Aprenda e melhore a
sua performance
CHAPTERoONE
2. A automação,
controle
e a instrumentação
Antes de começar falar de
instrumentação, vou abordar a
diferença entre as três áreas e a
relação entre elas. Dessa forma,
você, leitor, nunca mais terá dúvidas
no momento de se expressar se
posicionar quando na sua profissão
discutir-se um desses três assuntos.
Figura 1 - Automação na Indústria
A automação deriva da palavra em Latim Automatus, que significa mover por
si só, ou seja, todo sistema seja na computação com os softwares ou na engenharia
com máquinas que não dependem da interferência humana de forma permanente,
é um sistema automatizado.
A instrumentação é a área responsável pelas medidas, transmissão, indicação
e registros de todo que acontece com um sistema. A instrumentação pode estar
presentes em sistemas automatizados como um avião com piloto automático e
também em não automatizados como uma estação hidrometereológica de campo.
Como iremos abordar sistemas automatizados então nesse caso a instrumentação é
responsável por enviar uma informação para que o sistema tome uma decisão, ou
seja, a instrumentação é o “sentido” de um sistema.
O controle recebe as informações da instrumentação e processa adequando a
informação recebida ao que foi previamente definido. Num processo, o controle é
reponsável pelo rendimento máximo.
3
CHAPTER
ONE
3. Sensores,
transdutores
e
detectores
Todos os dias temos percepções no nosso meio graças ao
olfato, visão, tímpanos, paladar e tato. Essas percepções só são
possíveis graças a esses sensores naturais que respondem à
variações do meio ou sensações provocadas por nós tal como
degustar algum alimento ou ligar o ar-condicionado do seu carro.
Todas esses sensores fazer com que executemos uma ação em
função do nosso conforto, como por exemplo, desligar o ar
condicionado ou não comer um alimento estragado.
Figura 2 - Sensores naturais
Os sensores industriais não são diferentes, sua função é
gerar sinais elétricos a partir da variação de uma variável a ser
medida em um sistema e dessa forma gerar uma informação para
alguma tomada de decisão.
Figura 3 - Sensores industriais
Existem também outras nomenclaturas para definir
dispositivos para medição tais como transdutores e detectores.
Segundo o Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM) o sensor
é um elemento que é afetado por um fenômeno, corpo ou
substância que contém uma grandeza a ser medida como por
exemplo uma bóia de nível; o transdutor é um dispositivo que
fornece uma grandeza que se correlaciona com a grandeza de
entrada, como por exemplo, uma célula de carga que possui um
extensômetro (strain-gauge). Os detectores são dispositivos que
detectam a presença de um fenômeno sempre que o limite de
mobilidade de uma grandeza for detectado, como por exemplo, o
detector de fumaça ou detector de presença.
4
CHAPTER
3.1 Fotoresistor
e ONE
a
fotocondução
O fotoresistor é um sensor que quando exposto à
luz aumenta sua condução, esse efeito é denominado
de fotocondução. Basicamente esse princípio consiste
em absorção de um fóton (partícula da luz) pelo sensor
ocasionando o surgimento de corrente elétrica quando
conectado a uma fonte de alimentação externa. A
corrente é proporcional a fluxo de fótons.
Figura 4 - Fotoresistor
O foto resistor varia sua resistência de acordo com
a intensidade luminosa, quando está num ambiente
opaco a sua resistência é da ordem de MΩ e quando
exposto à luz a sua resistência diminui para a faixa de Ω.
Figura 5 - Circuito condicionador para foto resistor
5
CHAPTER ONE
3.2 Medição Pressão
Figura 6 - Manômetro
A pressão é uma grandeza que é definida como a
força aplicada perpendicularmente por unidade de
área. No dia a dia geralmente encontrado essa grandeza
sendo representada por unidades como o psi quando
vamos calibrar os pneus. No sistema internacional (SI)
utiliza-se Pa (N/m²). A pressão pode ser medida de
forma absoluta ou diferencial. A pressão absoluta
considera a pressão atmosférica exercida quando
deseja-se obter a pressão de um ponto específico num
fluido, já a pressão manométrica desconsidera a
pressão exercida pela atmosfera, ou seja, apenas
admite a pressão exercida pelo fluido, por exemplo.
Os meios mais simples para se medir pressão são os medidores mecânicos
que podem ser feitos de vidro com um fluido conhecido, os manômetros com o
princípio da deformação mecânica, os capacitivos, os piezoelétricos e os
piezoresistivos. Existem outras técnicas mais avançadas, porém serão abordadas
posteriormente, mas as técnicas já citadas compreende praticamente mais de 90%
das aplicações que são realizadas atualmente.
6
3.2.1 Medição
de pressão
CHAPTER
ONE baseada
em deformação mecânica
Os principais tipos quando se fala em medição de pressão utilizando o
princípio de deformação mecânica
são os manômetros baseados em fole,
diafragma e tubo de Bourdon, sendo este último o mais conhecido.
Figura 7 - Tubo de Bourdon
O manômetro tubo de Bourdon feitos com um
tubo de seção elíptica são largamente empregados
devido ao seu baixo custo. A configuração mais
comum é em formato C como representa a figura.
Uma de suas extremidades é conectada a entrada
de pressão e a outra é conectada a um sistema de
engrenagens que está ligado a um ponteiro. Ou seja,
a entrada de pressão causa a deformação do tubo
que causa um movimento de extremidade que é
amplificado por uma engrenagem que movimenta
um ponteiro para assim indicar o valor de pressão.
O diafragma é um dispositivo de medição de
pressão que é constituído de uma superfície
ondulada que deflete de acordo com o aumento da
pressão na sua superfície. Sendo assim, qualquer
técnica que detecte o deslocamento dessa superfície
pode ser aplicada para medir a pressão exercida.
Pode ser aplicado strain-gauges (extensômetros),
efeitos capacitivo, indutivo e piezoelétrico.
Figura 8 -Diafragma
7
3.2.2 Medição
de pressão
CHAPTER
ONE baseada
em deformação mecânica
Figura 9 - Fole
A figura ao lado mostra o design de um fole,
neste elemento o fluido entra em uma câmara que
deforma proporcionalmente à pressão de entrada
aplicada. Assim, da mesma forma que o diafragma, o
fole pode ser adaptado a um elemento transdutor,
que converte essa deformação em um sinal elétrico,
possibilitando a medida de pressão através de um
sistema de aquisição eletrônico.
 A especificação do tipo de sensor utilizado vai
depender da aplicação, ou seja, se a medição for
utilizada para a medição de pressão em uma
tubulação, utiliza-se por exemplo o manômetro de
Bourbon, se for para a detecção de pressão no fundo
de um tanque utiliza-se por exemplo o diafragma.
8
CHAPTER
ONE
3.2.3 Sensor
de pressão
capacitivo
Os sensores capacitivos, como o próprio nome já diz, é
baseado no princípio da capacitância. Um diafragma com
propriedades condutivas é o elemento sensor e constituí um
dos eletrodos do capacitor de placas paralelas o outro eletrodo
é formado por um metal depositado sobre um substrato
cerâmico ou de vidro. Quando o sistema é submetido a uma
pressão a membrana movimenta-se e altera-se a distância entre
as placas paralelas, dessa forma modificando o valor da
capacitância.
Figura 10 - Transmissor de pressão
capacitivo
Esse sensores são largamente utilizados principalmente pela grande faixa de
medição (range) em que atuam. Sua precisão está da ordem de 0,1% da leitura e
0.01% do fundo de escala.
Figura 11 - Sensor capacitivo internamente e um circuito
condicionador simplificado
9
CHAPTER
ONE
3.2.4 Sensor
de pressão
piezoelétrico
Figura 12 -Sensor de pressão
piezoelétrico
Os sensores de pressão piezoelétricos não
necessitam de fonte externa, sendo uma vantagem a
sua aplicação.
O seu princípio baseia-se na
construção de uma pilha de elementos
piezoelétricos que transformam a deformação
sofrida em um sinal elétrico. Devido à sua
característica de geração de sinal elétrico
diretamente pela aplicação de uma força, quando a
variação dessa força é cessada, as cargas voltam ao
equilíbrio e o sinal elétrico vai à zero.
Ou seja, o sensor piezoelétrico detecta pulsos de pressão. Por essa razão esse
sensor não é utilizado para medições de pressões estáticas, mas sim de pressões
dinâmicas, como por exemplo batimentos cardíacos, como observa-se nas figuras.
Existe a possibilidade de aplicação desse elemento em sistemas onde a pressão é
“quase estática” através da utilização de um circuito RC para aumentar a constante de
tempo de descarga.
10
CHAPTER
ONE
3.2.5 Sensor
de pressão
piezoresistivos
Nos sensores de pressão piezoresistivos há
uma variação de resistência quando submetidos a
uma força que deforma a estrutura de seus
elementos sensores. Um dos mais utilizados e que
estão presentes no nosso dia-dia não os
extensômetros (strain gages) largamente utilizado
em células de carga que estão em balanças
comerciais e industriais para a medição de massa.
Figura 13 - Strain Gauge
Os extensômetros são fixados em um diafragma com área definida e mede as
deformações causadas pela aplicação de uma pressão. A maioria desses elementos são
construídos de forma encapsulada , possibilitando a construção de sensores menores, o
que diminui bastante o custo desses componentes e aumenta a sua confiabilidade e
precisão.
Porém as desvantagens é que possuem muita sensibilidade à variações de
temperatura, fazendo-se necessário muito cuidado em relação a implementação de
circuitos eletrônicos para o condicionamento do sinal desse sensores.
11
CHAPTER ONE
3.3 Medição de Nível
A medição de nível é imprescindível em muitos
processos, como por exemplo, sistemas de
abastecimento de água, tanques de combustíveis,
rios, produtos industrializados, grãos em silos, etc.
Uma técnica de medição de nível mal aplicada pode
comprometer não só o processo, mas custos finais
envolvidos.
Devido aos vários tipos de processos e
produtos, existe uma variedade de técnicas e
tecnologias empregadas para mensurar essa
grandeza. Desde técnicas visuais à técnicas que
utilizam circuitos integrados são empregadas nos
medidores disponíveis atualmente.
Os métodos de medição de nível são
classificados em medição direta e indireta
Figura 14 – Escala de nível
A medição direta utiliza técnicas que possui uma referência, que é geralmente o
fundo, e o ponto em que se deseja medir, que é geralmente a superfície. Ou seja, a altura
é medida de forma direta.Alguns exemplos são: bóias, visores e réguas.
Já na medição direta o nível é determinado em função de uma segunda variável.
Alguns exemplos são: pressão diferencial, ultra-som, pesagem, capacitância, borbulhador,
radiação, lasers, entre outros.
12
CHAPTER
3.3.1 Régua
de nível ONE
e medidores
de nível
Os medidores tipo régua, geralmente
também chamados de gabaritos, são
inseridos no interior de tanque que
logicamente seja de uma altura menor que o
comprimento da régua, de modo que o zero
da régua coincida com o fundo do tanque. A
leitura é realizada diretamente pelo nível
marcado na régua. Esses instrumentos são
simples e de baixo custo permitindo a leitura
de forma fácil e instantânea.
Figura 15 - Régua de nível
Os visores de nível baseiam-se na técnica dos vasos
comunicantes, no qual a igualdade de pressão na superfície,
mantém o líquido do tanque no mesmo nível do líquido visualizado
no visor. Sua extremidade inferior é fixada na base do reservatório
e a superior na parte mais alta. São utilizados em vasos, colunas,
reatores, tanques, entre outros. Dependendo de sua característica
construtiva permite a utilização em tanques pressurizados e com
temperaturas não tão elevadas. Geralmente quando o
comprimento do tanque excede a do visor, utiliza-se a utilização
de dois ou mais.
Figura 16 - Visor de nível
13
CHAPTER ONE
3.3.2 Boias de nível
Figura 17 - Chave de nível
Outro método direto é a utilização de
bóias, para identificar o nível através de
detectores ou chaves que podem ser mecânicos
ou magnéticos. A chave de nível consiste em um
“elemento bóia” que funciona como alavanca e
é fixado a um braço.
Quando no nível da água sobe a alavanca
se movimenta e realiza um chaveamento (reedswitch) através de um imã que a bóia possui
internamente. Esse tipo de elemento pode ser
facilmente instalado para definir pontos limites
de operação em níveis de reservatórios.
Figura 18 - Detectores de nível
Ainda com chaveamento do tipo reedswitch existe os detectores de nível quasecontínuo que consiste numa bóia com um imã
deslizando sobre um eixo que possui vários
reed-switches que são chaveados segundo o
deslocamento da bóia (flutuador) imantada
14
CHAPTER ONE
3.3.3 Medidor Displacer
Figura 19 - Medidor de nível deslocador
Este tipo de medidor é baseado no
princípio físico do empuxo, o qual diz que um
corpo imergido em um fluido sofre uma força
vertical para cima.
Logo, sabendo-se o peso
de um objeto mergulhado e a força de empuxo
causada por um certo líquido sabe-se a força
resultante aplicada sobre esse corpo. Para isso, a
massa específica do corpo deve ser menor que a
do líquido para que o corpo possa flutuar.
Este medidor possui um corpo oco no formato cilíndrico que flutua sobre o
líquido a ser medido, quando maior o nível do líquido maior será a força resultante
sobre este corpo, fazendo com que haja um torque no braço do instrumento, que é
acoplado a um material magnético, e um sensor do tipo efeito Hall gere um sinal
analógico proporcional ao deslocamento do corpo, ou seja, é um tipo de medição
indireta.
15
CHAPTER
ONE
3.3.4 Nível por pressão diferencial
O transmissor de pressão diferencial mede diferencial
de pressão de uma coluna líquida , nos quais há uma
tomada de alta pressão , abaixo da coluna de líquido
(fundo do reservatório), e uma tomada de baixa pressão
acima da coluna de líquido. Tendo-se a pressão hidrostática
de um líquido, pode-se obter a altura desse líquido
conhecendo-se sua massa específica, logo facilmente
obtém-se o nível através dessa técnica.
Figura 20 - Medição de nível
por pressão diferencial
Quando mede-se o nível em um tanque fechado, se a pressão dentro do tanque
for diferente da pressão atmosférica, os lados de alta e baixa pressão são conectados
individualmente por tubos na parte baixa e alta do tanque respectivamente para obter.
Na existência de líquidos que vaporizem faz-se necessário inserir uma coluna de água
na tomada de baixa para evitar que se tal vapor se condense e provocasse uma
medição falsa.
Quando mede-se o nível em um tanque aberto, o lado de alta pressão do
transmissor é ligado ao fundo do tanque e o lado de baixa pressão é conectado à
atmosfera.
16
CHAPTER ONE
3.3.5 Nível por capacitância
O principio de medição de nível por capacitância
considera que a haste do sensor é um eletrodo do
capacitor e a parede do tanque é o outro eletrodo do
capacitor. Quando o líquido é condutor deve-se utilizar
uma capa isolante na haste do sensor e considerar essa
capa nos cálculos. Quando o líquido é isolante, pode-se
colocar a haste em contato direto com o líquido a ser
medido.
Figura 21 - Transmissor de
nível capacitivo
Quando o nível do líquido varia, ocorre também a variação da constante dielétrica
(líquido) e consequentemente o valor da capacitância. Como a maioria dos tanques são
cilíndricos, portanto deve-se utilizar os cálculos para capacitores cilíndricos. Pela figura
observa-se que a haste é montada diretamente ao sensor e é montada verticalmente
até o fundo do tanque.
São medidores simples e sua manutenção é reduzida. O principal ponto de
atenção que deve-se ter é em relação à temperatura , pois a capacitância é uma
medida que é afetada pela temperatura.
 Conhecendo-se a massa específica e a pressão de um
líquido em um tanque pode-se estimar o seu nível, ou
seja, sensores de pressão podem ser utilizados também
para medir nível.
17
CHAPTER ONE
3.4 Medição de Temperatura
Figura 22 - Termômetro
O controle de temperatura é
imprescindível tanto no dia a dia quanto
em processos industriais. Ele está presente
no ar-condicionado, na geladeira, nas
caldeiras, na fabricação do metal, na
conservação de alimentos, etc. O avanço
da eletrônica e da computação elevou-se
muito os padrões de medição de
temperatura que vão desde a dilatação de
líquidos, como num termômetro caseiro
simples à equipamentos que utilizam
princípio ótico para a medição.
 O medição e controle de temperatura, está
diretamente ligada ao consumo energético de uma
residência ou indústria afetando significativamente o
custo.
18
CHAPTER ONE
3.4.1 Termômetros de dilatação
Figura 23 - Termômetro de
mercúrio
O indicador de temperatura mais
elementar é o termômetro de mercúrio
que consiste simplesmente num tubo
capilar de vidro com uma de suas
extremidades cheia de mercúrio num
bulbo que quando aquecido se dilata na
direção da outra extremidade até atingir
um certo nível de dilatação
A escala graduada no corpo do instrumento demonstra o valor da temperatura no
bulbo. As escalas termométricas mais utilizadas é a Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF).
Figura 24 - Termômetro
bimetálico
As
termômetros
bimetálicos
consistem em dois metais de coeficientes
de dilatação diferentes colados formando
uma barra que quando exposta a uma
dada temperatura se deformará. Ou seja,
há a deformação da barra se dá
proporcionalmente
à
variação
da
temperatura.
O termômetro bimetálico é mais resistente e preciso que o termômetro de mercúrio.
No termômetro da figura a barra bimetálica é no formato helicoidal com uma de suas
extremidades ligadas a uma haste que está ligada a um ponteiro que variará
proporcionalmente à deformação do bimetálico.
19
CHAPTER ONE
3.4.2 Termômetros de pressão
Os termômetros de pressão utilizam o
princípio de dilatação térmica dos fluido que está
correlacionado à variação da temperatura e a
pressão exercida por um fluido hermeticamente
fechado. Logo, um termômetro de pressão é
simplesmente um instrumento que mede a pressão
em um sistema onde há um gás confinado. A
grande vantagem desse termômetro em relação ao
de dilatação é que há a possibilidade de se realizar
leituras remotas.
Figura 25 - Vaso de pressão
Figura 26 - Aparato para medição
de pressão
20
3.4.3 Termopar
Figura 27 - Termopares
O princípio de funcionamento do
termopar consiste na geração de uma
pequena força eletromotriz produzida
pela junção de dois metais diferentes que
quando colocados a uma dada
temperatura. Quanto maior for a
diferença de temperatura, maior será a
força eletromotriz produzida.
Uma das suas vantagens é a possibilidade de utilização em grandes distâncias sem
a perda de precisão utilizando fios de compensação.
Existem vários tipos de termopares
no mercado, sendo definidos pelo tipo do
metal do par condutor. Todos os tipos
possuem uma relação linear entre a força
contra
eletromotriz
produzida,
é
necessário apenas estabelecer a equação
da curva de calibração para converter os
valores em mV (milivolts) para ºC (graus
celsius).
Figura 28 -Termopar
Os termopares mais utilizados são os termopares do tipo T que são utilizados em
baixas temperaturas; do tipo J que são utilizados em indústrias em geral; do tipo E que
são mais utilizados na indústria química e petroquímica; e do tipo K que utiliza-se na
maioria das aplicações. Ainda há também termopares mais nobres que são constituídos
de platina que são de altíssima precisão devido a sua pureza e homogeneidade dos fios.
21
CHAPTER ONE
3.4.4 Termoresistência
Figura 29 -Termoresistência
Figura 30- Medidor
infravermelho de temperatura
O princípio de medição dos por
termoresistência é baseado simplesmente na
medição de uma resistência que varia em
função da temperatura do meio em que está
inserido. Considera-se que a resistência varia
linearmente com a temperatura a partir de um
ajuste da curva de calibração. Porém essa
linearidade é definida para cada faixa de
temperatura. Geralmente o material utilizado é
um fio metálico de platina ou níquel.
A diferença principal dos termômetros de
radiação em relação aos outros é a sua atuação
em longas distâncias, ou seja, sem contato físico
com o objeto. Este instrumento pode ser
utilizado para medir a temperatura de qualquer
sistema que emite radiação eletromagnética na
forma de luz visível ou radiação infravermelha.
Através da radiação infravermelha pode-se fazer
uma imagem de distribuição de temperatura de
qualquer sistema físico.
22
CHAPTER ONE
3.5 Medição de Fluxo
Figura 31 - Tubulação
O termo vazão é definido como a
quantidade volumétrica de um líquido, gás
ou um sólido granulado que passa em uma
tubulação. Logo, a vazão é a multiplicação
de uma área seccional pela velocidade
média do fluido. A quantificação de um
fluxo é essencial para controle e
monitoramento de transporte de energia e
massa.
Destacam-se
os
processos
industriais, a distribuição de água,
combustíveis, extração de óleo e sistemas
de injeção eletrônica.
Portanto a medição de vazão garante a eficiência e economia de todos esses
processos citados anteriormente. Assim como há diversos processos, há diversos métodos
para a medição de fluxo tais como: pressão diferencial, área variável, efeito Coriolis,
eletromagnético, ultrassom, turbina e medidores do tipo turbina. A utilização do medidor
correto deve ser feita considerando o tipo de fluido medido e suas características tais
como a viscosidade, limpeza e condutividade. Basicamente os medidores se dividem em
três grandes áreas.
 A medição de vazão é complexa e nem
sempre possui uma equação matemática
exata. Um fluido possui um campos com
acelerações e velocidades diferentes
23
3.5.1 PlacaCHAPTER
de orifício
e tubo de
ONE
Venturi
Uma placa de orifício, como mostra a
figura, é uma restrição na tubulação com
um ou mais pequenos furos. É o
dispositivo mais simples para se medir
vazão utilizando pressão diferencial.
A maior desvantagem da placa de
orifício é a sua limitação em relação à faixa
de fluxo e sua sensibilidade a distúrbios.
Figura 32 - Placa de orifício
O tubo de Venturi é similar à placa
de orifício, tendo como principal diferença
em relação àquela uma restrição mais
suave. A alteração de área no tubo de
Venturi causa uma alteração de pressão
entre a secção convergente e a “garganta”,
Figura 33 - Tubo de Venturi
dessa forma podendo-se determinar a
vazão por diferença de pressão.
Devido ao seu formato, o tubo de Venturi é menos sensível à erosão do que à placa
de orifício podendo ser utilizado com gases e líquidos sujos. Devido ao seu alto custo de
fabricação, o tubo de Venturi é mais utilizado em instalações complexas ou de grande fluxo.
24
CHAPTER
ONEe tubo
3.5.2 Placa
de orifício
de Venturi
Figura 34 - Tubo de Pitot
O tubo de Pitot mede a diferença de
pressão entre um ponto de fluxo e um ponto
próximo a superfície. Esse instrumento é
construído de maneira que meça a pressão
de estagnação ou pressão total. O tubo de
Pitot é bastante utilizado para a medição de
velocidade de deslocamento, uma aplicação
bastante utilizada na aviação. Além de
poderem ser utilizados também em
instalações permanentes e como sensores de
fluxo.
É considerado um dos mais simples sensores de vazão, sua precisão é baixa e pode
ser uma alternativa em relação à placa de orifício. A principal diferença que deve ser
ressaltada é que a placa de orifício mede o fluxo total e o tubo de Pitot detecta a
velocidade local do fluxo
Figura 35 - Bocal de vazão
O medidor de pressão do tipo bocal
possui uma geometria com seção elíptica
como mostra a figura. A diferença de pressão
entre o diâmetro anterior e o diâmetro
posterior do bocal é medida. Sua qualidade é
intermediária em relação à placa de orifício e
ao tubo de Venturi. A vantagem é que
apresenta maior capacidade de fluxo do que
a placa de orifício e um menor custo em
relação ao tubo de Venturi.
25
CHAPTER
ONE
4 Calibração
de instrumentos
de medição
Não é só automatizar. Quando se
fala em instrumentação e controle
devemos nos preocupar com a
medição SIM. É ela quem vai definir as
melhores estratégias aplicadas
ao
controle do seu processo que resultará
num
melhor
desempenho
e
consequentemente economia para
gerar o produto final desejado.
Figura 36 - Osciloscópio
Existem algumas terminologias que já adotada entre todas as entidades
desenvolvidas que classificam as características dos indicadores, transmissores,
válvulas e registradores. A seguir serão listadas essas características.
Alcance (Span): o span é a diferença entre o limite superior e o limite inferior do
alcance.
Faixa de medida (Range): é a faixa de indicação delimitada pelo valor mínimo e
pelo valor máximo que o instrumento identifica.
Zero do instrumento: o zero do instrumento é o valor mínimo a ser medido.
Exatidão: é a capacidade do instrumento fornecer respostas próximas ao
verdadeiro
Classe de exatidão: é definida por um número ou ´símbolo com o objetivo de
manter as incertezas de medição dentro de certos limites
Repetitividade: é a capacidade de um instrumento fornecer valores próximos em
repetidas aplicações do mesmo mensurando sob as mesmas condições de medição.
Sensibilidade: é a resposta de instrumento de medição relacionada a um
estímulo.
Resolução: é a menor medida entre indicações de um instrumento.
26
CHAPTER
ONE
Calibração
de instrumentos
de medição
Num processo existe o erro máximo admitido e este erro esta
em função dos instrumentos que são utilizados, portanto, os
instrumentos apresentam erros e é importante conhecer como eles
interferem no processo para tentar mitigá-los. Existem tipos de erros
de medição e eles são listados abaixo:
Linearidade: a linearidade indica o máximo desvio da curva de
resposta do sistema em relação aos pontos reais.
Figura 37 - Multímetro
Histerese: a linearidade indica o máximo desvio da curva de resposta
do sistema em relação aos pontos reais.
Zona morta: é intervalo máximo que um estímulo pode variar em ambos os sentidos
sem produzir variação da resposta de um instrumento de medição.
Tempo morto: é o tempo entre o instante de aplicação de um sinal (degrau) e o início
em que o sistema começa a apresentar uma resposta.
Constante de tempo: é o tempo para o valor da resposta atingir 62,3% do valor em
regime permanente (valor final).
Tempo de subida: é o tempo necessário para a resposta do instrumento excursionar
de 10% a 90% do valor em regime permanente.
27
CHAPTER
ONE
5. Sistemas
de aquisição
e
controle
Figura 38 - Arduino
Figura 39 - CLP
Figura 40 - NI-Rio
Muitos sistemas de aquisição e controle de dados veem sendo desenvolvidos
tanto para o setor industrial quando para área científica e hoje em dia até para
aplicações IoT de baixo custo como é o caso do Arduino. A crescente evolução do
desenvolvimento desses hardwares dá-se principalmente pelo crescente
encapsulamento de componentes em circuitos integrados que ocupam muito pouco
espaço. A microeletrônica não impõem limites à capacidade de criar todos os dias a
possibilidade de dispositivos cada vez menores e interfaces gráficas cada vez melhores.
A miniaturização desses dispositivos acompanham o seu desempenho que
consequentemente proporcionam maiores precisões na medição e reflete em
economia e produtividade na indústria.
A escolha de um sistema de aquisição deve contemplar sempre a necessidade
específica de um projetos. As especificações mais importantes que deve-se atentar é a
quantidade de entradas e saídas necessárias, o tipo de ambiente onde o sistema de
aquisição ou controle irá operar, a taxa de aquisição do sistema e a interface com os
sensores, linguagem de programação, acessibilidade no mercado, confiabilidade e
suporte. Não há uma padronização para a utilização desses dispositivos, cada fabricante
determina operacionalidade e programação.
28
CHAPTER ONE
6. Técnicas de Controle
Após entender todos os fundamentos dos equipamentos utilizados para controlar
um processo, é necessário o estudo do sistema que será controlado, ou seja, a planta
do processo. Basicamente existem dois caminhos, o estudo matemático do processo,
partindo de equações físicas dos processos envolvidos até chegar a um modelo final da
planta ou partir para métodos empíricos que identificam o sistema e sintonizam a
malha de controle. O que é importante definir é a estratégia de controle proposta, a
dinâmica do processo envolvida, o desempenho desejado do processo e o algoritmo de
controle utilizado. Observa-se no diagrama de blocos que o controlador em amarelo
recebe dois sinais, o valor desejado e o valor do processo que é ajustado de acordo
com a diferença entre esses.
Figura 41 - Diagrama de blocos Malha Fechada
29
CHAPTER ONE
Técnicas de Controle
Após a instalação da planta com todos os instrumentos e o processo pronto, o
controlador é ajustado até atingir o desempenho ideal. Esse método é chamado de
sintonia (Tuning). Essa técnica é feita mediante critérios de desempenho definidos.
Dependendo da variável a ser controlada como vazão, pressão, nível ou temperatura,
há algumas particularidades do comportamento dessas variáveis em um sistema que
definem o tipo de controlador a ser utilizado.
No caso da vazão a resposta é rápida e medição com ruído, logo não se utiliza o
controlador D (derivativo). No controle de nível há um tempo morto que depende do
tamanho do reservatório e devido à turbulência são utilizados controladores PI. Nos
controle de pressão à gás, devido ao tempo de resposta pequeno normalmente são
utilizados apenas os controladores PI. No controle de temperatura normalmente são
utilizados controladores PID devido à inércia térmica da dinâmica do sistema.
Figura 42 – Processo controlado
30
6.1 Controle ON-OFF
A saída do controle ON-OFF ou está totalmente ligada ou está totalmente
desligada, ou seja, é aplicado toda potência ou não é aplicado toda a potência pelo
atuador. Dois exemplos de controle ON-OFF encontrados no nosso dia-a-dia são o arcondicionado e geladeira. Esse controlador possui uma banda morta, mais conhecida
como histerese que é utilizada para evitar uma alta oscilação no controlador de de
“liga-desliga”.
Quando o erro tem abaixo do limite inferior, o controlador está desligado e ligará
somente após atingir um valor positivo. A zona morta define uma região de fronteira
mesmo quando o erro cai abaixo de zero para o controlador não se deligar
imediatamente. Ou seja, o erro irá flutuar entre um limite inferior e um limite superior.
A escolha da banda morta deve ser feita considerando a relação entre a
amplitude do erro e a frequência de oscilação.
Figura 43 – Diagrama de blocos controle ON-OFF
31
CHAPTER
ONE
6.2 Controle
Proporcional
e
Proporcional-Integral
A resposta ligado ou desligado do controlador visto acima é adequada para
sistemas com grande inércia e que se pode tolerar uma faixa de erro. Já quando desejase uma região linear de controle utiliza-se um controlador proporcional.
Ao invés de uma banda morta, o controlador esse controlador possui uma banda
proporcional que é a região onde o controlador responde linearmente. Pequenas
variações do erro em torno do zero produzem variações proporcionais na saída do
controlador.
O controlador proporcional pode ter ação tanto direta quanto inversa. Quando
em ação inversa, um aumento da variável de processo causa uma diminuição da
variável de saída. O uso do controlador proporcional sozinho tem uma desvantagem,
pois possui um offset de erro que não se elimina com o controlador proporcional
puro. No exemplo da figura os distúrbios causados pelo operador causa esse offset.
Figura 44- Circuito com
controle proporcional
32
6.3 Controle derivativo
O modo de controle derivativo, quando combinado com a ação proporcional, tem
a função de antecipar a ação de controle a fim de que a resposta ao processo seja mais
rápida. Essa ação é eficaz em sistemas nos quais a taxa de mudança da variável
controlada é alta.
A ação derivativa amplifica mudanças no sinal de entrada do controlador,
podendo causar grande variação na saída do controlador que pode ser indesejada por
duas razões: a ação derivativa no sinal degrau vai para o infinito, ou de forma prática,
abre ou fecha completamente uma válvula. Essa ação de controle pode levar a
perturbações no processo e condições inseguras de operação. Uma solução para
prevenir esse efeito é alterar o algoritmo de modo que a ação derivativa recebe a
variável controlada, não o erro. Outro problema é o ruído á alta frequência na variável
controlada, o qual é causado também pela excessiva variação na variável manipulada.
Uma solução óbvia para isso é reduzir o tempo derivativo próximo a zero.
Figura 45 – Comportamento controle derivativo
33
CHAPTER
ONE
6.4 Controle
proporcional
+
integral + derivativo (PID)
Essa técnica comumente chamada de controle PID, é a soma das três ações vistas
anteriormente, a ação proporcional, a ação integral e a ação derivativa. Há vários
arranjos que podem ser feitos para essa técnica .
O controle PID possibilita uma ação de controle mais antecipada do que o
controle P e o controle PI devido à ação de D. Isso reduz o efeito de uma perturbação e
diminui o tempo necessário para que a variável de processo alcance o valor do
setpoint.
Um controlador com o algoritmo PID possui um set point (SP) que o operador
define uma determinada temperatura, a saída CO define a abertura da válvula e a
variável PV (variável de processo) indica através do transmissor o valor da temperatura
do processo para o controlador calcular o erro.
Figura 46 – Processo com controle PID
34
CHAPTER
ONE
6.5 Controle
proporcional
+
integral + derivativo (PID)
Essa técnica comumente chamada de controle PID, é a soma das três ações vistas
anteriormente, a ação proporcional, a ação integral e a ação derivativa. Há vários
arranjos que podem ser feitos para essa técnica .
O controle PID possibilita uma ação de controle mais antecipada do que o
controle P e o controle PI devido à ação de D. Isso reduz o efeito de uma perturbação e
diminui o tempo necessário para que a variável de processo alcance o valor do
setpoint.
Um controlador com o algoritmo PID possui um set point (SP) que o operador
define uma determinada temperatura, a saída CO define a abertura da válvula e a
variável PV (variável de processo) indica através do transmissor o valor da temperatura
do processo para o controlador calcular o erro.
Figura 47 – Desempenho ações de controle
35
CHAPTER ONE
7. Simbologia
Indicador local
TRC auxiliar
Indicador remoto
CLP local
Indicador auxiliar
CLP remoto
TRC local
CLP auxiliar
TRC remoto
Computador local
36
CHAPTER ONE
Simbologia
Computador auxiliar
Indicador auxiliar
Computador remoto
Indicador remoto
Indicador luminoso
local
Medidor de nível local
Indicador luminoso
remoto
Medidor de nível
auxiliar
Indicador luminoso
auxiliar
37
CHAPTER ONE
Simbologia
Medidor de vazão placa
de orifício
Extensômetro
(Strain Gauge)
Medidor de pressão por
diafragma
Termômetro
Bimetálico
Medidor de pressão
Termômetro à
gás
Manômetro (Tubo de
Bourbon)
38
Termômetro
geral
CHAPTER ONE
7. Simbologia
Termômetro
termoacoplado
Conversor
Bocal de vazão
Medidor de
nível capacitivo
Medidor de
vazão Venturi
Bóia de nível
Medidor de nível
por deslocamento
Medidor de nível
ultrassônico
Sensor Vortex
39
CHAPTER
8. Fluxograma
de ONE
Instrumentação
A figura 48 mostra um diagrama de instrumentação simplificado com uma malha
de controle de nível que possui um transmissor de nível LT 100, um indicador de nível
que está no campo LI 100 e um controlador indicador de nível LIC 100 que envia o sinal
de nível para o posicionador da válvular que determinará o controle da
abertura/fechamento da mesma
Figura 48 - Malha controle de nível
40
“
Jefferson Cutrim Rocha
Eng. de Controle e Automação
Fazeduca © 2016 Todos os direitos reservados