Os modernos processos industriais de fabricação exigem sistemas de controle cada vez mais sofisticados.

1. Conceitos Básicos
de
Instrumentação
Professor: Dr. Antonio Rodolfo Paulino Pessoa
rodolfopaulino@ufersa.edu.br

2. Introdução
Os modernos processos industriais de
fabricação exigem sistemas de controle cada vez mais
sofisticados.
 Grande variedade de processos e fabricação de produtos
diversos:
 Os derivados do petróleo;
 Os produtos alimentícios;
 O papel e a celulose;
 Na indústria Cerâmica;
 Na siderurgia;
 Geração de energia elétrica;
 Dentre outros.

3. Introdução
 Indispensável controlar ou manter constantes algumas
variáveis destes processos:
 Pressão;
 Vazão;
 Temperatura;
 Nível;
 pH;
 Condutividade;
 Velocidade;
 Umidade;
 Etc...
 Controle das variáveis em condições adequadas através dos:
 Instrumentos de medição e controle.

4. Histórico
• Maioria das plantas industriais era operada manualmente
antes de 1940;
• Emprego de muita mão-de-obra p/o controle das
diversas variáveis;
• Aumento no custo da mão-de-obra entre 1940 e 1950:
 Surgimento dos primeiros controladores automáticos;
 Pouco conhecimento sobre a dinâmica dos processos;
 empirismo x experiência dominavam as técnicas de projeto.
• Em 1960 uso da Teoria de Controle e Análise Dinâmica
em plantas de processos industriais;

5. Histórico
Controles de uma turbina a vapor

6. Histórico
• Entre 1970 e 1980 a Teoria de Controle evoluiu:
 Surgimento dos primeiros algoritmos capazes de realizar o
controle de forma digital;
 Surgimento controle estatístico dos processos.
• A partir dos anos 90 com o incremento na capacidade de
processamento dos computadores:
 Aplicação da inteligência artificial;
 Desenvolvimento de Sistemas Especialistas;
 Controladores baseados em lógica difusa e em redes
neurais.

7. Histórico
Controlador lógico programável
Controlador PID pneumático

8. Histórico
Sala de Controle

9. Definição
• A instrumentação é o ramo da engenharia que trata de
instrumentos industriais.
• Instrumentação é uma ciência que estuda as técnicas de
medição, registro e controle das variáveis de processo
industrial.
• Instrumentação é o ramo da engenharia que estuda os
instrumentos de medição, tais como sensores,
transmissores, indicadores, registradores, controladores
e válvulas de controle.

10. Áreas de atuação
• Fabricação: construção de componentes e
instrumento;
• Projeto: detalhamento básico e específico de
sistemas equipamentos e instrumentos;
• Especificação: estabelecimento de características
físicas, funcionais e de segurança dos instrumentos;
• Vendas: comercialização, marketing e promoção de
instrumentos.

11. Áreas de atuação
• Montagem: fixação correta dos instrumentos no
local de trabalho, para que ele opere conforme o
previsto;
• Operação: monitoração do desempenho do
instrumento e atuação manual, quando necessário,
para garantir segurança e eficiência;
• Manutenção dos instrumentos: reparo do
instrumento quando inoperante, calibração e ajuste
do instrumento quando o desempenho metrológico
o exigir.

12. Vantagens
• A qualidade e com a quantidade dos produtos;
• Fabricação com segurança e sem subprodutos nocivos;
• O controle automático:
 Existência de processos extremamente complexos;
 Impossíveis de existirem apenas com o controle manual.
• Operação e coordenação contínua de centenas e
milhares de sensores e de elementos finais de controle:
 Típicos de um processo industrial.

13. Desvantagens
• Sempre apresenta erro de medição;
• Capacidade limitada de tomar decisão;
• Precisa de programação para operar;
• Requer ajustes periódicos;
• Requer manutenção periódica;
• Consome energia;
• Para de funcionar sem avisar;
• Custo de propriedade.

14. Instrumentos (Definições)
• Instrumento: Dispositivo usado para medir e/ou
controlar uma variável de processo;
• Malha: Combinação de 2 ou mais instrumentos ou
funções de controle, arranjadas de tal forma a
medir e/ou controlar uma variável de processo.
 As Malhas podem ser de dois tipos: Aberta ou Fechada.

15. Instrumentos (Definições)
• Malha Aberta: A informação sobre a variável
controlada não é utilizada para ajustar qualquer
entrada do sistema para compensar variações nas
variáveis do processo.

16. Instrumentos (Definições)
• Malha Fechada: a informação sobre a variável
controlada é comparada com o valor pré-
estabelecido (chamado Set Point), é utilizada para
manipular uma ou mais variáveis do processo.

17. Instrumentos (Funções)
• As principais funções dos instrumentos são:
 Sensor: detecção da variável medida;
 Indicação: apresentação do valor instantâneo da variável;
 Condicionamento do sinal: operação de tornar mais amigável e
tratável o sinal original;
 Registro: apresentação do valor histórico e em tempo real da
variável;
 Controle: garantir que o valor de uma variável permaneça igual,
em torno ou próximo de um valor desejável;
 Alarme e intertravamento: geração de sinais para chamar a
atenção do operador para condições que exijam sua interferência
ou para atuar automaticamente no processo para mantê-lo
seguro.

18. Instrumentos (Terminologia)
Os termos utilizados na área de instrumentação e
controle foram padronizados com o objetivo de permitir
que os fabricantes, os usuários e os organismos que
intervêm direta ou indiretamente no campo da
instrumentação industrial usem a mesma linguagem.
 Faixa de Medida (Range): conjunto de valores da variável
medida/controlada que estão compreendidos dentro dos limites
superior e inferior de capacidade do instrumento.

19. Instrumentos (Terminologia)
 Alcance (Span): é a diferença algébrica entre os valores superior
e inferior da faixa de medição (range) do instrumento.
 Erro (offset): é a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo
instrumento em relação ao valor real da variável medida.
 Ponto de ajuste (Set Point): é o ponto no qual o controlador é
ajustado para controlar o processo.

20. Instrumentos (Terminologia)
 Exatidão (Accuracy): a aptidão de um instrumento de medição
para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.

21. Instrumentos (Terminologia)
 Sensibilidade (sensitivity): é a mínima variação que a variável
pode ter, provocando alteração na indicação ou sinal de saída de
um instrumento.
 Repetibilidade (Repeatability): É a capacidade de reprodução da
indicação ou transmissão ao se medir, repetidamente, valores
idênticos da variável medida, nas mesmas condições de operação
e no mesmo sentido de variação. É expressa em porcentagem do
alcance (span).

22. Instrumentos (Terminologia)
 Histerese (Hysteresis): É a diferença máxima apresentada por um
instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa
de trabalho, quando a variável percorre toda a escala no sentido
ascendente e descendente. É expresso em porcentagem do span.

23. Instrumentos (Classificação)
Nas indústrias é comum encontrarmos arranjos
complexos de instrumentos de medição e controle. Assim é
necessário analisa-los utilizando-se uma classificação adequada.
A classificação pode ser feita de duas formas.
 Classificação dos Instrumentos por Função:
 Instrumentos cegos;
 Instrumentos indicadores;
 Instrumentos registradores;
 Elementos primários (sensores);
 Transmissores;
 Conversores;
 Controladores;
 Elemento final de controle (válvulas).
 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento:
 Sinal pneumático;
 Sinal hidráulico;
 Sinal elétrico;
 Sinal digital.

24. Classificação dos Instrumentos (Função)
Classificação dos Instrumentos se dá de acordo com a
função desempenhada.
Malha de Controle Típica

25. Classificação dos Instrumentos (Função)
• Instrumentos cegos: São instrumentos que não possuem
indicação visível da variável medida.
 Possuem uma escala externa com um índice de seleção para
ajuste do set-point;
 Instrumentos de alarme como pressostatos e termostatos;
 Transmissores de pressão, vazão, nível e outros sem indicação
local.
Pressostato

26. Classificação dos Instrumentos (Função)
• Instrumentos indicadores: Instrumento que dispõe de um
indicador e de uma escala graduada na qual pode-se ler
o valor da variável.
 A indicação pode ser analógica ou digital;
 Também fornecer um registro.;
 Ex: Termômetros, manômetros, velocímetros, odômetros, e etc.
Velocímetro e odômetro
de uma moto

27. Classificação dos Instrumentos (Função)
• Instrumentos registradores: Instrumento que registra a
variável através de um traço contínuo ou pontos em um
gráfico.
 Os registros podem ser realizados em discos ou fitas de papel e
através de displays eletrônicos;
 Ex: barógrafo, sismógrafo, dosímetro termo luminescente, e etc.
Barógarfo Dosímetro

28. Classificação dos Instrumentos (Função)
• Elementos primários (sensores): São elementos que
estão em contato direto com a variável
medida/controlada e que utilizam ou absorvem energia
do próprio meio, para fornecer ao sistema de medição
uma resposta em função da variação da variável
medida/ controlada.
 Podem ser cegos ou indicadores.
• Transmissores: São instrumentos que detectam as
variações na variável medida/controlada através do
elemento primário e transmitem-na à distância.
 O elemento primário pode ou não fazer parte integrante do
transmissor.

29. Classificação dos Instrumentos (Função)

30. Classificação dos Instrumentos (Função)
• Conversores: São instrumentos que recebem um sinal de
entrada, procedente de outro instrumento, e
convertem-no em um sinal de saída padrão.
 O sinal de entrada pode ser pneumático ou eletrônico;
 O sinal de saída de saída padrão pode ser de dois tipos: em
corrente (4 a 20 mA, em CC) ou pressão (0,2 a 1,0 kgf/cm² ou
19,614 a 98,07 kPa).
Conversor I/P

31. Classificação dos Instrumentos (Função)
• Controladores: Instrumento que compara o valor da
variável medida/controlada com o valor desejado (set
point) e exercem uma ação de correção na variável
manipulada.
Controladores Digitais de Nível em Caldeiras

32. Classificação dos Instrumentos (Função)
• Elemento final de controle: Instrumento que recebe o
sinal de correção do controlador e, em função deste
sinal, modificam/atuam sobre a variável manipulada ou
agente de controle.
Válvula de Controle

33. Classificação dos Instrumentos
(Sinal de Transmissão)
• Sinal pneumático: é utilizado um gás comprimido cuja pressão
é alterada conforme o valor que se deseja representar.
 Normalmente é usado o ar comprimido ou N2;
 Instrumentos pneumáticos poder ser operados com segurança
em áreas onde existe risco de explosão;
 Necessidade de compressão de um gás;
 Limitação nas distância de transmissão (100 m – devido atrasos);
 Difícil detecção de vazamentos nas linhas ou nos instrumentos;
 Não permite conexão direta aos computadores.
Classificação dos Instrumentos se dá de acordo com a
natureza do sinal utilizado para transmitir as informações
desejadas.

34. Classificação dos Instrumentos
(Sinal de Transmissão)
• Sinal hidráulico: utiliza-se da variação de pressão
exercida em óleos hidráulicos para transmissão de
sinal.
 Utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou o
processo envolve pressões elevadas;
 Capaz de acionar equipamentos de grande peso e dimensão;
 Apresenta Resposta rápida;
 Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento;
 Realização de inspeção periódica do nível de óleo (troca);
 Necessita de equipamentos auxiliares:
 Reservatório, filtros, bombas, etc...

35. Classificação dos Instrumentos
(Sinal de Transmissão)
• Sinal elétrico: Esse tipo de transmissão é feito
utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão.
 Tecnologia atual capaz de produzir instrumentos eletrônicos
microprocessados;
 Largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre
risco de explosão;
 Como padrão para transmissão a longas distâncias são
utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a
20mA);
 Distâncias até 15 metros aproximadamente, também
utiliza-se sinais em tensão contínua de 1 a 5V.

36. Classificação dos Instrumentos
(Sinal de Transmissão)
• Sinal elétrico:
 Fácil detecção de rompimento dos fios de transmissão;
 A alimentação dos instrumentos pode ser feita pelos
próprios fios que conduzem o sinal de transmissão;
 Pode ser utilizado em grandes distâncias sem perdas
significativas;
 Fácil instalação e conexão aos computadores.

37. Classificação dos Instrumentos
(Sinal de Transmissão)
• Sinal elétrico:
 Necessita de técnico especializado para sua instalação e
manutenção;
 Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em
instalações localizadas em áreas de riscos;
 Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de
cabos ou fios de sinais;
 Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos
elétricos.

38. Classificação dos Instrumentos
(Sinal de Transmissão)
• Sinal digital: Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a
variável medida são enviados para uma estação receptora,
através de sinais digitais modulados e padronizados.
 A comunicação entre o elemento transmissor/receptor se é
realizada através de uma “linguagem” padrão chamado protocolo
de comunicação;
 Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento;
 Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos
dados;
 Imune a ruídos externos;
 Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer
ponto da malha;
 Menor custo final.

39. Classificação dos Instrumentos
(Sinal de Transmissão)
• Sinal digital:
 Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta
a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes.
 Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se
perder a informação e/ou controle de várias malha.

40. FIM!