� Instrumentação é o ramo da Engenharia que trata de� Projeto� Fabricação Especificação
Instrumentação
09/04/2010 1
� Especificação � Montagem� Operação� Manutenção de instrumentos para medição, alarme e controle do processo industrial
� Não reclama� Não faz greve� Não pede aumento de salário Não tira férias
Vantagens do instrumento
09/04/2010 2
� Não tira férias� Não se apaixona� Não torce por time de futebol� Não brinca carnaval e nem São João� Trabalha no escuro
� Capacidade limitada de tomar decisão � Precisa de programação para operar� Requer ajustes periódicos
Desvantagens do instrumento
09/04/2010 3
� Requer ajustes periódicos� Requer manutenção periódica� Consome energia� Custo de propriedade
Símbolo e filosofia do instrumento
09/04/2010 9
COMPARTILHADODEDICADO FUNÇÃO DE COMPUTADOR
DUAS FUNÇÕES UM INSTRUMENTO
LÓGICA
Símbolo e local de montagem
ACESSÍVEL AO OPERADOR
NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR
ACESSÍVEL AO OPERADOR
NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR
NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR
09/04/2010 10
OPERADOR
PAINEL DE LEITURA
AO OPERADOR
ARMÁRIO CEGO
OPERADOR
PAINEL AUXILIAR
AO OPERADOR
PAINEL AUXILIARMONTADO NO
CAMPO OU ÁREA
Linhas de interligação
Sinal indefinidoSinal eletrônico, 4 a 20 mA ccSinal pneumático, 20 a 100 kPa
09/04/2010 11
Sinal pneumático, 20 a 100 kPa
Comunicação digital ou configuraçãoTubo capilarLinha de processo
Sinal eletrônico, binário
Identificação do instrumento
� Conjunto alfanumérico incluindo� Variável do processo (1a letra)� Função do instrumento (2a letra)
09/04/2010 12
� Função do instrumento (2 letra)� Modificadores da 1a e 2a letra � Número da malha
� Exemplos:
� TIC 201 FRQI 503 LSHH 29
Variável do instrumento
� Variável inicializada ou medida� Análise (A) - análise não é função: analisador (?)
� Vazão (F)Nível (L)
09/04/2010 13
� Nível (L)� Pressão (P)� Temperatura (T)
� Modificadores (da 1a ou 2a letra)� Diferencial (D), Fração (F), Varredura (J), Segurança (S), Alta (H), Baixa (L)
Função do instrumento
� Controle (quase) sempre tem Indicação� FIC = FC
� Totalização e Indicação de Vazão quase sempre estão associadas
09/04/2010 14
sempre estão associadas� FIQ = FQI, FQ
� Transmissor pode ter indicação local da variável� FIT, TIT
∆∆∆∆
ΣΣΣΣ
ΤΤΤΤ
K
FE
FT
FR
ELEMENTO DE VAZÃO
TRANSMISSOR DE VAZÃO CAMPO
PAINEL
REGISTRADOREXTRATOR DE RAIZ QUADRADA
MEDIÇÃO
FEEDFORWARD
CONTROLADOR
DIFERENÇA (ERRO)PONTO DE AJUSTE
AÇÃO INTEGRALAÇÃO PROPORCIONAL
RELÉ TRANSFERÊNCIA A/M
SOMADORTRANSFERÊNCIA
K
Diagrama detalhado de
09/04/2010 15
ΤΤΤΤ
< >
I T A I
I/P
PAINEL
CAMPO
ESTAÇÃO AUTO-MANUAL
TRANSDUTOR I/P
VÁLVULA COM ATUADOR PNEUMÁTICO
RELÉ TRANSFERÊNCIA A/MLIMITADOR AJUSTÁVEL H e L
TRANSFERÊNCIA
MANUAL
SAÍDA
MANUAL EMERGÊNCIA
detalhado de uma malha de controle PID
Instrumentação Pneumática
� Ainda é usada, no Brasil, EUA e Europa para processos simples, seguros e antigos
� Há uma tendência universal de substituir
09/04/2010 16
� 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/cm2 ou 3 a 15 psi)
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
09/04/2010 17
instrumentação eletrônica analógica por microprocessada
� Baseada no sinal de 4 a 20 mA cc, criado em 1950, padronizado em 1975 (ISO/IEC)
Instrumentação inteligente
� Instrumentação inteligente é aquela à base de microprocessador
� Condiciona o sinal, no lugar do operador e
09/04/2010 18
� Condiciona o sinal, no lugar do operador e apresenta informação de modo amigável
� Possui� CPU� Memória� Módulo I/O
Ajuste manual do
nível Indicador
Registrador
Transmissor de nívelSensor de nível
Controlador de nível
Cadeia de informação na malha
09/04/2010 20
Suprimento de água
Registrador
Sistema de alarme
Sistema de intertravamento
Computador
Usuários da água do processo
Válvula de controle
(elemento final de controle)
Vazão da água (variável
manipulada)
Tanque de armazenagem
(processo de nível)
Funções de Instrumentos
� Elemento Sensor� Condiconador de sinal� Transmissor� Display
09/04/2010 21
� Display� Indicador� Registrador� Contador
� Controlador � Atuador final: válvula de controle
Elemento sensor
� Parte do instrumento que detecta a variável, convertendo-a em outra mais usável
� Entrada do sensor: variável do processo� Força (peso) Posição
�Pressão�Temperatura
09/04/2010 22
� Posição � Queima (combustão) � Tempo � Torque� Umidade� Vibração
�Temperatura�Nível�Vazão�Análise �Velocidade �Densidade
Elemento sensor
Indicador
Alimentação (opcional)
09/04/2010 23
Sinal RegistradorSensor
Totalizador
Variável
Fatos sobre o sensor
� Nem sempre está em contato direto� Nem sempre é linear� Pode afetar valor da variável medida
09/04/2010 27
� Pode afetar valor da variável medida� Sempre contribui com incerteza� Pode ser fisicamente distribuído � Pode ser mais de um
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
09/04/2010 28
painel com 24 V cc� Aplicações
� Uso remoto do sinal� Padronização do sinal� Isolação do sinal
Características do transmissor
� Sinais padrão� Eletrônico: 4 a 20 mA cc� Pneumático: 20 a 100 kPaDigital (?): Hart, Fieldbus, Modbus
09/04/2010 29
� Digital (?): Hart, Fieldbus, Modbus� Locais de montagem
� Área industrial (campo)� Sala de controle (painel cego)
Alimentação do transmissor
Transmissor
Fonte
Receptor
-
-
+
+
Transmissor
Fonte
Receptor
-
-
+
+
09/04/2010 30
- -
Transmissor
Fonte
Receptor-
-
+
+
Transmissor a 2 fios Transmissor a 3 fios
Transmissor a 4 fios
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
09/04/2010 36
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)
Mostrador do Sinal (Display)
� Tipos de mostradores de sinal� Indicador� Registrador� Controlador (Indicador)
09/04/2010 37
� Controlador (Indicador)� Totalizador (Contador)
� Modos de apresentação � Analógico � Digital
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
09/04/2010 38
� Digital: números em LED, LCD, TRC
� Precisão (resolução)� Maior escala e número de divisões� Maior número de dígitos
Registrador
� Instrumento que sente a variável e imprime valor histórico ou de tendência da variável em um gráfico através de uma pena
� Especificações
09/04/2010 41
� Número de penas� Registro contínuo ou ponto� Enrolamento do gráfico� Tipo de pena� Acionamento do gráfico
Registrador� Certamente, o instrumento que mais evoluiu na Instrumentação: atualmente é um computador em caixa de registrador
� Registrador microprocessado (inteligente)
09/04/2010 42
� Registrador microprocessado (inteligente)� Imprime tabelas� Imprime relatórios� Imprime lista de alarmes correntes� Apresenta valores instantâneos em displays digitais
Controlador
Instrumento que 1. Recebe a medição de uma variável 2. Recebe um ponto de ajuste 3. Compara-os e
09/04/2010 45
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
Chave automática
� Chave operada pela posição de algum dispositivo ou valor ajustado de uma variável � Pressostato - PS� Termostato - TS
09/04/2010 49
� Termostato - TS� Chave de nível - LS� Chave de vazão - FS� Chave fim de curso - ZS
Válvula de Controle
� Válvula é uma dispositivo que altera a passagem de um fluido em seu interior
� Válvula pode ser acionada automaticamente ou manualmente
09/04/2010 51
ou manualmente� Válvula é aplicada em tubulações de entrada e saída de vasos, tanques, reatores e containeres
� 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%
Válvula de Controle
09/04/2010 52
� 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
� 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 de Controle
09/04/2010 53
� Válvula de controle não é de vedação� Válvula com atuador pneumático é ainda o elemento final de controle mais usado� Simples� Seguro� Barato� Rápido
Acessório da válvula: posicionador
� Posicionador: controlador de posição que estabelece uma abertura biunívoca da válvula com relação ao sinal do controlador Aplicação é justificada:
09/04/2010 57
� 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
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
09/04/2010 60
� Altera o ponto de ajuste do controlador� Atua manualmente no processo� Liga ou desliga equipamento
Pressão
� Conceito: força/área � Unidades SI: pascal, símbolo Pa Pa = N/m2 , Usados também kPa, MPaNão SI: kgf/cm2, psi, mm H2O Símbolos associados: PI, PG, PR, PSL, PSH, PIC
09/04/2010 62
� 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
Terminologia da Pressão
� Pressão absoluta� Pressão manométrica ou relativa� Pressão atmosférica � Pressão diferencial
09/04/2010 63
� Pressão diferencial� Pressão de vácuo� Pressão estática� Pressão hidrostática� Pressão de vapor
Pressão
Pressão Atmosférica
Pressão manométrica
Pressão
09/04/2010 64
Zero Absoluto
Pressão absoluta
Pressão atmosférica
Pressão absoluta
Vácuo ou pressão manométrica negativa
Pressostato
� Chave automática atuada pelo valor da pressão
� PSL ou PSH (alarme)� PSLL ou PSHH (intertravamento)
09/04/2010 66
� PSLL ou PSHH (intertravamento)� Não é sensor (possui)� Não é indicador (opcional)
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 frioTemperatura termodinâmica: ponto triplo da
09/04/2010 68
� Temperatura termodinâmica: ponto triplo da água igual a 273,16 K
� Unidade SI: � Recomendada: kelvin, símbolo K� Uso industrial: grau Celsius (oC)
� Símbolos: TI, TR, TJI, TJR, TSL, TSH, TAL, TAH, TIC
Temperatura
� Variável de qualidade� Em medição de vazão de gás, temperatura é medida para compensação do volumeTemperatura é relativamente difícil de medir e
09/04/2010 69
� 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
Escala de Temperatura
OC = (oF - 32)/1,8
Escala Farenheit (Rankine)
oC (K) oF (oR)
212 (672)100 (373)
Escala Celsius (Kelvin)
09/04/2010 70
F=1,8C+32(Rankine)
32 (492)
-460 (0)
0 (273)
sensor
180(180)100 (100)
-273 (0)
(Kelvin)
Sensores de temperatura
� Mecânicos:� Bimetal� Enchimento termal� Haste de vidroElétricos
09/04/2010 71
� Elétricos� Termopar� Resistência Detectora de Temperatura (RTD)� Termistor
Faixas e sensores
� Método Faixa de Medição (oC)� Termopares -200 a 1700� Enchimento Termal -195 a 760Resistência Detectora -250 a 650
09/04/2010 72
� Resistência Detectora -250 a 650� Termistores -195 a 450� Pirômetros Radiação -40 a 4 000
Termostato
� Chave automática atuada pelo valor da temperatura
� TSL ou TSH (alarme)� TSLL ou TSHH (desarme)� Não é sensor (possui)
09/04/2010 73
� Não é sensor (possui)� Não é indicador
� Volumétrica: volume por unidade de tempo � Mássica: massa por unidade de tempo� Unidades: m3/s ou kg/s� Símbolos associados:
Vazão
09/04/2010 74
� Símbolos associados: � FG FI FR FIC FrC ou FFC� FQ FIQ FSL FSH FSLL ou FSHH
� Efeito Coriolis� Ultra-som� Vortex� Alvo (target)
Medidores Favoritos de Vazão (2)
09/04/2010 75
� Alvo (target)� Termal� Canal aberto
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
09/04/2010 76
� 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.
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
09/04/2010 80
não da pressão diferencial� Quem detecta a pressão diferencial gerada pela placa é:� Transmissor d/p cell� Diafragma ou câmara Barton
Transmissor de Pressão Diferencial
Transmissor d/p cell associado à placa de orifício, FT
09/04/2010 81
Nível
� Altura da coluna líquida ou de sólidos granulados em um tanque ou reservatório
� Unidades� %,
09/04/2010 83
%, � comprimento, � volume ou � massa
� Símbolos: LG, LI, LR, LSL, LSH, LSLL, LSHH
� 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%
Medição de nível com fita e bóia
09/04/2010 85
100 a 0%� Vantagens:
� Simplicidade� Baixo custo
� Desvantagens:� Necessita de selo, em tanque pressurizado� Precisão de ruim a média (±1% f.e.)
� Medição se baseia na pressão exercida pela coluna líquida:∆P = ρ g H
� Pressão hidrostática independe do formato� Medição se complica quando
Medição de nível a ∆p
09/04/2010 87
� 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
� Vantagens:� Facilidade de medição e calibração da pressão diferencial
� Flexibilidade pela variedade de tomadas� Possibilidade de transmissãoDesvantagens:
Medição de nível a ∆p
09/04/2010 88
� 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
� Vantagens:� Pode medir níveis de fluidos complicados� Não requer licença legal (radiativo)� Medição sem contato� Antena pode ser externa ao tanque
Medição de nível a Radar
09/04/2010 92
� Antena pode ser externa ao tanque� Medição independe das características do líquido
� Desvantagens:� Relativamente caro� Não pode ser usado em sólidos ou líquidos sujos
Variáveis de Processo
VARIÁVEL DE PROCESSO(PV):É aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto.
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
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.
ponto ideal de operação do processo.
Conceitos importantes
INSTRUMENTO DEFINIÇÃO
Detector São dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor
Transmissor Instrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor.
Indicador Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detector, transmissor, etc...
09/04/2010 95
transmissor, etc...
Registrador Registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados por um detector, transmissor, controlador, 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.
Controlador 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.
Integrador Instrumento que indica o valor obtido pela integração(totalização) de quantidades medidas sobre o tempo.
Elemento Final de Controle
Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado.