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ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS
ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN
RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809
SUMÁRIO
1. Controle de processos
1.1 Automação industrial.
1.1.1 Conceito de controle e regulagem.
1.1.2 Diagrama em bloco de um sistema de controle.
1.1.3 Tipos de malhas de controle e tipos de realimentação.
1.1.4 Tipos de realimentação.
1.1.5 Tipos de instrumentos que compõe um sistema de controle e monitoração.
1.1.6 Sinais gerados.
1.1.7 Terminologia na área de controle e instrumentação.
1.1.8 Reação de um processo.
1.1.9 Exercícios sobre controle de processo.
2. Sistemas de medição de pressão
2.1 Definição de pressão.
2.2 Tipos de pressão.
2.3 Unidades de pressão.
2.4 Dispositivos para medição de pressão.
2.4.1 Tubo de Bourdon.
2.4.2 Membrana ou Diafragma.
2.4.3 Fole.
2.4.4 Coluna de Líquido.
2.4.5 Sensor tipo Piezoelétrico.
2.4.6 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo
2.4.7 Sensor tipo Capacitivo.
2.4.8 Sensor tipo Silício Ressonante.
2.5 Tubução de impulso.
2.6 Sistema de selagem.
2.7 Exercícios sobre pressão.
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MÓDULO 1
Controle de processos industriais e sistemas de medição de pressão.
1. Controle de processos
1.1 Automação industrial:
O homem, sabendo-se limitado nas suas capacidades, tem criado artifícios que lhe
permite amplificar os seus poderes. Criou habitações e vestuário para se proteger, que nada
mais são do que uma extensão da sua pele. As limitações do aparelho locomotor foram
superadas com a invenção da carroça, do trem e do avião. Para se comunicar a distância,
inventou o telefone, o rádio, etc.
A força dos seus músculos, limitadas, foi compensada pela invenção das máquinas,
que permitem ampliar enormemente o seu poder de atuação sobre a natureza.
É ao conjunto de técnicas que permitem tal prodígio que se dá o nome de automação.
A automação só foi possível graças às generalizações da cibernética e ao apoio proporcionado
pelos avanços espetaculares no campo da eletrônica, especialmente no domínio dos
computadores.
Numa planta industrial, temos diversos tipos de variáveis (grandezas físicas)
pertencentes a processos diversos que devem ser controladas e reguladas, de modo a
conseguir um determinado padrão. Padrão este, que é definido em função da necessidade da
fabricação de um produto qualquer, que pode ser uma constante ou uma curva em função do
tempo.
1.1.1 Conceito de controle e regulagem.
a) Controlar
Controlar é fazer uma variável de processo, chamada também de variável controlada, se
manter em um valor especificado ou dentro de limites especificados ou se alterara-la de um
modo especificado.
b) Regular
Regular é comparar dois ou mais valores (ou sinais) de referencia e de reação, mantendo
sobre a saída com uma determinada ação reguladora.
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1.1.2 Diagrama em bloco de um sistema de controle.
O diagrama em blocos de um sistema, é a representação gráfica das funções
desempenhadas pelos componentes que compõe o sistema, juntamente com o fluxo de sinais
dentro do sistema. O diagrama de blocos, ao contrário da representação matemática do
sistema, fornece uma visão gráfica do sistema indicando realisticamente a finalidade dos
componentes dentro do sistema, e como ocorre o fluxo de sinais entre os blocos. A seguir será
mostrado os componentes que compõe um diagrama de blocos e uma descrição sobre os
mesmos.
a) Blocos e fluxo de sinais.
É uma representação simbólica para a operação matemática, na qual o sinal de saída
do bloco é produzido pelo sinal de entrada deste mesmo bloco, multiplicado pelo ganho do
bloco (função de transferência do bloco).
Os fluxos de sinais são flechas que indicam o sentido em que os sinais de entrada e saída dos
blocos interligados.
A representação de um sistema através de diagrama de blocos, permite que se saiba qual a
contribuição de cada bloco (componente) no desempenho global do sistema.
b) Ponto de soma.
Os pontos de soma em um diagrama de blocos, indicam como os sinais devem ser somados
ou subtraídos. Deve-se observar que os sinais a serem somados ou subtraídos, devem ter as
mesmas dimensões e unidades.
c) Pontos de ramificações.
São pontos nos quais, um mesmo sinal flui em direções diferentes.
G(s)
X(s) Y(s)
Entrada Saída
Função de
Transferência
Y(s) = X(s) . G(s)
+
-
b
a-b
bb
a
G(s)
X(s) Y(s)
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1.1.3 Tipos de malhas de controle e tipos de realimentação.
Por mais complexo que seja o processo, seu controle automático é realizado pela malha de
controle. O sistema de controle com muitas variáveis independentes pode ser dividido
sucessivamente até se chegar ao módulo unitário mais simples, que é a malha de controle de
uma única variável.
A malha é uma série de instrumentos, interligados entre si, que produz um resultado útil e
desejado, com pequena ou nenhuma supervisão humana. A principal característica de uma
planta de processo bem projetada, sob o ponto de vista de controle, é a grande produção com
poucos operadores de processo.
a) Controle em malha aberta.
O controle em malha aberta consiste em aplicar um sinal de controle pré-determinado, em um
processo, esperando-se que ao final de um determinado tempo a variável controlada atinja um
determinado valor ou apresente um determinado comportamento. Neste tipo de sistema de
controle não são utilizadas informações sobre evolução do processo para a determinar o sinal
de controle a ser aplicado em um determinado instante. Mais especificamente, o sinal de
controle não é calculado a partir de uma medição do sinal de saída.
b) Controle em malha fechada.
No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está evoluindo
são utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao processo em um
instante específico. Isto é feito a partir de uma realimentação da saída para a entrada. Em
geral, a fim de tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele reaja a perturbações
externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência (set-point) e o desvio
(erro) entre estes dois sinais é utilizado para determinar o sinal de controle que deve
efetivamente ser aplicado ao processo.
Assim, o sinal de controle é determinado de forma a corrigir este desvio entre a saída e o
sinal de referência. O dispositivo que utiliza o sinal de erro para determinar ou calcular o
sinal de controle a ser aplicado à planta é chamado de controlador, regulador ou compensador.
O diagrama básico de um sistema de controle em malha-fechada é mostrado abaixo:
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c) Controle por antecipação.
Uma malha de controle preditivo antecipatório pode ser adicionada a um processo. Esta malha
permite ao controlador antecipar variações no processo.
Ele pode manipular a saída, antes que o controlador em malha fechada tenha detectado uma
variação. O controle por antecipação é mais complexo que os controles convencionais.
O controle por antecipação raramente é utilizado sozinho, ele sempre é utilizado em conjunto
com um controlador em malha fechada.
A operação de processos com controle por antecipação fica mais complicada, porque o
sincronismo entre o controle por antecipação e o controle em malha fechada é muito crítico e
trabalhoso de ser feito.
1.1.4 Tipos de realimentação.
a) Realimentação negativa.
A maioria das malhas fechadas de controle utiliza o princípio de realimentação negativa. A
realimentação negativa estabiliza o processo, diminuindo o seu ganho.
Didaticamente, podemos distinguir algumas partes essenciais em um sistema de controle com
malha de realimentação negativa:
- O meio de medição, que pode ser o elemento sensor ou o transmissor com o elemento
sensor. Ele gera um sinal proporcional ao valor da variável.
- O controlador do processo, que gera automaticamente um sinal analógico, que é uma
função matemática do erro detectado (diferença entre medição e ponto de ajuste).
- O elemento final de controle, que manipula uma variável que influa na variável
controlada, recebendo o sinal da saída do controlador.
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a) Realimentação positiva.
A realimentação é positiva, quando a atuação no processo se faz para aumentar o
desvio entre a medição e o ponto de referência. Faz-se uma medição, compara-se com um
valor de referência e se atua no processo: quando a medição é maior que o ponto de ajuste,
atua-se no processo para aumentar ainda mais a medição e quando é menor, atua-se para
diminuir ainda mais a medição. Uma malha apenas com realimentação positiva leva o sistema
para um dos extremos, ou para o mínimo ou para o máximo.
Em controle de processos a realimentação positiva isolada ou predominante não
apresenta nenhuma utilidade prática. Nos circuitos dos controladores tem-se a realimentação
positiva associada a realimentação negativa, para fins de balanceamento.
1.1.5 Tipos de instrumentos que compõe um sistema de controle e monitoração.
Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos tais como, química,
siderúrgica, papel, etc. tem sua própria terminologia. Os termos utilizados definem as
características próprias de medida e controle dos diversos instrumentos utilizados:
indicadores, registradores, controladores, transmissores, transdutores, conversores e elemento
final de controle.
A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes e os usuários e os organismos que
intervém diretamente ou indiretamente no campo da instrumentação industrial.
Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo
com a função que o mesmo desempenha no processo
a) Indicador:
Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler
o valor da variável. Existem também indicadores digitais que indicam a variável em
forma numérica com dígitos ou barras gráficas.
b) Registrador:
Instrumento que registra a(s) variável(s) através de um traço contínuo ou pontos.
Podem registrar as variações de uma variável de processo em uma carta gráfica ou em sua
própria memória, no caso dos registradores mais atuais.
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c) Transmissor:
Instrumento que determina o valor de uma variável no processo (grandeza física) através
de um elemento primário, transformando a mesma em sinal de saída (pneumático ou
elétrico) proporcional, cujo valor varia apenas em função desta variável de
processo.
d) Transdutor:
Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas,
modifica caso necessário as informações e fornece um sinal de saída resultante.
Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor
ou outro dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com
sinais de entrada e saída padronizados .
e) Conversor de i/p:
Entre o controlador eletrônico e a válvula de controle com atuador pneumático, é
necessário o instrumento condicionador de sinal transdutor i/p. O transdutor converte
o sinal padrão eletrônico de 4 a 20 mA no padrão pneumático de 20 a 100 kPa (3 a 15
psi).
O transdutor permite o uso de instrumentos pneumáticos e eletrônicos na mesma
malha. Eles são chamados incorretamente de conversores.
Conversor montado em um atuador
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f) Controlador:
Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal
de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores
determinados. A variável pode ser medida, diretamente pelo controlador ou
indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.
g) Elemento Final de Controle:
Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de
controle.
OBS.: Também são classificados em instrumentos: de painel, campo, à prova de explosão,
poeira, líquido, etc.
As combinações dessas classificações são efetuadas formando instrumentos conforme as
necessidades.
1.1.6 Sinais gerados.
Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu
suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.
1.1.6.1 Tipo pneumático.
Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se
deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada
numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma
grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou
recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0 kgf/cm2
(aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês).
Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para
termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação.
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O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e
em casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS).
a) Vantagem.
A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se
poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás,
por exemplo).
b) Desvantagens.
 Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e
funcionamento.
 Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador,
etc..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.
 Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à
longa
distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a
aproximadamente 100 m.
 Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são
difíceis de serem detectados.
 Não permite conexão direta aos computadores.
1.1.6.2 Tipo Hidráulico.
Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da
variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente
utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve
pressões elevadas.
a) Vantagens.
 Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão.
 Resposta rápida.
b) Desvantagens.
 Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento.
 Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca.
 Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc...
1.1.6.3 Tipo elétrico.
Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão.
Face a tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos
eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as
indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o
sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de
valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como
padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua
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variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utiliza-
se sinais em tensão contínua de 1 a 5V.
a) Vantagens.
 Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.
 A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão.
 Não necessita de poucos equipamentos auxiliares.
 Permite fácil conexão aos computadores.
 Fácil instalação.
 Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas.
 Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja “lido” por mais de um instrumento,
ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das
resistências internas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado
pelo fabricante do transmissor.
b) Desvantagens.
 Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção.
 Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas
em áreas de riscos.
 Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais.
 Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.
1.1.6.4 Tipo Digital.
Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação
receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre
o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão
chamado protocolo de comunicação.
a) Vantagens.
 Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento.
 Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados.
 Imune a ruídos externos.
 Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha.
 Menor custo final.
b) Desvantagens.
 Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação
entre equipamentos de marcas diferentes.
 Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou
controle de várias malha.
1.1.6.5 Via Rádio.
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Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora
via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.
a) Vantagens.
 Não necessita de cabos de sinal.
 Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.
b) Desvantagens.
 Alto custo inicial.
 Necessidade de técnicos altamente especializados.
1.1.6.6 Via Modem.
A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação
do sinal em freqüência, fase ou amplitude.
a) Vantagens.
 Baixo custo de instalação.
 Pode-se transmitir dados a longas distâncias.
b) Desvantagens.
 Necessita de profissionais especializados.
 baixa velocidade na transmissão de dados.
 sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações.
1.1.7 Terminologia na área de controle e instrumentação.
a) Processo.
Um processo é qualquer operação ou seqüência de operação envolvendo a alteração ou a
manipulação de uma substancia ou material qualquer. Cada processo possui várias
propriedades que podem variar, tais como: pressão, vazão, temperatura, etc, os valores destas
variáveis podem ser medidos e enviados para locais distantes através de sinais elétricos e
podem ser lidos, usados para controle ou armazenados em memórias.
Sob o ponto de vista do tempo e do tipo de operação envolvido, o processo pode ser
classificado em:
 Contínuo: O processo é contínuo quando a matéria prima entra num lado do sistema e
o produto final sai do outro lado continuamente. Nesta aplicação o termo
continuamente significa um período de tempo relativamente longo, medido em horas,
em dias e até em meses, dependendo do processo.
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 Batelada: No processo batelada, uma dada quantidade de material é processada através
de passos unitários, cada passo sendo completado antes de passar para o passo
seguinte. A alimentação do processo batelada é feita por quantidades discretas, de
modo descontínuo. O processo é alimentado, a operação é executada, o produto é
descarregado e reinicia-se outro ciclo. Cada operação do processo de batelada pode ser
considerada como um processo contínuo, porém o tempo envolvido é relativamente
pequeno, medido em minutos ou horas.
 Discreto: O processo discreto envolve muitas operações de liga-desliga. O seu
controle se baseia no mundo binário (digital), onde os estados de um equipamento ou
instrumento só podem assumir as condições de ligado ou desligado, energizado ou
desenergizado, aceso ou apagado, alto ou baixo, 1 ou 0.
O processo discreto requer controle lógico.
Aplicações de controle lógico incluem o alarme e intertravamento do controle
contínuo de processos industriais. Geralmente o processo discreto requer a automação,
em vez de controle contínuo.
b) Controle de processo.
Controlar é fazer uma variável de processo, chamada variável controlada, se manter em um
valor especificado ou dentro de limites especificados ou se alterá-la de um modo especificado.
c) Instrumento de processo.
Um instrumento de processo é um dispositivo usado direta ou indiretamente para
desempenhar uma ou mais das seguintes funções:
 Medição para monitoração.
 Controle.
 Manipulação.
 Alarme.
d ) Monitoração.
A base para a monitoração é a medição. Monitorar é supervisionar um sistema de processo ou
a operação de uma máquina, para verificar se ela opera corretamente durante sua operação.
A medição pode ser contínua ou em intervalos pré-determinados (amostragem).
Um sistema de monitoração é diferente de um sistema de um controle automático porque não
há atuação automática no sistema.
e ) Medição.
Medir é determinar a existência ou o valor de uma variável de processo.
Os sistemas de medição incluem os seguintes elementos que podem estar separados ou
combinados:
 Sensor ou elemento primário.
 Condicionador de sinal.
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 Apresentação do sinal de forma contínua ou por amostragem.
f ) Manipulação.
Manipular é fazer um elemento final de controle variar diretamente uma variável de processo,
de modo a conseguir o controle de outra variável de processo.
g) Alarme.
É um sinalizador, que pode ser: visual (lâmpadas ou displays com mensagens), sonoro ou
ambos, para alertar sobre a conclusão de uma determinada etapa do processo, o final do
processo ou uma falha no mesmo.
h) Sistemas.
É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um determinado
objetivo.
i) Variável do Processo (VP) ou Variável Controlada (VC).
Qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de que se possa efetuar a
indicação e/ou controle de um processo, também chamada de variável controlada.
j) Variável Manipulada (VM).
É a grandeza física que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor
desejado.
k) Referência ou Set Point (SP).
É um valor desejado e estabelecido previamente como referência para um processo.
l) Set Valor (SV).
É o ponto de controle no qual o valor da variável controlada deve permanecer.
m) Erro ou Desvio.
No caso de controladores erro é a diferença entre o valor do ponto de ajuste (set point) e o
valor medido da variável do processo (set valor).
De forma genérica, o erro é a diferença entre o valor lido ou transmitido e o valor real da
variável medida
Em medidas repetidas a parcela do erro que permanece contante é chamada de erro sistemático e
aquela que varia de forma imprevisível é chamada de erro aleatório. O erro aleatório é aquele devido
a causas desconhecidas que ocorrem mesmo que todos os erros sistemáticos tenham sido levados
em conta. Esses erros têm características estatísticas e só assim podem ser considerados. Já os erros
sistemáticos correspondem a erros previsíveis mas que não se devem a um uso inadequado dos
instrumentos. Nesta família de erros podemos listar os erros instrumentais (equipamento não
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calibrado, danificado...), erros característicos do instrumento (diferença entre a curva ideal e a curva
real de calibração...), erros dinâmicos (caso um equipamento seja calibrado em condições estáticas e
usado em medidas dinâmicas, tempo de resposta inadequado, resposta em frequência, distorções de
amplitude e fase...), e erros ambientais (aqueles derivados do ambiente onde o sistema de medição é
utilizado como temperatura, pressão, vibrações, choques, altitude...). Além destes, também nos
deparamos com erros grosseiros devidos ao uso inadequado do instrumento como erros de leitura,
erros de cálculo e registro de resultados e erros de inserção (aqueles onde o instrumento é inserido
de forma incorreta no local da medição, como por exemplo o uso de um voltímetro com impedância
de entrada da mesma ordem de grandeza dos resistores sobre os quais se deseja medir a tensão) ou
erros de aplicação (causados pelo operador, tais como o fechamento de um sensor de pressão com
bolhas de ar em seu interior). Estes erros devem ser evitados a qualquer custo.
n) Distúrbio ou perturbação.
Sinais indesejados (internos ou externos). São sinais que tendem a afetar adversamente o
valor da saída do sistema. Se a perturbação for gerada dentro do sistema, ela é denominada
perturbação interna, enquanto que uma perturbação (distúrbio) externa é gerada fora do
sistema e constitui uma entrada.
o) Ganho.
O ganho do instrumento é a relação entre o sinal de saída sobre o sinal de entrada. Quanto
maior o ganho do equipamento, maior é a sua sensibilidade.
p) Atraso.
A variação das condições de equilíbrio de um sistema de controle, faz a medição da variável
controlada se afastar do ponto de ajuste e produzir um erro. Porém, sempre que o sinal de
medição e ou sinal de atuação passam por cada componente da malha, eles podem sofrer
alterações na magnitude e sofrer atrasos. Cada componente possui um ganho que altera o seu
valor e causa um atraso que altera o ângulo de fase. A existência de atrasos no processo tem
um efeito fundamental no desempenho da malha de realimentação negativa.
q) Inércia.
Nos sistemas mecânicos envolvendo componentes moveis e na medição de vazão com fluidos
acelerados e desacelerados, os efeitos da inércia são importantes e devem ser considerados.
Os efeitos inerciais estão matematicamente relacionados pela segunda lei de Newton e
relacionam a força F, a massa m e a aceleração a.
F = m . a
r) Resistência.
A resistência é a dificuldade que todo fluxo de material ou de energia encontra para se
deslocar entre dois pontos do sistema. A resistência elétrica é o grau de dificuldade para a
corrente elétrica; a viscosidade absoluta é o grau de dificuldade para o escoamento do fluido,
a resistência termal é o grau de dificuldade de transferência de calor (energia) entre dois
corpos.
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s) Capacitância.
A capacidade é o local onde a massa e a energia são armazenadas. Uma capacidade age como
um filtro ou amortecedor entre um fluido de entrada e um fluido de saída.
Em um sistema mecânico, um vaso tem a propriedade de armazenar fluidos. A medição
mecânica da capacitância é a inércia que determina a quantidade de energia que pode ser
armazenada em um equipamento, estacionário ou móvel. Em sistema elétrico, o capacitor é o
responsável por armazenar as cargas elétricas.
1.1.8 Reação de um processo.
a) Constante de tempo ou tempo característico.
O tempo característico ou constante de tempo é o tempo em que o processo começa a
responder aos distúrbios até atingir o valor de regime. Ele é chamado de característico porque
depende do processo em si.
Como tipicamente a resposta da saída é exponencial, atingindo o 100% do valor final
teoricamente só no tempo infinito, arbitrou-se como tempo característico o intervalo de tempo
que a saída atinge 63% do valor final da resposta. Chega-se a este valor tornando o tempo
característico igual a uma constante de tempo, de modo que a resposta do controle fica igual
a:
1 – e-1
= 1 – 0,37 = 0,63
degrau de entrada saída
100%
63%
0%
tm tc tempo
b) Tempo morto.
O tempo morto é chamado de tempo de transporte ou atraso de transporte. O tempo morto
variavelmente ocorre quando se tem o transporte ou a transferência de massa, de energia ou
de informação entre dois pontos do sistema. Este atraso depende essencialmente da distância
L entre os pontos e da velocidade v com que é feita a transferência. Quanto menor a distância
entre os pontos, menor o tempo de atraso; quanto maior a velocidade de transferência, menor
também é o tempo morto.
O tempo morto também é o tempo transcorrido entre o aparecimento do distúrbio e o início da
resposta do sistema de controle. Durante o tempo morto o controlador não responde aos
distúrbios do processo, porque ainda não tomou conhecimento destes distúrbios. O tempo
morto afeta o sinal de resposta do controlador, atrasando-o.
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Matematicamente:
tm = L
V
Onde:
tm é o tempo morto.
L é a distância percorrida.
V é a velocidade de propagação.
c) Função de transferência.
Quando se trabalha com qualquer um dos elementos no processo, é conveniente se ter um
modo simples, conciso e completo para descrever o desempenho deste elemento. Uma
equação da saída não funciona quando a saída de um elemento não depende de sua entrada.
Assim, a relação da saída para a entrada é usada e dada para qualquer entrada. Dessa forma,
pode-se prever a sua saída.
Define se como função de transferência a relação entre sua saída e sua entrada,
no domínio da frequência. Através de outros operadores matemáticos, pode se mudar para o
domínio do tempo.
Na prática, a função de transferência fornece as informações acerca da estabilidade, da
resposta transitória e das características de frequência do processo.
d) Curva de reação ao degrau do processo.
Avalia-se o grau de controlabilidade do processo determinando-se experimentalmente o seu
tempo morto e o sua constante de tempo característica, a partir da curva de reação a um
degrau unitário aplicado à entrada.
O overshoot é o pico de maior amplitude na resposta de um controlador, sua amplitude é
basicamente definida pelo valor do ganho proporcional, sua principal função é retirar o
sistema da inércia.
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e) Amortecimento.
Um modo prático de verificar a estabilidade do sistema é provocar um distúrbio rápido e de
pequena amplitude, tipo degrau, na sua entrada e estudar o comportamento da resposta. A
resposta do sistema estável depende do seu amortecimento.
 O sistema é super amortecido, quando a variação da resposta ao degrau é lenta e sobe
com pequena inclinação.
 O sistema é criticamente amortecido, quando a variação da resposta ao degrau varia é
mais rápida, mas ainda não apresenta oscilação.
 O sistema é sub amortecido, quando a resposta apresenta oscilações, porém, com
amplitudes decrescentes.
Para haver estabilidade o ganho total deve ser menor que 1, pois o distúrbio é amortecido e
eliminado, com o tempo.
f) Condições de estabilidade.
O objetivo de cada malha de controle é encontrar um valor para o sinal de controle que
mantenha a medição constante e igual ao ponto de ajuste, para as condições de carga
existentes. Os enfoques de realimentação negativa e de predição antecipação poder ser
usados.
O sistema completo de controle inclui os instrumentos e o processo. A estabilidade do sistema
global depende de todos os equipamentos do processo e de todos os instrumentos da malha.
O ganho total da malha fechada deve ser menor que a unidade, para que os distúrbios que
aparecerem no sistema sejam amortecidos e eliminados. No caso limite, com ganho igual a
um, qualquer distúrbio no processo permanece constante, com as amplitudes das oscilações
constantes.
Um sistema de controle é estável se e somente se o ganho total da malha for menor que 1 e o
ângulo de fase da ação corretiva for igual a 180 graus. O ganho deve ser menor que 1 para que
qualquer erro introduzido no sistema por distúrbios externos seja atenuado e eliminado. O
ângulo de fase deve ser de 180 graus para que a ação corretiva seja exatamente contrária ao
erro.
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Comportamento estável Comportamento instável
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g) Banda Proporcional.
A banda proporcional é, por definição, a relação entre a entrada e a saída do controlador.
Como conseqüência, a banda proporcional é o inverso do ganho.
A banda proporcional é diretamente proporcional a largura de faixa da variável controlada:
quanto mais estreita a faixa calibrada da medição, menor é a banda proporcional. A banda é
inversamente proporcional a largura de faixa da saída do controlador que atua na válvula de
controle: quanto maior for a abertura da válvula, menor é a banda proporcional.
h) Oscilação.
A oscilação é qualquer efeito que varia periodicamente no tempo, entre dois valores extremos.
Em instrumentação, a variável controlada entra em oscilação quando o seu valor cicla
periodicamente entre os valores máximo e mínimo.
Há uma confusão relacionada com a oscilação, pois a saída cíclica não implica
necessariamente em oscilação. Por exemplo, quando se aplica um sinal periódico na entrada
de um amplificador, a sua saída será também periódica, sem que haja oscilação. Nesta
situação, as freqüências da entrada e da saída são iguais e os sinais são dependentes. O
amplificador oscila quando se aplica um sinal constante na entrada e a sua saída é periódica.
Ou então, quando os sinais de entrada e de saída são periódicos, porém, a frequência do sinal
de saída é diferente da frequência da entrada. A frequência do sinal oscilante depende apenas
dos parâmetros do circuito interno. A principal causa da oscilação é o altíssimo ganho do
sistema. Na instrumentação, a oscilação pode ocorrer quando o controlador é ajustado com a
banda proporcional muito estreita e com a ação integral e ação derivativa exageradas.
i) Saturação.
Genericamente, saturação é a condição em que uma alteração na causa não
produz variação correspondente no efeito resultante, ou um aumento adicional da entrada não
produz o correspondente aumento da saída.
A saturação pode ser provocada pelo processo, pelos seus equipamentos e pelos instrumentos
da malha de controle.
O controlador com a ação integral satura quando o erro entre a medição e o ponto de ajuste é
muito demorado.
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entrada
saída
tempo
j) Resposta ideal de um controlador.
Em uma malha de controle o objetivo é alcançar a estabilidade no menor tempo possível. Um
controlador bem ajustado é aquele que tem um caimento de ¼, como mostra a seguir.
k) Desempenho em Regime.
O desempenho de um sistema de controle pode, basicamente, ser analisado em termos da
resposta temporal do sistema a uma dada entrada. A fim de podermos facilmente comparar o
desempenho de um sistema, as especificações de desempenho do sistema é definido em
função da resposta a certas entradas padrões tais como: salto, rampa e senóide unitários.
A resposta de um sistema estável à aplicação de uma entrada qualquer, pode ser dividida em
duas partes: resposta transitória e resposta em regime permanente.
A resposta transitória é um período de tempo que decorre logo após a aplicação de uma nova
entrada no sistema, em que são grandes as variações na saída do processo, é o tempo em que o
sistema se "acomoda" ou "reage" a nova entrada.
Por outro lado, a resposta em regime permanente caracteriza o comportamento da saída do
sistema após um tempo a aplicação do sinal na entrada.
Pv
SP
t
4 1
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1.1.9 Exercícios sobre controle de processo.
a) Defina o que é um processo?
b) O que é a medição em um processo?
c) Defina o que é monitoração?
d) Explique o que é a manipulação de uma grandeza física?
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e) Porque os processos necessitam de alarme?
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f) Dentro do estudo dos blocos, como é chamado o bloco abaixo?
g) O que é a variável controlada em um processo?
h) Explique o que é a variável manipulada?
i) Como é gerado o sinal de erro?
j) O que o sinal de erro representa dentro do controlador?
k) Qual a função do sinal de referência ( S.P.) no processo?
+
-
b
a - ba
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l) Explique por há atraso nas transmissões de sinal dentro de uma malha de controle?
m) Explique o que é a perturbação (distúrbios ) em um processo.
n) A variação do sinal de referência ( S.P.) em um processo pode ser considerado um
distúrbio?
o) O que é um controle de malha fechada?
p) Quando trabalhamos com um controle de malha aberta temos garantia de precisão no
processo? Porque?
q) Como funciona uma malha de controle por antecipação?
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r) Que tipo de benefício o controle de malha fechada trás para o processo?
s) O que é o ganho em um controlador?
t) Defina o que a capacitância em um processo industrial.
u) O registrador e o indicador são instrumentos que podem ser usados em um controle de
processo. Eles interferem no controle do sinal da malha? Porque?
v) Qual a diferença entre um processo contínuo e um processo em batelada?
W) Qual o motivo para que a maior parte dos sinais de transmissão atuais comecem com um
valor maior que zero?
w) Com relação a resposta de um sistema, defina o que é o regime transitório?
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x) Quanto ao sinal de transmissão , quais as vantagens e desvantagens:
- Do sinal pneumático sobre o eletrônico analógico?
- Do sinal eletrônico digital sobre o eletrônico analógico?
- Do sinal por ondas de rádio sobre o eletrônico analógico?
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2. Sistemas de medição de pressão.
2.1 Definição de pressão.
A pressão é definida como uma força que atua em uma unidade de área.
onde: P = Pressão F = Força A = Área
A medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois medidas como: vazão,
nível, etc... podem ser feitas utilizando-se esse princípio.
2.2 Tipos de pressão.
a) Pressão atmosférica.
É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do mar esta
pressão é aproximadamente de 760 mmHg que é igual a 1 atm.
b) Pressão relativa positiva ou manométrica.
É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência.
c) Pressão absoluta.
É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo
absoluto.
Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou
absoluta.
Exemplo : 3 Kgf/cm2
ABS = Pressão Absoluta
4 Kgf/cm2
= Pressão Relativa
O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos
instrumentos medem pressão relativa.
d) Pressão relativa negativa ou vácuo.
É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica.
P= F
A
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Diagrama comparativo entre as pressões:
e) Pressão diferencial.
É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ΔP (delta P). Dentro da
instrumentação, essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível,
pressão, etc.
f) Pressão estática.
É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo
perpendicularmente a tomada de impulso.
g) Pressão dinâmica.
É a pressão exercida pôr um fluído em movimento paralelo à sua corrente.
h) Pressão total.
É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um
fluido que se encontra em movimento.
2.3 Unidades de pressão.
Como existem muitas unidades de Pressão é necessário saber a correspondência entre
elas, pois nem sempre na indústria temos instrumentos padrões com todas as unidades e para
isto é necessário saber fazer a conversão .
Vácuo absoluto
Vácuo
Pressão Atmosférica
Pressão Manométrica
Pressão Absoluta
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As unidades de pressão mais usuais são:
Sistema métrico = Kgf/cm2
Sistema inglês = PSI (1bf/pol2
)
Exemplo de conversões de pressão:
1 kg/cm2
= 14,22 PSI
1 PSI = 6,894 Kpascal
1 Bar = 1,01 Kgf/cm2
1 PSI = 51,7 mmHg
2.4 Dispositivos para medição de pressão.
O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários
elementos sensíveis e que podem ser utilizados também pôr transmissores e controladores.
Vamos então ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis.
2.4.1 Tubo de Bourdon.
Consiste geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência
tendo uma extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a
pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um
movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através da engrenagem é
transmitido a um ponteiro que vai indicar uma medida de pressão.
Quanto a forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e
helicoidal.
Tipos de Tubos “ Bourdon ”
a) Tipo C b) Tipo Espiral C) Tipo Helicoidal
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2.4.2 Membrana ou Diafragma.
É constituído pôr um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma
haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação.
Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento é
proporcional à pressão aplicada.
O diafragma é geralmente ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva.
2.4.3 Fole.
O fole é também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro
metálico, corrugado ou sanfonado.
Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela
tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é
proporcional à pressão aplicada à parte interna.
2.4.4 Coluna de Líquido.
Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma
base com uma escala graduada.
As colunas podem ser basicamente de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em
forma de “U”.
Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante ) e
mercúrio.
Quando se aplica uma pressão na coluna o líquido é deslocado, sendo que este deslocamento é
proporcional a pressão aplicada (lei de Stevin).
Sendo a fórmula : P1 – P2 = h . dg
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Manômetro de tubo em “U”
Manômetro de Coluna Reta Vertical
Manômetro de Coluna Reta Inclinada
Neste tipo de medidor a tensão superficial dos líqüidos é evidente, ou seja, neste tipo de
medidor devido a força de coesão e adesão entre as moléculas do vidro do líqüido, aparece
o que chamamos de menisco. Em tubos de pequenos diâmetros a superfície do líqüido
deverá ser uma curva. No caso de líqüidos como a água e o álcool, a qual tem uma tensão
superficial baixa, a superfície será côncava. No caso do mercúrio, a qual tem uma tensão
superficial alta, o menisco será convexo. Para evitar o erro de paralaxe quando fizermos a
leitura de pressão, esta deve ser feita na direção horizontal no ápice do menisco, como mostra
a figura a seguir.
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2.4.5 Sensor tipo Piezoelétrico.
Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo , a turmalina e o titanato, que
acumulam cargas elétricas em certas áreas da sua estrutura cristalina, quando sofrem uma
deformação física, pôr ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção
robusta. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer
sinais de altíssimas freqüências de milhões de ciclos pôr segundo.
O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico,
resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável
e exato, pôr isso é utilizado em relógios de precisão.
A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é
um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo
indicada ou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior .
2.4.6 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo.
Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões.
Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da
resistência :
R = r . L
S
Onde:
R : Resistência do condutor
r : Resistividade do material
L : Comprimento do condutor
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S : Área da seção transversal
A equação nos explica que a resistência elétrica de um condutor é diretamente
proporcional a resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área da seção
transversal.
A maneira mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo
no sentido axial como mostrado a seguir:
Seguindo esta linha de raciocínio, concluímos que para um comprimento L obtivemos
DL, então para um comprimento 10 x L teríamos 10 x DL , ou seja, quanto maior o
comprimento do fio maior será a variação da resistência obtida e maior a sensibilidade do
sensor para uma mesma pressão (força) aplicada .
O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão
compacto quanto possível.
Esta montagem denomina-se tira extensiométrica como vemos na figura a seguir:
Observa-se que o fio, apesar de solidamente ligado a lâmina de base, precisa estar
eletricamente isolado da mesma.
Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto a outra
extremidade será o ponto de aplicação de força.
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Da física tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexão, suas fibras internas
serão submetidas à dois tipos de deformação : tração e compressão.
As fibras mais externas sofrem um alongamento com a tração pois pertencem ao
perímetro de maior raio de curvatura, enquanto as fibras internas sofrem uma redução de
comprimento (menor raio de curvatura).
Como o fio solidário à lâmina, também sofrerá o alongamento, acompanhando a superfície
externa, variando a resistência total.
Visando aumentar a sensibilidade do sensor, usaremos um circuito sensível a variação de
resistência e uma configuração conforme esquema a seguir:
Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o
circuito em ponte de Wheatstone, como mostrado a seguir, que tem a vantagem adicional de
compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados
em um único bloco.
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2.4.7 Sensor tipo Capacitivo.
A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de
alavancas na transferência da força/deslocamento entre o processo e o sensor.
Este tipo de sensor resume-se na deformação , diretamente pelo processo de uma das
armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida
pôr um circuito eletrônico.
Esta montagem, se pôr um lado, elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a
célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente a temperatura do processo.
Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis a temperatura montados
juntos ao sensor.
Outra característica inerente a montagem, é a falta de linearidade entre a capacitância e a
distância das armaduras devido á deformação não linear, sendo necessário portanto, uma
compensação ( linearização ) à cargo do circuito eletrônico.
Célula Capacitiva
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Transmissor de Pressão Diferencial
O sensor é formado pêlos seguintes componentes: armaduras fixas metalizadas sobre um
isolante de vidro fundido dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube)
armadura móvel (diafragma sensor).
Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (high) e de baixa
(low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de
enchimento.
A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação, alterando
portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura móvel. Esta
alteração é medida pelo circuito eletrônico que gera um sinal proporcional à variação de
pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.
2.4.8 Sensor tipo Silício Ressonante.
O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma ,
utilizando do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que
essa freqüência seja proporcional a pressão aplicada.
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Na seqüência será exibido maiores detalhes sobre esse tipo de célula, sua construção e seu
funcionamento.
Todo o conjunto pode ser visto através da figura anterior, porém, para uma melhor
compreensão de funcionamento deste transmissor de pressão, faz-se necessário
desmembrá-lo em algumas partes vitais.
Na figura a seguir podemos ver o conjunto do sensor. Ele possui um imã permanente e o
sensor de silício propriamente dito.
Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético
gerado pôr um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico
gerado pôr uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente).
Este enfoque pode ser observado na figura abaixo.
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Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração
do sensor.
Um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma
(FC), enquanto que o outro terá a sua disposição física mais à borda do diafragma (FR)
.
Pôr estarem localizadas em locais diferente, porém, no mesmo encapsulamento, uma sofrerá
uma compressão e a outra sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida pelo
diafragma.
Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si. Esta diferença
pode ser sentida pôr um circuito eletrônico, tal diferença de freqüência será proporcional a
pressão aplicada. Na figura a seguir é exibido o circuito eletrônico equivalente.
Através dessas informações é possível criar um gráfico referente aos pontos de operação da
freqüência x pressão.
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Anexo – 01
Tabela de Conversão de Unidades de Pressão
Kgf/cm² lbf/pol² BAR Pol Hg Pol H2O ATM mmHg mmH2O kpa
Kgf/cm² 1 14,233 0,9807 28,96 393,83 0,9678 735,58 10003 98,0665
lbf/pol² 0,0703 1 0,0689 2,036 27,689 0,068 51,71 70329 6,895
BAR 1,0197 14,504 1 29,53 401,6 0,98692 750,06 10200 100
Pol Hg 0,0345 0,4911 0,03386 1 13,599 0,0334 25,399 345,40 3,3863
Pol H2O 0,002537 0,03609 0,00249 0,07348 1 0,002456 1,8665 25,399 0,24884
ATM 1,0332 14,696 1,0133 29,921 406,933 1 760,05 10335 101,325
mmHg 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937 0,5354 0,001316 1 13,598 0,13332
mmH2O 0,000099 0,00142 0,00098 0,00289 0,03937 0,00009 0,07353 1 0,0098
Kpa 0,010197 0,14504 0,01 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1
2.5 Tubução de impulso.
É a tubulação que liga a tomada de impulso a um instrumento de medição. É um
componente do elemento sensível dos instrumentos que medem pressão, vazão e nível,
sendo que estes dois últimos, somente quando o processo utilizar o sistema de pressão
diferencial. Para instrumentos de pressão diferencial a tubulação deverá estar ligada às
tomadas de impulso por meio de 2 linhas.
2.5.1 Instalação
Quando o fluído a ser medido for um gás, o instrumento será montado acima do elemento
primário.
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Medição de Vazão de Gás com Transmissor de Pressão Diferencial e Manifold de 3
válvulas
Quando o fluído a ser medido for um líquido, o instrumento será montado abaixo do
elemento primário.
Medição de Vazão de Líquidos com Selagem
Quando o fluído a ser medido for vapor d’água, a tomada de impulso deverá sair acima
da tubulação de impulso ou lateralmente ou conforme a figura a seguir.
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Medição de Vazão de Vapor com Selagem
2.5.2 Constituição da tubulação
- Nipple de determinado diâmetro, fixado à tomada de impulso.
- Válvula de bloqueio.
- Tubo de determinado diâmetro ligando à válvula de bloqueio ao instrumento.
- Válvula de dreno, instalada perto do instrumento.
A válvula de bloqueio deverá ser instalada o mais próximo possível da tubulação de
processo. A válvula de dreno tem por finalidade a despressurização e a drenagem da tomada
de impulso.
Para instrumentos de pressão diferencial há duas tubulações de impulso:
tubulação de impulso da câmara de alta e da câmara de baixa pressão.
Entre a tubulação de impulso de alta pressão e de baixa pressão, instala-se uma válvula
para igualar as pressões das câmaras do instrumento. A esta válvula dá-se o nome de
válvula equalizadora.
A seleção do material para instalação das tomadas de impulso se baseia no tipo de fluído
a ser medido, temperatura e pressão de operação do fluído, possibilidade de corrosão,
distância entre o elemento primário e o instrumento.
2.6 - Sistemas de selagem
Sistemas de selagem servem para evitar à corrosão e a cristalização dos produtos
altamente viscosos que se solidificam à temperatura ambiente no interior do elemento de
medição.
2.6.1 - Sêlo líquido
O sêlo líquido é utilizado sempre que houver necessidade de que o elemento não entre em
contato com o fluído a ser medido.
Geralmente este sêlo é colocado em potes. A pressão exercida pelo processo de acordo com
a densidade, irá pressionar o líquido de sêlo para o elemento.
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Os líquidos para selagem podem ser: mistura de glicerina e água, mistura de etileno, glicol
e água, querosene, óleo etc.
2.6.2 - Sêlo líquido
Consiste em uma câmara selada e um capilar onde existe um diafragma que irá se
deslocar de acordo com as variações de pressão do processo. Este tipo de sêlo é usado
para medir pressões baixas.
2.6.3 - Sêlo volumétrico
Consiste em uma câmara selada e um capilar que está ligado diretamente ao elemento.
Nessa câmara existe um diafragma que irá pressionar o líquido de sêlo pelo capilar ao
elemento. O deslocamento será proporcional à pressão exercida pelo processo sobre o
diafragma. A faixa mínima recomendada para os medidores desse tipo é de 3 Kgf/cm2,
sendo o comprimento do capilar de 15 m no máximo
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2.6.4 – Manômetro petroquímico
É um manômetro equipado com membrana de selagem química. O sistema com
Bourdon e sêlo líquido.
O método para se encher o Bourdon com óleo selante sem deixar ar preso na sua
extremidade é o seguinte : primeiro fazemos o vácuo no Bourdon e depois abrimos o
líquido que acaba preenchendo todo o volume do Bourdon.
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2.6.5 – Sêlo sanitário
É o tipo de selo que é utilizado nas indústrias alimentícias. Sua conecção ao processo é feita
através de um grampo para facilitar sua remoção quando é feita a higienização do processo.
2.7 Exercícios sobre medição de pressão.
1 - Defina o que é pressão?
2 - Defina o que é pressão atmosférica?
3 - Defina o que é pressão relativa?
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4 - Defina o que é pressão absoluta?
5 - Defina o que é vácuo?
6 - Defina o que é pressão diferencial?
7 - Defina o que é pressão estática?
8 - Defina o que é pressão dinâmica?
9 - Defina o que é pressão total?
10 - Exercícios de conversão de unidades de pressão:
a) 20 psi = _________ kgf/cm2
b) 200 mmH20 =_________ mmHg
c) 10 kgf/cm2 =_________ mmH20
d) 735,5 mmHg= ________psi
e) 14,22 psi = _______mmH20
f) 2,5 kgf/cm2 =_______mmHg
g) 10 kgf/cm2 =_______mmHg
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11 - Determine o valor das seguintes pressões na escala absoluta:
a) 1180 mmHg = ____psia
b) 1250 kPa = __ psia
c) 22 psig = _____psia
d) - 450 mmHg = ______psia
e) 1,5 kgf/cm2 = ______psia
f) - 700 mmHg=_______psia
12 - Determine o valor das pressões na escala relativa em mmHg:
a) 1390 mmHg (Abs.) = mmHg
b) 28 psia = ___mmHg c)
c) 32 mBar ( Abs. ) = _____mmHg
d) 12 psia = _____mmHg
e) 0,9 kgf/cm
2
(Abs.) = ___mmHg
13 - Qual o instrumento mais simples para medir pressão?
14 - Defina o tubo de Bourdon.
15 - Cite 3 tipos de Bourdon.
16 - Como é constituído o diafragma?
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17 - Como é constituído o fole?
18- Como funciona o fole?
19 - Cite 3 tipos de coluna líquida.
20 – Como deve ser feita a leitura de pressão nas colunas líquidas quando aparece o
menisco ?
21 – Como é a resposta do sensor tipo piezoelétrico ?
22 - Defina o sensor tipo Strain Gauge.
23 - Defina o sensor tipo capacitivo.
24 - Defina o sensor de silício ressonante.
25 - O que é tubulação de impulso?
26 - Quando o fluído a ser medido for um líquido, como deverá ser montado o
instrumento?
27 - Quando o fluído a ser medido for um gás, como deverá ser montado o
instrumento?
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28 - Quando o fluído a ser medido for um vapor, como deverá ser montado o
instrumento?
2 9 - Como é constituído a tubulação de impulso?
30 - Qual a finalidade da válvula de dreno?
31 - O que é uma válvula equalizadora?
32 - A seleção do material para a instalação das tomadas de impulsos se baseia no que?
33 - Qual a necessidade de um sistema de selagem?
40 - Quando é utilizado o sêlo líquido?
35 - Quais os líquidos que servem para selagem?
36 - Quando é utilizado o sêlo a ar?
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37 - No que consiste o sêlo volumétrico?
38 - Qual o método para se encher o Bourdon com líquido selante?
39 – Por que o sêlo sanitário é o mais utilizado na indústria de alimentos ?

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Apostila módulo 1 instrumentação industrial ETPC

  • 1. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 SUMÁRIO 1. Controle de processos 1.1 Automação industrial. 1.1.1 Conceito de controle e regulagem. 1.1.2 Diagrama em bloco de um sistema de controle. 1.1.3 Tipos de malhas de controle e tipos de realimentação. 1.1.4 Tipos de realimentação. 1.1.5 Tipos de instrumentos que compõe um sistema de controle e monitoração. 1.1.6 Sinais gerados. 1.1.7 Terminologia na área de controle e instrumentação. 1.1.8 Reação de um processo. 1.1.9 Exercícios sobre controle de processo. 2. Sistemas de medição de pressão 2.1 Definição de pressão. 2.2 Tipos de pressão. 2.3 Unidades de pressão. 2.4 Dispositivos para medição de pressão. 2.4.1 Tubo de Bourdon. 2.4.2 Membrana ou Diafragma. 2.4.3 Fole. 2.4.4 Coluna de Líquido. 2.4.5 Sensor tipo Piezoelétrico. 2.4.6 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo 2.4.7 Sensor tipo Capacitivo. 2.4.8 Sensor tipo Silício Ressonante. 2.5 Tubução de impulso. 2.6 Sistema de selagem. 2.7 Exercícios sobre pressão.
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  • 9. _________________________________________ ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e em casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS). a) Vantagem. A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo). b) Desvantagens.  Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento.  Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.  Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m.  Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados.  Não permite conexão direta aos computadores. 1.1.6.2 Tipo Hidráulico. Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas. a) Vantagens.  Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão.  Resposta rápida. b) Desvantagens.  Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento.  Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca.  Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc... 1.1.6.3 Tipo elétrico. Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Face a tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua
  • 10. _________________________________________ ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utiliza- se sinais em tensão contínua de 1 a 5V. a) Vantagens.  Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.  A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão.  Não necessita de poucos equipamentos auxiliares.  Permite fácil conexão aos computadores.  Fácil instalação.  Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas.  Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja “lido” por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor. b) Desvantagens.  Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção.  Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos.  Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais.  Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. 1.1.6.4 Tipo Digital. Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação. a) Vantagens.  Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento.  Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados.  Imune a ruídos externos.  Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha.  Menor custo final. b) Desvantagens.  Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes.  Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha. 1.1.6.5 Via Rádio.
  • 11. _________________________________________ ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica. a) Vantagens.  Não necessita de cabos de sinal.  Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. b) Desvantagens.  Alto custo inicial.  Necessidade de técnicos altamente especializados. 1.1.6.6 Via Modem. A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude. a) Vantagens.  Baixo custo de instalação.  Pode-se transmitir dados a longas distâncias. b) Desvantagens.  Necessita de profissionais especializados.  baixa velocidade na transmissão de dados.  sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações. 1.1.7 Terminologia na área de controle e instrumentação. a) Processo. Um processo é qualquer operação ou seqüência de operação envolvendo a alteração ou a manipulação de uma substancia ou material qualquer. Cada processo possui várias propriedades que podem variar, tais como: pressão, vazão, temperatura, etc, os valores destas variáveis podem ser medidos e enviados para locais distantes através de sinais elétricos e podem ser lidos, usados para controle ou armazenados em memórias. Sob o ponto de vista do tempo e do tipo de operação envolvido, o processo pode ser classificado em:  Contínuo: O processo é contínuo quando a matéria prima entra num lado do sistema e o produto final sai do outro lado continuamente. Nesta aplicação o termo continuamente significa um período de tempo relativamente longo, medido em horas, em dias e até em meses, dependendo do processo.
  • 12. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809  Batelada: No processo batelada, uma dada quantidade de material é processada através de passos unitários, cada passo sendo completado antes de passar para o passo seguinte. A alimentação do processo batelada é feita por quantidades discretas, de modo descontínuo. O processo é alimentado, a operação é executada, o produto é descarregado e reinicia-se outro ciclo. Cada operação do processo de batelada pode ser considerada como um processo contínuo, porém o tempo envolvido é relativamente pequeno, medido em minutos ou horas.  Discreto: O processo discreto envolve muitas operações de liga-desliga. O seu controle se baseia no mundo binário (digital), onde os estados de um equipamento ou instrumento só podem assumir as condições de ligado ou desligado, energizado ou desenergizado, aceso ou apagado, alto ou baixo, 1 ou 0. O processo discreto requer controle lógico. Aplicações de controle lógico incluem o alarme e intertravamento do controle contínuo de processos industriais. Geralmente o processo discreto requer a automação, em vez de controle contínuo. b) Controle de processo. Controlar é fazer uma variável de processo, chamada variável controlada, se manter em um valor especificado ou dentro de limites especificados ou se alterá-la de um modo especificado. c) Instrumento de processo. Um instrumento de processo é um dispositivo usado direta ou indiretamente para desempenhar uma ou mais das seguintes funções:  Medição para monitoração.  Controle.  Manipulação.  Alarme. d ) Monitoração. A base para a monitoração é a medição. Monitorar é supervisionar um sistema de processo ou a operação de uma máquina, para verificar se ela opera corretamente durante sua operação. A medição pode ser contínua ou em intervalos pré-determinados (amostragem). Um sistema de monitoração é diferente de um sistema de um controle automático porque não há atuação automática no sistema. e ) Medição. Medir é determinar a existência ou o valor de uma variável de processo. Os sistemas de medição incluem os seguintes elementos que podem estar separados ou combinados:  Sensor ou elemento primário.  Condicionador de sinal.
  • 13. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809  Apresentação do sinal de forma contínua ou por amostragem. f ) Manipulação. Manipular é fazer um elemento final de controle variar diretamente uma variável de processo, de modo a conseguir o controle de outra variável de processo. g) Alarme. É um sinalizador, que pode ser: visual (lâmpadas ou displays com mensagens), sonoro ou ambos, para alertar sobre a conclusão de uma determinada etapa do processo, o final do processo ou uma falha no mesmo. h) Sistemas. É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um determinado objetivo. i) Variável do Processo (VP) ou Variável Controlada (VC). Qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de que se possa efetuar a indicação e/ou controle de um processo, também chamada de variável controlada. j) Variável Manipulada (VM). É a grandeza física que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado. k) Referência ou Set Point (SP). É um valor desejado e estabelecido previamente como referência para um processo. l) Set Valor (SV). É o ponto de controle no qual o valor da variável controlada deve permanecer. m) Erro ou Desvio. No caso de controladores erro é a diferença entre o valor do ponto de ajuste (set point) e o valor medido da variável do processo (set valor). De forma genérica, o erro é a diferença entre o valor lido ou transmitido e o valor real da variável medida Em medidas repetidas a parcela do erro que permanece contante é chamada de erro sistemático e aquela que varia de forma imprevisível é chamada de erro aleatório. O erro aleatório é aquele devido a causas desconhecidas que ocorrem mesmo que todos os erros sistemáticos tenham sido levados em conta. Esses erros têm características estatísticas e só assim podem ser considerados. Já os erros sistemáticos correspondem a erros previsíveis mas que não se devem a um uso inadequado dos instrumentos. Nesta família de erros podemos listar os erros instrumentais (equipamento não
  • 14. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 calibrado, danificado...), erros característicos do instrumento (diferença entre a curva ideal e a curva real de calibração...), erros dinâmicos (caso um equipamento seja calibrado em condições estáticas e usado em medidas dinâmicas, tempo de resposta inadequado, resposta em frequência, distorções de amplitude e fase...), e erros ambientais (aqueles derivados do ambiente onde o sistema de medição é utilizado como temperatura, pressão, vibrações, choques, altitude...). Além destes, também nos deparamos com erros grosseiros devidos ao uso inadequado do instrumento como erros de leitura, erros de cálculo e registro de resultados e erros de inserção (aqueles onde o instrumento é inserido de forma incorreta no local da medição, como por exemplo o uso de um voltímetro com impedância de entrada da mesma ordem de grandeza dos resistores sobre os quais se deseja medir a tensão) ou erros de aplicação (causados pelo operador, tais como o fechamento de um sensor de pressão com bolhas de ar em seu interior). Estes erros devem ser evitados a qualquer custo. n) Distúrbio ou perturbação. Sinais indesejados (internos ou externos). São sinais que tendem a afetar adversamente o valor da saída do sistema. Se a perturbação for gerada dentro do sistema, ela é denominada perturbação interna, enquanto que uma perturbação (distúrbio) externa é gerada fora do sistema e constitui uma entrada. o) Ganho. O ganho do instrumento é a relação entre o sinal de saída sobre o sinal de entrada. Quanto maior o ganho do equipamento, maior é a sua sensibilidade. p) Atraso. A variação das condições de equilíbrio de um sistema de controle, faz a medição da variável controlada se afastar do ponto de ajuste e produzir um erro. Porém, sempre que o sinal de medição e ou sinal de atuação passam por cada componente da malha, eles podem sofrer alterações na magnitude e sofrer atrasos. Cada componente possui um ganho que altera o seu valor e causa um atraso que altera o ângulo de fase. A existência de atrasos no processo tem um efeito fundamental no desempenho da malha de realimentação negativa. q) Inércia. Nos sistemas mecânicos envolvendo componentes moveis e na medição de vazão com fluidos acelerados e desacelerados, os efeitos da inércia são importantes e devem ser considerados. Os efeitos inerciais estão matematicamente relacionados pela segunda lei de Newton e relacionam a força F, a massa m e a aceleração a. F = m . a r) Resistência. A resistência é a dificuldade que todo fluxo de material ou de energia encontra para se deslocar entre dois pontos do sistema. A resistência elétrica é o grau de dificuldade para a corrente elétrica; a viscosidade absoluta é o grau de dificuldade para o escoamento do fluido, a resistência termal é o grau de dificuldade de transferência de calor (energia) entre dois corpos.
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  • 17. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 e) Amortecimento. Um modo prático de verificar a estabilidade do sistema é provocar um distúrbio rápido e de pequena amplitude, tipo degrau, na sua entrada e estudar o comportamento da resposta. A resposta do sistema estável depende do seu amortecimento.  O sistema é super amortecido, quando a variação da resposta ao degrau é lenta e sobe com pequena inclinação.  O sistema é criticamente amortecido, quando a variação da resposta ao degrau varia é mais rápida, mas ainda não apresenta oscilação.  O sistema é sub amortecido, quando a resposta apresenta oscilações, porém, com amplitudes decrescentes. Para haver estabilidade o ganho total deve ser menor que 1, pois o distúrbio é amortecido e eliminado, com o tempo. f) Condições de estabilidade. O objetivo de cada malha de controle é encontrar um valor para o sinal de controle que mantenha a medição constante e igual ao ponto de ajuste, para as condições de carga existentes. Os enfoques de realimentação negativa e de predição antecipação poder ser usados. O sistema completo de controle inclui os instrumentos e o processo. A estabilidade do sistema global depende de todos os equipamentos do processo e de todos os instrumentos da malha. O ganho total da malha fechada deve ser menor que a unidade, para que os distúrbios que aparecerem no sistema sejam amortecidos e eliminados. No caso limite, com ganho igual a um, qualquer distúrbio no processo permanece constante, com as amplitudes das oscilações constantes. Um sistema de controle é estável se e somente se o ganho total da malha for menor que 1 e o ângulo de fase da ação corretiva for igual a 180 graus. O ganho deve ser menor que 1 para que qualquer erro introduzido no sistema por distúrbios externos seja atenuado e eliminado. O ângulo de fase deve ser de 180 graus para que a ação corretiva seja exatamente contrária ao erro.
  • 18. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Comportamento estável Comportamento instável
  • 19. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 g) Banda Proporcional. A banda proporcional é, por definição, a relação entre a entrada e a saída do controlador. Como conseqüência, a banda proporcional é o inverso do ganho. A banda proporcional é diretamente proporcional a largura de faixa da variável controlada: quanto mais estreita a faixa calibrada da medição, menor é a banda proporcional. A banda é inversamente proporcional a largura de faixa da saída do controlador que atua na válvula de controle: quanto maior for a abertura da válvula, menor é a banda proporcional. h) Oscilação. A oscilação é qualquer efeito que varia periodicamente no tempo, entre dois valores extremos. Em instrumentação, a variável controlada entra em oscilação quando o seu valor cicla periodicamente entre os valores máximo e mínimo. Há uma confusão relacionada com a oscilação, pois a saída cíclica não implica necessariamente em oscilação. Por exemplo, quando se aplica um sinal periódico na entrada de um amplificador, a sua saída será também periódica, sem que haja oscilação. Nesta situação, as freqüências da entrada e da saída são iguais e os sinais são dependentes. O amplificador oscila quando se aplica um sinal constante na entrada e a sua saída é periódica. Ou então, quando os sinais de entrada e de saída são periódicos, porém, a frequência do sinal de saída é diferente da frequência da entrada. A frequência do sinal oscilante depende apenas dos parâmetros do circuito interno. A principal causa da oscilação é o altíssimo ganho do sistema. Na instrumentação, a oscilação pode ocorrer quando o controlador é ajustado com a banda proporcional muito estreita e com a ação integral e ação derivativa exageradas. i) Saturação. Genericamente, saturação é a condição em que uma alteração na causa não produz variação correspondente no efeito resultante, ou um aumento adicional da entrada não produz o correspondente aumento da saída. A saturação pode ser provocada pelo processo, pelos seus equipamentos e pelos instrumentos da malha de controle. O controlador com a ação integral satura quando o erro entre a medição e o ponto de ajuste é muito demorado.
  • 20. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 entrada saída tempo j) Resposta ideal de um controlador. Em uma malha de controle o objetivo é alcançar a estabilidade no menor tempo possível. Um controlador bem ajustado é aquele que tem um caimento de ¼, como mostra a seguir. k) Desempenho em Regime. O desempenho de um sistema de controle pode, basicamente, ser analisado em termos da resposta temporal do sistema a uma dada entrada. A fim de podermos facilmente comparar o desempenho de um sistema, as especificações de desempenho do sistema é definido em função da resposta a certas entradas padrões tais como: salto, rampa e senóide unitários. A resposta de um sistema estável à aplicação de uma entrada qualquer, pode ser dividida em duas partes: resposta transitória e resposta em regime permanente. A resposta transitória é um período de tempo que decorre logo após a aplicação de uma nova entrada no sistema, em que são grandes as variações na saída do processo, é o tempo em que o sistema se "acomoda" ou "reage" a nova entrada. Por outro lado, a resposta em regime permanente caracteriza o comportamento da saída do sistema após um tempo a aplicação do sinal na entrada. Pv SP t 4 1
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  • 22. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 e) Porque os processos necessitam de alarme?
  • 23. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 f) Dentro do estudo dos blocos, como é chamado o bloco abaixo? g) O que é a variável controlada em um processo? h) Explique o que é a variável manipulada? i) Como é gerado o sinal de erro? j) O que o sinal de erro representa dentro do controlador? k) Qual a função do sinal de referência ( S.P.) no processo? + - b a - ba
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  • 25. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 r) Que tipo de benefício o controle de malha fechada trás para o processo? s) O que é o ganho em um controlador? t) Defina o que a capacitância em um processo industrial. u) O registrador e o indicador são instrumentos que podem ser usados em um controle de processo. Eles interferem no controle do sinal da malha? Porque? v) Qual a diferença entre um processo contínuo e um processo em batelada? W) Qual o motivo para que a maior parte dos sinais de transmissão atuais comecem com um valor maior que zero? w) Com relação a resposta de um sistema, defina o que é o regime transitório?
  • 26. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 x) Quanto ao sinal de transmissão , quais as vantagens e desvantagens: - Do sinal pneumático sobre o eletrônico analógico? - Do sinal eletrônico digital sobre o eletrônico analógico? - Do sinal por ondas de rádio sobre o eletrônico analógico?
  • 27. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 2. Sistemas de medição de pressão. 2.1 Definição de pressão. A pressão é definida como uma força que atua em uma unidade de área. onde: P = Pressão F = Força A = Área A medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois medidas como: vazão, nível, etc... podem ser feitas utilizando-se esse princípio. 2.2 Tipos de pressão. a) Pressão atmosférica. É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg que é igual a 1 atm. b) Pressão relativa positiva ou manométrica. É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência. c) Pressão absoluta. É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto. Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta. Exemplo : 3 Kgf/cm2 ABS = Pressão Absoluta 4 Kgf/cm2 = Pressão Relativa O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos medem pressão relativa. d) Pressão relativa negativa ou vácuo. É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. P= F A
  • 28. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Diagrama comparativo entre as pressões: e) Pressão diferencial. É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ΔP (delta P). Dentro da instrumentação, essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão, etc. f) Pressão estática. É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso. g) Pressão dinâmica. É a pressão exercida pôr um fluído em movimento paralelo à sua corrente. h) Pressão total. É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento. 2.3 Unidades de pressão. Como existem muitas unidades de Pressão é necessário saber a correspondência entre elas, pois nem sempre na indústria temos instrumentos padrões com todas as unidades e para isto é necessário saber fazer a conversão . Vácuo absoluto Vácuo Pressão Atmosférica Pressão Manométrica Pressão Absoluta
  • 29. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 As unidades de pressão mais usuais são: Sistema métrico = Kgf/cm2 Sistema inglês = PSI (1bf/pol2 ) Exemplo de conversões de pressão: 1 kg/cm2 = 14,22 PSI 1 PSI = 6,894 Kpascal 1 Bar = 1,01 Kgf/cm2 1 PSI = 51,7 mmHg 2.4 Dispositivos para medição de pressão. O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários elementos sensíveis e que podem ser utilizados também pôr transmissores e controladores. Vamos então ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis. 2.4.1 Tubo de Bourdon. Consiste geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência tendo uma extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar uma medida de pressão. Quanto a forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal. Tipos de Tubos “ Bourdon ” a) Tipo C b) Tipo Espiral C) Tipo Helicoidal
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  • 37. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Na seqüência será exibido maiores detalhes sobre esse tipo de célula, sua construção e seu funcionamento. Todo o conjunto pode ser visto através da figura anterior, porém, para uma melhor compreensão de funcionamento deste transmissor de pressão, faz-se necessário desmembrá-lo em algumas partes vitais. Na figura a seguir podemos ver o conjunto do sensor. Ele possui um imã permanente e o sensor de silício propriamente dito. Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado pôr um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado pôr uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente). Este enfoque pode ser observado na figura abaixo.
  • 38. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração do sensor. Um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC), enquanto que o outro terá a sua disposição física mais à borda do diafragma (FR) . Pôr estarem localizadas em locais diferente, porém, no mesmo encapsulamento, uma sofrerá uma compressão e a outra sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma. Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si. Esta diferença pode ser sentida pôr um circuito eletrônico, tal diferença de freqüência será proporcional a pressão aplicada. Na figura a seguir é exibido o circuito eletrônico equivalente. Através dessas informações é possível criar um gráfico referente aos pontos de operação da freqüência x pressão.
  • 39. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Anexo – 01 Tabela de Conversão de Unidades de Pressão Kgf/cm² lbf/pol² BAR Pol Hg Pol H2O ATM mmHg mmH2O kpa Kgf/cm² 1 14,233 0,9807 28,96 393,83 0,9678 735,58 10003 98,0665 lbf/pol² 0,0703 1 0,0689 2,036 27,689 0,068 51,71 70329 6,895 BAR 1,0197 14,504 1 29,53 401,6 0,98692 750,06 10200 100 Pol Hg 0,0345 0,4911 0,03386 1 13,599 0,0334 25,399 345,40 3,3863 Pol H2O 0,002537 0,03609 0,00249 0,07348 1 0,002456 1,8665 25,399 0,24884 ATM 1,0332 14,696 1,0133 29,921 406,933 1 760,05 10335 101,325 mmHg 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937 0,5354 0,001316 1 13,598 0,13332 mmH2O 0,000099 0,00142 0,00098 0,00289 0,03937 0,00009 0,07353 1 0,0098 Kpa 0,010197 0,14504 0,01 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1 2.5 Tubução de impulso. É a tubulação que liga a tomada de impulso a um instrumento de medição. É um componente do elemento sensível dos instrumentos que medem pressão, vazão e nível, sendo que estes dois últimos, somente quando o processo utilizar o sistema de pressão diferencial. Para instrumentos de pressão diferencial a tubulação deverá estar ligada às tomadas de impulso por meio de 2 linhas. 2.5.1 Instalação Quando o fluído a ser medido for um gás, o instrumento será montado acima do elemento primário.
  • 40. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Medição de Vazão de Gás com Transmissor de Pressão Diferencial e Manifold de 3 válvulas Quando o fluído a ser medido for um líquido, o instrumento será montado abaixo do elemento primário. Medição de Vazão de Líquidos com Selagem Quando o fluído a ser medido for vapor d’água, a tomada de impulso deverá sair acima da tubulação de impulso ou lateralmente ou conforme a figura a seguir.
  • 41. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Medição de Vazão de Vapor com Selagem 2.5.2 Constituição da tubulação - Nipple de determinado diâmetro, fixado à tomada de impulso. - Válvula de bloqueio. - Tubo de determinado diâmetro ligando à válvula de bloqueio ao instrumento. - Válvula de dreno, instalada perto do instrumento. A válvula de bloqueio deverá ser instalada o mais próximo possível da tubulação de processo. A válvula de dreno tem por finalidade a despressurização e a drenagem da tomada de impulso. Para instrumentos de pressão diferencial há duas tubulações de impulso: tubulação de impulso da câmara de alta e da câmara de baixa pressão. Entre a tubulação de impulso de alta pressão e de baixa pressão, instala-se uma válvula para igualar as pressões das câmaras do instrumento. A esta válvula dá-se o nome de válvula equalizadora. A seleção do material para instalação das tomadas de impulso se baseia no tipo de fluído a ser medido, temperatura e pressão de operação do fluído, possibilidade de corrosão, distância entre o elemento primário e o instrumento. 2.6 - Sistemas de selagem Sistemas de selagem servem para evitar à corrosão e a cristalização dos produtos altamente viscosos que se solidificam à temperatura ambiente no interior do elemento de medição. 2.6.1 - Sêlo líquido O sêlo líquido é utilizado sempre que houver necessidade de que o elemento não entre em contato com o fluído a ser medido. Geralmente este sêlo é colocado em potes. A pressão exercida pelo processo de acordo com a densidade, irá pressionar o líquido de sêlo para o elemento.
  • 42. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 Os líquidos para selagem podem ser: mistura de glicerina e água, mistura de etileno, glicol e água, querosene, óleo etc. 2.6.2 - Sêlo líquido Consiste em uma câmara selada e um capilar onde existe um diafragma que irá se deslocar de acordo com as variações de pressão do processo. Este tipo de sêlo é usado para medir pressões baixas. 2.6.3 - Sêlo volumétrico Consiste em uma câmara selada e um capilar que está ligado diretamente ao elemento. Nessa câmara existe um diafragma que irá pressionar o líquido de sêlo pelo capilar ao elemento. O deslocamento será proporcional à pressão exercida pelo processo sobre o diafragma. A faixa mínima recomendada para os medidores desse tipo é de 3 Kgf/cm2, sendo o comprimento do capilar de 15 m no máximo
  • 43. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 2.6.4 – Manômetro petroquímico É um manômetro equipado com membrana de selagem química. O sistema com Bourdon e sêlo líquido. O método para se encher o Bourdon com óleo selante sem deixar ar preso na sua extremidade é o seguinte : primeiro fazemos o vácuo no Bourdon e depois abrimos o líquido que acaba preenchendo todo o volume do Bourdon.
  • 44. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 2.6.5 – Sêlo sanitário É o tipo de selo que é utilizado nas indústrias alimentícias. Sua conecção ao processo é feita através de um grampo para facilitar sua remoção quando é feita a higienização do processo. 2.7 Exercícios sobre medição de pressão. 1 - Defina o que é pressão? 2 - Defina o que é pressão atmosférica? 3 - Defina o que é pressão relativa?
  • 45. ESCOLA TÉCNICA PANDIÁ CALÓGERAS ENTIDADE MANTIDA PELA FUNDAÇÃO CSN RUA 62, Nº 90 - SESSENTA- VOLTAREDONDA - BRASIL - CEP 27255- 650 - TEL.:(24)3340-5400 E FAX:(24)3350-8809 4 - Defina o que é pressão absoluta? 5 - Defina o que é vácuo? 6 - Defina o que é pressão diferencial? 7 - Defina o que é pressão estática? 8 - Defina o que é pressão dinâmica? 9 - Defina o que é pressão total? 10 - Exercícios de conversão de unidades de pressão: a) 20 psi = _________ kgf/cm2 b) 200 mmH20 =_________ mmHg c) 10 kgf/cm2 =_________ mmH20 d) 735,5 mmHg= ________psi e) 14,22 psi = _______mmH20 f) 2,5 kgf/cm2 =_______mmHg g) 10 kgf/cm2 =_______mmHg
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