Instrumentacao & Controle
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Instrumentação Básica1 © 2011 Copyright Smar
Aspectos de Instrumentação &
Controle Automático de Processos
Instrumentação Básica2
Evolução Controle Automático de Processos
“O Início da Instrumentação e Controle de Processos”1778 - Watt - Máquina a vapor
1878 - Maxwell - Teoria / Controlador de Watt1930 - Nyquist - 1º Livro sobre Controle
Instrumentação Básica3
Evolução Controle Automático de Processos
Controle Manual
Instrumentação Básica4
• “O controle manual não permite a eliminação do erro, resultando em uma amplitude de variação excessiva do valor da variável que se deseja controlar”.
TEMPO
DESVIO
0
+
-
VALOR
OBTIDO
VALOR
DESEJADO
(SET-POINT)
ERRO
Controle Manual
Instrumentação Básica5
Instrumentação PneumáticaO Tempo da Agulha (anos 40)
Fole -------------> CapacitorMola -------------> Indutor
Custo elevado
Operação dedicada
Pouco flexível
Manutenção Dispendiosa
Limitação de distância
Precisão reduzida
Instrumentação Básica6
SensorVálvula
de
Controle
ControladorControle Local
Telemetria
À medida que os processos controlados se multiplicaram, surgiu a necessidade da operação se realizar à distância e de forma
centralizada.
Instrumentação Básica7
À medida que os processos controlados se multiplicaram surge a necessidade da operação à distância e de forma centralizada.
Sensor
Controlador
Válvula
de
Controle
Telemetria
Instrumentação Básica8
Os Painéis Centralizados
Instrumentação Básica9
Instrumentação
Ciência que aplica e desenvolve técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos de fabricação,
visando a otimização na eficiência desses processos.
O uso de intrumentos em processos industriais visa a obtenção de um produto de melhor qualidade com menor
custo, menor tempo e com quantidade reduzida de mão de obra.
- Incrementar e controlar a qualidade do produto;
- Aumentar a produção e o rendimento;
- Obter e fornecer dados seguros da matéria prima e quantidade produzida além de ter em mãos dados relativos à economia dos processos.
A utilização de instrumentos nos permite:
Instrumentação Básica10
A Eletrônica entra em cena
• 1947: A invenção do transistor revoluciona a eletrônica.
• 1958: Surge o primeiro circuito integrado, possibilitando a compactação em escala ampla.
• 1961: O primeiro circuito integrado lógico.• 1965: PDP-8, o primeiro computador digital
largamente utilizado em controle de processos.
Instrumentação Básica11
A Eletrônica Analógica
• A instrumentação baseada na eletrônica analógica ganha força com o advento dosamplificadores operacionais.
• A Smar lança seus primeiros produtos na década de 80.
+-
Instrumentação Básica12
TRANSMISSOR A 2 FIOS
- Alimentação (24 Vdc) e comunicação (4 a 20 mA) no mesmo par de fios.
TRANSMISSOR A 4 FIOS
- Alimentação e comunicação independentes.
Alimentação (110 Vac):
Saída digital
Saída 4 a 20 mA
Transmissores Analógicos
Instrumentação Básica13
A Integração dos Circuitos
Os circuitos integrados propiciam a redução dos equipamentos e baixam seu custo.
Instrumentação Básica14
Esforço pela Miniaturização
O Transmissor LD250 foi o primeiro produto da SMAR a se beneficiar dessa nova tecnologia de montagem que permitiu uma sensível
diminuição de tamanho do equipamento (1988).
LD200
LD250
Instrumentação Básica15
Os Circuitos Lógicos
• Os computadores digitaisempregam circuitos lógicos, a principio com componentes discretos e a seguir com circuitos integrados.
• Surgem os CLPs (Controladores Lógicos Programáveis), que substituem os relés nos comandos elétricos.
Instrumentação Básica16
Controladores Programáveis
• Dentro deste conceito, em 1968 surgiram os microcomputadores desenvolvidos especialmente para efetuar operações e controles lógicos sobre os equipamentos com possibilidade de reprogramação de suas funções;
• Este equipamento especial foi chamado de PLC (Programmable Logic Controller) ou em português, CLP Controlador Lógico Programável.
Instrumentação Básica17
• Automação em fábricasIndústria automobilística Sistemas de engarrafamento Sistemas de armazenagem
• Automação predialAutomação de tráfegoAquecimento, ar-condicionado
• Automação de Processo Plantas de purificaçãoIndústria química e petroquímicaIndústria de papel e têxtil
• Indústria de geração e distribuição de Energia
Plantas de geração
ex. BMW em
Regensburg, Alemanha
ex. Bibliothèque Nationale
de France, Paris, França
ex. Darboven Coffee,
Hamburg, Alemanha
e.g. Warsaw Subway,
Warsaw, Polônia
ex. Refinaria, Esmeralda,
Equadorex. Polymer storage tank,
Scarborough, Canada
ex. Fábrica de garradas
Taunton, UK
Mais de 500 mil aplicações
Controladores Programáveis - Aplicações
Instrumentação Básica18
LC700 Smar
Instrumentação Básica19
Painéis de Controle Centralizados
À medida que os controles se tornam mais numerosos aumenta a complexidade das instalações.
Instrumentação Básica20
Sistemas de Controle Distribuído
Instrumentação Básica21
REDE DEREDE DE CAMPO CAMPO
REDE DEREDE DE CONTROLE CONTROLE
A outros níveisA outros níveis
REDE DEREDE DEGERENCIAMENTO GERENCIAMENTO
Rede de ControleRede de Controle
SupervisãoSupervisãoBanco deBanco de Dados Dados
Rede de PlantaRede de Planta
Rede deRede deCampoCampo
Redes de Comunicação Industrial
Instrumentação Básica22
Aspectos de Mercado
20%
40%
60%
80%
100% 93%92% 88%
86%
60%
48%
36%34% 34% 28%
10%
PressãoTemperatura
VazãoNível
Condutividade/Resistividade
PH/ORP
Oxigênio Densidade Outros
analíticos Multivariável
Outros
Variável de processo
% de respostas
Fonte: Revista Control Engineering 2002 - Transmitter Product Focus Study
A somatória chega a mais de 100%, devido a múltiplas respostas.
O uso de transmissores nos processos de controle.
Instrumentação Básica23
MEDIÇÃO DE PRESSÃO
15 mbar
Instrumentação Básica24
PressãoSe uma pessoa pisar na lama ou na areia fofa, nela será
desenhada a marca das solas de seus sapatos. Isso acontece porque os pés da pessoa exerceram uma
força sobre a superfície em que se apoiaram.
Pois bem, toda força, quando aplicada sobre uma área tem como resultado uma grandeza física chamada de
pressão. Isso quer dizer que pressão é a força distribuída por uma determinada área.
Instrumentação Básica25
Definição de Pressão
Pode ser definida como sendo a relação entre uma força aplicada perpendicularmente (90º) à uma área e é expressa pela seguinte equação:
1 cm
10Kg
Ex: 10Kgf/cm²
P = FA
em que,
P = PressãoF = ForçaA = Área
Instrumentação Básica26
Pressão Atmosférica
É a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície terrestre. Ao nível do mar esta pressão é
aproximadamente de 760 mmHg.
Instrumentação Básica27
Pressão Manométrica
É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência.
Ela pode ser chamada de pressão relativa positiva ou pressão relativa negativa.
1000 mmHg
1000 mmHg
Instrumentação Básica28
Pressão Relativa Positiva
1000 mmHg
1000 mmHg
Importante: Ao se exprimir um valor de pressão manométricapodemos colocar após a unidade a letra “g” ou não, conformemostra o exemplo:
Exemplo : 3 Kgf/cm2 g = 3 Kgf/cm2
É quando um sistema tem pressão relativa maior que a pressão atmosférica, tendo a sua indicação o valor
positivo e não depende da pressão atmosférica local.
Instrumentação Básica29
É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica, tendo a sua indicação o valor
negativo e não depende da pressão atmosférica local.
Pressão Relativa Negativa ou Vácuo
Instrumentação Básica30
É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto.
Pressão Absoluta
PRESSÃO
ATMOSFÉRICA
( REFERÊNCIA )
PRESSÃO
MANOMÉTRICA
( Positiva)
PRESSÃO
MANOMÉTRICA
(Negativa ou Vácuo)
VÁCUO
ABSOLUTO
PRESSÃO
ABSOLUTA
760 mmHg
0 mmHg
Instrumentação Básica31
Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta.
Exemplo : 3 Kgf/cm2 a Pressão Absoluta3 Kgf/cm2 Pressão Relativa
Pressão Absoluta
1760 mmHg
1675 mmHg
Instrumentação Básica32
Tubo BourdonDispositivos para Medição de Pressão
Instrumentação Básica33
Membrana ou Diafragma
Fole
Instrumentação Básica34
Colunas de Líquido
P1 – P2 = h . dr
Manômetro de tubo em “U”
Manômetro de Coluna
Reta Vertical
Instrumentação Básica35
Sensor tipo Capacitivo
Tubos CapilaresTubos Capilares
Diafragma SensorDiafragma Sensor
VidroVidro
Fluido de EnchimentoFluido de EnchimentoFluido de EnchimentoFluido de Enchimento
Diafragma de ProcessoDiafragma de Processo
Placas do CapacitorPlacas do Capacitor
Instrumentação Básica36
• É o sensor mais utilizado em transmissores de pressão.
C = CapacitânciaЄ = Constante dielétrica do meio existente entre
as placas do capacitor.A = Área
D = Distância entre as placas
Sensor tipo Capacitivo
Instrumentação Básica37
Manifolds
• Válvulas Manifolds podem ser instaladas com afinalidade de facilitar a manutenção do processo;
– Equalização das câmaras do transmissor
Manifold3-Vias
PTPT
Instrumentação Básica38
Sistema de Selagem
• Chamamos de selagem eminstrumentação, o sistemautilizado para isolar o fluído deum processo, do seudispositivo de medição.
PROCESSO SISTEMA DE SELAGEM DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO
Instrumentação Básica39
Tubo SifãoSistema de Selagem
Instrumentação Básica40
Instalação de pote de selagem no tubulão superiorda caldeira.
Sistema de Selagem
Instrumentação Básica41
MEDIÇÃO DE NÍVEL
15 %
Instrumentação Básica42
O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do próprio processo, mas
também para fins de cálculo de custo.
Nível é a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido.
Medição de Nível
Instrumentação Básica43
MEDIÇÃO DIRETA MEDIÇÃO INDIRETA MEDIÇÃO DESCONTÍNUA
- Réguas ou Gabaritos;- Visores de Nível;- Bóia ou Flutuador;
- Displacer (empuxo);- Pressão diferencial (diafragma);- Borbulhador;- Capacitância;- Ultrassônico;- Por pesagem;- Por raio gama;
- Chave de nível vibratória (diapasão);- Bóias;- Eletrodos;
Os três métodos básicos de medição de nível são:
Métodos de Medição de Nível
Instrumentação Básica44
500
499
498
497
496
2
1
Régua ou Gabarito
Visores de Nível (vidro)
Tipo Tubular
Medição Direta
Instrumentação Básica45
GASLIQUIDO
VIDROVIDRO
Plano (Reflex ou Transparente)
Instrumentação Básica46
• Os visores de nível sedestinam exclusivamente àmonitoração do nível delíquido ou da interface entredois líquidos imissíveis, emvasos, colunas, reatores,tanques, etc. submetidos ounão à pressão.
Visores de Nível
Instrumentação Básica47
Plano (Reflex ou Transparente)
Instrumentação Básica48
Bóia ou Flutuador
Instrumentação Básica49
Bóia ou Flutuador
Instrumentação Básica50
Medição de Nível por Pressão Hidrostática • A medição de nível por pressão hidrostática, esta baseada no
Teorema de Stevin, que relaciona o nível de um reservatório coma pressão hidrostática gerada pela coluna líquida de produtodentro do reservatório.
P = Pressão em mm H2O ou polegada H2Oh = nível em mm ou em polegadad = densidade relativa do líquido em relação à água na temperatura ambiente.
P = h . dr
Medição Indireta
Instrumentação Básica51 51
TransmissoresTransmissores de de NívelNível
Medição de Nível por Pressão Hidrostática
Instrumentação Básica52
Quando o nível estiver em 0%:
PL = PatmPH = h . d + PatmPH = 0 . 1,2 + PatmPH = 0 mmH2O + Patm
∆P = PH – PL ∆P = 0 + Patm – Patm ∆P = 0 mmH2O
d = 1,2
h =
3000
mm
PL = Patm
Tanque Aberto
Quando o nível estiver em 100%:
PL = PatmPH = h . d + PatmPH = 3000 . 1,2 + PatmPH = 3600 mmH2O + Patm
∆P = PH – PL ∆P = 3600 + Patm – Patm ∆P = 3600 mmH2O
Medição de Nível por Pressão Hidrostática
Instrumentação Básica53
Medição de Nível por Pressão Hidrostática
liq. = 1,2h =
3000
mm
PL = Patm
Tanque Aberto (Supressão de Zero)
y1 =
100
0mm
Patm
Aplicado somente para líquidos.
Instrumentação Básica54
Medição de Nível por Pressão Hidrostática
h =
3000
mm
Ptopo
Tanque Fechado (Elevação de Zero)
hy1
= 10
00m
my1 e y2 = 1,0
hy1
= 40
00m
m
Aplicado somente para líquidos.
líq. = 1,2
Instrumentação Básica55
RD400 – Transmissor Radar por Onda Guiada• O RD400 é um transmissor de nível inteligente com protocolo
de comunicação HART, projetado para detectar níveis de líquidos, semi-sólidos ou sólidos em tanques através de uma sonda tipo cabo flexível, haste rígida ou coaxial.
Instrumentação Básica56
• Através de um gerador de radio-freqüência localizado no interior doequipamento, pulsos eletromagnéticos são guiados através de umasonda em contato com o processo cujo nível se deseja medir.
• As ondas, ao entrarem em um meio com constante dielétricadiferente, retornam pela sonda devido à mudança da impedânciadesse meio.
RD400 – Transmissor Radar por Onda Guiada
Instrumentação Básica57
• Tecnologia de medição de nível pelo princípio de TimeDomain Reflectometry (Reflectometria no Domínio doTempo - TDR);
• Independe de variações de densidade e/ou temperatura;
• Medições não afetadas por viscosidade, gravidade, gasesno interior dos reservatórios e turbulência no processo;
• Fácil instalação e manutenção;
• Exatidão de ±7 mm;
• Configuração remota via configurador HART® ou porajuste local;
• Cálculo de volume por linearização de tanques irregulares;
RD400 – Características e Operação
Instrumentação Básica58
Componentes do RD400
» Carcaça - Contém toda a eletrônica doequipamento, ajuste local, terminais deconexão e display de cristal líquido.
» Isolador - Isola o circuito eletrônico doprocesso e guia os pulsos pela sonda. Garantetambém a rotação da sonda.
» Guia ou Sonda - É através da sonda que ospulsos percorrem seu caminho rumo ao (ouvindo do) processo, sem perder potência.
Instrumentação Básica59
RD400 – Tipos de Hastes
Instrumentação Básica60
O ultrassom é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 KHz.
• Baixo Custo;• Fácil Montagem e Manutenção;
Medidor de Nível Tipo Ultra-Som
Os Medidores de Nível tipo Ultra-Som utilizam ondasmecânicas de até 50KHz, emitidas por cristais.
Instrumentação Básica61
Desvantagens
Espumas e Bolhas;
Vapores e Gases;
Agitação, Turbulência;
Incrustações e outros
obstáculos internos;
Ultrassom
Instrumentação Básica62
Ondas eletromagnéticas de 8,5 a 9,1 GHz, como o radar convencional, mas guiadas por uma sonda.
RD400 – Transmissor Radar por Onda Guiada
Instrumentação Básica63
Ondas não sofrem interferência da poeira aoredor, ou de outras fontes que criem falsos
ecos.
Considera-se apenas a medição na superfície total do produto medido.
O instrumento desconsidera os fatores que não podem ser ignorados pelos outros medidores,
por causa do próprio princípio de funcionamento deles.
Como funciona?
RD400 – Transmissor Radar por Onda Guiada
Instrumentação Básica64
Selo Remoto
• O SR400 é um selo remoto que permite aotransmissor fazer medidas em situações não permitidasa este. Os selos remotos disponíveis na série SR301são: flangeado tipo "T", conexão flush, roscado,sanitário, flangeado com extensão.
• O SR400 possui também os transmissores de pressãomanométricos ou diferenciais sanitários que sãoutilizados para aplicações alimentícias ou onde asconexões sanitárias são necessárias.
Instrumentação Básica65
MEDIÇÃO DE VAZÃO
15 m3/h
Instrumentação Básica66
É a quantidade de fluído que passa por um determinado local, durante um intervalo de tempo.
Medição de Vazão
Definição ?
A medição de vazão é aplicada onde se necessita conhecer a quantidade de produtos utilizados para
dosagens, para fins contábeis (custódia) e também para a verificação do rendimento do processo.
Aplicações... ?
Instrumentação Básica67
Três tipos fundamentais de medidores de vazão:• Indiretos;• Diretos;• Especiais;
Tipos de Medidores de Vazão
Medidores de Quantidade
• Pesagem: Balanças• Volumétricos: Hidrômetros
Instrumentação Básica68
Medidores de Quantidade - Pesagem
Instrumentação Básica69
Tipo Engrenagens
Medidores de Quantidade - Volumétrico
Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4
Entrada Saída
Instrumentação Básica70
Medidores de Quantidade - Volumétrico
Instrumentação Básica71
Medidores Volumétricos
Perda de Carga VariávelConsiderando-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.
Instrumentação Básica72
A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluído passa
através deles.
A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de
pressão.
Medição por Elementos Primários
Instrumentação Básica73
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.
Instrumentação Básica74
Placa de Orifício
Instrumentação Básica75
Tipos de Placa de Orifício:
Concêntrica:
Este tipo de placa de orifício é utilizado para líquido, gases e vapor que não contenham
sólidos em suspensão.
Excêntrica:
Este tipo de orifício é utilizado em fluido contendo sólidos em suspensão, os quais
possam
ser retidos e acumulados na base da placa; nesses casos, o orifício pode ser
posicionado
na parte baixa do tubo, para permitir que os sólidos passem.
Segmental:
A placa de orifício segmental é destinada para uso em fluidos em regime laminar e com alta
porcentagem de sólidos em suspensão.
Perda de Carga variável: Placa de Orifício
Instrumentação Básica76
Perda de Carga variável: Placa de Orifício
Tipos Contorno de Orifício:
Orifício com bordo quadrado:
É empregado em tubulações maiores que 6”. Não é utilizada
para medições de vazão de fluidos com número de REYNOLDS baixo.
Orifício com bordo arredondado:
É utilizado para fluidos altamente viscosos onde o nº de REYNOLDS
está em torno de 300.
Instrumentação Básica77
Perda de Carga variável: Placa de Orifício
Tipos Contorno de Orifício:
Orifício com bordo quadrado e face da jusante em ângulo de 45º. É de uso
geral.
Orifício com bordo quadrado com rebaixo na fase jusante. É usado quando se requer uma
grande precisão em uma tubulação menor que 4”.
Orifícios Especiais:
Instrumentação Básica7878
Tipos
de
Tomadas
Legenda
D - diâmetro interno da tubulação
β - relação entre o diâmetro interno D da tubulação e o diâmetro do orifício da placa
β = d / D
Instrumentação Básica79
Tomada Flange Taps
Instrumentação Básica80
Tomadas Radius TapsTubulações acima de 6”
Instrumentação Básica81
Tomada Pipe Taps
Instrumentação Básica82
Tubo Pitot
O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta colocada na direção da corrente fluída
de um duto.
A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da
velocidade.
Instrumentação Básica83
“Os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes, ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo
o oposto em tubos divergentes”.
Tubo Venturi
Instrumentação Básica84 84
O Tubo Venturi apresenta algumas vantagens em relação a outrosmedidores de perda de carga variável como:
1. Boa precisão ( 0,75%);
2. Resistência a abrasão e ao acúmulo de poeira ou sedimentos;
3. Capacidade de medição de grandes escoamentos de líquidos emgrandes tubulações;
4. Permite medição de vazão 60% superiores à placa de orifício nasmesmas condições de serviço, porém com perda de carga de no máximo20% do P.
Tubo Venturi
Algumas das desvantagens:
1. Custo elevado (20 x placa de orifício);
2. Dimensões grandes e incômodas;
3. Dificuldade de troca uma vez instalado.
Instrumentação Básica85
O Bocal de Vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos um meio termo entre a placa de orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão
permite sua aplicação em serviços onde o fluído é abrasivo e corrosivo.
Situada na tubulação com duas tomadas, permite a medição de vazões 60% superiores as de placa de orifício nas mesmas condições de serviço.
A sua perda de carga é 30% a 80% da pressão diferencial. Sua principal aplicação é na medição de vapor com alta velocidade e fluidos que
arrastam sólidos em pequena quantidade.
Bocal
Instrumentação Básica86
O medidor tipo “V” Cone que mede a diferença de pressão entre a pressão estática da linha e a pressão depois do cone.
“V” Cone
Instrumentação Básica87
Relação P x Q
Q varia quadraticamente em função do P
Instrumentação Básica88
Qc = vazão corrigida em %K = constante = 10Pa = pressão de trabalho absoluta, barTa = temperatura de trabalho absoluta, KelvinP = pressão diferencial em %Ppa = pressão absoluta de projeto, barTpa = temperatura absoluta de projeto, Kelvin
Q KPa P T
Ta PCPa
Pa
Medição de Vazão Compensada
Instrumentação Básica89
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
15 °C
Instrumentação Básica90
Conceitos BásicosConceitos Básicos
TEMPERATURA: grau de agitação térmica das moléculas.
ENERGIA TÉRMICA: é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos.
CALOR: é a energia em trânsito.
DefiniçõesDefinições
PIROMETRIA: medição de altas temperaturas, na faixa onde osefeitos de radiação térmica passam a se manifestar.
CRIOMETRIA: medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelaspróximas do zero absoluto.
TERMOMETRIA: termo mais abrangente que incluiria tanto aPirometria como a Criometria.
Medição de Temperatura
Instrumentação Básica91
Conceitos
Pirometria: Medição de altas temperaturas, na faixa onde osefeitos de radiação térmica passam a se manifestar.
Criometria: Medição de baixas temperaturas, ou seja,aquelas próximas do zero absoluto.
Termometria: Termo mais abrangente que incluiria tanto aPirometria como a Criometria.
Instrumentação Básica92
Meios de Transmissão de Calor
• CONDUÇÃO
• RADIAÇÃO
• CONVECÇÃO
Escalas de Temperatura
Conversão de Escalas°C = °F – 32 = K – 273 = R - 491
5 9 5 9
Instrumentação Básica93
Medidores de Temperatura por Dilatação/Expansão
1 - Termômetro a Dilatação de LíquidoPrincípio de Funcionamento
Os termômetros de dilatação de líquido baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro
de um recipiente fechado.
Substância Fusão(°C)
Ebulição(°C)
Faixa de Uso(°C)
Mercúrio -39 +357 -38 a 550
Álcool Etílico -115 +78 -100 a 70
Tolueno -92 +110 -80 a 100
Instrumentação Básica94
Termômetro à Dilatação de Sólido (Termômetro Bimetálico)
O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metal justapostas, formando uma só peça e geralmente na forma helicoidal.
Uma extremidade da hélice é fixa e a outra é ligada a um ponteiro que pode girar livremente sobre uma escala circular graduada
Instrumentação Básica95
Termorresistência (RTD)
A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua grande estabilidade e precisão.
As RTD mais comuns são: Pt50, Pt100, Pt1000.
Por que Pt100 ?
É a termo resistência que a zero graus Celsius possui uma resistência elétrica de 100
Resistance Temperature Detector
Instrumentação Básica96
Cabeçote, Bloco de Ligação e Poço
Instrumentação Básica97
Fios Selo
Óxido de Magnésio
Bainha
Termopar
Termopares
Junta de Medição
Instrumentação Básica98
Quando dois fios compostos de metais diferentes são unidos em ambas as extremidades, e se uma dessas junções for aquecida, aparece uma corrente elétrica
fluindo nesse circuito. (Efeito Seebeck)
Metal A
Metal B
Este efeito foi observado por Thomas Seebeck em 1821.
Termopares
Instrumentação Básica99
Se o circuito for interrompido, verifica-se que a tensãoSeebeck é função da temperatura da junção e dacomposição dos dois metais.
V = α Δ T
V
Metal B
Metal A
Onde α é o coeficiente Seebeck
Termopares
Instrumentação Básica100
Termopar
Instrumentação Básica101
Termopar acoplado ao TT301 Smar
Instrumentação Básica102
TipoElemento Positivo
Elemento Negativo
Faixa de temp. usual Vantagens Restrições
T Cobre Constantan - 184 a 70ºC
1) Resiste a atmosfera corrosiva.2) Aplicável em atmosfera redutora ou oxidanteabaixo de 310ºC.3) Sua estabilidade o torna útil em temperaturasabaixo de 0ºC.
1) Oxidação do cobre acima de 310ºC.
J Ferro Constantan 0 a 760ºC
1) Baixo Custo.2) Indicado para serviços contínuos até 760ºC em atmosfera neutra ou redutora.
1) Limite máximo de utilização ematmosfera oxidante de 760ºC devidoà rápida oxidação do ferro.2) Utilizar tubo de proteção acimade 480ºC.
E Chromel Constantan 0 a 870ºC1) Alta potência termoelétrica.2) Os elementos são altamente resistentes àcorrosão, permitindo o uso em atmosfera oxidante.
1) Baixa estabilidade em atmosfera redutora.
K Chromel Alumel 0 a 1260ºC
1) Indicado para atmosfera oxidante.2) Para faixa de temperatura mais elevadafornece rigidez mecânica melhor do que os tipos Sou R e vida mais longa do que o tipo J.
1) Vulnerável em atmosferas redutoras, sulfurosas e gases como SO2 e H2S, requerendo substancial proteção quando utilizado nestas condições.
S Platina 10%Rhodio Platina 0 a 1480ºC
1) Indicado para atmosferas oxidantes.2) Apresenta boa precisão a altas temperaturas.
1) Vulnerável à contaminação ematmosferas que não sejam oxidante.
R Platina 13%Rhodio Platina
1) Para altas temperaturas, utilizarisoladores e tubos de proteção dealta alumina.
B Platina 30%Rhodio
Platina 6%Rhodio 870 a 1705ºC
1) Melhor estabilidade do que os tipos S ou R.2) Melhor resistência mecânica.3) Mais adequado para altas temperaturas do queos tipos S ou R.4) Não necessita de compensação de junta dereferência, se a temperatura de seus terminaisnão exceder 50ºC.
1) Vulnerável a contaminação ematmosferas que não sejamoxidantes.2) Utilizar isoladores e tubos deproteção de alta alumina.
Instrumentação Básica103
Sensor Fios de Platina Isolador Selo Fios de conexão
Óxido de Magnésio
Termorresistência ( RTD )
RTD – Resistance Temperature Detector
Instrumentação Básica104
Termorresistência (RTD)
A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua grande estabilidade e precisão.
As RTD mais comuns são: Pt50, Pt100, Pt1000.
Por que Pt100 ?
É a termoresistência que a zero graus celsius possui uma resistência elétrica de 100
Instrumentação Básica105
RTD - Tipo Pt100
Instrumentação Básica106
Ligação da RTD a Três Fios
Instrumentação Básica107
Interligação ao Transmissor de Temperatura
Instrumentação Básica108
TT 200 – Transmissor Analógico com 4/20 mA (1983)
TT300 – Transmissor Inteligente deTemperatura com Protocolo Proprietário4/20 mA (1988)
TT301 – Transmissor Inteligente de
Temperatura com Protocolo HART,
Controle PID e 4/20 mA (1991)
História dos Transmissores de
Temperatura da Smar
Histórico
Instrumentação Básica109
SPG (Gerador de Set Point)
Gerador de Set Point - 16 Pontos
Tempo
20
50
0
2
1
3
4 5
6
1 2.5 5 7.5 8 (min)
Set P
oint
(%)
AI
PID
AO
PV
PV%
SP%
MV%
SPG
Tempo
20
50
0
2
1
3
4 5
6
1 2.5 5 7.5 8 (min)
Set P
oint
(%)
20
50
0
2
1
3
4 5
6
1 2.5 5 7.5 8 (min)
Set P
oint
(%)
AI
PID
AO
PV
PV%
SP%
MV%
SPG
AI
PID
AO
PV
PV%
SP%
MV%
SPG
AI
PID
AO
PV
PV%
SP%
MV%
SPG
Instrumentação Básica110
Gerador de Set Point - 16 PontosTabela do Gerador SP
123456
T (min) SP (%)01
2.55
7.58
0202050500
Tempo
20
50
0
2
1
3
4 5
6
1 2.5 5 7.5 8 (min)
Set P
oint
(%)
SPG (Gerador de Set Point)
Instrumentação Básica111
• TT301 Á prova de explosão Á prova de tempo Primeira escolha para medições
críticas. Dual Housing Compartment: Robusto,
seguro, confiável LCD: indicação local Ajuste local Medições Simples e Diferencial Auto-diagnósticos Configuração via CONF401
HPC301
• TT411 Primeira escolha
para monitoração Montagem em painel
(trilho DIN) inúmeras opções em
ambientes fechados Alta flexibilidade de instalação Compacto Medições: Simples, Diferencial,
Média, Máxima e Mínima Sensor Matching(Callendar Van
Dusen) Co-processador Matemático Fácil manutenção e troca Auto-diagnósticos Configuração via CONF401 e
HPC301
Características
Instrumentação Básica112
• TT421 Fácil instalação em qualquer ambiente devido ao design
simples e compacto. Montagem em cabeçote (poço) Medições: Simples, Diferencial, Média, Máxima e Mínima Sensor Matching (Callendar Van Dusen) Co-processador Matemático Fácil manutenção e troca Auto-diagnósticos Configuração via CONF401
e HPC301
Características
Instrumentação Básica113
ConfiguraçãoO TT301 com protocolo HART® pode ser configurado por:
• CONF401 da Smar para Windows e UNIX;
• DDCON100 da Smar para Windows e UNIX;
• HPC301 da Smar utilizando o Palm;
• HPC401 da Smar para os modelos mais recentes de Palms;
• Ferramentas de configuração de outros fabricantes baseadas em DD (Device Description) ou DTM (Device Type Manager), tais como AMSTM,FieldCareTM, PACTwareTM, etc.;
• HHT275 e HHT375;
• Ajuste Local (Chave de Fenda Magnética);
Instrumentação Básica114
TT400 HART® SISA Norma IEC61508 explica que Segurança é uma situação em
que Riscos Inaceitáveis tem chance mínima de acontecer.
Segundo ela, Dano é uma situação em que há lesão física, de propriedade, ambiental ou financeira.
E ela também define que Risco é a propabilidade de que o dano ocorra. Depende da frequência com que ocorre e as
consequências que o evento perigoso pode trazer.
Instrumentação Básica115
TT400 HART® SIS
Frequência 4 SIL 2 SIL 3 SIL 4 SIL 4
3 SIL 2 SIL 3 SIL 3 SIL 4
2 SIL 1 SIL 2 SIL 3 SIL 3
1 SIL 1 SIL 1 SIL 2 SIL 2
Severidade da Consequência
1 2 3 4
Instrumentação Básica116
TT400 HART® SISTransmissor Inteligente de
Temperatura com saída analógica
4-20mA e protocolo HART.
Desenvolvido para Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS).
Utiliza o microcontrolador de 16 bits HCS12, que permite diagnóstico de possíveis falhas na saída analógica
4-20mA.
Certificado pela TÜV, da Alemanha, para uso em SIL2 (sem
redundância) e SIL3 (com redundância) com condições de
extrema segurança.
Instrumentação Básica117
TT400 HART® SISCaracterísticas
Backup de Sensor
Seletor de Entrada
Callender Van Dusen (RTDs)
Senhas
Contador de Mudanças
Dois conversores A/D para garantira integridade do sinal.
Hardware e software são otimizadospara que o transmissor atenda
completamente aos requisitos de segurança de um sistema SIS.
Instrumentação Básica118
TT383Transmissor de Temperatura Profibus PA
8 Canais / Sensores
Precisão +/- 0,03%
Comunicação a 2 ou 3 fios
Aceita plataformas DD/EDDL e FDT/DTM
Medição com Sensor Backup ouDiferencial
Utilização em Aplicações com Segurança Intrínseca
Instrumentação Básica119
TT383
Instrumentação Básica120
ρ = mV
Qual é o mais pesado?Por que?
Devido à Densidade
ρ água = 1 g/cm3 ρ ferro = 8 g/cm3
Densidade
Instrumentação Básica121
ρ = mV
A Densidade é afetada pela Temperatura?
500g Leite
500g Leite
Efeito da Temperatura
Instrumentação Básica122
AÇÚCAR ÁGUA
Concentração de Açúcar?
2
8= 0.25 = 25%
Quantidade de um certo elemento em uma solução
Concentração
Instrumentação Básica123
ConcentraçãoConcentração
Conhecendo-se a densidade e a temperatura de um fluido é possível conhecer-se sua concentração, que é a quantidade de componentes dissolvidos ou de sólidos em suspensão, tais como:
- Grau Brix- Grau Baumé- Grau Plato- Grau INPM- Grau GL- % de Sólidos- % de Concentração
Teoria de Densidade
Instrumentação Básica124
Muitos processos industriais requerem medição contínua de
densidade para operarem eficientemente e para garantirem
qualidade e uniformidade ao produto final.
Objetivo da Medição
Instrumentação Básica125
Teoria de Densidade
Pressão Hidrostática
Baseia-se no princípio de Stevin, onde a pressão exercida por uma coluna líquida varia diretamente em função de altura da coluna e da densidade do líquido.
.h=PMantendo-se a altura constante,
temos a variação da pressão apenas em função da variação
da densidade.
Instrumentação Básica126
DT301 - Método de MediçãoDT301 - Método de Medição
Pressão Hidrostática Aplicada para Nível
Variável:
P1 = ρ . g . (h1 +Δh)
P2 = ρ . g . (h2 +Δh)
P1 - P2 = ρ . g . [(h1 + Δh)
- (h2 + Δh)]
ΔP = ρ . g . (h1 - h2)
ΔP = ρ . g . h
ρ = ΔP / g . h
h 1 + h
h
h 2 + h
h
Instrumentação Básica127
DT301IModelo Industrial
Atende as especificações da norma 3A (FDA)
DT301SModelo Sanitário
Modelos
Instrumentação Básica128
Elementos Finais de Controle
A válvula de controle é o elemento final mais usado nos sistemas de controle industrial;
Em sistemas de controle para gases e ar é também usado o “damper”, porém poderemos citar outros elementos, tais como: bombas, resistências elétricas, motorres, inversores, etc.
Instrumentação Básica129
Componentes da Válvula de Controle
Corpo e Atuador
Instrumentação Básica130
ATUADOR
Pneumático à mola e diafragma;
Pneumático a pistão;
Elétrico;
Elétrico - hidráulico e
Hidráulico.
Instrumentação Básica131
Posicionadores de Válvulas
Instrumentação Básica132
Carcaça Eletrônica
Tampa de Ligação
Base do PiezoConjunto
Intermediário
Bloco Pneumático
Bloco do sensor Hall
Blocos PrincipaisPosicionadores Smar Fampília FY
Instrumentação Básica133
Controle de Processo Contínuo
Instrumentação Básica134
FLUIDO AQUECIDO
VAPOR
PROCESSO INDUSTRIAL TÍPICO
FLUIDO A SERAQUECIDO
CONDENSADO
Variável Controlada: TemperaturaMeio Controlado: FluidoVariável Manipulada: VazãoAgente de Controle: Vapor
Trocador de Calor
Instrumentação Básica135
Onde está o controle ?
Onde está o controlador?
Onde está a medição?
PROCESSO
COMPARAÇÃO
CORREÇÃO
CONTROLE
ENTRADA DE ÁGUA FRIA
SAIDA DE ÁGUA QUENTE
ENTRADA DE VAPOR
VÁLVULA DE CONTROLE
MEDIÇÃO
Representação do Controle Automático
PV
SP
MV
Instrumentação Básica136
Resultante das Açoes de Controle PID
“O controle automático permite através de sua ação a redução do erro, com um tempo de atuação e precisão impossíveis de se obter no controle manual”.
TEMPO
DESVIO
0
+
-
VALOR
OBTIDO
VALOR
DESEJADO
(SET-POINT)
ERRO
Instrumentação Básica137
Uma Malha de controle é Composta por 8 módulos distintos:
1 – Elementos Primários;2 – Indicadores Analógicos, Digitais e Vídeo;3 – Transmissores, Transdutores, Conversores, Interfaces;4 – Linha de Transmissão;5 – Registradores, Memória;6 – Controladores;7 – Elementos Finais de Controle;8 – Sistema de Alarme e Segurança
Definições em Controle
137
Instrumentação Básica138
O CDCD600600 é um poderoso controlador multi-loop, que tem capacidade de controlarsimultaneamente 4 loops (simples oucascata) com 8 PIDs (4 com controleavançados) e com mais de 120 blocosavançados de controle.
O CDCD600600 PlusPlus é a evolução do controladormultiloop CD600 Smar . Utilizando umaeletrônica moderna e novas tecnologias , ele émenor , e mais poderoso que seu antecessor .
CD600CD600
Instrumentação Básica139
Multi-loop
1
4
2
3
Controle de nível Controle de Combustão
Controle de vapor Controle de Tiragem
SP1 63.21
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
50
0SP PV MV%
4LM
3LM
2LM
1LM
ADJUSTCYCLEFAIL
TAGDSP
LP
L/R
ACK
A/M
smar
SP2 63.21
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
50
0SP PV MV%
4LM
3LM
2LM
1LM
ADJUSTCYCLEFAIL
SP3 63.21
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
50
0SP PV MV%
4LM
3LM
2LM
1LM
ADJUSTCYCLEFAIL
SP4 63.21
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
50
0SP PV MV%
4 LM
3 LM
2 LM
1 LM
ADJUSTCYCLEFAIL
CD600 CD600 -- HARDWAREHARDWARE
Instrumentação Básica140
Multifunções
• Controles- Regulatório contínuo (PID)- Lógico ou discreto - De bateladas• Compensação de vazão • Geração de Setpoint• Totalização• Condicionamento de
Sinais(Seleção, limitadores,alarmes e cálculos)
BLOCOS FUNCIONAIS
Instrumentação Básica141
Controlador CD600 Smar
Instrumentação Básica142 © 2011 Copyright Smar
Aspectos de Instrumentação &
Controle Automático de Processos