Apostila de-instrumentacao-industrial
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  • 1. Instrumentação Industrial Volta Redonda - RJ 2004
  • 2. ÍNDICE1. INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL ................................................................. 22. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DOS INSTRUMENTOS........................................................233. CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DOS INSTRUMENTOS........................................................284. CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS...........................................................................................315. GRANDEZAS BASE E PADRÕES ASSOCIADOS.....................................................................326. MEDIDAS DE PRESSÃO.............................................................................................................347. MEDIDAS DE VAZÃO..................................................................................................................45 2
  • 3. 1 – INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃOINSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação deinstrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicasem equipamentos nos processos industriais.Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel,etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendocom que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produtodesejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processosão: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveisde um processo.1.2 - Classificação de Instrumentos de MediçãoExistem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quaisPodemos classificar os instrumentos de medição por: função sinal transmitido ou suprimento tipo de sinal1.2.1 - Classificação por FunçãoConforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre sipara realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação dessesinstrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função(vide figura 1). Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificadospor função cuja descrição sucinta pode ser verificada na tabela 1. 3
  • 4. Figura 1 - Classificação por função de instrumentos que compõe uma malha de instrumentação.INSTRUMENTAÇÃO DEFINIÇÃODetetor 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 detetor em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel.Indicador Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detetor, transmissor, etc.Registrador Instrumento que registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados pelo detetor, 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.Unidade Aritmética Instrumento que realiza operações nos sinais de valores de entrada de acordo com uma determinada expressão e fornece uma saída resultante da operação. 4
  • 5. Integrador Instrumento que indica o valor obtido pela integração de quantidades medidas sobre o tempo.Controlador Instrumento que compara o valor medido com o desejado e, baseado na diferença entre eles, emite sinal de correção para a variável manipulada a fim de que essa diferença seja igual a zero.Elemento Final de Dispositivo cuja função é modificar o valor de umaControle variável que leve o processo ao valor desejado. Tabela 1 – Classificação dos instrumentos por função.1.2.2 - Classificação por Sinal de Transmissão ou SuprimentoOs equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seusuprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.1.2.2.1 - Tipo pneumáticoNesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor quese deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmentemanipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar avariação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão detransmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizados é de 0,2 a 1,0kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês).Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zeropara termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. O gásmais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO eem casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS). Vantagem 5
  • 6. A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato dese poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais degás, por exemplo). Desvantagensa) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento efuncionamento.b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador,etc. ..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado àlonga distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada aaproximadamente 100 m.d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos sãodifíceis de serem detectados.e) Não permite conexão direta aos computadores.1.2.2.2 - Tipo HidráulicoSimilar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-seda variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. Éespecialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando oprocesso envolve pressões elevadas. Vantagensa) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso edimensão.b) Resposta rápida. Desvantagens 6
  • 7. a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento.b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca.c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc...1.2.2.3 - Tipo elétricoEsse tipo de transmissão é feito utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Emface da tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentoseletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado emtodas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissãopneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representandoo conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processoqualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais emcorrente contínua variando de (4 a 20mA) e para distâncias até 15 metrosaproximadamente, também utiliza-se sinais em tensão contínua de 1 a 5V. Vantagensa) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal detransmissão.c) Não necessita de poucos equipamentos auxiliares.d) Permite fácil conexão aos computadores.e) Fácil instalação.f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas.g) Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja “lido” por mais de um instrumento, ligandoem série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistênciasinternas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricantedo transmissor. 7
  • 8.  Desvantagensa) Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção.b) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas emáreas de riscos.c) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais.d) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.1.2.2.4 - Tipo DigitalNesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para umaestação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que acomunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizadauma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação. Vantagensa) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento.b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados.c) Imune a ruídos externos.d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha.e) Menor custo final. Desvantagensa) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entreequipamentos de marcas diferentes.b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/oucontrole de várias malha.1.2.2.5 - Via Rádio 8
  • 9. Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estaçãoreceptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica. Vantagensa) Não necessita de cabos de sinal.b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. Desvantagensa) Alto custo inicial.b) Necessidade de técnicos altamente especializados.1.2.2.6 - Via ModemA transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pelamodulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude. Vantagensa) Baixo custo de instalação.b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias. Desvantagensa) Necessita de profissionais especializados.b) baixa velocidade na transmissão de dados.c) sujeito as interferências externas, inclusive violação de informações. 9
  • 10. 1.3 - Simbologia de InstrumentaçãoCom objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados pararepresentar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhasde instrumentação, normas foram criadas em diversos países. No Brasil AssociaçãoBrasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR 8190 apresenta esugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos esuas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. No entanto, como é dada aliberdade para cada empresa estabelecer/escolher a norma a ser seguida naelaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação outras sãoutilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas maisutilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (InstrumentationSociety of America).A seguir serão apresentadas as normas ABNT e ISA, de forma resumida, e que serãoutilizadas ao longo dos nossos trabalhos.1.3.1 – Finalidades1.3.1.1 - Informações Gerais:As necessidades de procedimentos de vários usuários são diferentes. A normareconhece essas necessidades quando estão de acordo com os objetivos e fornecemétodos alternativos de simbologia. Vários exemplos são indicados para adicionarinformações ou simplificar a simbologia. Os símbolos dos equipamentos de processonão fazem parte desta norma, porém são incluídos apenas para ilustrar as aplicaçõesdos símbolos da instrumentação.1.3.1.2 - Aplicação na IndústriaA norma é adequada para uso em indústrias químicas, de petróleo, de geração deenergia, refrigeração, mineração, refinação de metal, papel e celulose e muitas outras. 10
  • 11. Algumas áreas, tal como astronomia, navegação e medicina usam instrumentos tãoespecializados que são diferentes dos convencionais. Não houve esforços para que anorma atendesse às necessidades dessas áreas. Entretanto, espera-se que a mesmaseja flexível suficientemente para resolver grande parte desse problema.1.3.1.3 - Aplicação nas atividades de trabalhoA norma é adequada para uso sempre que qualquer referência a um instrumento ou auma função de um sistema de controle for necessária com o objetivo de simbolizar aidentificação. Tais referências podem ser aplicadas para as seguintes utilizações (assimcomo outras):  Projetos;  exemplos didáticos;  material técnico - papeis, literatura e discussões;  diagramas de sistema de instrumentação, diagramas de malha, diagramas lógicos;  descrições funcionais;  diagrama de fluxo: processo, mecânico, engenharia, sistemas, tubulação (processo);  e desenhos/projetos de construção de instrumentação;  Especificações, ordens de compra, manifestações e outras listas;  Identificação de instrumentos (nomes) e funções de controle;  Instalação, instruções de operação e manutenção, desenhos e registros.A norma destina-se a fornecer informações suficientes a fim de permitir que qualquerpessoa, ao revisar qualquer documento sobre medição e controle de processo, possaentender as maneiras de medir e controlar o processo (desde que possua certoconhecimento do assunto). Não constitui pré-requisito para esse entendimento umconhecimento profundo/detalhado de um especialista em instrumentação. 11
  • 12. 1.3.2 - Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190)1.3.2.1 - Tipos de Conexões1) Conexão do processo, ligação mecânica ou suprimento ao instrumento.2) Sinal pneumático ou sinal indefinido para diagramas de processo.3) Sinal elétrico.4) Tubo capilar (sistema cheio).5) Sinal hidráulico.6) Sinal eletromagnético ou sônico (sem fios).1.3.2.2 - Código de Identificação de InstrumentosCada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifiquefuncionalmente (Tabela 2).Como exemplo, uma identificação representativa é a seguinte: 12
  • 13. Tabela 2 – Significado dos códigos de identificação de instrumentos. 13
  • 14. Obs 1 : Multifunção significa que o instrumento é capaz de exercer mais de uma função.Obs 2 : Os números entre parênteses se referem às notas relativas descritas a seguir.Notas Relativas1) As letras “indefinidas” são próprias para indicação de variáveis não listadas que podem ser repetidas em um projeto particular. Se usada, a letra deverá ter um significado como “primeira - letra” e outro significado como “letra - subsequente”. O significado precisará ser definido somente uma vez e uma legenda para aquele respectivo projeto. Por exemplo: a letra N pode ser definida como Módulo de Elasticidade na “primeira - letra” e na “letra subsequente”.2) A letra “não classificada”, X, é própria para indicar variáveis que serão usadas uma vez, ou de uso limitado. Se usada, a letra poderá ter qualquer número de significados como “primeira - letra” e qualquer número de significados como “letra - subsequente”. Exceto para seu uso como símbolos específicos, seu significado deverá ser definido fora do círculo de identificação no fluxograma. Por exemplo: XR- 3 pode ser um “registrador de vibração”, XR-2 pode ser um “registrador de tensão mecânica” e XX4 pode ser um “osciloscópio de tensão mecânica”.3) Qualquer primeira - letra, se usada em combinação com as letras modificadoras D (diferencial), F (razão) ou Q (totalização ou integração), ou qualquer combinação, será tratada como uma entidade “primeira - letra”. Então, instrumentos TDI e TI medem duas diferentes variáveis, que são: temperatura diferencial e temperatura.4) A “primeira - letra” A, para análise, cobre todas as análises não listadas na Tabela 1 e não cobertas pelas letras “indefinidas”. Cada tipo de análise deverá ser definido fora do seu círculo de indefinição no fluxograma. Símbolos tradicionalmente conhecidos como pH, O2, e CO, têm sido usados opcionalmente em lugar da “primeira - letra” A. 14
  • 15. 5) O uso da “primeira - letra” U para multivariáveis em lugar de uma combinação de “primeira letra” é opcional.6) O uso dos termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário e varredura ou seleção é preferido, porém opcional.7) O termo “segurança” se aplicará somente para elementos primários de proteção de emergência e elementos finais de controle de proteção de emergência. Então, uma válvula auto - operada que previne a operação de um sistema acima da pressão desejada, aliviando a pressão do sistema, será uma PCV, mesmo que a válvula não opere continuamente. Entretanto esta válvula será uma PSV se seu uso for para proteger o sistema contra condições de emergência, isto é, condições que colocam em risco o pessoal e o equipamento, ou ambos e que não se esperam acontecer normalmente. A designação PSV aplica-se para todas as válvulas que são utilizadas para proteger contra condições de emergência em termos de pressão, não importando se a construção e o modo de operação da válvula enquadram-se como válvula de segurança, válvula de alívio ou válvula de segurança e alívio.8) A função passiva “visor” aplica-se a instrumentos que dão uma visão direta e não calibrada do processo.9) O termo “indicador” é aplicável somente quando houver medição de uma variável. Um ajuste manual, mesmo que tenha uma escala associada, porém desprovido de medição de fato, não deve ser designado “indicador”.10) Uma “lâmpada - piloto”, que é a parte de uma malha de instrumentos, deve ser designada por uma “primeira - letra” seguida pela “letra subsequente”. Entretanto, se é desejado identificar uma “lâmpada - piloto” que não é parte de uma malha de instrumentos, a “lâmpada - piloto” pode ser designada da mesma maneira ou alternadamente por uma simples letra L. Por exemplo: a lâmpada que indica a operação de um motor elétrico pode ser designada com EL, assumindo que a 15
  • 16. tensão é a variável medida ou XL assumindo a lâmpada é atuada por contatos elétricos auxiliares do sistema de partida do motor, ou ainda simplesmente L. A ação de uma “lâmpada - piloto” pode ser acompanhada por um sinal audível.11) O uso da “letra - subsequente” U para “multifunção” em lugar de uma combinação de outras letras funcionais é opcional.12) Um dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos pode ser, dependendo das aplicações, uma “chave”, um “relé”, um “controlador de duas posições”, ou uma “válvula de controle”. Se o dispositivo manipula uma corrente fluida de processo e não é uma válvula de bloqueio comum atuada manualmente, deve ser designada como uma “válvula de controle”. Para todas as outras aplicações o equipamento é designado como: a) uma “chave”, quando é atuado manualmente; b) uma “chave” ou um “controlador de duas posições”, se é automático e se é atuado pela variável medida. O termo “chave” é geralmente atribuído ao dispositivo que é usado para atuar um circuito de alarme, “lâmpada piloto”, seleção, intertravamento ou segurança. O termo “controlador” é geralmente atribuído ao equipamento que é usado para operação de controle normal; c) um “relé”, se é automático e não atuado pela variável medida, isto é, ele é atuado por uma “chave” ou por um “controlador de duas posições”.13) Sempre que necessário as funções associadas como o uso da “letra - subsequente” Y devem ser definidas fora do círculo de identificação. Não é necessário esse procedimento quando a função é por si só evidente, tal como no caso de uma válvula solenóide.14) O uso dos termos modificadores “alto”, “baixo”, “médio” ou “intermediário”, deve corresponder a valores das variáveis medidas e não dos sinais, a menos que de outra maneira seja especificado. Por exemplo: um alarme de nível alto derivado de 16
  • 17. um transmissor de nível de ação reversa é um LAH, embora o alarme seja atuado quando o sinal alcança um determinado valor baixo. Os termos podem ser usados em combinações apropriadas.15) Os termos “alto” e “baixo”, quando aplicados para designar a posição de válvulas, são definidos como: alto - denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente aberta; baixo - denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente fechada.1.3.2.3 - Simbologia de Identificação de Instrumentos de Campo e Painel 17
  • 18. 1.3..2.4 - Instrumentação de Vazão1.3.2.5 - Válvula de Controle1.3.2.6 - Alguns Arranjos Típicos de Instrumentos Vazão 18
  • 19.  Pressão 19
  • 20. 20
  • 21.  Temperatura 21
  • 22.  Nível 22
  • 23. 1.3.3 - Simbologia Conforme Norma ISA1.3.3.1 - Aplicação para Classes e Funções de InstrumentosAs simbologias e o método de identificação desta norma são aplicáveis para todaclasse de processo de medição e instrumentação de controle. Podem ser utilizados nãosomente para identificar instrumentos discretos e suas funções, mas também paraidentificar funções analógicas de sistemas que são denominados de várias formascomo “Shared Display” (display compartilhado), “Shared Control” (controlecompartilhado), “Distribuided Control” (controle distribuído) e “Computer Control”(controle por computador).1.3.3.2 - Conteúdo da Identificação da FunçãoA norma é composta de uma chave de funções de instrumentos para sua identificaçãoe simbologia. Detalhes adicionais dos instrumentos são melhores descritos em uma 23
  • 24. especificação apropriada, folha de dados, ou outro documento utilizado que essesdetalhes requerem.1.3.3.3 - Conteúdo de Identificação da MalhaA norma abrange a identificação de um instrumento e todos outros instrumentos oufunções de controle associados a essa malha. O uso é livre para aplicação deidentificação adicional. tais como, número de serie, número da unidade, número daárea, ou outros significados. Tabela 3 – Significado dos códigos de identificação de instrumentos (NORMA ISA) 24
  • 25. As diferenças básicas entre a tabela da ABNT (tabela 2) e a tabela da norma ISA(tabela 3) são : A letra “C” na tabela ABNT indica condutividade elétrica (como primeira letra) para a norma ABNT e controlador para segunda letra; na norma ISA a primeira letra é definida pelo usuário; A letra “D” na tabela ABNT indica densidade ou massa específica (como primeira letra) e a letra modificadora significa diferencial; já para a norma ISA, a primeira letra é de escolha do usuário, mantendo-se a letra modificadora como diferencial; A letra “G” significa medida dimensional para a norma ABNT e é de escolha do usuário para a norma ISA; A letra “M” significa umidade para a norma ABNT e é de escolha do usuário para a norma ISA e a letra modificadora significa momentâneo; A letra “V” significa viscosidade para a norma ABNT na primeira letra e vibração ou análise mecânica para a norma ISA.1.3.3.4 - Símbolos de Linha de InstrumentosTodas as linhas são apropriadas em relação às linhas do processo de tubulação: 25
  • 26. 1.3.3.5 - Símbolos opcionais binários (ON - OFF)Nota: “OU” significa escolha do usuário. Recomenda-se coerência. São sugeridas as seguintes abreviaturas para denotar os tipos de alimentação. Essas designações podem ser também aplicadas para suprimento de fluidos.AS - suprimento de arIA - ar do instrumentoPA - ar da plantaES - alimentação elétricaGS - alimentação de gásHS - suprimento hidráulicoNS - suprimento de nitrogênioSS - suprimento de vaporWS - suprimento de água* O valor do suprimento pode ser adicionado à linha de suprimento do instrumento;exemplo: AS-100, suprimento de ar 100-psi; ES-24DC; alimentação elétrica de 24VDC.** O símbolo do sinal pneumático se aplica para utilização de sinal, usando qualquergás.*** Fenômeno eletromagnético inclui calor, ondas de rádio, radiação nuclear e luz. 26
  • 27. 1.3.3.6 - Símbolos Gerais de Instrumentos ou de Funções Tabela 3 – Símbolos gerais para instrumentos ou funções, norma ISA. 27
  • 28. * O tamanho do símbolo pode variar de acordo com a necessidade do usuário e do tipodo documento. Sugerimos acima um tamanho de quadrado e círculo para diagramasgrandes.Recomenda-se coerência.** As abreviaturas da escolha do usuário, tal como IPI (painel do instrumento n.º 1, IC2(console do instrumento n.º 2). CC3 (console do computador n.º 3) etc... podem serusados quando for necessário especificar a localização do instrumento ou da função.*** Normalmente, os dispositivos de funções inacessíveis ou que se encontram na partetraseira do painel podem ser demonstrados através dos mesmos símbolos porém, comlinhas horizontais usando-se os pontilhados.**** Não é obrigado mostrar um alojamento comum.***** O desenho (losango) apresenta metade do tamanho de um losango grande.****** Veja ANSI/ISA padrão S5.2 para símbolos lógicos específicos. 28
  • 29. 2.0 – CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DOS INSTRUMENTOS2.1 - Exatidão (Accuracy)É a aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valorverdadeiro convencional. A exatidão é um conceito qualitativo e normalmente é dadacomo um valor percentual do fundo de escala do instrumento.Ex.: Um voltímetro com fundo de escala 10V e exatidão ±1%. O erro máximo esperadoé de 0,1 V. Isto quer dizer que se o instrumento mede 1V, o possível erro é de 10%deste valor (0,1V). Por esta razão é uma regra importante escolher instrumentos comuma faixa apropriada para os valores a serem medidos.Obs.: O Termo precisão não deve ser utilizado como sinônimo de exatidão.2.2 - Classe de ExatidãoÉ a classe de instrumentos de medição que satisfazem a certas exigênciasmetrológicas destinadas a conservar os erro dentro de limites especificados.Ex.: Seja o caso dos TPs e dos TCs . A escolha da classe de exatidão dependerá daaplicação do equipamento, que deverão possuir classe de exatidão igual ou superior.As aplicações mais comuns são as seguintes: 29
  • 30. Tabela 4 – Classe de Exatidão de instrumentos de medidas.2.3 – PrecisãoA precisão é um termo que descreve o grau de liberdade a erros aleatórios, ou seja, aonível de espalhamento de várias leituras em um mesmo ponto. A precisão éfreqüentemente confundida com a exatidão. Um aparelho preciso não implica que sejaexato. Uma baixa exatidão em instrumentos precisos decorre normalmente de umdesvio ou tendência (bias) nas medidas, o que poderá ser corrigido por uma novacalibração.As figuras a seguir ilustram as características de exatidão e precisão de um instrumentoou equipamento. 30
  • 31. Os graus de repetitividade e de reprodutibilidade são maneiras alternativas de seexpressar a precisão. Embora estes termos signifiquem praticamente a mesma coisa,eles são aplicados a contextos diferentes.A repetitividade (mesmas condições) descreve o grau de concordância entre osresultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob asmesmas condições de medição. Estas condições são denominadas condições derepetitividade e incluem o mesmo procedimento de medição, mesmo observador,mesmo instrumento de medição utilizado nas mesmas condições, mesmo local erepetição em curto período de tempo.A reprodutibilidade expressa o grau de concordância entre os resultados dasmedições de um mesmo mensurando, efetuadas sob condições variadas de medição.Para que uma expressão de reprodutibilidade seja válida, é necessário que sejamespecificadas as condições alteradas, que podem incluir o princípio de medição, 31
  • 32. método de medição, observador, instrumento de medição, padrão de referência, local,condições de utilização e condições climáticas.2.4 – IncertezaA incerteza é um parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracterizaa dispersão dos valores que podem ser fundamentalmente atribuídos a ummensurando. Este parâmetro pode ser, por exemplo, um desvio padrão (ou múltiplodele), ou a metade de um intervalo correspondente a um nível de confiançaestabelecido. Em geral, compreende muitos componentes, incluindo aquelesresultantes dos efeitos sistemáticos, como os associados com correções, distribuições,desvios padrões, assumidos com base na experiência ou em outras informações, quecontribuem para a dispersão.2.5 – TolerânciaA tolerância é um termo muito próximo à exatidão e define o erro máximo que éesperado em um determinado valor. Embora não seja uma característica estática deinstrumentos, é aqui mencionado porque a exatidão de alguns instrumentos éespecificada em termos de tolerância. Quando aplicado corretamente, a tolerância deum componente manufaturado descreve o máximo desvio de um valor especificado. Porexemplo, um resistor escolhido aleatoriamente com valor nominal 1000 ohms, detolerância 5%, pode ter seu valor real entre 950 Ohms e 1050 Ohms.2.6 - Tendência de um instrumento (bias)A tendência de um instrumento é um erro sistemático da indicação de um instrumentoque ocorre em toda a sua faixa de indicação. A tendência é normalmente estimada pelamédia dos erros de indicação de um número apropriado de medições repetidas epoderão ser removidas através de nova calibração ou simplesmente um ajuste de zero. 32
  • 33. 2.7 – DiscriçãoÉ aptidão de um instrumento em não alterar o valor do mensurando.2.8 - Linearidade e a não - linearidadeA linearidade é uma característica normalmente desejável onde a leitura de uminstrumento é linearmente proporcional à grandeza sendo medida. O gráfico a seguirmostra a relação entre uma grandeza e o resultado de medições. Nesta figura pode-seobservar um certo grau de linearidade que pode ser notado mesmo visualmente. Noentanto, utilizar-se-á métodos estatísticos, tais como um coeficiente de correlação, parasaber o quão a curva mostrada se aproxima de uma reta.A não – linearidade , por sua vez, é definida como o máximo desvio de qualquer umadas leituras com relação à reta obtida, e é normalmente expressa como umapercentagem do fundo de escala.2.7 - Sensibilidade do instrumentoA sensibilidade é definida como a resposta de um instrumento de medição dividida pelacorrespondente variação no estímulo. A sensibilidade pode depender do valor do 33
  • 34. estímulo. Sendo assim, a sensibilidade pode ser contabilizada como a inclinação dareta que define a relação entre a leitura e a grandeza medida.Ex.: A pressão de 2 bar produz uma deflexão de 10 graus em um transdutor depressão, a sensibilidade do instrumento é 5 graus/bar, desde que a deflexão seja zeroquando aplica-se zero bar.2.8 - Sensibilidade a DistúrbiosTodas as calibrações e especificações de um instrumento são válidos somente sobcondições controladas de temperatura, pressão, etc. Estas condições ambientaispadrão são usualmente definidas na especificação do instrumento. Em função davariação das condições ambientais, certas características estáticas dos instrumentospodem se alterar lentamente. Sendo assim, a sensibilidade a distúrbios é uma medidada extensão destas alterações. Tais variações de condições ambientais podem afetaros instrumentos de duas maneiras, conhecidas como deriva (drift) de zero e deriva desensibilidade.A Deriva de Zero descreve o efeito de como a leitura de zero de um instrumento émodificada pela alteração nas condições ambientais. Em um voltímetro, por exemplo, aderiva de zero relacionada à variações de temperatura é dada em Volts/oC. Se o zerodeste voltímetro é modificado em funções de outras condições ambientais, outroscoeficientes deverão ser determinados.A Deriva de Sensibilidade ou deriva do fator de escala define o quão a sensibilidadede um instrumento varia em função das condições ambientais. As figuras a seguirexemplificam a existência de deriva de zero, deriva de sensibilidade, e o caso ondeambas acontecem, respectivamente. 34
  • 35. 35
  • 36. ExercícioUma balança de mola é calibrada em um ambiente à temperatura de 20 0C com asseguintes características deflexão/carga:Quando usado em um ambiente à temperatura de 30 0C, obtém-se as seguintescaracterísticas deflexão/carga:Determine a deriva de zero e de sensibilidade por 0C.SoluçãoA 20 0C - sensibilidade 20 mm/kg; A 30 0C - sensibilidade 22 mm/kgTendência (bias) = 5 mm (deflexão a carga zero); Sensibilidade = 2 mm/kgDeriva de zero / 0C = 5 / 10 = 0,5 mm/ 0C; Deriva de sensibilidade / 0C = 2 / 10= 0,2 (mm/kg)/ 0C.2.9 - Faixa de indicação e amplitudeA faixa de indicação ou alcance (range) é o conjunto de valores limitados pelasindicações extremas, ou seja, entre os valores máximos e mínimos possíveis de seremmedidos com determinado instrumento.Ex.: Um termômetro pode ter um range de 0 a 100 0C. 36
  • 37. Por outro lado, a diferença entre o maior e o menor valor de uma escala de uminstrumento é denominado amplitude da faixa nominal (span) ou varredura.Ex.: Um instrumento capaz de reagir entre 20 e 200 psi tem um span de 180 psi.2.10 – ResoluçãoÉ a menor diferença entre indicações de um dispositivo mostrador que pode sersignificativamente percebida. Para um dispositivo mostrador digital, é a variação naindicação quando o dígito menos significativo varia de uma unidade. Este conceitotambém se aplica a um dispositivo registrador.2.11 - Zona mortaÉ o Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos, semproduzir variação na resposta de um instrumento de medição. A zona morta podedepender da taxa de variação e pode, muitas vezes, ser deliberadamente ampliada, demodo a prevenir variações na resposta para pequenas variações no estímulo.3.0 – CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DOS INSTRUMENTOSAs características estáticas dos instrumentos se referem somente a medidas em regimepermanente. As características dinâmicas, no entanto, descrevem o seucomportamento durante o intervalo de tempo em que a grandeza medida varia até omomento em que o seu valor medido é apresentado. Como nas característicasestáticas, as características dinâmicas se aplicam somentequando os instrumentos são utilizados sob condições ambientais especificadas. Foradestas condições de calibração pode-se esperar alterações nestas característicasdinâmicas. Qualquer sistema de medida linear e invariante no tempo respeita aseguinte relação entre entrada (qi) e saída (q0) em um tempo t maior que zero. 37
  • 38. Se for considerado que a grandeza a ser medida permanece constante durante o tempode leitura, então esta equação fica simplificada, podendo ser chamada EQUAÇÃODINÂMICA.Simplificações adicionais podem ser consideradas quando esta equação é aplicada aclasses típicas de instrumentos.3.1 - Instrumento de ordem zeroA menos de a0, todos os outros coeficientes da equação dinâmica são iguais a zero.Onde K é uma constante conhecida como sensibilidade do instrumento, definidaanteriormente. Qualquer instrumento que se comporte segundo esta equação é dito serde ordem zero. Como exemplo, pode-se citar um potenciômetro usado para medirmovimento; a tensão de saída muda instantaneamente tão logo a haste dopotenciômetro se movimente ao longo de seu curso. Em geral os instrumentos deordem zero são formados por elementos com características dissipativas, ou seja, sãoelementos passivos, elétricos ou mecânicos, que não possuem capacidade dearmazenamento de energia. 38
  • 39. 3.2 - Instrumento de primeira ordemA menos de a0 e a1, todos os outros coeficientes da equação dinâmica são iguais azero.Se “d/dt” for substituído pelo operador “D”, tem-se:Definindo-se K = b0/a0 como sendo a sensibilidade estática e t = a1/a0 como aconstante de tempo do sistema, tem-se:Resolvendo-se analiticamente esta equação, a saída q0 em resposta a um degrau naentrada qi varia de maneira aproximada à figura a seguir. A constante de tempo t daresposta ao degrau é o tempo tomado quando a saída atinge 63% do seu valor final. 39
  • 40. O termopar é um bom exemplo de instrumento de primeira ordem. Se um termopar àtemperatura ambiente for colocado em água fervente, a tensão de saída não iráinstantaneamente para o nível de 100oC, mas irá gradativamente conforme mostradona figura anterior até atingir o seu valor definitivo. Um grande número de instrumentospertence à classe de instrumentos de primeira ordem e, na maioria destes casos, asconstantes de tempo possuem valores reduzidos. É conveniente salientar que em setratando de sistemas de controle, é de fundamental importância que esta constante detempo seja levada em consideração. Os instrumentos de primeira ordem são formadospor associações de um elemento, elétrico ou mecânico, que possua característicadissipativa e um elemento armazenativo. Ou seja, a energia armazenada em umelemento vai se dissipando em outro, resultando em uma característica exponencial.Elementos elétricos passivos que armazenam energia são os indutores (campomagnético) e os capacitores (campo elétrico), os quais possuem os análogosmecânicos: mola e amortecedor. A perda elétrica por efeito Joule sobre uma resistênciatem como análogo mecânico a perdas por atrito.3.3 - Instrumento de segunda ordemA resposta a um degrau de um instrumento de segunda ordem se dá de maneiraoscilatória amortecida sobre uma exponencial amortecida. Este fato se deveprincipalmente à presença de pelo menos dois elementos passivos com característicasarmazenativas, responsáveis pela resposta oscilatória (senoidal), e por pelo menos um 40
  • 41. elemento dissipativo, responsável pela característica exponencial amortecida. O sensormais comum que se encaixa nesta classificação é o acelerômetro. Nele, a vibração ésensoreada através do deslocamento observado em um sistema composto por umamola e um amortecedor. A característica dissipativa é obtida por atrito.4.0 – CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOSA Calibração de Instrumentos é um conjunto de operações que estabelece, sobcondições específicas, a relação entre os valores indicados por um instrumento demedição ou sistema de medição ou valores representados por uma medidamaterializada ou um material de referência, e os valores correspondentes dasgrandezas estabelecidas por padrões. Muitas vezes o termo Aferição também éempregado com o sentido de calibração; no entanto a tendência é o desuso deste, jáque em nível mundial não existe o seu sinônimo em inglês ou em francês comoacontece com o termo calibração (CALIBRATION_ou ÉTALONNAGE).O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores domensurando para as indicações, como a determinação das correções a seremaplicadas. Além disto, uma calibração pode, também, determinar outras propriedadesmetrológicas como o efeito das grandezas de influência. O resultado de uma calibraçãopode ser registrado em um documento, algumas vezes denominado Certificado decalibração ou Relatório de calibração.4.1 – PadrãoMedida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema demedição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um oumais valores de uma grandeza para servir como referência. Sendo assim, tem-se osseguintes tipos de padrões: 41
  • 42.  Padrão de Referência: Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do qual as medições lá executadas são derivadas; Padrão Primário: Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões de mesma grandeza. Este conceito é igualmente válido para grandezas de base e para grandezas derivadas; Padrão Secundário: Padrão cujo valor é estabelecido por comparação a um padrão primário da mesma grandeza; Padrão Internacional: Padrão reconhecido por um acordo internacional para servir, internacionalmente, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere; Padrão Internacional: Padrão reconhecido por uma decisão nacional para servir, em um país, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere; Padrão de Trabalho: Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de transferência. Um padrão de trabalho é, geralmente, calibrado por comparação a um padrão de referência. O padrão de trabalho utilizado rotineiramente para assegurar que as medições estão sendo executadas corretamente é chamado Padrão de Controle; Padrão de Transferência: Padrão utilizado como intermediário para comparar padrões. O termo dispositivo de transferência deve ser utilizado quando o intermediário não é um padrão; 42
  • 43.  Padrão Itinerário: Padrão, algumas vezes de construção especial, para ser transportado entre locais diferentes, como, por exemplo, o padrão de freqüência de césio, portátil, operado por bateria.4.2 – RastreabilidadePropriedade do resultado de uma medição, ou do valor de um padrão, estar relacionadoa referências estabelecidas, geralmente padrões internacionais ou nacionais, atravésde uma cadeia contínua de comparações, Cadeia de Rastreabilidade, todas tendoincertezas estabelecidas. Sendo assim, este padrão pode ser dito Rastreável. A figura aseguir apresenta um esquema de uma cadeia de rastreabilidade. 43
  • 44. 5.0 - GRANDEZAS BASE E PADRÕES ASSOCIADOSO sistema corrente de unidades - Sistema Internacional (SI) - adotado e recomendadopela Conferência Geral de Pesos e Medidas, se baseia nas sete unidades de baseseguintes. 44
  • 45. * Um esterradiano é o ângulo sólido no qual, tendo o seu vértice no centro de umaesfera, corta uma área da superfície desta esfera igual à área de um quadrado cujoslados têm o comprimento igual ao raio da esfera.Através destas unidades base pode-se obter as chamadas unidades derivadas.6.0 – MEDIDAS DE PRESSÃOA pressão é, por definição, a relação entre a força normal exercida em uma superfície ea área desta superfície, por isso, muitas vezes, os métodos de medida de pressão e deforça se confundem. A pressão pode ser apresentada de duas formas. A primeira naforma de pressão absoluta, ou seja, referida à pressão zero absoluto. A outra,denominada pressão manométrica, é referida à pressão atmosférica no local damedição. A figura 6.1 a seguir apresenta as escalas de referência para medidas depressão. Figura 6.1 – Escalas de referência para medidas de pressão 45
  • 46. De uma maneira geral, pode-se dizer:A pressão é provavelmente a grandeza física que possua o maior número de unidadesempregadas para representá-la. As relações entre as principais são mostradas a seguir.1 [atm] = 1,03323 [kgf/cm2] = 101325 [Pa] = 10,33 [mmH2O] = 760 [mmHg] =1,01325 [bar] = 14,70 [psi]Como a definição de pressão emprega o conceito de força, muitos medidores etransdutores de pressão partem da medição da força sobre um elemento dedeterminada área. A seguir serão apresentadas algumas técnicas de medição depressão.6.1 – Manômetro de ColunaO manômetro de coluna consiste de um tubo de vidro, normalmente no formato da letraU, contendo em seu interior um fluído específico para cada aplicação (fluídomanométrico). Quando se deseja medir pressão absoluta, a pressão desconhecida éaplicada em uma extremidade, fazendo-se vácuo entre a outra extremidade selada e ofluído. Quando este manômetro é utilizado para medir pressão manométrica, ambas asextremidades do tubo serão abertas, estando a outra exposta à pressão atmosférica.Este manômetro também pode ser usado para medir diferenças de pressão - pressãodiferencial -, aplicando-se pressões desconhecidas em ambas as extremidades. Taisalternativas são, respectivamente, mostradas na figura 6.2 a seguir: 46
  • 47. Figura 6.2 – Alternativas para medição de pressão usando Manômetro de Coluna.A diferença entre as pressões aplicadas nas extremidades do manômetro estárelacionada com a diferença da altura - h - entre os níveis do fluído através da seguinteexpressão.OndeAplicando-se esta fórmula à relação anterior , tem-se P2 igual a zero, pressãoatmosférica (1 atm) e pressão desconhecida, respectivamente. A faixa de aplicaçãodeste tipo de manômetro é bastante extensa, já que o fluído manométrico também podeser mudado. Normalmente usa-se água, mercúrio ou álcool. Para a medição de grandespressões costuma-se empregar mercúrio, para pressões muito baixas utiliza-se álcool.Uma alternativa para a medição de pequenas pressões é a utilização do manômetroem uma posição inclinada (vide figura 6.3), aumentando-se o espectro de medição esensibilidade. A equação a ser utilizada deverá ser corrigida com o seno do ângulo deinclinação: 47
  • 48. Figura 6.3 – Manômetro em posição inclinada para medições de pequenas pressões.A figura 6.4 a seguir apresenta alguns modelos de manômetros de coluna comerciais. Figura 6.4 – Exemplos de Manômetros de Coluna comerciaisPara automatizar a medida de pressão em um manômetro de coluna com mercúrio,pode-se usar uma ponte de Wheatstone com duas resistências externas conectadaspor um cabo de alta resistência, como mostrado a seguir na figura 6.5. 48
  • 49. Figura 6.5 – Manômetro de coluna com ponte de wheatstoneChamando r de RW / RREF, a pressão desconhecida poderá ser obtida pela medida datensão de saída Vo:6.2 – Manômetro de Peso MortoO manômetro de peso morto é um instrumento de zero central, onde massas calibradassão colocadas na plataforma de um pistão até que duas marcas de referência fiquemadjacentes. Neste ponto, a força peso exercida pelas massas se iguala à força exercidapela pressão sobre a superfície interna do pistão. Infelizmente este instrumento não émuito adequado para aplicação industrial mas, por permitir medidas com alto grau deexatidão, é muito usado como padrão em laboratórios. A figura 6.6 ilustra o esquema de 49
  • 50. um manômetro de peso morto, bem como exemplos de manômetros de peso mortocomerciais. Figura 6.6 – Manômetro de peso morto utilizado em laboratórios para calibração de instrumentos.6.3 – Manômetro de BourdonO manômetro de Bourdon é um transdutor de pressão empregando elemento elásticoque é muito comum no meio industrial. Consiste basicamente de um tubo curvo, flexívele de seção transversal oval, tendo sua tomada de pressão em uma de suasextremidades, fixada, sendo a outra selada e livre para se movimentar. Quando apressão é aplicada em sua entrada, a seção oval vai se tornando circular, havendoentão uma deflexão da extremidade do tubo. Medindo-se esta deflexão pode-se inferirsobre o valor da pressão. Isto é feito empregando-se um transdutor de deslocamento,ou mais simplesmente, associando-se um ponteiro à extremidade móvel do tubo. Afigura 6.7 a seguir ilustra o exposto. 50
  • 51. Muitas vezes o manômetro de Bourdon vem preenchido com um líquido viscoso com afinalidade de diminuir o efeito oriundo de vibrações da máquina ou linha onde estáinstalado, bem como para manter lubrificada as partes internas do mesmo.Pode-se também encontrar manômetros de Bourdon de precisão, usados como padrão.Possuem, neste caso, escalas maiores, com um maior número de divisões, resultandoem alta resolução, como mostram a figura 6.8. Figura 6.7 – Esquema de Manômetros de Bourdon e Manômetros de Bourdon comerciais. 51
  • 52. Figura 6.8 –Manômetros de Bourdon comerciais de precisão.6.4 – Transmissores de PressãoOs transmissores, em geral, são uma junção de um elemento transdutor e um circuitode transmissão de sinal, seja este sinal em tensão, corrente, freqüência ou outros. Aseguir serão apresentadas várias tecnologias empregadas na construção detransdutores de pressão.6.4.1 - Sensores (Transdutores) CapacitivosOs sensores capacitivos são encontrados em configurações típicas, normalmente emum encapsulamento compacto contendo duas superfícies metálicas paralelas eeletricamente isoladas, uma das quais sendo um diafragma capaz de fletir a uma dadapressão aplicada. O diafragma deve ser construído com material de baixa histerese ouligas de vidro e cerâmica. Estas duas superfícies, que se comportam como as placas docapacitor, são montadas de modo que a uma pequena flexão mecânica, causada pelaaplicação de uma pressão, altera o espaço entre elas criando o efeito de um capacitorvariável. A alteração da capacitância deve ser detectada por um circuito comparadorbastante sensível e amplificado para sinais proporcionais de alto nível. A figura 6.9abaixo mostra o esquema de um transdutor capacitivo. 52
  • 53. Figura 6.9 – Esquema de um Transdutor Capacitivo.Sabe-se que a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas pode serexpressa em função da área (A) da placa e da distância (d) que as separa como:Onde εconsiderado que pelo menos uma das placas esteja fixa e que a outra sofra deflexãoem função da pressão submetida, resulta em uma variação da distância entre as placase, em última análise, da capacitância do elemento. Sendo assim, ao submeter estesensor a uma ponte de corrente alternada, pode-se detectar a variação da pressãocomo uma função da variação da capacitância do sensor. A figura 6.10 mostratransdutores de pressão capacitivos comerciais. 53
  • 54. Figura 6.10 –Transdutores Capacitivos de pressão comerciais.6.4.2 - Sensores (Transdutores) PiezoresistivosOs sensores piezoresistivos (STRAIN-GAUGE) são fabricados usando técnicas deprocessamento do silício, comuns na indústria de semicondutores. Por esta razão,grande parte da tecnologia dos semicondutores é empregada em sua fabricação. Ossensores piezoresistivos são também freqüentemente denominados sensoresintegrados, sensores de estado sólido, sensores monolíticos (formados de um únicocristal de silício) ou, simplesmente, sensores de silício. Este sensor parte do princípioda deformação de uma estrutura quando sujeita a uma força. Como mostrado na figura6.11 a seguir. Figura 6.11 – Atuação de forças de tração e compressão deformando blocos de materiais. 54
  • 55. Nesta figura tem-se uma estrutura livre de forças externas, sofrendo tração ecompressão, respectivamente. A pressão descreve a intensidade da força – STRESS –em uma estrutura por unidade de área (P=F/A), enquanto a tensão – STRAIN_ –descreve a deformação como uma variação incremental no comprimento (DL/L). Aresistência de uma barra retangular de comprimento L e área de seção A, comresistividade volumétrica r é dada por R=Lr/A. Tomandoas derivadas parciais, tem-se:Rearranjando teremos:Quando há uma deformação longitudinal haverá também uma deformação na seção dostrain gauge segundo a relação de Poisson. Para pequenas tensões a deformação daárea é o dobro da deformação radial:Onde ‫ טּ‬é o coeficiente de Poisson. A taxa de variação da resistência será: 55
  • 56. O coeficiente de Poisson varia de 0,25 a 0,35 para a maioria dos metais, de modo quea sensibilidade do strain gauge (G) será da ordem de 1,5 a 2,5. Algumas ligas podempossuir sensibilidades variando de 0,5 a 6, podendo ser até 150 para semicondutores.Sendo assim, a pressão à qual uma estrutura está sujeita poderá ser determinada pelavariação da resistência de um sensor. Na maioria dos sensores, quatro resistores sãointegrados formando uma ponte deWheatstone, de modo que dois resistores aumentam sua resistência e dois diminuemcom o aumento ou decréscimo da pressão aplicada. A figura 6.12 a seguir apresentauma configuração de resistor integrado e o sensor.Figura 6.12 – Detalhes construtivos de um instrumento STRAIN – GAUGE com resistor integrado.Quando se deseja medir a intensidade de uma força, bem como a sua direção, usa-seSTRAIN-GAUGES estrategicamente posicionados em direções diferentesresultando em um sensor multidirecional. 56
  • 57. A direção e intensidade da força serão obtidas a partir da decomposição dasdeformações nos eixos coordenados. A figura 6.13 a seguir apresenta o aspectoconstrutivo de um transdutor de pressão integrado. O deste tipo de dispositivo é oestado da arte na medição de pressão e suas derivações nas medidas de nível devazão.Figura 6.13 – Dispositivo à base de processamento de silício para medição de Pressão.Os transmissores de pressão encontram larga aplicação na indústria, com saídas emcorrente, tensão, freqüência ou em barramento. Alguns incorporam recursos deapresentação numérica em Display do valor da medida. A figura 6.14, ilustra algunsexemplos de medidores de Pressão Comerciais. 57
  • 58. Figura 6.14 – Medidores de Pressão Comerciais.6.4.3 - Medidas de pressão diferencialA medição de pressão diferencial é de suma importância em processos industriais. Assuas maiores aplicações se encontram, principalmente, na medição de vazão onde seutilizam dispositivos do tipo placas de orifício, bocais e venturis, uma vez que fornecemo valor da vazão como uma função da pressão diferencial medida. A estrutura internade um sensor diferencial se assemelha muito à dos sensores convencionaisconsiderando-se apenas que, nestes últimos, um único diafragma é submetido apenasà pressão desconhecida. Nos sensores diferenciais, por outro lado, pode-se ter um oudois diafragmas sujeitos às pressões que se deseja conhecer a diferença.A fim de proteger as membranas ou diafragmas dos transdutores, normalmenteemprega-se um conjunto de registros (Manifolds) que, sendo convenientementeoperados, limitam a sobre-pressão impostas nestes elementos pelas operações 58
  • 59. rotineiras do processo industrial. A figura 6.15 mostra um esquema de mediçãodiferencial de pressão com a utilização de Manifolds. Figura 6.15 – Esquema para medição de Pressão Diferencial usando Manifolds.Um tipo especial de sensor diferencial que dispensa o uso de Manifold é o sensorcapacitivo apresentado na figura 6.16 a seguir. Nesta concepção, a sobrepressão élimitada por batentes, evitando o rompimento de diafragmas, provocando umasaturação do sinal de saída. Figura 6.16 – Sensor Capacitivo (diuspensa o uso de Manifolds). 59
  • 60. O diafragma sensor colocado no centro da célula é, na verdade, uma placa móvel deum capacitor. Esta deflete em função das pressões aplicadas à direita e à esquerda dosensor, sobre os diafragmas isoladores, transmitidas através do fluído depreenchimento, que é incompressível. Considerando CH e CL como capacitâncias deplacas planas, de mesma área paralelas, medidas entre a placa fixa e o diafragmasensor, tem-se:Onde e é a constante dielétrica do meio, d é a distância entre as placas fixas e d é adeflexão sofrida pelo diafragma sensor devido à aplicação da pressão diferencial DP.7.0 – MEDIDAS DE VAZÃOA medição de vazão é uma das tarefas mais importantes em vários processosindustriais, principalmente nos setores químico e petroquímico – onde possuem umpapel fundamental sobre a receita e a produtividade da empresa –, papel e celulose,alimentício, água e esgoto, energia e outros.De uma maneira geral a vazão pode ser definida como vazão volumétrica e vazãomássica. A vazão volumétrica trata do fluxo de um determinado volume em um intervalode tempo, enquanto a vazão mássica trabalha com o fluxo de uma massa em umdeterminado intervalo de tempo. Assim:Vazão volumétrica: 60
  • 61. Vazão mássica:Enquanto a primeira é dada em metros cúbicos por segundo (m3/s), litros por segundo(l/s) e outros, a segunda é dada em quilos por segundo (kg/s), toneladas por hora (t/h) eoutras. No entanto, uma vazão pode ser relacionada à outra, uma vez que a massaestá relacionada ao volume, através da densidade. Dessa forma, tem-se:A maioria dos medidores parte da medida da velocidade do fluído ou da variação daenergia cinética para determinar o valor da vazão. A velocidade, por sua vez, dependeda diferença de pressão atuante sobre o fluído que o faz atravessar uma tubulação, umcanal ou um conduto. Uma vez definida a área da seção transversal, A, pode-se obter avazão através da velocidade média do fluído, v.ou, quando a velocidade é variável ao longo da área da seção.Onde v é a velocidade da linha de fluxo. 61
  • 62. A figura 7.1 a seguir mostra como o perfil do escoamento de um fluído varia ao longo daseção transversal de um turbo ou canal, em condições de escoamento laminar outurbulento. Figura 7.1 – Tipos de escoamento de um fluido em uma tubulação.O engenheiro e cientista inglês Osborne Reynolds descobriu que, ser um escoamentolaminar ou turbulento, depende apenas da relação entre as forças inerciais e as forçasde origem viscosa (arraste e fricção). Considerando ainda velocidade média doescoamento (v) e uma dimensão característica (D), resulta em um número adimensionaldenominado número de Reynolds:Onde m é a viscosidade e r é a densidade. A dimensão característica é quatro vezes oraio hidráulico dado pela relação entre área da seção e o perímetro molhado que seencosta à parede do tubo ou canal. Para tubulações pressurizadas a dimensãocaracterística é o seu próprio diâmetro. Vale lembrar que m/ é a chamada viscosidadecinemática. Escoamentos laminares apresentam número de Reynolds menor que 2000,enquanto valores maiores que 2000 são usualmente turbulentos. Na verdade, atransição entre laminar e turbulento não ocorre em um valor específico de número deReynolds, mas em uma faixa que começa entre 1000 e 2000 e se estende até entre3000 e 5000. Características físicas tais como estado da matéria, número de Reynolds, 62
  • 63. viscosidade, densidade, temperatura, velocidade média, além do tipo de medidadesejada, restrições mecânicas, processo, meio de medição e outros irão pesardecisivamente na seleção do melhor método de medida de vazão.7.1 – Bocais, Venturis e Placas de OrifícioNeste sistema a vazão é obtida provocando-se o estrangulamento das tubulações,conforme é mostrado na figura 7.2 (ponto 2). Uma vez que a vazão permanececonstante, a velocidade no ponto 2 terá que aumentar, reduzindo-se a pressão. A vazãoserá, então, obtida a partir da diferença de pressão verificada. O estrangulamento nastubulações deve ser feito em trechos retos dos condutos, onde o escoamento não sofreas influências das singularidades colocadas a montante e a jusante do medidor.Considerando-se que a velocidade do fluido é suficientemente subsônica edesprezando-se as perdas, pode-se aplicar a expressão de Bernoulli (princípios daconservação da massa) para fluidos incompressíveis entre os pontos 1 e 2 e tendo porbase a figura 7.2 a seguir, temos a relações de vazão em função da variação dapressão nas duas seções do conduto:Figura 7.2 – Arranjo do estrangulamento de tubulações para determinação da vazão em função da variação de pressão. 63
  • 64. Com as tomadas de pressão no centro da tubulação, tem-se que z1 é igual a z2,cancelando-se as parcelas. Tomando-se os diâmetros no ponto 1 e 2, iguais a D1 e D2,respectivamente, a diferença de pressão será:Considerando os coeficientes constantes pertinentes a cada arranjo de tubulação emparticular, temos:As figuras 7.3, 7.4, 7.5 e 7.6 mostram alguns arranjos possíveis para medição de vazãopor diferencial de pressão. Figura 7.3 – Venturi Longo. 64
  • 65. Figura 7.3 – Venturi Curto. Figura 7.4 – Bocal. 65
  • 66. Figura 7.4 – Diafragma em Placa de Orifício.Um outro sistema de medida de vazão baseado em pressão diferencial é o chamado V-CONE; a característica fundamental para este tipo de medição de vazão é a imposiçãodo condicionamento do fluxo anterior à medida, desta forma o V-CONE pode seraplicado para diferentes perfis de escoamento. A figura 7.5, 7.6 e 7.7 mostram ascaracterísticas de instalação e de tomada de pressão para medição da vazão. Aexatidão de um V-CONE é da ordem de 0,5%, com repetibilidade de 0,1% e faixa demedição de 10:1 ou maior. Pode ser disponibilizado em tamanhos de ½” a 120”. O V-CONE é utilizado na medição de óleo, gás natural, nos controles de processos em gerale sistemas de saneamento. A grande vantagem deste sistema são os baixos custos demanutenção por não existirem partes móveis. 66
  • 67. Figura 7.5 – Instalação do V-CONE em tubulações para qualquer tipo de escoamento. Figura 7.6 – Detalhe de uma tomada de pressão em um V-CONE . Figura 7.7 – Detalhe de instalação em tubulação ( V-CONE) . 67
  • 68. 7.2 – Medidas de vazão com SondasAs sondas, de um modo geral, têm por objetivo determinar a velocidade nos centros detubos de correntes do escoamento delimitados pelas dimensões da seção transversaldas sondas. Com estas velocidades medidas em vários pontos de uma mesma seçãotransversal, para o escoamento em regime permanente e estacionário, torna-sepossível determinar a velocidade média nesta seção transversal e, portanto a vazão.De um modo geral, para determinação do número mínimo de medidas ou de sondas aserem instaladas, por raio ( D/2) em dois diâmetros normais, é recomendado:· Fluido no estado gasoso· Fluido no estado líquidoPara determinar o posicionamento das sondas adota-se o critério da divisão de A emum número 2 × Z S de áreas iguais, para os raios dos anéis:As sondas, são dispostas ao longo dos dois diâmetros normais nos raios de j impares(1, 3, 5,...), conforme mostra a figura 7.8 a seguir. 68
  • 69. Figura 7.8 – Determinação dos pontos para instalação das sondas.A vazão será dada pela velocidade integralizada em toda a área da seção do tubo.Existem um grande número de sondas mecânicas, iônicas e térmicas, dentre outras,muitas normalizadas, sendo as mais conhecidas denominadas: tubo de Pitot, tubos tipoO de Prandtl, sondas duplas, sonda venturi. Na figura 7.9 a seguir estão representadosestes dois tipos de tubos com suas principais características, bem como varias pontaspara tubo de Pitot, mostrando o ângulo sólido máximo possível entre a direção dasonda e do escoamento onde ela pode atuar sem que o resultado da medida sejaafetado. Para os de Prandtl a ponta pode ser uma semi-esfera, ou tronco-cônica. 69
  • 70. Figura 7.9 – Tubo de Pitot e Tubo O de Prandtl.A determinação das vazões parte do cálculo da velocidade do escoamento em cadaponto de estagnação, e é dada por: coeficiente ks deve ser determinando na aferição da sonda, podendo ser tomado igual a um (1) se as sondas observarem as características da figura 7.9 com expectativa de erro menor que 1 (%). 70
  • 71. 7.3 – Medidor Hélice (Turbina)Os medidores hélice, ou turbina, operam pelo princípio da asa de sustentação. Arotação é estabelecida quando a asa divide o fluído com um ângulo de ataque d emrelação à direção da velocidade do escoamento, v. Uma força de sustentação FSaparece na asa, em direção perpendicular à velocidade. Esta força é proporcional aoproduto da área da asa pela quadrado da velocidade. Esta proporcionalidade é ocoeficiente de sustentação CS. Se esta asa é fixada em um eixo, conforme a figura 7.10a seguir, a força de sustentação irá dar origem a um conjugado e a uma velocidadetangencial, u, a qual irá provocar a rotação da asa. Figura 7.10 – Princípio de medição de vazão com Turnina.Esta rotação é relacionada com a velocidade do escoamento, e à vazão, pelaexpressão.Onde n é a velocidade de rotação. 71
  • 72. A velocidade de rotação é medida através de um sensor eletromagnético que detecta apassagem das pás da hélice, como mostra a figura 7.11 a seguir. Figura 7.10 – Medidor Turbina com sensor magnético.Nesta figura observam-se também outros componentes comumente encontrados emum medidor hélice, tais como o alinhador de fluxo e os cones defletores que resultamem um melhor desempenho do medidor. A figura 7.11 abaixo mostra alguns exemplosde medidores Turbina ou Hélice comerciais. 72
  • 73. Figura 7.11 – Medidores Turbina ou Hélice comerciais. 73
  • 74. 7.4 – RotâmetrosOs medidores de vazões do tipo rotâmetros, também conhecidos como medidores deárea variável, baseiam-se nos princípios da impulsão e da conservação da massa.Assim, a medição da vazão é possível a partir de um corpo sólido em equilíbrio nointerior de um escoamento. Dinamicamente o equilíbrio ocorre, para um corpo derevolução, quando há igualdade entre a força de arrasto - Fa - e a diferença entre aforça oriunda do peso do corpo - Fc - e a do empuxo de Arquimedes - Far. A figura7.12 mostra esta relação de forças sobre um corpo em equilíbrio. Figura 7.12 – Relação de forças sobre um corpo em equilíbrio no interior de um escoamento.Onde kr (m2/s) é o coeficiente do rotâmetro.A figura 7.13 a seguir ilustra alguns tipos de rotâmetros comerciais. 74
  • 75. Figura 7.13 – Rotâmetros comerciais.Os rotâmetros convencionais só permitem a sua instalação na posição vertical. Umaconcepção recente permite a sua montagem em qualquer direção, conforme émostrado na figura 7.14. 75
  • 76. Figura 7.14 – Rotâmetro para aplicação em qualquer posição.Neste caso, o medidor se baseia no princípio da área variável. Um orifício de altaprecisão é localizado em torno de um pistão associado a um ímã acopladomagneticamente a um cursor externo (indicador), que se move acompanhando omovimento do pistão. Uma mola calibrada se opõe ao fluxo direto. A mola diminui asensibilidade com a viscosidade e permite que o instrumento trabalhe em qualquerposição, inclusive invertida.7.4 – Medidores de Deslocamento PositivoTodos os sensores de deslocamento positivo operam usando divisões mecânicas paradeslocar sucessivos e determinados volumes de fluído, a fim de contabilizá-los. Sendoassim, um fluido pode entrar na câmara de medição por um lado e sair por outro, 76
  • 77. fazendo girar os elementos de engrenagem utilizados para a medição. A figura 7.15ilustra este tipo de medidor de vazão. Figura 7.15 – Medidor de vazão por deslocamento positivo.Existe uma grande variedade de arranjos mecânicos para explorar este princípio e,muito embora apresentem uma perda de carga constante, todos as alternativas devemoferecer baixo atrito de fricção, baixa manutenção e durabilidade. A figura 7.16 a seguirapresenta três modelos típicos de medidores de vazão pelo princípio de deslocamentopositivo. Figura 7.16 – Medidores de vazão por deslocamento positivo comerciais. 77
  • 78. Pela sua construção robusta, tais medidores conseguem operar em grandes pressões,temperaturas e viscosidades.7.5 – Medidor CoriolisOs medidores de Coriolis se baseiam no efeito Coriolis (Gaspard Coriolis) que resultaem uma aceleração complementar ou aceleração de Coriolis (a C ) e é calculada por;Esta aceleração complementar origina uma força ( F ) que é proporcional a massa docorpo em deslocamento ( m ) :Este principio pode teoricamente ser aplicado, considerando que OA, seja o eixo de umtubo no interior do qual escoa um fluido com velocidade (v), conforme pode serobservado na figura 7.17 abaixo. 78
  • 79. Figura 7.17 – Princípio de Medidores Coriolis.Admitindo que este tubo oscila entorno de um eixo que lhe é normal com umavelocidade angular (w), o fluido em escoamento impõe ao tubo uma força (F)perpendicular a direção do escoamento, de tal modo que uma partícula do fluidodistante de O de ( X1 ) fica submetida a uma certa velocidade normal a direção doescoamento no tubo. Se esta partícula estiver a uma distância ( X2> X1) de O, estará submetida a uma velocidade também maior o que dará origem auma aceleração que tende reduzir a oscilação do tubo. Seja, ligado ao tubo um sistematubular oscilante, em U, (O,A,B,O’), que desvia o escoamento, originando as forças F1 eF2, as quais tendem a provocar uma torção no tubo principal, torção esta que pode sermedida, o que permitirá determinar as forças que com a massa ( m ) contida no tubo U,permitirá determinar a velocidade (v) já que a aceleração ( a ) é calculada pelaexpressão. Na figura 7.18 a seguir estão representados os componentes de ummedidor Coriolis. 79
  • 80. Figura 7.18 – Componentes de um medidor Coriolis.A figura 7.19 abaixo melhor demonstra os efeitos das forças geradas em função dofluxo do fluido no interior do tubo. 80
  • 81. Figura 7.19 – Efeito das forças oriundas do fluxo no interior de uma tubulação.O sensoreamento da torção pode ser feito através de sensores de torque peladeformação (strain gauge) ou empregando um sistema eletromagnético. Neste caso,em cada lado do tubo há um sistema ímã-bobina que opera como um detetor devibração. O torque é obtido pela diferença de tempo apresentada entre as duasmedições obtidas. Os medidores de massa de Coriolis têm sido utilizados dentro dosseguintes limites: Precisão 0,2 a 0,4 (%) da grandeza medida. Relação entre Qmax /Qmin de 25:1. Diâmetros 0,001 a 0,15 (m). Temperatura do fluido __240 a + 200 (oC).Pressão máxima no fluido 400 (bar). Perda de carga entre 0,004 a 2 (bar). Vazões emmassa entre 3×10-4 e 680 (t/h), com Re entre 25 e 107. Distância mínima de obstáculo 81
  • 82. a montante e jusante 10×D. Como a freqüência de ressonância varia com a densidadedo fluído, tem-se que com este medidor também se pode inferir sobre a densidade.Como desvantagens pode-se citar a perda de carga e a sua baixa eficiência quandoaplicado a fluídos bifásicos. A figura 7.20 a seguir ilustra um modelo comercial destetipo de medidor de vazão. Figura 7.20 – Medidores Coriolis Comerciais.7.6 – Medidor VortexOs medidores vortex utilizam o efeito dinâmico que consiste na geração de uma esteirade vórtices a jusante de um obstáculo mergulhado no escoamento, conhecido como 82
  • 83. esteira de Von Karman, cujas características começaram a ser estabelecidas, em 1911,por Bérnard Von Karman e que estão mostradas na figura 7.21 a seguir. Figura 7.21 – Esquema de um medidor Vortex.A velocidade média no tubo é dada por:Onde d é o diâmetro da tubulação, f é a freqüência dos vórtices e St é o número deStrouhal que vale 0,185 para números de Reynolds entre 300 e 200000. Os medidoresvortex, em fase de serem normalizados, podem ser aplicados, em princípio, paraqualquer vazão na faixa Qmax / Qmin < 10, com perda de carga 60 a 80 (%) acorrespondente da placa de orifício, devendo ser instalados em trecho reto do condutodistante, a montante, mais de 15 × D. A figura 7.22 a seguir mostra alguns exemplos demedidores Vortex comerciais. 83
  • 84. Figura 7.22 - Medidores Vortex Comerciais. 84