CF3
CF1
CT6
CT1 CT3
R Exoeator térmicoA B
V3
Figura: Exemplo de uma planta química
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Atender aos Objetivos Operacionais
ExemploApresente soluções que atendam aos objetivos operacionais para oprocesso flash da figura abaixo.
C F 1
V 1C T 1
v a p o r
V 2
V 3
f a s ev a p o r
f a s el í q u i d a
C T 2
T a m b o rF l a s h
T C
V 4B o m b a
C N 1
V 5
C P 1
C T 3
a l i m e n t a ç ã o
C C 1
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Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): segurança
C F 1
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v a p o r
V 2
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f a s ev a p o r
f a s el í q u i d a
C T 2
T a m b o rF l a s h
T C
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C N 1
V 5
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C T 3
a l i m e n t a ç ã o
C C 1 Alta pressão notambor flash é perigoso.
Solução
C F 1
V 1C T 1
v a p o r
V 2
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f a s ev a p o r
f a s el í q u i d a
C T 2
T a m b o rF l a s h
T C
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C N 1
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a l i m e n t a ç ã o
C C 1
C P 1
Figura: Controle da pressão no tambor flash: conteúdo de vapor
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Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): proteção ao meio ambiente
C F 1
V 1C T 1
v a p o r
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f a s ev a p o r
f a s el í q u i d a
C T 2
T a m b o rF l a s h
T C
V 4B o m b a
C N 1
V 5
C P 1
C T 3
a l i m e n t a ç ã o
C C 1 Nunca eliminehidrocarbonetos na atmosfera.
Solução
C F 1
V 1C T 1
v a p o r
V 2
V 3
f a s ev a p o r
f a s el í q u i d a
C T 2
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C N 1
V 5C T 3
a l i m e n t a ç ã o
C C 1
C P 1
Q u e i m a d o r
Figura: Hidrocarbonetos são queimados na atmosfera
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Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): restrição operacional
C F 1
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v a p o r
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f a s ev a p o r
f a s el í q u i d a
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V 5
C P 1
C T 3
a l i m e n t a ç ã o
C C 1 A bomba nãodeve operar sem fluxo.
Solução
C F 1
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C N 1
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C C 1
C P 1
Q u e i m a d o r
Figura: Controle do conteúdo de líquido no tambor flash
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Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): especificações do produto
C F 1
V 1C T 1
v a p o r
V 2
V 3
f a s ev a p o r
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C T 2
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C C 1 Componentechave é ajustado pelo aquecimento.
Solução
C F 1
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T a m b o rF l a s h
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C N 1
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C C 1
C P 1
Q u e i m a d o r
c o m p o n e n t e c h a v eFigura: Controle da qualidade do componente chave
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Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): econômicas
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C N 1
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C C 1 Mantenha umataxa de produção suave.
Solução
CF1
V1
CT1
vapor
V2
V3
fasevapor
faselíquida
CT2
TamborFlash
TC
V4
Bomba
CN1
V5
CT3
alimentação
CC1
CP1
Queimador
componente chave
Figura: Controle da taxa de produção
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): configuração de controle para o tambor flash
O atendimento aos principais objetivos operacionais garantirá uma operaçãolucrativa e, principalmente, segura.
Solução
CF1
V1
CT1
vapor
V2
V3
fasevapor
faselíquida
CT2
TamborFlash
TC
V4
Bomba
CN1
V5
CT3
alimentação
CC1
CP1
Queimador
componente chave
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Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas
Objetivo mais comum em uma planta química.
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Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Estudo de CasoTanque de Aquecimento com Agitação
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Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 15 / 52
Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
objetivos do sistema de controle1 manter T a um valor desejado Ts ("set point")2 manter h a um valor desejado hs ("set point")
perturbações — causam desvios de T e h em relação a Ts e hs,respectivamente
1 variações em Fi1 e Fi22 variações em Ti1 e Ti23 variações em Fst e Tst
compensações das perturbações1 controle por realimentação ("feedback")2 controle antecipatório ("feedforward")3 controle por realimentação + antecipatório
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Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Controle por Realimentação Fst → T
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s e t p o i n t
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Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Funções da malha de controle:medição: sensor ( termopar ) + transdutor/transmissor detemperaturacomparação: e = Ts − T , Ts(= Tsp) valor de referência ("setpoint")
ação:
e > 0→ Fst ↗e < 0→ Fst ↘e = 0→ Fst = Fsts
⇒ elemento final (válvula de
controle)
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Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Controle por Realimentação Fi2 → h
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c o n t r o l a d o r
s e t p o i n th s p e+
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Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 19 / 52
Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Funções da malha de controle:medição: sensor ( célula de pressão diferencial ) + transdutor/transmissor denívelcomparação: e = hs − h, hs(= hsp) valor de referência ("setpoint")
ação:
e > 0→ Fi2↗e < 0→ Fi2↘e = 0→ Fi2 = Fi2s
⇒ elemento final (válvula de
controle)
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 20 / 52
Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Controle Antecipatório Fst → T
Fi1
Ti1
F T,
T
Fst
Q h
Vapor
Fi2
Ti2
TI
TC
TT
TI
TT
TC
Indicador de
Temperatura
Instrumentação
Transdutor de
Temperatura
Controlador de
Temperatura
controlador
Condensado
Ti1
Tst
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 21 / 52
Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Funções da malha de controle:medição: sensor (termopar) + transdutor/transmissor detemperatura
controle:{
baseado no modelo estacionário do processobaseado no modelo dinâmico do processo
⇒
elemento final ( válvula de controle )
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 22 / 52
Objetivos do Sistema de Controle"Feedback" × "Feedforward"
Controle por Realimentação × Controle Antecipatório
Controle por Realimentação: atua no processo após a perturbaçãoafetá-lo.
vantagens1 compensa para todas as perturbações indistintamente, sem a
necessidade de identificá-las ou medi-las2 insensível aos erros de modelagem e alterações em parâmetros
desvantagens1 compensa somente após desvio da variável controlada2 é insatisfatório para processos lentos e com tempos mortos3 pode criar instabilidade na resposta da malha fechada
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 23 / 52
Objetivos do Sistema de Controle"Feedback" × "Feedforward" (continuação)
Controle por Realimentação × Controle Antecipatório
Controle Antecipatório: atua no processo antes da perturbaçãoafetá-lo.
vantagens1 compensa antes da ocorrência de um erro (controle ideal)2 é bom para processos lentos e com tempos mortos3 não indroduz instabilidade à resposta da malha fechada
desvantagens1 requer identificação e medida de todas as possíveis perturbações
(uma malha para cada perturbação)2 não funcionará com a presença de perturbações não medidas3 sensível a alterações em parâmetros4 requer um bom conhecimento do comportamento do processo
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 24 / 52
Objetivos do Sistema de Controle"Feedback" × "Feedforward" (continuação)
Configuração de Controle do Sistema
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V a p o r
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A n t e c i p a t ó r i o
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23
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T C
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Objetivos do Sistema de Controle2. Assegurar a Estabilidade do Processo
Tornar a operação da planta estável.
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Objetivos do Sistema de Controle2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)
Sistema Estável ou Auto-Regulável
u
entradalimitada
saídalimitada
y
tto
após a perturbação, y retorna ao seu valor inicialnão necessita de controle para estabilização
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Objetivos do Sistema de Controle2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)
Sistema Instável
u
entradalimitada
saídailimitada
y
tto
A
B
C
após a perturbação, y não retorna ao seu valor inicialnecessita de controle para estabilização
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 28 / 52
Objetivos do Sistema de Controle2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)
Estudo de CasoCSTR com Reação Irreversível Exotérmica
F i
T i
F T,
F c
Q B
R e f r i g e r a n t eT c i
C a i
C a
F cT c
A B
Q
T
Q BQ A
T 1 T 2 T 3Q A : c a l o r g e r a d o p e l a r e a ç ã oQ B : c a l o r r e m o v i d o p e l o r e f r i g e r a n t e
Regime EstabelecidoQA = QB→ 3 estados estacionários: P1, P2 e P3
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 29 / 52
Objetivos do Sistema de Controle2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)
t
T 3
T 2
T 1
T
t
T 3
T 2
T 1
T
t
T 3
T 2
T 1
T
t
T 3
T 2
T 1
P 1 e P 3 : e s t á v e i s P 2 : i n s t á v e l
Por quê operar em P2?1 P1: baixa conversão (T baixa)2 P3: insegura, destrói catalisador, degrada B (T alta)
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 30 / 52
Objetivos do Sistema de Controle3. Otimizar o Desempenho do Processo
Tornar a operação da planta mais produtiva.
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 31 / 52
Objetivos do Sistema de Controle3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
Estudo de CasoOtimizar o Desempenho de um Reator em Batelada
reação: A→ B → C (endotérmica)produto desejado: Bproduto indesejado: Cobjetivo do sistema de controle: maximizar Φ no intervalo detempo 0 a tR
máxFstsp
Φ =
∫ tR
0[(receita de B)− (custo do vapor)] dt − custo de A
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 32 / 52
Objetivos do Sistema de Controle3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
ação de controle: Fst é usado exclusivamente para a otimizaçãodo desempenho do reator, pois afeta as taxas das reações
malha feedback
T
Fst
Q
Condensado
Vapor
Tst
controlador
set point
sp e+
-
Fst
Fst
CTotimizador
max FCB
Figura: Controle otimizante
t
s pF s t
t R
m á x
m í n
Figura: Ação de controle
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Objetivos do Sistema de Controle3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
Na Otimização em Tempo Real (RTO), os valores ótimos dos "setpoints" são calculados na otimização da operação do processo, sa-tisfazendo as restrições do sistema.
C o n t r o l eR e g u l a t ó r i o
( s e g u n d o s -m i n u t o s )
C o n t r o l e P I D , t é c n i c a s a v a n ç a d a s d e c o n t r o l e ,m o n i t o r a m e n t o d a p e r f o r m a n c e d a m a l h a d ec o n t r o l e
S e g u r a n ç aa m b i e n t a l e d o se q u i p a m e n t o s
( < 1 s e g u n d o ) G e r e n c i a m e n t o d o s a l a r m e s ep a r a d a d e e m e r g ê n c i a
M e d i ç ã o eA t u a ç ã o( < 1 s e g u n d o ) V e r i f i c a ç ã o d o f u n c i o n a m e n t o d o s
s e n s o r e s e a t u a d o r e s
P r o c e s s o
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Objetivos do Sistema de Controle3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
P l a n e j a m e n t o eP r o g r a m a ç ã o( d i a s - m e s e s )
P r e v i s ã o , g e r e n c i a m e n t o d ac a d e i a d e s u p r i m e n t o s , p l a n e j a m e n t o /p r o g r a m a ç ã o d a s m a t é r i a s - p r i m a s e p r o d u t o
O t i m i z a ç ã o e mT e m p o R e a l( h o r a s - d i a s )
O t i m i z a ç ã o d a p l a n t a i n t e i r a e d a s u n i d a d e s i n d i v i d u a i s , e s t i m a t i v a d e p a r â m e t r o s ,c o n t r o l e s u p e r v i s ó r i o , r e c o n c i l i a ç ã o d e d a d o s
C o n t r o l e M u l t i v a r i á v e lc o m R e s t r i ç ã o
( m i n u t o s -h o r a s )
C o n t r o l e m u l t i v a r i á v e l ,c o n t r o l e p r e d i t i v o c o m m o d e l o
Figura: Níveis hierárquicos no controle e otimização de processos
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 35 / 52
Objetivos do Sistema de Controle3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
Em plantas grandes, chega-se a obter mais do que US$200 mil deincremento diário nos ganhos com RTO.
Em algumas vezes, os "set points" ótimos podem mudar diaria-mente. O custo das fontes de geração de energia, variações naqualidade e custo das matérias-primas, limites de processamento eestocagem e demanda do produto são resposáveis pela necessidadefrequente de RTO.
Problemas envolvendo mais do que 100 mil variáveis e restriçõesde igualdade e desigualdade são hoje rotineiramente resolvidos comRTO.
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 36 / 52
Justificativa Econômica
Redução na variação da especificação do produto.
t
x s p
x
t
r e s t r i ç ã o o p e r a c i o n a l
a n t e s
xx s p
r e s t r i ç ã o o p e r a c i o n a l
d e p o i sFigura: Redução da variabilidade do produto
benefícios econômicos:mudança do ponto operacionalaproxima-se da restrição operacionalmenor quantidade de produto fora de especificação
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 37 / 52
Leitura I
Leitura Complementar
Próximas aulas:
apostila do Prof. Wua, capítulos 2, 3 e 4 (volume I).
livro do Stephanopoulosb, capítulos 2, 3 e 4.
livro do Marlinc , capítulo 3.
livro do Seborg et al.d , capítulos 2 e 13.
aKwong, W. H., Introdução ao Controle de Processos Químicos com MATLAB. Volumes I e II, EdUFSCar, São Carlos, Brasil, 2002.
bStephanopoulos, G., Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice. Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA,1984.
cMarlin, T. E., Process Control. Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance. 2nd Edition, McGraw-Hill,New York, USA, 2000.
d Seborg, D. E., Edgar, T. F., Mellichamp, D. A., Doyle III, F. J., Process Dynamics and Control. 3rd Edition, John Wiley, New York,USA, 2011.
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 38 / 52
Leitura II
Sobre o conteúdo da aula atual:
Knegtering, B., Pasmanb, H. J.Safety of the Process Industries in the 21st Century: A ChangingNeed of Process Safety Management for a Changing Industry.Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 22, 162–168,2009.
Bauer, M., Craig, I. K.Economic Assessment of Advanced Process Control - A Survey.Journal of Process Control, 18, 2–18, 2008.
Alford, J. S.Bioprocess Control: Advances and Challenges.Computers and Chemical Engineering, 30, 1464–1475, 2006.
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 39 / 52
Leitura III
Samad, T., Annaswamy, A. M. (eds.)The Impact of Control Technology.IEEE Control System Society, Control Systems Society, 2011.Overview, Success, Stories, and Research Challenges.
Samad, T., Annaswamy, A. M. (eds.)The Impact of Control Technology, 2nd ed..IEEE Control System Society, Control Systems Society, 2014.Part 1: Success Stories for Control.Part 2: Chanllenges for Control Research.
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Termopar
SensorElementos dedicados que transformam determinada variável de pro-cesso em uma grandeza passível de manipulação. Geralmente a va-riável de interesse é transformada em uma grandeza elétrica.
TransdutorSistemas que atuam junto com sensores e constituídos por algum dis-positivo elétrico, eletrônico ou eletromecânico. O transdutor é na ver-dade um complemento de um sensor com o objetivo de tornar possívela medição de determinada grandeza ou mesmo melhorar as condiçõesde medições de um sensor.
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Termoparcontinuação
Um termopar é formado por dois condutores metálicos, de naturezadistinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fiossão soldados em um extremo chamado de junta quente ou junta demedição. As outras extremidades dos fios são levadas ao instrumentode medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétricopor onde flui a corrente.
Esse outro extremo dos fios que formam o termopar se conectaao instrumento de medição, sendo chamado de junta fria ou junta dereferência.
O aquecimento da junta quente gera o aparecimento de umaf.e.m. Este princípio é conhecido por Efeito Seebeck.
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Termoparcontinuação
Figura: Esquema de conecção de um termopar.
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Termoparcontinuação
Figura: Termopar industrial com flange.
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Célula de Pressão Diferencial
Sensor Capacitivo ou Célula Capacitiva é o sensor mais utilizado emtransdutores de pressão. Nele dois diafragmas de medição se movemcom relação a um diafragma fixo. Entre o diafragma fixo e os móveis,existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico.
Como um capacitor de placas paralelas é constituído por duas pla-cas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço depressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do capa-citor) tem sua distância em relação ao diafragma fixo modificada. Issoprovoca alteração na capacitância de um circuito de medição, e entãotem-se a medição da pressão.
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Célula de Pressão Diferencialcontinuação
Estes instrumentos, quando utilizados em medição de nível, medemdiferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquidapresente nos equipamentos cujo nível se deseja medir.
O lado de alta pressão do transdutor de pressão diferencial é ligadopela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão éaberto para a atmosfera. Visto que a pressão estática do líquido édiretamente proporcional ao peso do líquido, este pode ser obtido pelamedida do primeiro.
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Célula de Pressão Diferencialcontinuação
Figura: Esquema de uma célulacapacitiva.
Figura: Célula capacitiva.
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Célula de Pressão Diferencialcontinuação
Figura: Sensor/transdutor de pressãodiferencial.
Figura: Nível de tanque medido porpressão diferencial.
Volta
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Válvula de Controle
Qualquer que seja a natureza do sistema de controle utilizado(pneumático, elétrico, eletrônico ou hidráulico), uma válvula de controleautomática é, na maioria das vezes, o elemento final de controle usado.
Isso porque a forma mais comum de influenciar o comportamentode processos químicos é modificando as vazões de escoamento dascorrentes de processo. Normalmente, uma resistência variável écolocada da corrente de interesse, a qual influenciará a sua vazãode escoamento conduzindo o processo a um comportamento desejado.
Em alguns casos a resistência da válvula tem que ser ajustada (umapessoa ajusta a sua abertura). Porém em muitos casos a resistênciada válvula é determinada por um controlador automático, com a válvulaprojetada a aceitar e executar o sinal emitido pelo controlador.
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Válvula de Controlecontinuação
Figura: Esquema de uma válvulapneumática.
Figura: Válvula pneumática.Volta
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