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INDICE
1. Conceitos básicos de Instrumentação
1.1 O que é Instrumentação?
1.2 Definição de processo
1.3 Definição de temperatura e calor
1.4 Formas de transmissão de calor
1.5 Principais elementos de medição de temperatura
1.6 O que é um termopar?
1.7 Leis básicas sobre termopares (Seeback, Peltier e Thomson)
1.8 Tabela de conversão mV  temperatura
1.9 Cabos de compensação e extensão
1.10 Simples e dupla inversão
1.11 Prática/experimento – Aferição de um termopar
2. Multicalibrador
2.1. Qual a função?
2.2. Leitura do manual (como ler e gerar sinais)
2.3. Forma de compensação de temperatura
2.4. Tempo de estabilização
2.5. Configurar uma rampa
2.6. Sinais padrões de instrumentação e por que 4 ~20 mA
2.7. Conversor de unidades
2.8 Prática
2.8.1 Medição do termopar no forno
2.8.2. Gerar e medir 4~20 mA e 1~5v
2.8.3 Gerar e medir sinal de PT100
3. Controlador - Presys 2050
3.1. Definição de variável, set point e saída de controle
3.2. Rever conceito de processo (tipos básicos)
3.3. Estudo do manual do controlador (ligações de entrada e saída, configuração de hardware e software)
3.4. Fazer uma configuração básica
3.5. Prática
3.5.1 Verificar comportamento da saída, set point
4. Forno elétrico para a calibração de termoprar
4.1 Apresentar malha pronta/explicação
4.2 Estudar com detalhes, explicando, descrevendo o seguinte : função de cada componente, o que faz.
4.3 Funcionamento dinâmico da malha
4.5 Prático:
4.5.1 Apresentação/avaliação do tópico
4.5.2 Estudo/desenho de uma malha de controle de temperatura de uma estufa
4.5.6 Descrição da função do processo
4.6 Explicação funcionamento, descrição de função dos componentes/ dinâmica do processo
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5. Pressão
5.1 Conceitos de pressão
5.2 O que é pressão
5.3 Pressão absoluta, relativa, manométrica, atmosférica, vácuo
5.4 Principais elementos de medição de pressão
5.5 Conceitos sobre manômetros
5.5.1 Prática : calibração de manômetros
5.6 Conceito sobre pressostatos
5.6.1 Prática : calibração de pressostatos
5.7 Conceitos sobre transdutores de pressão ( P/I )
5.7.1 Prática : transdutores de pressão
5.8 Conceitos sobre transdutores de pressão ( I/P )
5.8.1 Prática : transdutores de pressão ( I/P )
6. Bancada para teste pneumáticos
6.1 Apresentar malha pronta/explicação
6.2 Estudar com detalhes, explicando, descrevendo o seguinte : função de cada componente, o que faz.
6.3 Funcionamento dinâmico da malha
7. Vazão
7.1 O que é vazão
7.2 Principais elementos de medição ( pressão diferencial, deslocamento positivo, turbina )
7.3 Teoria sobre transmissor de pressão diferencial
7.4 Prática sobre transmissor de pressão diferencial
7.5 Teoria sobre transmissor de vazão tipo turbina
7.6 Prática sobre transmissor de tipo turbina
8. Nível
8.1 O que é nível
8.2 Principais elementos de medição ( coluna, visor, pressão, pressão diferencial, ultrason )
8.3 Conceitos sobre ultrason
8.4 Prática medição nível por ultrason
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1. Conceitos básicos de Instrumentação
1.1. O que é Instrumentação?
INSTRUMENTAÇÃO.: é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação, medição, transmissão,
indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos.
Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é
responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em
trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no
processo são: pressão, nível, vazão, temperatura a qual denomina de variáveis de um processo.
1.2. Definição de processo
Controle Manual e Controle Automático
Para exemplificar o conceito de controle manual e automático será utilizado como processo o sistema
térmico das figuras 2 e 3. Primeiramente considere que um operador detém a função de manter a temperatura da
água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema, medindo a
temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou
abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida.
Deste modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual,
sendo, portanto, um caso de “Controle Manual”.
Controle Manual
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Considere agora o caso da figura 3, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de
substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste caso, este sistema atua
de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à
válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle
da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem, atuando então de maneira automática,
sendo, portanto um caso de “Controle Automático”.
Controle Automático
TIPOS DE CONTROLE
Controle Auto-operado
Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente,
através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle obtém toda a energia necessária ao
seu funcionamento do próprio meio controlado. Este controle é largamente utilizado em aplicações de controle de
pressão e menos comumente no controle de temperatura, nível, etc.
Controle em Malha Aberta e Malha Fechada
Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de
controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente
responsável pela ativação do sistema para produzir a saída.
Sistema de Controle em Malha Aberta - É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da
saída, portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, a saída não é medida e nem comparada com a
entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema, é a máquina de lavar roupa que após ter sido programada, as
operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada
etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta (após enxaguar, não verifica se a roupa está totalmente
limpa).
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Sistema de Controle em Malha Fechada - É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo,
da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, a saída é sempre medida e
comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo
prático deste tipo de controle é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o
elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água
fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o
banho.
Malha Fechada
Exemplo:
Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada. As dilatações e contrações do
fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “Bourdon”( Tubo curvo de seção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar.
Os movimentos do extremo do bourdon traduzem a temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala.
No diagrama representa-se um contato elétrico no extremo do bourdon e outro contato de posição ajustável
à nossa vontade. Este conjunto constitui um “Termostato”. Admitamos que se queira manter a temperatura da água
nas proximidades de 50°C. Este valor da temperatura da água é o valor desejado.
Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato do termostato está aberto. A
bobina do contator não está excitada e o contator mantém interrompida a alimentação da resistência de aquecimento.
Não havendo fornecimento de calor, a temperatura da água vai descer devido às perdas. A temperatura aproxima-se
do valor desejado. Quando, pelo contrário, a temperatura é inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o
contato do termostato. O contator fecha e vai alimentar a resistência de aquecimento.
Em conseqüência, a temperatura da água no depósito vai subir de modo a aproximar-se de novo do valor
desejado.
Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples encontramos,
contudo as funções essenciais de uma malha de controle.
Medida: A cargo do sistema termométrico.
Comparação: Efetuada pelo sistema de Contatos (Posição Relativa)
Computação: Geração do sinal de correção (Efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito
elétrico do termostato).
Correção: Desempenhada pelo órgão de Controle - Contator
Observa-se que, para a correção da variável controlada (temperatura) deve-se atuar sobre outra variável (
quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle é aplicada, normalmente, a outra variável da qual
depende a variável controlada e que se designa com o nome de variável manipulada. No nosso exemplo, o “Sinal de
Controle” pode ser a corrente elétrica.
Como veremos mais tarde, estamos diante de uma malha de controle do tipo ON-OFF. O sinal de controle
apenas pode assumir dois valores. Na maior parte dos casos, como se verá, a função que relaciona o sinal de
controle com o desvio é muito mais elaborada. Podemos agora representar um diagrama simbólico das várias
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funções e variáveis encontradas. Alguns dos elementos de medida e os elementos de comparação e de computação
fazem normalmente parte do instrumento chamado de “CONTROLADOR”.
1.3. Definição de temperatura e calor
Temperatura e a variável mais importante nos processos industriais, e sua medição e controle, embora
difícil, são vitais para a qualidade do produto e a segurança não só das máquinas como também do homem. Não é
difícil de chegar a esta conclusão, basta verificar que todas as características físico-químicas de qualquer substância
alteram-se de forma bem definida com a temperatura.
Assim sendo, uma determinada substância pode ter suas dimensões, seu estado físico (sólido, líquido,
gasoso), sua densidade, sua condutividade, etc., alterados pela mudança conveniente de seu estado térmico.
Então, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu comportamento
provocando, por exemplo: ritmo maior ou menor na produção, uma mudança na qualidade do produto, um aumento
ou diminuição na segurança do equipamento e/ou do pessoal, um maior ou menor consumo de energia e, por
conseguinte, um maior ou menor custo de produção.
Conceito de temperatura
Ainda que a temperatura seja uma propriedade bastante familiar, é difícil encontrar-se uma definição exata
para ela. Estamos acostumados à noção de “temperatura” antes de tudo pela sensação de calor ou frio quando
tocamos um objeto. Além disso, aprendemos logo, por experiência, que ao colocarmos um corpo quente em contato
com um corpo frio, o corpo quente se resfria e o corpo frio se aquece. Se esses corpos permanecem em contato por
um determinado tempo, eles parecerão ter o mesmo grau de aquecimento ou resfriamento. Entretanto, sabemos que
essa sensação não é bastante segura. Algumas vezes os corpos frios podem parecer quentes e os corpos de materiais
diferentes, que estão na mesma temperatura, parecem estar a temperatura diferentes.
Isto acontece porque a temperatura é uma propriedade de matéria que está relacionada com o movimento
dos átomos de uma substância. Normalmente estes átomos possuem uma determinada energia cinética que se traduz
nas formas de vibrações ou deslocamento para os líquidos e gases.
Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se encontra o corpo, e, quanto mais lento o
movimento, mais frio se apresenta o corpo. Esta condição pode ser descrita como um potencial térmico ou como
uma energia efetiva da substância (energia cinética)
Baseado nisto podemos conceituar a temperatura como sendo: “A propriedade da matéria que reflete a
média de energia cinética de um corpo”.
Na prática a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o seu valor, maior é a
energia cinética média dos átomos do corpo em questão.
Escalas de temperatura
Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro sentiam
dificuldades para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis. Essa
dificuldade fez com que se buscassem pontos nos quais se pudessem reproduzir de forma definida os valores
medidos. Muitas escalas baseadas em pontos diferentes foram desenvolvidas ao longo do tempo. Dentre elas as mais
importantes foram a Fahreinheit, a Clesius, a Rankine e a Kelvin.
A escala Fahreinheit é, ainda, utilizada nos Estados Unidos e em parte da Europa. Porém, a tendência é de
se usar exclusivamente nos processos industriais de todo o mundo a escala Celsius.
A escala Rankine e a escala Kelvin, que são as escalas absolutas, são mais usadas nos meios científicos,
sendo que atualmente usa-se quase que exclusivamente a escala Kelvin.
1.4. Formas de transmissão de calor
Condução: é o processo de transferência de calor através das substâncias provocado pela diferença de temperatura
entre as partes de um sistema ou entre dois sistemas que se desenvolve ao nível molecular, mas sem que ocorra
modificação significativa na posição das moléculas da substância. A quantidade de calor transferida por condução
em um período de tempo é diretamente proporcional à área através da qual o calor flui ao gradiente de temperatura e
à condutividade térmica da substância.
Apesar de a condutividade térmica ser uma importante propriedade dos fluídos, a condução é um mecanismo
de transferência de calor que apresenta sua maior importância nas substâncias em estado sólido. Dificilmente a
condução será o mecanismo de transferência mais importante em processos envolvendo fluidos.
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Convecção: é o processo de transferência de calor que se realiza através do transporte de massas em movimento e
da mistura de uma substância fluida provocado pela diferença de temperatura entre as regiões de um sistema fluido
ou entre um sistema fluido e um sistema sólido.
A convecção pode ser natural, quando o deslocamento da massa fluida se realiza pela variação na sua
densidade devido a uma transferência de calor e variação na temperatura ou forçada, quando o deslocamento da
massa de fluido se realiza devido às forças externas independentes da diferença de temperatura do sistema.
A quantidade de calor transferida por convecção entre um fluido e uma superfície sólida em um período de
tempo é diretamente proporcional à área através da qual o calor flui ao gradiente de temperatura e ao coeficiente de
transferência convectivo. O coeficiente de transferência convectivo é um valor empírico dependente das condições
do escoamento, das propriedades do fluido e do perfil da superfície.
Radiação: é o processo de transferência de calor que se realiza pelo transporte de energia nas ondas
eletromagnéticas infravermelhas emitidas por uma superfície a qualquer temperatura. A radiação não depende de
meios materiais para transmitir calor e a quantidade de energia transportada pelas ondas é proporcional à quarta
potência da temperatura da superfície emissora
1.5. Principais elementos de medição de temperatura
A temperatura não pode ser determinada diretamente, mas deve ser deduzida a partir de seus efeitos
elétricos ou físicos produzidos sobre uma substância, cujas características são conhecidas. Os medidores de
temperatura são construídos baseados nesses efeitos.
Podemos dividir os medidores de temperatura em dois grandes grupos, conforme a tabela abaixo:
1º grupo (contato direto)
-Termômetro à dilatação
-de líquidos
-de sólido
-Termômetro à pressão
-de líquido
-de gás
-de vapor
-Termômetro a par termoelétrico
-Termômetro à resistência elétrica
2º grupo (contato indireto)
-Pirômetro óptico
-Pirômetro fotoelétrico
-Pirômetro de radiação
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1.6. O que é um termopar?
O termopar consiste em dois condutores metálicos diferentes e puros (ou com ligas homogêneas),
unidos em uma extremidade, que quando submetidos a um diferencial de temperatura entre as suas junções,
gera um sinal elétrico da ordem de milivolts, que é proporcional à diferença de temperatura em suas
extremidades. Este princípio chama-se efeito SEEBECK.
A medição de temperatura através de termopares, parte do princípio de que dois condutores metálicos
diferentes, "X e Y", unidos em uma das suas extremidades, e esta exposta a uma variação de temperatura, gera uma
força eletromotriz (F.E.M.) que é em função das temperaturas de suas extremidades "T1 e T2" (Junta de medida e
Junta de referência) e dos metais dos condutores "X e Y". Baseado neste princípio criou-se as tabelas de correlação,
que relaciona a FEM, gerada em função da temperatura, supondo-se a junta de referência a 0ºC.
Com base na utilização e conhecimento mais comuns nos dias de hoje, existem oito tipos de termo
elementos: S, R, B, J, K, N, T e E.
1.7. Leis básicas sobre termopares (Seebeck, Peltier e Thomson)
Quando dois metais são unidos em suas extremidades e estas mantidas a diferentes temperaturas, três
fenômenos ocorrem simultaneamente que são:
- Efeito Seebeck
Esse efeito foi descoberto em 1821 pelo físico alemão T. J. Seebeck quando ele observou em suas
experiências que em um circuito fechado formado por dois fios de metais diferentes ocorre uma circulação de
corrente enquanto existir uma diferença de temperatura entre suas junções, e que sua intensidade é proporcional à
diferença de temperatura e à natureza dos metais utilizados.
Em 1887, Le Chatelier (físico Francês), utilizou pela primeira vez na prática essa descoberta ao construir
um termopar a partir de fios de platina e platina-rhodio a 10% para medir temperatura. Esse termopar é ainda hoje
utilizado, em muitos laboratórios, como padrão de referência.
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1.8. Simples e dupla inversão
Usando fios de cobre
Geralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento encontrem-se
relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo ao local onde se mede a
temperatura. Nestas circunstâncias deve-se, processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, através
de fios de extensão ou compensação.
Tal, procedimento é executado sem problemas desde que, o cabeçote onde estão os terminais do
termopar e o registrador, esteja à mesma temperatura de medição.
Vejamos o que acontece quando esta norma não é obedecida.
Uma solução simples é que normalmente é usada na prática, será a inserção de fios de compensação
entre o cabeçote e o registrador. Estes fios de compensação em síntese, nada mais são que outros termopares cuja
função é compensar a queda da FEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperatura
entre o cabeçote e o registrador.
Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre usamos um fio compensado. A
figura mostra de que maneira se processa a instalação.
Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeçote é de 20,74 mV. Dela, até o registrador, são
utilizados fios de extensão compensados, os quais adicionam à FEM uma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim
com que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV. Este valor corresponderá à temperatura real dentro
do forno (538°C). A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de compensação, além de terem custo
menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes.
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Inversão simples
Conforme o esquema a seguir, os fios de compensação foram invertidos.
Assume-se que o forno esteja a 538°C, o cabeçote a 38°C e o registrador a 24°C. Devido a diferença de
temperatura entre o cabeçote e o registrador, será gerada uma FEM de 0,57 mV. Porém em virtude da simples
inversão, o fio positivo está ligado no borne negativo do registrador e vice-versa. Isto fará com que a FEM
produzida ao longo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do registrador. Isto fará
com que o registrador indique uma temperatura negativa.
Inversão dupla
No caso a seguir, consideramos o caso da existência de uma dupla inversão, isto acontece com
freqüência pois, quando uma simples inversão é constatada, é comum pensar-se que uma nova troca de ligação dos
terminais compensará o erro. Porém isto não acontece, e a única maneira de solucionar o problema será efetuar uma
ligação correta.
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2. Multicalibrador
2.1. Qual a função?
Possibilita a medição e geração dos sinais utilizados em Instrumentação e Controle de Processos (mA, mV,
Volts, Ohms, RTD, T/C e Hz). É um instrumento de elevada exatidão, com características de alta estabilidade em
relação a mudanças de temperatura e manutenção das especificações com o passar de longos períodos de tempo.
Possui itens úteis que permitem seu uso em campo e em bancada. O calibrador também incorpora conceitos de
aferição e calibração automática via computador, tais como emissão de relatórios e certificados, gerenciamento
automático de tarefas, organização e arquivamento de dados, para abranger os requisitos de procedimentos de
qualidade. Adicionalmente, são disponíveis vários módulos opcionais para a realização de medidas de pressão e
temperatura.
2.2. Leitura do manual (como ler e gerar sinais)
2.3. Forma de compensação de temperatura
O multicalibrador faz a compensação de temperatura de forma automática ou manual, pois possui
um sensor de temperatura interno para medição da temperatura ambiente ou pode-se inserir manualmente a
temperatura de compensação na configuração do multicalibrador.
2.4. Tempo de estabilização
Leva-se entorno de trinta minutos para o multicalibrador entre em equilíbrio térmico com o meio
ambiente assim possibilitando medições mais precisas.
2.5. Configurar uma rampa
Com esse artifício podemos gerar sinais de saída automaticamente com pontos configurados
manualmente, é utilizado para aferição de um indicador ou controlador.
2.6. Sinais padrões de instrumentação e por que 4 ~20 mA
São eles: 4~20 mA, 1~5 V, 0~20 mA, 0~5 V, 0,2~1 kgf/cm², 3~15 psi e o sinal 4~20 mA é o mais
utilizado pois ele não sofre interferência externa, pode ser enviado a longa distancia e num possível interrupimento
do sinal fica mais fácil encontra o problemas pois a faixa inicia em 4mA.
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2.7. Conversor de unidades
O Multicalibrador tem uma função de gerar qualquer tipo de sinal a partir de outro, para tal cria-se
uma escala de entrada e de saída com respectivos sinais padrões de instrumentação e o multicalibrador ira fazer a
conversão.
2.8 Prática
2.8.1 Medição do termopar no forno
2.8.2. Gerar e medir 4~20 mA, 1~5v e 2.8.3 Gerar e medir sinal de PT100
Foi utilizado o mesmo método para ambos apenas alterando as configurações de entrada e saída do
multicalibrador.
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3. Controlador - Presys 2050
Os controladores do tipo Proporcional-Integral-Derivativo – PID – desempenham um papel vital no
ambiente industrial. Pelo menos 95% dos processos industriais são controlados por meio deste tipo de controlador.
Mesmo em sistemas de controle distribuído e esquemas modernos de controle hierárquico, o PID é o bloco
fundamental do sistema que aparece na camada de baixo nível, interagindo diretamente com o processo controlado.
O sucesso desta metodologia de controle deve-se basicamente à sua simplicidade e às suas propriedades
que, se bem compreendidas e exploradas, são capazes de fornecer resultados bastante satisfatórios no sentido de
operar os processos industriais da maneira mais eficiente possível. O ajuste adequado destes controladores está
diretamente relacionado ao aumento da produtividade e da qualidade da produção, característica cada vez mais
fundamenta no ambiente industrial.
Características: são capazes de fornecer duas opções para o controle do estado da variável: manual e
automático, além de indicação instantânea. Na situação manual é capaz de variar sua saída de acordo com a variação
imposta através de um botão de ajuste sobre uma escala de 0 a 100% e como sua saída é ligada a uma válvula de
controle, a escala de 0 a 100% corresponde a abertura da válvula.
Na situação automática deve-se estipular o valor desejado do estado da variável (possível através de um
outro botão de ajuste) tal valor é denominado set point e através dele o controlador irá variar sua saída
automaticamente, até que o estado da variável alcance o valor ajustado mantendo-o nestas condições até que um
novo set point seja imposto. Durante a corrida para se alcançar o set point o controlador irá sempre compará-lo com
o estado momentâneo da variável que também é disponível em seu frontal.
Os controladores ainda fornecem a opção de set point local e set point remoto, o primeiro é o explicado
acima, sobre o ajuste através de um botão em seu frontal; o segundo é o qual o estado de uma variável de processo
corresponde ao seu set point.
Sendo assim teremos um controlador de dois sinais de entrada correspondentes a indicação momentânea e set point
remoto e um sinal de saída correspondente a porcentagem de abertura de válvula. Tais sinais deverão se enquadrar
nos sinais padrões de acordo com o tipo de controlador, eletrônico ou pneumático.
Pratica.
Foi montada uma configuração básica de ligação do controlador com um multicalibrador gerando sinal de
termopar e no controlador foi ajustado a faixa de trabalho e um set-point de alarme em 700°C e ao ultrapassar esse
alarme verificou o comportamento do controlador.
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4. Forno elétrico para a calibração de termopar
4.1 Apresentar malha pronta/explicação
4.2 Estudar com detalhes, explicando, descrevendo o seguinte: função de cada componente, o que faz.
Elemento Sensor – 1 – Termopar tipo K, transforma a variação de temperatura em sinal de mV que
é enviado ao controlador de temperatura.
Elemento Controle – 2 – TIC, controlador indicador de temperatura – Tem a função de manter a
temperatura do forno no set-point programado.
Elemento Final de controle – 3 – Resistência, tem a função de aquecer o forno.
4.3 Funcionamentos dinâmicos da malha.
O elemento sensor um TC-K converte a variação de temperatura do forno em um sinal de mV que
é enviado ao controlador (TIC) através de cabos de compensação. O TIC ao receber este sinal o converte num sinal
linear de temperatura e o indicado no seu frontal e faz a comparação desta temperatura com o set-point programado.
Se a temperatura estiver abaixo do set-point programado os mesmo fecha uma rele interno que alimenta a bobina K1
que possibilitara a passagem de corrente para a resistência aumentando assim a temperatura do forno.
A temperatura atingindo o set-point o TIC abre o rele interno que retira a alimentação da bobina
K1 impossibilitando a passagem de corrente mantendo-se a temperatura do forno.
Para aumentar a vida útil dos contatos do contator eh feito uma configuração no TIC com valor de
histerese que é um tempo de atraso que não deixa o controlador fica abrindo/fechando imediatamente seu rele
interno com as variações de temperatura em volta do valor de set-point.
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5. Pressão
5.1 Conceitos de pressão
Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível, etc. podem ser
feitas utilizando-se esse princípio.
5.2 O que é pressão
Pressão é definida sendo como uma força atuando em uma unidade de área.
P = F/A onde P = Pressão F = Força A = Área
5.3 Pressão absoluta, relativa, manométrica, atmosférica, vácuo
Pressão Atmosférica
É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é
aproximadamente de 760 mmHg.
Pressão Relativa
É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência.
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.
Pressão Negativa ou Vácuo
É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica.
Diagrama comparativo das escalas:
Pressão Absoluta
Pressão Relativa, Efetiva ou Manométrica
Pressão Atmosférica
Vácuo
Vácuo Absoluto
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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.
Kgf / cm²
lbf / pol²
(PSI)
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
(PSI)
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 25,339 345,40 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 0,29539 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1
Exemplo:
10 PSI = ______?______ Kgf/cm2
1 PSI = 0,0703 Kgf/cm2 De acordo com a tabela
10 x 0,0703 = 0,703 Kgf/cm2
5.4 Principais elementos de medição de pressão
Os principais elementos de medir pressão são.:
- Manômetros que são subdivididos em.:
- Manômetros de Líquido tipo tubo em "U";
- Manômetros de Líquido tipo tubo Reto;
- Manômetros Elásticos tipo tubo de Bourdon tipo C;
- Manômetros Elásticos tipo Diafragma;
- Transmissores de pressão microprocessados princípio de Célula Capacitiva;
- Transmissores de pressão microprocessados princípio de Silício Ressonante.
5.5 Conceitos sobre manômetros
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 à 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
17
Membrana ou Diafragma
É constituído por 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 geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva.
Manômetro em "U"
É um medidor de pressão com os dois extremos abertos para a atmosfera, ele mede a diferença entre as
duas pressões. Quando P1 for maior que P2 o líquido dentro do tubo é "empurrado para baixo fazendo elevar o lado
conectado a P2, como o exemplo abaixo.:
Manômetro em "U"
18
5.5.1 Prática: calibração de manômetros
5.6 Conceito sobre Pressostatos
É um instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de
equipamento ou processos industriais. Sua função básica é de proteger a integridade de equipamentos contra
sobrepressão ou subpressão aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento.
É constítuido em geral por um sensor, um mecanismo de ajuste de set-point e uma chave de duas posições
(aberto ou fechado).
Tipos de Pressostatos.:
- Diferencial fixo ou ajustável - Quanto ao intervalo entre atuação e desarme os pressostatos podem ser fornecidos
com diferencial fixo e diferencial ajustável.
O tipo fixo só oferece um ponto de ajuste, o de set-point, sendo o intervalo entre o ponto de atuação e
desarme fixo.
O tipo ajustável permite ajuste de set-point e também alteração entre o ponto de atuação e desarme do
pressostato.
- Contato SPDT e DPDT
Quanto ao tipo de contato disponível no microinterruptor reversível
5.6.1 Prática: calibração de pressostatos
19
5.7 Conceitos sobre transdutores de pressão ( P/I )
Os instrumentos de transmissão de sinal de pressão tem a função de enviar informações à distância das
condições atuais de processo dessa variável. Essas informações são enviadas, de forma padronizada, através de
diversos tipos de sinais e utilizando sempre um dos elementos sensores (fole, diafragma, capsula, etc...) associados a
conversores cuja finalidade principal é transformar as variações de pressão detectadas pelos elementos sensores em
sinais padrões de transmissão.
Tipos de transmissores de pressão
- Transmissores eletrônicos analógicos
Esses transmissores, sucessores dos pneumáticos, possui elementos de detecção similares ao pneumático
porém utiliza elementos de transferencia que convertem o sinal de pressão detectado em sinal elétrico padronizado
de 4 a 20 mA. Existem vários princípios físicos relacionados com a variações de pressão que podem ser utilizados
como elemento de transferência. Os mais utilizados nos transmissores mais recentes são:
- Sensor Capacitivo (Célula Capacitiva)
É o sensor mais utilizado em transmissores de pressão. Nele um diafragma de medição se move entre dois
diafragmas fixos. Entre os diafragmas fixos e o móvel, existe um líquido de enchimento que funciona como um
dielétrico. Como um capacitor de placas paralelas é constituídos por duas placas paralelas separadas por um meio
dielétrico, ao sofrer o esforço de pressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do capacitor) tem sua
distância em relação ao diafragma modificada. Isso provoca modificação na capacitância de um circuito de medição,
e então tem-se a medição de pressão.
Para que ocorra a medição, o circuito eletrônico é alimentado por um sinal AC através de um oscilador e
então modula-se a freqüência ou a amplitude do sinal em função da variação de pressão para se ter a saída em
corrente ou digital. Como líquido de enchimento utiliza-se normalmente glicerina, ou fluor-oil.
- Sensor por Silício Ressonante:
20
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.
- Construção do sensor
Todo o conjunto pode ser visto através da figura acima, 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:
21
Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado por um
imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado por uma corrente em AC (além
das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente).
Este enfoque pode ser observado na figura abaixo.:
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)
Por 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
por um circuito eletrônico , tal diferença de freqüência será proporcional ao P aplicado. 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.:
22
5.7.1 Prática: transdutores de pressão
5.8 Conceitos sobre transdutores de pressão ( I/P )
- Conversores eletro-pneumáticos (I/P)
Este instrumento recebe um sinal de 4 a 20 mA que é aplicado a uma unidade magnética (bobina) criando
um campo magnético proporcional a intensidade de corrente que a excitou. Esse campo proporciona deflexão em
uma barra fletora que atua como anteparo em relação a um bico de passagem de ar para exaustão. A aproximação
desta barra, conhecida como palheta, ao bico cria uma contra-pressão que é amplificada através de uma unidade
denominada relé piloto para um sinal pneumático proporcional à entrada. A pressão de saída é realimentada através
do fole para permitir o equilíbrio do sistema. Estes instrumentos necessitam basicamente de ajuste de zero, obtido
pela variação de carga de uma mola, e ajuste de largura de faixa (span) conseguido mudando a relação do momento
de força. Como exemplo, temos o esquemático de um conversor na figura a seguir.:
23
5.8.1 Prática: transdutores de pressão ( I/P )
6. Bancada para Teste Pneumáticos
24
6.1 Apresentar malha pronta/explicação
6.2 Estudar com detalhes, explicando, descrevendo o seguinte : função de cada componente, o que faz.
Transdutor I/P Elemento final de controle, regula a pressão de saída desejada.
Controlador PIC Elemento de controle, controla o sinal recebido do P/I e envia o sinal corrigido para o I/P.
Transdutor P/I Elemento sensor recebe a pressão e a converte para sinal padrão de 4~20mA e a envia
para o controlador.
6.3 Funcionamentos Dinâmico da Malha
O elemento sensor um transdutor de pressão (P/I) tem sua alimentação de pressão ligada a saída do
transdutor de pressão (I/P). O elemento sensor recebe essa pressão e a converte em sinal padrão de instrumentação
de 4~20mA e o transmite para o elemento controlador(PIC).
O controlador é configurado para ter em sua saída uma variação de 4~20mA proporcional a escala de
0,2~1kgf/cm², esse sinal de 4~20mA é enviado ao elemento final de controle (I/P) que ajusta sua saída de pressão
proporcional ao sinal recebido de corrente em pressão variando de 0,2~1kgf/cm².
Assim ao se inserir um set-point o controlador ele executara uma seqüência de ajustes no sinal de saída ate
que o seu sinal de entrada esteja igual a seu valor ajustado no set-point.
25
7. Vazão
7.1 O que é vazão
Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que
passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo.
7.2 Principais elementos de medição:
Pressão diferencial
Deslocamento positivo
Turbina
7.3 Teoria sobre transmissor de pressão diferencial
Medição de vazão através da perda de carga variável - Considerando-se uma tubulação com um fluido
passante, chama-se perda de carga dessa tubulação a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. As causas
da perda de carga são: atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, mudança de pressão e velocidade devido a
uma curva ou um obstáculo, etc.
Os diversos medidores de perda de carga variável usam diferentes tipos de obstáculos ao fluxo do líquido,
provocando uma queda de pressão. Relacionando essa perda de pressão com a vazão, determina-se a medição de
vazão pela seguinte equação:
Onde:
Q = vazão do fluido do local do estreitamento K = constante
P1 = Pressão Medida Pp = Pressão de Projeto
T1= Temperatura medida Tp = Temperatura de projeto
26
- Placa de Orifício
De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial e assim
efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor custo e portanto a mais empregada.
Consiste basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada
perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. “Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e
da pressão da linha, indo desde 1/16” a 1/4”.
O diâmetro do orifício é calculado de modo que seja o mais preciso possível, e suas dimensões sejam
suficientes para produzir à máxima vazão uma pressão diferencial máxima adequada.
É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem gastas, corroídas pelo
fluido, a precisão da medição será comprometida. A placa de orifício pode ser ajustada mais convenientemente entre
flanges de tubo adjacentes e pontos de tomadas de impulso feitos em lugares adequados, uma montante da placa e o
outro em um ponto no qual a velocidade, devido à restrição, seja máxima. Este ponto não é próprio orifício porque,
devido à inércia do fluido, a área de sua secção transversal continua a diminuir após passar através do orifício, de
forma que sua velocidade máxima está a jusante do orifício, na vena contracta. É neste ponto que a pressão é mais
baixa e a diferença de pressão a mais acentuada.
Transmissor de Vazão por Pressão Diferencial
Os transmissores de vazão por pressão diferencial se baseiam nos mesmos princípios físicos utilizados na
tecnologia de medição de pressão. Assim, são utilizados os tipos piezoelétrico; strain-gauge, célula capacitiva, etc.,
para medir a pressão diferencial imposta por um elemento deprimogenio cuidadosamente calculado para permitir a
obtenção da faixa de vazão que passa por um duto. Como a pressão diferencial é relativamente baixa, as faixas de
medição destes transmissores são expressas normalmente em mmH2O, kPa ou polegada de água.
27
Extrator de Raiz Quadrada
Uma das maneiras mais utilizadas para se medir a vazão de um fluido qualquer em um processo industrial é
aproveitar-se da relação entre vazão e pressão deste fluido. Para isto, são utilizados elementos deprimogênios, tais
como placas de orifício, que atuam como elementos primários e possibilitam efetuar a medição de uma pressão
diferencial que é correspondente à vazão que passa por ele. Porém, essa relação não é linear e sim quadrática. Desta
forma são utilizadas unidades aritméticas denominadas Extrator de Raiz Quadrada cuja função é a de permitir que
valores medidos pelo transmissor representem a vazão medida. Esta função, extrator de raiz, pode estar incorporada
ao transmissor, estar separada como um instrumento ou até mesmo ser uma função executada via software em
sistema de controle, em um controlador digital ou até mesmo em um controlador lógico programável.
- Curva teórica de um Extrator de Raiz
Percentualmente a curva teórica saída/entrada de tais acessórios é representada pela Fig. 32.
As saídas (S) correspondentes às entradas (E) de 1; 4; 9; 25; 36; 49; 64; 81 e 100% são respectivamente 10, 20, 30,
40, 50, 60, 70, 80, 90 e 100%, onde:
Qualquer que seja a tecnologia utilizada, o extrator de raiz quadrada será basicamente um amplificador de
ganho variável, com ganho extremamente alto para baixos valores do sinal de entrada e ganhos baixos para altos
valores do sinal de entrada.
7.4 Prática sobre transmissor de pressão diferencial
28
7.5 Teoria sobre transmissor de vazão tipo turbina
Medidor Tipo Turbina
Um medidor de vazão tipo turbina, consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso numa
corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo a direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido
sobre as palhetas em ângulo; a velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluido que, por sua vez, é
proporcional à vazão do volume. Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor detecta o movimento do
rotor.
Esta bobina é alimentada, produzindo um campo magnético. Como
as palhetas do rotor são feitas de material ferroso, à medida que cada palheta
passa em frente à bobina corta o campo magnético e produz um pulso. O
sinal de saída é uma seqüência de pulsos de tensão, em que cada pulso
representa um pequeno volume determinado de líquido. O sinal detectado é
linear com a vazão. Unidades eletrônicas associadas permitem indicar a
vazão unitária ou o volume totalizado, podendo efetuar a correção
automática da temperatura e/ou pressão e outras funções.
Embora a teoria básica de um medidor a turbina seja muito simples,
o projeto detalhado é muito trabalhoso e complexo, o desempenho final
depende de numerosos fatores, tais como: ângulo da palheta, o tipo de
mancais, o número de palhetas, bem como a usinagem e montagem dentro
das tolerâncias rígidas
Um medidor de turbina corretamente projetado e fabricado tem uma elevada precisão numa faixa de vazão
superior a 10:1 e excelente repetibilidade. Ademais, é pequeno e leve (em relação ao tubo) e tem alta capacidade de
vazão para um dado tamanho de medidor. A instalação de um medidor de turbina é uma operação mais simples. Por
conseguinte, os medidores de turbina são amplamente usados em medições de transferência com fins de faturamento
para produtos, tais como: óleo cru, petróleo bruto, gás e etc.
Um medidor de turbina é uma unidade versátil: possui uma faixa de pressão e temperatura muito ampla, e
uma vez que o mesmo é fabricado em aço inoxidável, é compatível com uma ampla faixa de fluidos. Estes, todavia,
devem ser relativamente limpos, não ter alta viscosidade e a vazão deve ser em regime laminar.
7.6 Prática sobre transmissor de tipo turbina
29
8. Nível
8.1 O que é nível
Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata-se de uma das principais
variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através de sua medição torna-se possível:
a) Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento.
b) Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação
temporária, reações, mistura, etc.
c) Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites.
8.2 Principais elementos de medição:
Coluna
Visor
Pressão
Pressão diferencial
Ultrason
- Régua ou Gabarito
Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento
conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido.
A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do
comprimento molhado na régua pelo líquido.
- Visores de Nível
Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um visor de vidro especial,
podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor.
Os tubos de vidro têm diâmetros normalizados onde para cada dimensão estão relacionados valores de
pressão e temperatura máximas permissíveis.
Devido às características construtivas, os visores de vidro tubular não suportam altas pressões e
temperaturas, bem como apresentam alta probabilidade de quebra acidental do vidro por choque externo.
Devido às limitações quanto a sua resistência a segurança, os visores de vidro tubular são recomendados
para uso em processos que não apresentam pressões superiores a cerca de 2,0 bar e em temperaturas que não
excedam a 100 graus Celsius.
Não se recomenda o seu uso com líquidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos, visto que a fragilidade destes
instrumentos aumenta a possibilidade de perda de produto contido no equipamento. Recomenda-se que o
comprimento do tubo não exceda os 750 mm. Caso seja necessário cobrir faixas de variação de nível maiores,
recomenda-se usar dois ou mais visores com sobreposição de faixas visíveis.
30
Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados.
- Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial)
Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos
indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin:
P = H . 
Onde:
P = Pressão em mm H2O ou polegada H2O
h = nível em mm ou em polegadas
 = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente.
Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque seja ele aberto ou pressurizado.
- Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados.
Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do
tanque é conectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível. A
pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sob a
superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do
reservatório. A câmara de baixa pressão do transmissor de nível, é conectada
na tubulação de impulso da parte de cima do tanque onde mede somente a
pressão exercida sob a superfície do líqüido.:
- Supressão de Zero
Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento,
muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a
falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na
instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à
tomada de alta pressão.
Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura
do líquido dentro da tomada de impulso, se o problema não for
contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real.
31
- Elevação de Zero
Quando o fluído do processo possuir alta viscosidade, ou quando o
fluído se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído
ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de
impulso, das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível.
Selam-se então ambas as tubulações de impulso, bem como as câmaras do
instrumento.
Sistema de medição de nível com selagem, no qual deve ser feita a
elevação, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida na
tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível.
8.3 Conceitos sobre Ultrason
O ultra-som é uma onda sonora (mecânica), cuja freqüência de oscilação é maior do que aquela sensível
pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 kHz.
A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico. Esta excitação é
transferida de molécula a molécula do meio com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das
moléculas. Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de ECO, usada nos
dispositivos tipo ultra-sônicos, sendo função da temperatura e da pressão, cujos efeitos originados por esta última
são desprezíveis.
- Geração do ultra-som
As ondas de ultra-som são geradas pela excitação elétrica de materiais piezelétricos. A característica
marcante desses materiais é a produção de um deslocamento quando aplicamos uma tensão. Assim sendo, eles
podem ser usados como geradores de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores.
Inversamente, quando se aplica uma força em um material piezelétrico, resulta o aparecimento de uma
tensão no seu terminal elétrico. Nesta modalidade, o material piezelétrico é usado como receptor de ultra-som.
Pela sua estabilidade, o quartzo cultivado é um dos materiais mais recomendados para fabricação do sensor
transdutor.
A excitação destes transdutores pode ser realizada de três maneiras:
a) Pulso: a excitação de pulso consiste em excitar o transdutor com pulsos que podem atingir uma tensão acima de
500V e com a duração de alguns nanosegundos. A frequência de repetição dos pulsos é da ordem de 300 a 1000
kHz.
b) Onda Contínua: como o nome indica, na excitação por onda contínua o transdutor é excitado por uma onda
senoidal (às vezes, onda quadrada) ininterruptamente.
c) Trens de onda: pode ser produzido por um gerador de ondas senoidais que é ligado por um tempo e, em seguida,
desligado, repetindo-se o processo periodicamente.
Material Piezoelétrico
Geração de ultra-som
32
O princípio de operação dos dispositivos ultra-sônicos tem por base uma lei da ótica física: “O ângulo de
incidência é igual ao ângulo de reflexão” .
Quando uma onda ultra-sônica, que se propaga em um meio, incide sobre a interface de duas substâncias de
densidades diferentes, faz surgir duas ondas emergentes: uma onda ultra-sônica proveniente da reflexão nessa
interface (onda refletida) e outra proveniente da mudança de meio de propagação, denominada onda refratada. Cada
interface refletirá de forma diferente.
Os dispositivos do tipo ultra-sônico utilizam-se da primeira, isto é, seu princípio de operação concentra-se
reflexão da onda gerada pelo transdutor, quando encontra a interface com o produto cujo nível desejamos medir ou,
mais precisamente, no lapso de tempo gasto pela onda desde o instante que é gerada, até o instante em que retorna
àquele transdutor depois de refletir-se na interface.
- Detetor Contínuo de Nível
Neste sistema, a onda é emitida e o tempo necessário para retornar é uma indicação da profundidade. O
detector ultra-sônico contínuo de nível (SONAR) mede o tempo requerido por uma onda ultra-sônica para ir da
superfície do líquido, refletir-se e voltar.
O transdutor pode ser montado no topo do
equipamento ou imerso no meio líquido, cujo nível se deseja
medir.
O tipo de instalação A prevê dois transdutores, um
para emissão e outro para recepção, montados em
receptáculos distintos. Neste caso, a onda é gerada no ar,
propagando-se até a interface ar-líquido, onde ocorre a
reflexão, para depois a onda refletida ser recebida no cristal
receptor. A medição contínua do nível de líquido se faz de
uma maneira indireta, uma vez que todo o percurso da onda é realizado no meio ar.
Em B o transdutor gera um trem de pulsos (“burst”) ultra-sônico e, enquanto a energia acústica é gerada, o
receptor está desativado.
O emissor e o receptor estando num único receptáculo, faz-se necessário a ativação do receptor após a
emissão do trem de ondas, visando à detecção do eco. A montagem da unidade emissão/recepção no meio gasoso
traz a vantagem de se evitar o contato com o fluido do processo; em contrapartida, apresenta a desvantagem de
transferir para o meio gasoso uma parcela maior de sua energia. Nas aplicações para medição de nível de líquidos, a
33
direção do ângulo de incidência deve ser de 2º em relação à vertical. Na instalação C, o tempo de eco ultra-sônico
indica diretamente o nível do produto.
A unidade pode ainda ser montada externamente ao vaso (situação D), apresentando a vantagem adicional
da não necessidade, de vazar o equipamento.
As instalações C e D discutidas neste sub-item são aplicáveis à detecção de nível de líquidos limpos,
enquanto os esquemas A e B podem ser usados também para medir níveis de sólidos.
8.4 Prática medição nível por Ultrason
34
Introdução
à
Instrumentação

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  • 1. 1 INDICE 1. Conceitos básicos de Instrumentação 1.1 O que é Instrumentação? 1.2 Definição de processo 1.3 Definição de temperatura e calor 1.4 Formas de transmissão de calor 1.5 Principais elementos de medição de temperatura 1.6 O que é um termopar? 1.7 Leis básicas sobre termopares (Seeback, Peltier e Thomson) 1.8 Tabela de conversão mV  temperatura 1.9 Cabos de compensação e extensão 1.10 Simples e dupla inversão 1.11 Prática/experimento – Aferição de um termopar 2. Multicalibrador 2.1. Qual a função? 2.2. Leitura do manual (como ler e gerar sinais) 2.3. Forma de compensação de temperatura 2.4. Tempo de estabilização 2.5. Configurar uma rampa 2.6. Sinais padrões de instrumentação e por que 4 ~20 mA 2.7. Conversor de unidades 2.8 Prática 2.8.1 Medição do termopar no forno 2.8.2. Gerar e medir 4~20 mA e 1~5v 2.8.3 Gerar e medir sinal de PT100 3. Controlador - Presys 2050 3.1. Definição de variável, set point e saída de controle 3.2. Rever conceito de processo (tipos básicos) 3.3. Estudo do manual do controlador (ligações de entrada e saída, configuração de hardware e software) 3.4. Fazer uma configuração básica 3.5. Prática 3.5.1 Verificar comportamento da saída, set point 4. Forno elétrico para a calibração de termoprar 4.1 Apresentar malha pronta/explicação 4.2 Estudar com detalhes, explicando, descrevendo o seguinte : função de cada componente, o que faz. 4.3 Funcionamento dinâmico da malha 4.5 Prático: 4.5.1 Apresentação/avaliação do tópico 4.5.2 Estudo/desenho de uma malha de controle de temperatura de uma estufa 4.5.6 Descrição da função do processo 4.6 Explicação funcionamento, descrição de função dos componentes/ dinâmica do processo
  • 2. 2 5. Pressão 5.1 Conceitos de pressão 5.2 O que é pressão 5.3 Pressão absoluta, relativa, manométrica, atmosférica, vácuo 5.4 Principais elementos de medição de pressão 5.5 Conceitos sobre manômetros 5.5.1 Prática : calibração de manômetros 5.6 Conceito sobre pressostatos 5.6.1 Prática : calibração de pressostatos 5.7 Conceitos sobre transdutores de pressão ( P/I ) 5.7.1 Prática : transdutores de pressão 5.8 Conceitos sobre transdutores de pressão ( I/P ) 5.8.1 Prática : transdutores de pressão ( I/P ) 6. Bancada para teste pneumáticos 6.1 Apresentar malha pronta/explicação 6.2 Estudar com detalhes, explicando, descrevendo o seguinte : função de cada componente, o que faz. 6.3 Funcionamento dinâmico da malha 7. Vazão 7.1 O que é vazão 7.2 Principais elementos de medição ( pressão diferencial, deslocamento positivo, turbina ) 7.3 Teoria sobre transmissor de pressão diferencial 7.4 Prática sobre transmissor de pressão diferencial 7.5 Teoria sobre transmissor de vazão tipo turbina 7.6 Prática sobre transmissor de tipo turbina 8. Nível 8.1 O que é nível 8.2 Principais elementos de medição ( coluna, visor, pressão, pressão diferencial, ultrason ) 8.3 Conceitos sobre ultrason 8.4 Prática medição nível por ultrason
  • 3. 3 1. Conceitos básicos de Instrumentação 1.1. O que é Instrumentação? INSTRUMENTAÇÃO.: é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação, medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos. Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: pressão, nível, vazão, temperatura a qual denomina de variáveis de um processo. 1.2. Definição de processo Controle Manual e Controle Automático Para exemplificar o conceito de controle manual e automático será utilizado como processo o sistema térmico das figuras 2 e 3. Primeiramente considere que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema, medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida. Deste modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual, sendo, portanto, um caso de “Controle Manual”. Controle Manual
  • 4. 4 Considere agora o caso da figura 3, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem, atuando então de maneira automática, sendo, portanto um caso de “Controle Automático”. Controle Automático TIPOS DE CONTROLE Controle Auto-operado Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente, através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Este controle é largamente utilizado em aplicações de controle de pressão e menos comumente no controle de temperatura, nível, etc. Controle em Malha Aberta e Malha Fechada Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída. Sistema de Controle em Malha Aberta - É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema, é a máquina de lavar roupa que após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta (após enxaguar, não verifica se a roupa está totalmente limpa).
  • 5. 5 Sistema de Controle em Malha Fechada - É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo prático deste tipo de controle é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o banho. Malha Fechada Exemplo: Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada. As dilatações e contrações do fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “Bourdon”( Tubo curvo de seção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar. Os movimentos do extremo do bourdon traduzem a temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala. No diagrama representa-se um contato elétrico no extremo do bourdon e outro contato de posição ajustável à nossa vontade. Este conjunto constitui um “Termostato”. Admitamos que se queira manter a temperatura da água nas proximidades de 50°C. Este valor da temperatura da água é o valor desejado. Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato do termostato está aberto. A bobina do contator não está excitada e o contator mantém interrompida a alimentação da resistência de aquecimento. Não havendo fornecimento de calor, a temperatura da água vai descer devido às perdas. A temperatura aproxima-se do valor desejado. Quando, pelo contrário, a temperatura é inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o contato do termostato. O contator fecha e vai alimentar a resistência de aquecimento. Em conseqüência, a temperatura da água no depósito vai subir de modo a aproximar-se de novo do valor desejado. Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples encontramos, contudo as funções essenciais de uma malha de controle. Medida: A cargo do sistema termométrico. Comparação: Efetuada pelo sistema de Contatos (Posição Relativa) Computação: Geração do sinal de correção (Efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito elétrico do termostato). Correção: Desempenhada pelo órgão de Controle - Contator Observa-se que, para a correção da variável controlada (temperatura) deve-se atuar sobre outra variável ( quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle é aplicada, normalmente, a outra variável da qual depende a variável controlada e que se designa com o nome de variável manipulada. No nosso exemplo, o “Sinal de Controle” pode ser a corrente elétrica. Como veremos mais tarde, estamos diante de uma malha de controle do tipo ON-OFF. O sinal de controle apenas pode assumir dois valores. Na maior parte dos casos, como se verá, a função que relaciona o sinal de controle com o desvio é muito mais elaborada. Podemos agora representar um diagrama simbólico das várias
  • 6. 6 funções e variáveis encontradas. Alguns dos elementos de medida e os elementos de comparação e de computação fazem normalmente parte do instrumento chamado de “CONTROLADOR”. 1.3. Definição de temperatura e calor Temperatura e a variável mais importante nos processos industriais, e sua medição e controle, embora difícil, são vitais para a qualidade do produto e a segurança não só das máquinas como também do homem. Não é difícil de chegar a esta conclusão, basta verificar que todas as características físico-químicas de qualquer substância alteram-se de forma bem definida com a temperatura. Assim sendo, uma determinada substância pode ter suas dimensões, seu estado físico (sólido, líquido, gasoso), sua densidade, sua condutividade, etc., alterados pela mudança conveniente de seu estado térmico. Então, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu comportamento provocando, por exemplo: ritmo maior ou menor na produção, uma mudança na qualidade do produto, um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou do pessoal, um maior ou menor consumo de energia e, por conseguinte, um maior ou menor custo de produção. Conceito de temperatura Ainda que a temperatura seja uma propriedade bastante familiar, é difícil encontrar-se uma definição exata para ela. Estamos acostumados à noção de “temperatura” antes de tudo pela sensação de calor ou frio quando tocamos um objeto. Além disso, aprendemos logo, por experiência, que ao colocarmos um corpo quente em contato com um corpo frio, o corpo quente se resfria e o corpo frio se aquece. Se esses corpos permanecem em contato por um determinado tempo, eles parecerão ter o mesmo grau de aquecimento ou resfriamento. Entretanto, sabemos que essa sensação não é bastante segura. Algumas vezes os corpos frios podem parecer quentes e os corpos de materiais diferentes, que estão na mesma temperatura, parecem estar a temperatura diferentes. Isto acontece porque a temperatura é uma propriedade de matéria que está relacionada com o movimento dos átomos de uma substância. Normalmente estes átomos possuem uma determinada energia cinética que se traduz nas formas de vibrações ou deslocamento para os líquidos e gases. Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se encontra o corpo, e, quanto mais lento o movimento, mais frio se apresenta o corpo. Esta condição pode ser descrita como um potencial térmico ou como uma energia efetiva da substância (energia cinética) Baseado nisto podemos conceituar a temperatura como sendo: “A propriedade da matéria que reflete a média de energia cinética de um corpo”. Na prática a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão. Escalas de temperatura Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro sentiam dificuldades para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis. Essa dificuldade fez com que se buscassem pontos nos quais se pudessem reproduzir de forma definida os valores medidos. Muitas escalas baseadas em pontos diferentes foram desenvolvidas ao longo do tempo. Dentre elas as mais importantes foram a Fahreinheit, a Clesius, a Rankine e a Kelvin. A escala Fahreinheit é, ainda, utilizada nos Estados Unidos e em parte da Europa. Porém, a tendência é de se usar exclusivamente nos processos industriais de todo o mundo a escala Celsius. A escala Rankine e a escala Kelvin, que são as escalas absolutas, são mais usadas nos meios científicos, sendo que atualmente usa-se quase que exclusivamente a escala Kelvin. 1.4. Formas de transmissão de calor Condução: é o processo de transferência de calor através das substâncias provocado pela diferença de temperatura entre as partes de um sistema ou entre dois sistemas que se desenvolve ao nível molecular, mas sem que ocorra modificação significativa na posição das moléculas da substância. A quantidade de calor transferida por condução em um período de tempo é diretamente proporcional à área através da qual o calor flui ao gradiente de temperatura e à condutividade térmica da substância. Apesar de a condutividade térmica ser uma importante propriedade dos fluídos, a condução é um mecanismo de transferência de calor que apresenta sua maior importância nas substâncias em estado sólido. Dificilmente a condução será o mecanismo de transferência mais importante em processos envolvendo fluidos.
  • 7. 7 Convecção: é o processo de transferência de calor que se realiza através do transporte de massas em movimento e da mistura de uma substância fluida provocado pela diferença de temperatura entre as regiões de um sistema fluido ou entre um sistema fluido e um sistema sólido. A convecção pode ser natural, quando o deslocamento da massa fluida se realiza pela variação na sua densidade devido a uma transferência de calor e variação na temperatura ou forçada, quando o deslocamento da massa de fluido se realiza devido às forças externas independentes da diferença de temperatura do sistema. A quantidade de calor transferida por convecção entre um fluido e uma superfície sólida em um período de tempo é diretamente proporcional à área através da qual o calor flui ao gradiente de temperatura e ao coeficiente de transferência convectivo. O coeficiente de transferência convectivo é um valor empírico dependente das condições do escoamento, das propriedades do fluido e do perfil da superfície. Radiação: é o processo de transferência de calor que se realiza pelo transporte de energia nas ondas eletromagnéticas infravermelhas emitidas por uma superfície a qualquer temperatura. A radiação não depende de meios materiais para transmitir calor e a quantidade de energia transportada pelas ondas é proporcional à quarta potência da temperatura da superfície emissora 1.5. Principais elementos de medição de temperatura A temperatura não pode ser determinada diretamente, mas deve ser deduzida a partir de seus efeitos elétricos ou físicos produzidos sobre uma substância, cujas características são conhecidas. Os medidores de temperatura são construídos baseados nesses efeitos. Podemos dividir os medidores de temperatura em dois grandes grupos, conforme a tabela abaixo: 1º grupo (contato direto) -Termômetro à dilatação -de líquidos -de sólido -Termômetro à pressão -de líquido -de gás -de vapor -Termômetro a par termoelétrico -Termômetro à resistência elétrica 2º grupo (contato indireto) -Pirômetro óptico -Pirômetro fotoelétrico -Pirômetro de radiação
  • 8. 8 1.6. O que é um termopar? O termopar consiste em dois condutores metálicos diferentes e puros (ou com ligas homogêneas), unidos em uma extremidade, que quando submetidos a um diferencial de temperatura entre as suas junções, gera um sinal elétrico da ordem de milivolts, que é proporcional à diferença de temperatura em suas extremidades. Este princípio chama-se efeito SEEBECK. A medição de temperatura através de termopares, parte do princípio de que dois condutores metálicos diferentes, "X e Y", unidos em uma das suas extremidades, e esta exposta a uma variação de temperatura, gera uma força eletromotriz (F.E.M.) que é em função das temperaturas de suas extremidades "T1 e T2" (Junta de medida e Junta de referência) e dos metais dos condutores "X e Y". Baseado neste princípio criou-se as tabelas de correlação, que relaciona a FEM, gerada em função da temperatura, supondo-se a junta de referência a 0ºC. Com base na utilização e conhecimento mais comuns nos dias de hoje, existem oito tipos de termo elementos: S, R, B, J, K, N, T e E. 1.7. Leis básicas sobre termopares (Seebeck, Peltier e Thomson) Quando dois metais são unidos em suas extremidades e estas mantidas a diferentes temperaturas, três fenômenos ocorrem simultaneamente que são: - Efeito Seebeck Esse efeito foi descoberto em 1821 pelo físico alemão T. J. Seebeck quando ele observou em suas experiências que em um circuito fechado formado por dois fios de metais diferentes ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura entre suas junções, e que sua intensidade é proporcional à diferença de temperatura e à natureza dos metais utilizados. Em 1887, Le Chatelier (físico Francês), utilizou pela primeira vez na prática essa descoberta ao construir um termopar a partir de fios de platina e platina-rhodio a 10% para medir temperatura. Esse termopar é ainda hoje utilizado, em muitos laboratórios, como padrão de referência.
  • 9. 9 1.8. Simples e dupla inversão Usando fios de cobre Geralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento encontrem-se relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo ao local onde se mede a temperatura. Nestas circunstâncias deve-se, processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, através de fios de extensão ou compensação. Tal, procedimento é executado sem problemas desde que, o cabeçote onde estão os terminais do termopar e o registrador, esteja à mesma temperatura de medição. Vejamos o que acontece quando esta norma não é obedecida. Uma solução simples é que normalmente é usada na prática, será a inserção de fios de compensação entre o cabeçote e o registrador. Estes fios de compensação em síntese, nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda da FEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador. Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação. Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeçote é de 20,74 mV. Dela, até o registrador, são utilizados fios de extensão compensados, os quais adicionam à FEM uma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim com que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV. Este valor corresponderá à temperatura real dentro do forno (538°C). A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes.
  • 10. 10 Inversão simples Conforme o esquema a seguir, os fios de compensação foram invertidos. Assume-se que o forno esteja a 538°C, o cabeçote a 38°C e o registrador a 24°C. Devido a diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador, será gerada uma FEM de 0,57 mV. Porém em virtude da simples inversão, o fio positivo está ligado no borne negativo do registrador e vice-versa. Isto fará com que a FEM produzida ao longo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do registrador. Isto fará com que o registrador indique uma temperatura negativa. Inversão dupla No caso a seguir, consideramos o caso da existência de uma dupla inversão, isto acontece com freqüência pois, quando uma simples inversão é constatada, é comum pensar-se que uma nova troca de ligação dos terminais compensará o erro. Porém isto não acontece, e a única maneira de solucionar o problema será efetuar uma ligação correta.
  • 11. 11 2. Multicalibrador 2.1. Qual a função? Possibilita a medição e geração dos sinais utilizados em Instrumentação e Controle de Processos (mA, mV, Volts, Ohms, RTD, T/C e Hz). É um instrumento de elevada exatidão, com características de alta estabilidade em relação a mudanças de temperatura e manutenção das especificações com o passar de longos períodos de tempo. Possui itens úteis que permitem seu uso em campo e em bancada. O calibrador também incorpora conceitos de aferição e calibração automática via computador, tais como emissão de relatórios e certificados, gerenciamento automático de tarefas, organização e arquivamento de dados, para abranger os requisitos de procedimentos de qualidade. Adicionalmente, são disponíveis vários módulos opcionais para a realização de medidas de pressão e temperatura. 2.2. Leitura do manual (como ler e gerar sinais) 2.3. Forma de compensação de temperatura O multicalibrador faz a compensação de temperatura de forma automática ou manual, pois possui um sensor de temperatura interno para medição da temperatura ambiente ou pode-se inserir manualmente a temperatura de compensação na configuração do multicalibrador. 2.4. Tempo de estabilização Leva-se entorno de trinta minutos para o multicalibrador entre em equilíbrio térmico com o meio ambiente assim possibilitando medições mais precisas. 2.5. Configurar uma rampa Com esse artifício podemos gerar sinais de saída automaticamente com pontos configurados manualmente, é utilizado para aferição de um indicador ou controlador. 2.6. Sinais padrões de instrumentação e por que 4 ~20 mA São eles: 4~20 mA, 1~5 V, 0~20 mA, 0~5 V, 0,2~1 kgf/cm², 3~15 psi e o sinal 4~20 mA é o mais utilizado pois ele não sofre interferência externa, pode ser enviado a longa distancia e num possível interrupimento do sinal fica mais fácil encontra o problemas pois a faixa inicia em 4mA.
  • 12. 12 2.7. Conversor de unidades O Multicalibrador tem uma função de gerar qualquer tipo de sinal a partir de outro, para tal cria-se uma escala de entrada e de saída com respectivos sinais padrões de instrumentação e o multicalibrador ira fazer a conversão. 2.8 Prática 2.8.1 Medição do termopar no forno 2.8.2. Gerar e medir 4~20 mA, 1~5v e 2.8.3 Gerar e medir sinal de PT100 Foi utilizado o mesmo método para ambos apenas alterando as configurações de entrada e saída do multicalibrador.
  • 13. 13 3. Controlador - Presys 2050 Os controladores do tipo Proporcional-Integral-Derivativo – PID – desempenham um papel vital no ambiente industrial. Pelo menos 95% dos processos industriais são controlados por meio deste tipo de controlador. Mesmo em sistemas de controle distribuído e esquemas modernos de controle hierárquico, o PID é o bloco fundamental do sistema que aparece na camada de baixo nível, interagindo diretamente com o processo controlado. O sucesso desta metodologia de controle deve-se basicamente à sua simplicidade e às suas propriedades que, se bem compreendidas e exploradas, são capazes de fornecer resultados bastante satisfatórios no sentido de operar os processos industriais da maneira mais eficiente possível. O ajuste adequado destes controladores está diretamente relacionado ao aumento da produtividade e da qualidade da produção, característica cada vez mais fundamenta no ambiente industrial. Características: são capazes de fornecer duas opções para o controle do estado da variável: manual e automático, além de indicação instantânea. Na situação manual é capaz de variar sua saída de acordo com a variação imposta através de um botão de ajuste sobre uma escala de 0 a 100% e como sua saída é ligada a uma válvula de controle, a escala de 0 a 100% corresponde a abertura da válvula. Na situação automática deve-se estipular o valor desejado do estado da variável (possível através de um outro botão de ajuste) tal valor é denominado set point e através dele o controlador irá variar sua saída automaticamente, até que o estado da variável alcance o valor ajustado mantendo-o nestas condições até que um novo set point seja imposto. Durante a corrida para se alcançar o set point o controlador irá sempre compará-lo com o estado momentâneo da variável que também é disponível em seu frontal. Os controladores ainda fornecem a opção de set point local e set point remoto, o primeiro é o explicado acima, sobre o ajuste através de um botão em seu frontal; o segundo é o qual o estado de uma variável de processo corresponde ao seu set point. Sendo assim teremos um controlador de dois sinais de entrada correspondentes a indicação momentânea e set point remoto e um sinal de saída correspondente a porcentagem de abertura de válvula. Tais sinais deverão se enquadrar nos sinais padrões de acordo com o tipo de controlador, eletrônico ou pneumático. Pratica. Foi montada uma configuração básica de ligação do controlador com um multicalibrador gerando sinal de termopar e no controlador foi ajustado a faixa de trabalho e um set-point de alarme em 700°C e ao ultrapassar esse alarme verificou o comportamento do controlador.
  • 14. 14 4. Forno elétrico para a calibração de termopar 4.1 Apresentar malha pronta/explicação 4.2 Estudar com detalhes, explicando, descrevendo o seguinte: função de cada componente, o que faz. Elemento Sensor – 1 – Termopar tipo K, transforma a variação de temperatura em sinal de mV que é enviado ao controlador de temperatura. Elemento Controle – 2 – TIC, controlador indicador de temperatura – Tem a função de manter a temperatura do forno no set-point programado. Elemento Final de controle – 3 – Resistência, tem a função de aquecer o forno. 4.3 Funcionamentos dinâmicos da malha. O elemento sensor um TC-K converte a variação de temperatura do forno em um sinal de mV que é enviado ao controlador (TIC) através de cabos de compensação. O TIC ao receber este sinal o converte num sinal linear de temperatura e o indicado no seu frontal e faz a comparação desta temperatura com o set-point programado. Se a temperatura estiver abaixo do set-point programado os mesmo fecha uma rele interno que alimenta a bobina K1 que possibilitara a passagem de corrente para a resistência aumentando assim a temperatura do forno. A temperatura atingindo o set-point o TIC abre o rele interno que retira a alimentação da bobina K1 impossibilitando a passagem de corrente mantendo-se a temperatura do forno. Para aumentar a vida útil dos contatos do contator eh feito uma configuração no TIC com valor de histerese que é um tempo de atraso que não deixa o controlador fica abrindo/fechando imediatamente seu rele interno com as variações de temperatura em volta do valor de set-point.
  • 15. 15 5. Pressão 5.1 Conceitos de pressão Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível, etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio. 5.2 O que é pressão Pressão é definida sendo como uma força atuando em uma unidade de área. P = F/A onde P = Pressão F = Força A = Área 5.3 Pressão absoluta, relativa, manométrica, atmosférica, vácuo Pressão Atmosférica É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg. Pressão Relativa É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência. 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. Pressão Negativa ou Vácuo É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. Diagrama comparativo das escalas: Pressão Absoluta Pressão Relativa, Efetiva ou Manométrica Pressão Atmosférica Vácuo Vácuo Absoluto
  • 16. 16 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. Kgf / cm² lbf / pol² (PSI) 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 (PSI) 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 25,339 345,40 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 0,29539 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1 Exemplo: 10 PSI = ______?______ Kgf/cm2 1 PSI = 0,0703 Kgf/cm2 De acordo com a tabela 10 x 0,0703 = 0,703 Kgf/cm2 5.4 Principais elementos de medição de pressão Os principais elementos de medir pressão são.: - Manômetros que são subdivididos em.: - Manômetros de Líquido tipo tubo em "U"; - Manômetros de Líquido tipo tubo Reto; - Manômetros Elásticos tipo tubo de Bourdon tipo C; - Manômetros Elásticos tipo Diafragma; - Transmissores de pressão microprocessados princípio de Célula Capacitiva; - Transmissores de pressão microprocessados princípio de Silício Ressonante. 5.5 Conceitos sobre manômetros 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 à 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
  • 17. 17 Membrana ou Diafragma É constituído por 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 geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva. Manômetro em "U" É um medidor de pressão com os dois extremos abertos para a atmosfera, ele mede a diferença entre as duas pressões. Quando P1 for maior que P2 o líquido dentro do tubo é "empurrado para baixo fazendo elevar o lado conectado a P2, como o exemplo abaixo.: Manômetro em "U"
  • 18. 18 5.5.1 Prática: calibração de manômetros 5.6 Conceito sobre Pressostatos É um instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de equipamento ou processos industriais. Sua função básica é de proteger a integridade de equipamentos contra sobrepressão ou subpressão aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. É constítuido em geral por um sensor, um mecanismo de ajuste de set-point e uma chave de duas posições (aberto ou fechado). Tipos de Pressostatos.: - Diferencial fixo ou ajustável - Quanto ao intervalo entre atuação e desarme os pressostatos podem ser fornecidos com diferencial fixo e diferencial ajustável. O tipo fixo só oferece um ponto de ajuste, o de set-point, sendo o intervalo entre o ponto de atuação e desarme fixo. O tipo ajustável permite ajuste de set-point e também alteração entre o ponto de atuação e desarme do pressostato. - Contato SPDT e DPDT Quanto ao tipo de contato disponível no microinterruptor reversível 5.6.1 Prática: calibração de pressostatos
  • 19. 19 5.7 Conceitos sobre transdutores de pressão ( P/I ) Os instrumentos de transmissão de sinal de pressão tem a função de enviar informações à distância das condições atuais de processo dessa variável. Essas informações são enviadas, de forma padronizada, através de diversos tipos de sinais e utilizando sempre um dos elementos sensores (fole, diafragma, capsula, etc...) associados a conversores cuja finalidade principal é transformar as variações de pressão detectadas pelos elementos sensores em sinais padrões de transmissão. Tipos de transmissores de pressão - Transmissores eletrônicos analógicos Esses transmissores, sucessores dos pneumáticos, possui elementos de detecção similares ao pneumático porém utiliza elementos de transferencia que convertem o sinal de pressão detectado em sinal elétrico padronizado de 4 a 20 mA. Existem vários princípios físicos relacionados com a variações de pressão que podem ser utilizados como elemento de transferência. Os mais utilizados nos transmissores mais recentes são: - Sensor Capacitivo (Célula Capacitiva) É o sensor mais utilizado em transmissores de pressão. Nele um diafragma de medição se move entre dois diafragmas fixos. Entre os diafragmas fixos e o móvel, existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico. Como um capacitor de placas paralelas é constituídos por duas placas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço de pressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do capacitor) tem sua distância em relação ao diafragma modificada. Isso provoca modificação na capacitância de um circuito de medição, e então tem-se a medição de pressão. Para que ocorra a medição, o circuito eletrônico é alimentado por um sinal AC através de um oscilador e então modula-se a freqüência ou a amplitude do sinal em função da variação de pressão para se ter a saída em corrente ou digital. Como líquido de enchimento utiliza-se normalmente glicerina, ou fluor-oil. - Sensor por Silício Ressonante:
  • 20. 20 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. - Construção do sensor Todo o conjunto pode ser visto através da figura acima, 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:
  • 21. 21 Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado por uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente). Este enfoque pode ser observado na figura abaixo.: 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) Por 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 por um circuito eletrônico , tal diferença de freqüência será proporcional ao P aplicado. 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.:
  • 22. 22 5.7.1 Prática: transdutores de pressão 5.8 Conceitos sobre transdutores de pressão ( I/P ) - Conversores eletro-pneumáticos (I/P) Este instrumento recebe um sinal de 4 a 20 mA que é aplicado a uma unidade magnética (bobina) criando um campo magnético proporcional a intensidade de corrente que a excitou. Esse campo proporciona deflexão em uma barra fletora que atua como anteparo em relação a um bico de passagem de ar para exaustão. A aproximação desta barra, conhecida como palheta, ao bico cria uma contra-pressão que é amplificada através de uma unidade denominada relé piloto para um sinal pneumático proporcional à entrada. A pressão de saída é realimentada através do fole para permitir o equilíbrio do sistema. Estes instrumentos necessitam basicamente de ajuste de zero, obtido pela variação de carga de uma mola, e ajuste de largura de faixa (span) conseguido mudando a relação do momento de força. Como exemplo, temos o esquemático de um conversor na figura a seguir.:
  • 23. 23 5.8.1 Prática: transdutores de pressão ( I/P ) 6. Bancada para Teste Pneumáticos
  • 24. 24 6.1 Apresentar malha pronta/explicação 6.2 Estudar com detalhes, explicando, descrevendo o seguinte : função de cada componente, o que faz. Transdutor I/P Elemento final de controle, regula a pressão de saída desejada. Controlador PIC Elemento de controle, controla o sinal recebido do P/I e envia o sinal corrigido para o I/P. Transdutor P/I Elemento sensor recebe a pressão e a converte para sinal padrão de 4~20mA e a envia para o controlador. 6.3 Funcionamentos Dinâmico da Malha O elemento sensor um transdutor de pressão (P/I) tem sua alimentação de pressão ligada a saída do transdutor de pressão (I/P). O elemento sensor recebe essa pressão e a converte em sinal padrão de instrumentação de 4~20mA e o transmite para o elemento controlador(PIC). O controlador é configurado para ter em sua saída uma variação de 4~20mA proporcional a escala de 0,2~1kgf/cm², esse sinal de 4~20mA é enviado ao elemento final de controle (I/P) que ajusta sua saída de pressão proporcional ao sinal recebido de corrente em pressão variando de 0,2~1kgf/cm². Assim ao se inserir um set-point o controlador ele executara uma seqüência de ajustes no sinal de saída ate que o seu sinal de entrada esteja igual a seu valor ajustado no set-point.
  • 25. 25 7. Vazão 7.1 O que é vazão Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. 7.2 Principais elementos de medição: Pressão diferencial Deslocamento positivo Turbina 7.3 Teoria sobre transmissor de pressão diferencial Medição de vazão através da perda de carga variável - Considerando-se uma tubulação com um fluido passante, chama-se perda de carga dessa tubulação a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. As causas da perda de carga são: atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, mudança de pressão e velocidade devido a uma curva ou um obstáculo, etc. Os diversos medidores de perda de carga variável usam diferentes tipos de obstáculos ao fluxo do líquido, provocando uma queda de pressão. Relacionando essa perda de pressão com a vazão, determina-se a medição de vazão pela seguinte equação: Onde: Q = vazão do fluido do local do estreitamento K = constante P1 = Pressão Medida Pp = Pressão de Projeto T1= Temperatura medida Tp = Temperatura de projeto
  • 26. 26 - Placa de Orifício De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial e assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor custo e portanto a mais empregada. Consiste basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. “Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha, indo desde 1/16” a 1/4”. O diâmetro do orifício é calculado de modo que seja o mais preciso possível, e suas dimensões sejam suficientes para produzir à máxima vazão uma pressão diferencial máxima adequada. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem gastas, corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. A placa de orifício pode ser ajustada mais convenientemente entre flanges de tubo adjacentes e pontos de tomadas de impulso feitos em lugares adequados, uma montante da placa e o outro em um ponto no qual a velocidade, devido à restrição, seja máxima. Este ponto não é próprio orifício porque, devido à inércia do fluido, a área de sua secção transversal continua a diminuir após passar através do orifício, de forma que sua velocidade máxima está a jusante do orifício, na vena contracta. É neste ponto que a pressão é mais baixa e a diferença de pressão a mais acentuada. Transmissor de Vazão por Pressão Diferencial Os transmissores de vazão por pressão diferencial se baseiam nos mesmos princípios físicos utilizados na tecnologia de medição de pressão. Assim, são utilizados os tipos piezoelétrico; strain-gauge, célula capacitiva, etc., para medir a pressão diferencial imposta por um elemento deprimogenio cuidadosamente calculado para permitir a obtenção da faixa de vazão que passa por um duto. Como a pressão diferencial é relativamente baixa, as faixas de medição destes transmissores são expressas normalmente em mmH2O, kPa ou polegada de água.
  • 27. 27 Extrator de Raiz Quadrada Uma das maneiras mais utilizadas para se medir a vazão de um fluido qualquer em um processo industrial é aproveitar-se da relação entre vazão e pressão deste fluido. Para isto, são utilizados elementos deprimogênios, tais como placas de orifício, que atuam como elementos primários e possibilitam efetuar a medição de uma pressão diferencial que é correspondente à vazão que passa por ele. Porém, essa relação não é linear e sim quadrática. Desta forma são utilizadas unidades aritméticas denominadas Extrator de Raiz Quadrada cuja função é a de permitir que valores medidos pelo transmissor representem a vazão medida. Esta função, extrator de raiz, pode estar incorporada ao transmissor, estar separada como um instrumento ou até mesmo ser uma função executada via software em sistema de controle, em um controlador digital ou até mesmo em um controlador lógico programável. - Curva teórica de um Extrator de Raiz Percentualmente a curva teórica saída/entrada de tais acessórios é representada pela Fig. 32. As saídas (S) correspondentes às entradas (E) de 1; 4; 9; 25; 36; 49; 64; 81 e 100% são respectivamente 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 e 100%, onde: Qualquer que seja a tecnologia utilizada, o extrator de raiz quadrada será basicamente um amplificador de ganho variável, com ganho extremamente alto para baixos valores do sinal de entrada e ganhos baixos para altos valores do sinal de entrada. 7.4 Prática sobre transmissor de pressão diferencial
  • 28. 28 7.5 Teoria sobre transmissor de vazão tipo turbina Medidor Tipo Turbina Um medidor de vazão tipo turbina, consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo a direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo; a velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluido que, por sua vez, é proporcional à vazão do volume. Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor detecta o movimento do rotor. Esta bobina é alimentada, produzindo um campo magnético. Como as palhetas do rotor são feitas de material ferroso, à medida que cada palheta passa em frente à bobina corta o campo magnético e produz um pulso. O sinal de saída é uma seqüência de pulsos de tensão, em que cada pulso representa um pequeno volume determinado de líquido. O sinal detectado é linear com a vazão. Unidades eletrônicas associadas permitem indicar a vazão unitária ou o volume totalizado, podendo efetuar a correção automática da temperatura e/ou pressão e outras funções. Embora a teoria básica de um medidor a turbina seja muito simples, o projeto detalhado é muito trabalhoso e complexo, o desempenho final depende de numerosos fatores, tais como: ângulo da palheta, o tipo de mancais, o número de palhetas, bem como a usinagem e montagem dentro das tolerâncias rígidas Um medidor de turbina corretamente projetado e fabricado tem uma elevada precisão numa faixa de vazão superior a 10:1 e excelente repetibilidade. Ademais, é pequeno e leve (em relação ao tubo) e tem alta capacidade de vazão para um dado tamanho de medidor. A instalação de um medidor de turbina é uma operação mais simples. Por conseguinte, os medidores de turbina são amplamente usados em medições de transferência com fins de faturamento para produtos, tais como: óleo cru, petróleo bruto, gás e etc. Um medidor de turbina é uma unidade versátil: possui uma faixa de pressão e temperatura muito ampla, e uma vez que o mesmo é fabricado em aço inoxidável, é compatível com uma ampla faixa de fluidos. Estes, todavia, devem ser relativamente limpos, não ter alta viscosidade e a vazão deve ser em regime laminar. 7.6 Prática sobre transmissor de tipo turbina
  • 29. 29 8. Nível 8.1 O que é nível Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através de sua medição torna-se possível: a) Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento. b) Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc. c) Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites. 8.2 Principais elementos de medição: Coluna Visor Pressão Pressão diferencial Ultrason - Régua ou Gabarito Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido. A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido. - Visores de Nível Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor. Os tubos de vidro têm diâmetros normalizados onde para cada dimensão estão relacionados valores de pressão e temperatura máximas permissíveis. Devido às características construtivas, os visores de vidro tubular não suportam altas pressões e temperaturas, bem como apresentam alta probabilidade de quebra acidental do vidro por choque externo. Devido às limitações quanto a sua resistência a segurança, os visores de vidro tubular são recomendados para uso em processos que não apresentam pressões superiores a cerca de 2,0 bar e em temperaturas que não excedam a 100 graus Celsius. Não se recomenda o seu uso com líquidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos, visto que a fragilidade destes instrumentos aumenta a possibilidade de perda de produto contido no equipamento. Recomenda-se que o comprimento do tubo não exceda os 750 mm. Caso seja necessário cobrir faixas de variação de nível maiores, recomenda-se usar dois ou mais visores com sobreposição de faixas visíveis.
  • 30. 30 Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados. - Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial) Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin: P = H .  Onde: P = Pressão em mm H2O ou polegada H2O h = nível em mm ou em polegadas  = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente. Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque seja ele aberto ou pressurizado. - Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados. Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível. A pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa pressão do transmissor de nível, é conectada na tubulação de impulso da parte de cima do tanque onde mede somente a pressão exercida sob a superfície do líqüido.: - Supressão de Zero Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à tomada de alta pressão. Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada de impulso, se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real.
  • 31. 31 - Elevação de Zero Quando o fluído do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluído se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso, das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível. Selam-se então ambas as tubulações de impulso, bem como as câmaras do instrumento. Sistema de medição de nível com selagem, no qual deve ser feita a elevação, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida na tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível. 8.3 Conceitos sobre Ultrason O ultra-som é uma onda sonora (mecânica), cuja freqüência de oscilação é maior do que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 kHz. A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico. Esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de ECO, usada nos dispositivos tipo ultra-sônicos, sendo função da temperatura e da pressão, cujos efeitos originados por esta última são desprezíveis. - Geração do ultra-som As ondas de ultra-som são geradas pela excitação elétrica de materiais piezelétricos. A característica marcante desses materiais é a produção de um deslocamento quando aplicamos uma tensão. Assim sendo, eles podem ser usados como geradores de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma força em um material piezelétrico, resulta o aparecimento de uma tensão no seu terminal elétrico. Nesta modalidade, o material piezelétrico é usado como receptor de ultra-som. Pela sua estabilidade, o quartzo cultivado é um dos materiais mais recomendados para fabricação do sensor transdutor. A excitação destes transdutores pode ser realizada de três maneiras: a) Pulso: a excitação de pulso consiste em excitar o transdutor com pulsos que podem atingir uma tensão acima de 500V e com a duração de alguns nanosegundos. A frequência de repetição dos pulsos é da ordem de 300 a 1000 kHz. b) Onda Contínua: como o nome indica, na excitação por onda contínua o transdutor é excitado por uma onda senoidal (às vezes, onda quadrada) ininterruptamente. c) Trens de onda: pode ser produzido por um gerador de ondas senoidais que é ligado por um tempo e, em seguida, desligado, repetindo-se o processo periodicamente. Material Piezoelétrico Geração de ultra-som
  • 32. 32 O princípio de operação dos dispositivos ultra-sônicos tem por base uma lei da ótica física: “O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão” . Quando uma onda ultra-sônica, que se propaga em um meio, incide sobre a interface de duas substâncias de densidades diferentes, faz surgir duas ondas emergentes: uma onda ultra-sônica proveniente da reflexão nessa interface (onda refletida) e outra proveniente da mudança de meio de propagação, denominada onda refratada. Cada interface refletirá de forma diferente. Os dispositivos do tipo ultra-sônico utilizam-se da primeira, isto é, seu princípio de operação concentra-se reflexão da onda gerada pelo transdutor, quando encontra a interface com o produto cujo nível desejamos medir ou, mais precisamente, no lapso de tempo gasto pela onda desde o instante que é gerada, até o instante em que retorna àquele transdutor depois de refletir-se na interface. - Detetor Contínuo de Nível Neste sistema, a onda é emitida e o tempo necessário para retornar é uma indicação da profundidade. O detector ultra-sônico contínuo de nível (SONAR) mede o tempo requerido por uma onda ultra-sônica para ir da superfície do líquido, refletir-se e voltar. O transdutor pode ser montado no topo do equipamento ou imerso no meio líquido, cujo nível se deseja medir. O tipo de instalação A prevê dois transdutores, um para emissão e outro para recepção, montados em receptáculos distintos. Neste caso, a onda é gerada no ar, propagando-se até a interface ar-líquido, onde ocorre a reflexão, para depois a onda refletida ser recebida no cristal receptor. A medição contínua do nível de líquido se faz de uma maneira indireta, uma vez que todo o percurso da onda é realizado no meio ar. Em B o transdutor gera um trem de pulsos (“burst”) ultra-sônico e, enquanto a energia acústica é gerada, o receptor está desativado. O emissor e o receptor estando num único receptáculo, faz-se necessário a ativação do receptor após a emissão do trem de ondas, visando à detecção do eco. A montagem da unidade emissão/recepção no meio gasoso traz a vantagem de se evitar o contato com o fluido do processo; em contrapartida, apresenta a desvantagem de transferir para o meio gasoso uma parcela maior de sua energia. Nas aplicações para medição de nível de líquidos, a
  • 33. 33 direção do ângulo de incidência deve ser de 2º em relação à vertical. Na instalação C, o tempo de eco ultra-sônico indica diretamente o nível do produto. A unidade pode ainda ser montada externamente ao vaso (situação D), apresentando a vantagem adicional da não necessidade, de vazar o equipamento. As instalações C e D discutidas neste sub-item são aplicáveis à detecção de nível de líquidos limpos, enquanto os esquemas A e B podem ser usados também para medir níveis de sólidos. 8.4 Prática medição nível por Ultrason