64680290 instrumentacao marco antonio ribeiro

Instrumentao

9a edio

Marco Antnio Ribeiro

Instrumentao

9a edio

Marco Antnio Ribeiro

Dedicado a Marcelina e Arthur, meus pais, sem os quais este trabalho no teria sido possvel, em todos os sentidos.

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se

claramente e de modo compreensvel. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que no entende muito bem o assunto em questo ou ento, que tem razo para evitar falar claramente (Rosa Luxemburg)

1978, 1982, 1986, 1989, 1992, 1995, 1997, 1999, 2002, Tek Treinamento & Consultoria Ltda Salvador, Outono 2002

Prefcio

Qualquer planta nova, bem projetada para produzir determinado produto, sempre requer sistemas de instrumentao para fazer a medio, controle, monitorao e alarme das variveis. A escolha correta dos sistemas pode ser a diferena entre sucesso e fracasso para uma unidade, planta ou toda a companhia. Tambm, como h uma rpida evoluo das tecnologias e conseqente obsolescncia, periodicamente toda planta requer ampliaes e modificaes radicais que incluem a atualizao dos seus instrumentos e seus sistemas de controle.

Assim, tcnicos e engenheiros que trabalham com o projeto, especificao, operao e manuteno de plantas de processo devem estar atualizados com a instrumentao e as recentes tecnologias envolvidas. O presente trabalho foi escrito como suporte de um curso ministrado a engenheiros e tcnicos ligados, de algum modo, a estas atividades. Este trabalho de Instrumentao e um outro de Controle de processo constituem um conjunto completo para estudo e consulta.

Neste trabalho, d-se nfase aos equipamentos e instrumentos e so apresentados trs grandes temas: Fundamentos, Funes dos Instrumentos e Medio das Variveis.

Na primeira parte, de Fundamentos de Instrumentao, so apresentados os conceitos relacionados com Instrumentao, Terminologia, Smbolos e Identificao dos instrumentos analgicos e digitais; vistos os instrumentos sob a ptica de sistemas; mostradas a evoluo e as ondas da instrumentao. So apresentados os parmetros para a Especificao correta do instrumento individual, considerando o processo, ambiente, risco e corroso.

Na parte de Funes de instrumentos, so estudados individualmente os instrumentos, tais como sensor, transmissor, condicionador de sinal, indicador, registrador, totalizador, controlador e vlvula de controle.

Finalmente na terceira parte, so mostradas as tecnologias empregadas para medir as principais Variveis de Processo, como presso, temperatura, vazo nvel, pH, condutividade e cromatografia, que so as variveis mais encontradas nas indstrias qumicas, petroqumicas e de petrleo.

Sugestes e crticas destrutivas so benvidas, no endereo: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230, Fone (071) 452-3195 e Fax (071) 452-3058 e no e-mail: [email protected] .

Marco Antnio Ribeiro Salvador, vero 1999

Autor Marco Antnio Ribeiro se formou no ITA, em 1969, em Engenharia de

Eletrnica Durante quase 14 anos foi Gerente Regional da Foxboro, em Salvador, BA,

perodo da implantao do polo petroqumico de Camaari .

Fez vrios cursos no exterior e possui dezenas de artigos publicados nas reas de Instrumentao, Controle de Processo, Automao, Segurana, Vazo e .

Desde 1987, diretor da Tek Treinamento & Consultoria Ltda. , firma que presta servios nas reas de Instrumentao e Controle de Processo.

i

Contedo

Fundamentos

1. Instrumentao Objetivos de Ensino 2 1. Instrumentao 2

1.1. Conceito e aplicaes 2 1.2. Disciplinas relacionadas 2

2. Vantagens e Aplicaes 3 2.1. Qualidade do Produto 3 2.2. Quantidade do Produto 3 2.3. Economia do Processo 4 2.4. Ecologia 4 2.5. Segurana da Planta 4 2.6. Proteo do Processo 4

2. Smbolos e Identificao 1. Introduo 1 2. Aplicaes 1 3. Roteiro da identificao 1

3.1. Geral 1 3.2. Nmero de tag tpico 1 3.3. Identificao funcional 1 3.4. Identificao da malha 2

4. Simbologia de Instrumentos 3 4.1. Parmetros do Smbolo 3 4.2. Alimentao 3 4.3. Linhas entre os Instrumentos 6 4.4. Balo do Instrumento 6

5. Malha de controle 13 6. Sistemas completos 13 7. Referncias bibliogrficas 16

3. Sistemas de Instrumentao 1. Classes de Instrumentos 1 2. Manual e Automtico 1 3. Alimentao dos Instrumentos 1 4. Pneumtico ou Eletrnico 2

4.1. Instrumento pneumtico 3 4.2. Instrumento eletrnico 3

5. Analgico ou Digital 4 5.1. Sinal 4 5.2. Display 5 5.3. Tecnologia 5 5.4. Funo Matemtica 5 5.5. Analgica Versus Digital 6

6. Burro ou inteligente 7 7. Campo ou sala de controle 8

7.1. Instrumento de campo 8 7.2. Instrumentos na sala 9

8. Modular ou integral 11 8.1. Painel de leitura 11 8.2. Instrumentos cegos 12

9. Dedicado ou compartilhado 13 10. Centralizado ou distribudo 13 11. Real ou Virtual 14

11.1. Instrumento real 14 11.2. Instrumento virtual 15 11.3. Controlador virtual comercial 15

4. Terminologia 5.1. Introduo 5.2. Definies e Conceitos

Funes dos Instrumentos

0. Funes dos Instrumentos 1. Instrumentos de Medio

1.1. Introduo 1 1.2. Tipos de Medio 1

2. Aplicaes da Medio 3 2.1. Controle 3 2.2. Monitorao 4 2.3. Alarme 4

3. Sistema de Medio 4

1. Elemento Sensor 1. Conceito 1 2. Terminologia 1 3. Modificadores 2 3. Princpios de transduo 3 4. Sensores Mecnicos 3 5. Sensores Eletrnicos 3

5.1. Sensor capacitivo 4 5.2. Sensor indutivo 4 5.3. Sensor relutivo 5 5.4. Sensor eletromagntico 5 5.5. Sensor piezoeltrico 5 5.6. Sensor resistivo 5 5.7. Sensor potenciomtrico 6 5.8. Sensor strain-gage 6 5.9. Sensor fotocondutivo 6 5.10. Sensor fotovoltico 6 5.11. Sensor termoeltrico 6 5.12. Sensor inico 7

6. Escolha do sensor 7 7. Caractersticas Desejveis 7

2. Transmissor 1. Conceitos bsicos 1

1.1. Introduo 1 1.2. Justificativas do Transmissor 1 1.3. Terminologia 2 1.4. Transmisso do sinal 4 1.5. Sinais padro de transmisso 4

2. Natureza do transmissor 5

2.1. Transmissor pneumtico 5 2.2. Transmissor eletrnico 7

3. Transmissor e manuteno 11 3.1. Transmissor descartvel 11 3.2. Transmissor convencional 12 3.3. Transmissor digital 12 3.4. Transmissor hbrido 14

4. Receptores associados 14 4.1. Instrumentos associados 14 4.2. Alimentao 14 4.3. Transmissor como controlador

15

5. Servios associados 15 5.1. Especificao 15 5.2. Instalao 15 5.3. Configurao 16 5.4. Operao 16 5.5. Calibrao 16 5.6. Manuteno 18

3. Condicionadores de Sinal 1. Conceito 1 2. Aplicaes 1 3. Funes desenvolvidas 2 4. Linearizao da Vazo 4

4.1. Introduo 4 4.2. Lineares e No-lineares 5

5. Compensao 6 5.1. Introduo 6 5.2. Condies normal, padro e real

7 5.3. Compensao da Temperatura 8 5.4. Tomadas 8

6. Totalizao da Vazo 9 7. Servios associados 10

4. Indicador 1. Conceito 1 2. Varivel Medida 1 3. Local de Montagem 2 4. Tipo da Indicao 2 5. Rangeabilidade da Indicao 3 6. Associao a Outra Funo 4 7. Servios Associados 5

5. Registrador 1. Introduo 1 2. Topografia 1 3. Acionamento do Grfico 2 4. Penas 2 5. Grficos 3 6. Associao a Outra Funo 4 7. Servios Associados 5

6. Computador de Vazo 1. Conceito 1 2. Programveis 1 3. Dedicado 2 4. Aplicaes Clssicas 2

4.1. Vazo de liquido 2 4.2. Vazo de gs 3 4.3. Sistema com 2 transmissores 3 4.5. Vazo de massa de gs 3

5. Seleo do Computador 4 6. Planmetro 4

6.1. Histrico 4 6.2. Clculo matemtico 5 6.3. Mtodo do corte e peso 5 6.4. Mtodo do planmetro 5 6.5. Grficos Circulares Uniformes6 6.6. Seleo e Especificao 6

7. Controlador 1. Conceito 1 2. Componentes Bsicos 1

2.1. Medio 1 2.2. Ponto de Ajuste 1 2.3. Estao Manual Integral 2 2.4. Balano Automtico 2 2.5. Malha Aberta ou Fechada 3 2.6. Ao Direta ou Inversa 3

3. Especificao do Controlador 5 3.1. Controlador Liga-Desliga 5 3.2. Controlador com Intervalo Diferencial

5 3.3. Controlador Proporcional 6 3.4. Controlador P + I 7 3.5. Controlador P + D 8 3.6. Controlador P + I + D 10 3.7. Controlador Tipo Batelada 10 3.8. Controlador Analgico

12 3.9. Controlador Digital 13

4. Controlador Microprocessado 14 4.1. Conceito 14 4.2. Caractersticas 14 4.3. Controladores comerciais 15

4. Controlador SPEC 200 16 4.1. Descrio e Funes 16

5. Estao Manual de Controle 18 5.1. Estao Manual 18 5.2. Estao de Chaveamento A/M

18 5.3. Estao A/M e Polarizao 19 5.4. Servios Associados 20

8. Vlvula de Controle 1. Introduo 1 2. Elemento Final de Controle 1 3. Vlvula de Controle 2 4. Corpo 3

4.1. Conceito 3 4.2. Sede 3 4.3. Plug 3

5. Castelo 4 6. Atuador 4

6.1. Operao 4 6.2. Atuador Pneumtico 5 6.3. Aes do Atuador 5 6.4. Escolha da Ao 6 6.5. Mudana da Ao 7 6.6. Dimensionamento 7 6.7. Outro Elemento Final 7

7. Acessrios 8 7.1. Volante 8 7.2. Posicionador 8 7.3. Booster 9

8. Caracterstica da Vlvula 10

8.1. Conceito 10 8.2. Vlvula e Processo 10 8.3. Escolha de Caractersticas 12

9. Operao da Vlvula 13 9.1. Aplicao da Vlvula 13 9.2. Desempenho 13 9.3. Rangeabilidade 14

10. Vedao e Estanqueidade 15 10.1. Classificao 15 10.2. Fatores do Vazamento 15 10.3. Vlvulas de Bloqueio

15

11. Dimensionamento 16 11.1. Filosofia 16 11.2. Vlvulas para Lquidos 17 11.3. Vlvulas para Gases 17 11.4. Queda de Presso 17

12. Instalao 18 12.1. Introduo 18 12.2. Localizao da Vlvula 18 12.3. Comissionamento 18 12.4. Tenses da Tabulao 19 12.5. Redutores 19 12.6. Instalao da Vlvula 19

13. Parmetros de Seleo 20 13.1. Funo da Vlvula 20 13.2. Fluido do Processo 20 13.3. Perdas de Atrito do Fluido 20 13.4. Condies de Operao 21 13.5. Vedao 21 13.6. Materiais de Construo 21 13.7. Elemento de Controle 21

14. Tipos de Vlvulas 22 14.1. Vlvula Gaveta 23 14.2. Vlvula Esfera 24 14.3. Vlvula Borboleta 25 14.4. Vlvula Globo 27 14.5. Vlvula Auto-regulada 28

15. Vlvulas Especiais 30 15.1. Vlvula Reteno 30 15.2. Tipo Levantamento 31 15.3. Reteno Esfera 31 15.4. Reteno Borboleta 31 15.5. Reteno e Bloqueio

32

16. Vlvula de Alvio de Presso 32 16.1. Funo do Equipamento 32 16.2. Definies e Conceitos 32 16.3. Sobrepresso 33 16.4. Vlvula de Segurana 34

17. Vlvulas Solenides 36 17.1. Solenide 36 17.2. Vlvula Solenide 36 17.3. Operao e Ao 37

18. Vlvula Redutora de Presso 38 18.1. Conceito 38 18.2. Preciso da Regulao 38 18.3. Sensibilidade 38 18.4. Seleo 39 18.5. Instalao 39 18.6. Operao 40

5. Especificao de Instrumentos

1. Informao do Produto 1 1.1. Propriedade (feature) 1 1.2. Especificao 1 1.3. Caracterstica 2

2. Propriedades do Instrumento 2 2.1. Funcionalidade 2 2.2. Estabilidade 6 2.3. Integridade 6 2.4. Robustez 10 2.5. Confiabilidade

11 2.6. Disponibilidade 15 2.7. Calibrao 16 2.8. Manuteno 17 2.9. Resposta dinmica 18

3. Especificaes do instrumento 20 3.1. Especificaes de Operao 20 Caracterstica 20 3.2. Especificao de desempenho

20 3.3. Especificaes funcionais 30 3.4. Especificaes fsicas 31 3.5. Especificao de segurana 32

4. Corroso dos Instrumentos 41 4.1. Tipos de Corroso 41 4.2. Corroso nos instrumentos 41 4.3. Partes molhadas 42 4.4. Materiais de revestimento 42 4.5. Partes expostas ao ambiente 43 4.6. Instrumentos pneumticos 43 4.7. Instrumentos eletrnicos 43 4.8. Processos Marginais 45

5 Terminologia 2.1. Introduo 1 2.2. Definies e Conceitos 1 2.3. Referncias Bibliogrficas 31

Medio das Variveis Objetivos de Ensino 1 1. Variveis de Processo 2

1.1. Introduo 2 1.2. Conceito 2 1.3. Dimenses 2

2. Tipos das Quantidades 3 2.1. Energia e Propriedade 3 2.2. Extensivas e Intensivas 3 2.3. Pervariveis e Transvariveis 3 2.4. Variveis e Constantes 4 2.5. Contnuas e Discretas 4 2.6. Mecnicas e Eltricas 4

3. Faixa das Variveis 6 3.1. Faixa e Amplitude de Faixa 6 3.2. Limites de Faixa 6 3.3. Faixa e Desempenho 6

4. Funo Matemtica 7 4.1. Conceito 7 4.2. Notao 7 4.3. Funo Linear 7 4.4. Correlao 8

1. Presso 1. Conceitos Bsicos 1

1.1. Definio 1 1.2. Unidades 1 1.3. Tipos 2

2. Medio da Presso 3 2.1. Objetivos da medio 3 2.2. Padres de calibrao 4 2.3. Sensores Mecnicos 6 2.4. Sensores Eltricos 9 2.5. Seleo do Sensor 9

3. Acessrios 9 3.1. Selo Qumico 9 3.2. Pressostato 10

2. Temperatura 1. Conceitos Bsicos 1

1.1. Definies 1 1.2. Unidades 2 1.3. Escalas 2 1.4. EPIT 3

2. Medio da Temperatura 5 2.1. Introduo 5 2.2. Sensores 5 2.3. Termmetros de vidro 6 2.4. Bimetal 7

2.5. Enchimento Termal 8 2.6. Termopar 9 2.7. Resistncia detectora de temperatura

(RTD) 14

3. Acessrios 27 3.1. Bulbo 27 3.2. Capilar 28 3.3. Poo de temperatura 29 4. Referncias Bibliogrficas 30

3. Vazo 1. Fundamentos 1

1.1. Conceito de vazo 1 1.2. Unidades 2 1.3. Funes Associadas 2 1.4. Dificuldades da Vazo 3

2. Medidores de Vazo 4 2.1. Sistema de Medio 4 2.2. Tipos de Medidores 4 2.3. Quantidade ou Instantnea 4 2.4. Relao Matemtica 5 2.5. Dimetros Totais e Parciais 5 2.6. Com e Sem Fator K 5 2.7. Volumtricos ou Mssicos 6 2.8. Energia Extrativa ou Aditiva 6 2.9. Medidor Universal Ideal 6 2.10. Medidores Favoritos 7

3. Geradores de p 8 3.1. Elemento Gerador 9

4. Placa de Orifcio 9 4.1. Conceito 9 4.2. Caractersticas Fsicas 9 4.3. Tomadas da Presso 10 4.4. Dimensionamento 10 4.5. Vantagens 11 4.6. Desvantagens e Limitaes 11 4.7. Orifcio Integral 12 4.8. Tubo Venturi 12 4.9. Outros Geradores da Presso13 4.10.Seleo do Elemento 13 4.11. Medidor do p 13

5. Medidor Tipo Alvo (Target) 14 6. Rotmetro de rea Varivel 15 7. Deslocamento Positivo 16

8. Medidor Magntico 17 8.1. Princpio de funcionamento 17 8.2. Sistema de Medio 17 8.3. Tubo Medidor 17 8.4. Transmissor de Vazo 18 8.5. Vantagens 18 8.6. Desvantagens e limitaes 19

9. Turbina 19 9.1. Princpio de funcionamento 19 9.2. Construo 19 9.3. Vantagens 20 9.4. Desvantagens e limitaes 20

10. Medidor tipo Vortex 21 11. Medidor Coriolis 23

11.1. Introduo 23 11.2. Efeito Coriolis 23 11.3. Calibrao 24 11.4. Medidor Industrial 24 11.5. Caractersticas 25 11.6. Aplicaes 25 11.7. Limitaes 26

12. Medidor termal 26 12.1. Princpio de Funcionamento 26 12.2. Medidor a Calor 26

13. Medidor ultra-snico 28 13.1. Introduo 28 13.2. Diferena de Tempo 28 13.3. Diferena de Freqncia 29 13.4. Efeito Doppler 29

4. Nvel 1. Conceitos Bsicos 1

1.1. Introduo 1 1.2. Conceito 1 1.3. Unidades 2 1.4. Aplicaes 2

2. Medio de Interface 3 3. Medio de Nvel 4 4. Visor de nvel 4

4.1. Medidor com Bia 5 4.2. Presso Diferencial 6 4.3. Medio a borbulhamento 9 4.4. Medio com Deslocador 11 4.5. Medio Radioativa 13 4.6. Sistema com radar 20 4.7. Medidor snico e ultra-snico 25

Instrumentao

1. Fundamentos 2. Funes 3. Variveis

1. Fundamentos

1. Instrumentao 2. Smbolos e Identificao 3. Sistemas de Instrumentao 4. Terminologia

1

1.1

Instrumentao

Fig. 1.1.1. Operador de campo, sala de controle centralizada e arrea industrial

Instrumentao

2

Objetivos de Ensino

1. Definir o significado de instrumentao e listar as disciplinhas correlatas.

2. Descrever as aplicaes e as vantagens do controle e da automao industrial.

3. Informar acerca do histrico e da evoluo das tecnologias aplicadas: analgica e digital, pneumtica e eletrnica, centralizada e distribuda, dedicada e compartilhada, real e virtual..

1. Instrumentao

1.1. Conceito e aplicaes A instrumentao o ramo da

engenharia que trata de instrumentos industriais.

Os enfoques da Instrumentao podem ser de

1. Fabricao: construo de componentes e instrumento

2. Projeto: detalhamento bsico e especfico de sistemas equipamentos e instrumentos

3. Especificao: estabelecimento de caractersticas fsicas, funcionais e de segurana dos instrumentos

4. Vendas: comercializao, marketing e promoo de instrumentos

5. Montagem: fixao correta dos instrumentos no local de trabalho, para que ele opere conforme o previsto

6. Operao: monitorao do desempenho do instrumento e atuao manual, quando necessrio, para garantir segurana e eficincia

7. Manuteno dos instrumentos: reparo do instrumento quando inoperante, calibrao e ajuste do instrumento quando o desempenho metrolgico o exigir

As principais funes dos instrumentos so:

1. sensor: deteco da varivel medida 2. Indicao: apresentao do valor

instantneo da variavel 3. Condicionamento do sinal: operao

de tornar mais amigvel e tratvel o sinal original

4. Registro: apresentao do valor histrico e em tempo real da variavel

5. Controle: garantir que o valor de uma varivel permanea igual, em torno ou prximo de um valor desejvel

6. Alarme e intertravamento: gerao de sinais para chamar a ateno do operador para condies que exijam sua interferncia ou para atuar automaticamente no processo para mant-lo seguro

As variveis envolvidas incluem mas no se limitam a

1. Presso 2. Temperatura 3. Vazo 4. Nvel 5. Anlise Os instrumentos esto associados e

aplicados aos seguintes equipamentos: 1. Caldeira: equipamento para gerar

vapor 2. Reator: equipamento onde se realiza

uma reao qumica ordenada 3. Compressor: equipamento para

mover gases 4. Bomba: equipamento para mover

liquidos 5. Coluna de destilao: equipamento

para separar diferentes produtos com diferentes pontos de ebulio

6. Forno: equipamento para aquecer algum produto

7. Refrigerador: equipamento para esfriar algum produto

8. Condicionador de ar: equipamento para manter as condies do ar ambiente dentro de determinados limites

As indstrias que utilizam os instrumentos de medio e de controle do processo, de modo intensivo e extensivo so:

1. Qumica 2. Petroqumica 3. Refinaria de petrleo 4. Gs e leo 5. Dutos e Terminais 6. Txtil 7. Fertilizante 8. Papel e celulose 9. Alimentcia 10. Farmacutica 11. Cimento 12. Siderrgica 13. Minerao 14. Nuclear

Instrumentao

3

15. Hidreltrica 16. Termeltrica 17. Tratamento d'gua e de efluentes

1.2. Disciplinas relacionadas O projeto completo do sistema de

controle de um processo envolve vrios procedimentos e exige os conhecimentos dos mais diversos campos da engenharia, tais como:

1. Mecnica dos fluidos, para a especificao de bombas, dimensionamento de tubulaes, disposio de bandejas da coluna de destilao, dimensionamento de trocadores de calor, especificao de bombas e compressores.

2. Transferncia de calor, para a determinao da remoo do calor dos reatores qumicos, pr-aquecedores, caldeiras de recuperao e dimensionamento de condensadores.

3. Cintica das reaes qumicas, para o dimensionamento dos reatores, escolha das condies de operao (presso, temperatura e nvel) e de catalizadores,

4. Termodinmica, para o calculo da transferncia de massa, do nmero e da relao das placas de refluxo e das condies de equilbrio do reator.

Esses conhecimentos auxiliam na escolha e na aplicao do sistema de controle automtico associado ao processo. Os modelos matemticos, as analogias e a simulao do processo so desenvolvidos e dirigidos para o entendimento do processo e sua dinmica e finalmente para a escolha do melhor sistema de controle.

A especificao dos instrumentos requer o conhecimento dos catlogos dos fabricantes e das funes a serem executadas, bem como das normas, leis e regulamentaes aplicveis.

A manuteno dos instrumentos exige o conhecimento dos circuitos mecnicos, pneumticos e eletrnicos dos instrumentos, geralmente fornecidos pelos fabricantes dos instrumentos. Para a manuteno da instrumentao pneumtica exige-se a habilidade manual e uma pacincia bovina para os ajustes de elos, alinhamento de

foles, estabelecimento de ngulos retos entre alavancas, colocao de parafusos em locais quase inacessveis. A manuteno dos instrumentos eletrnicos requer o conhecimento da eletrnica bsica, do funcionamento dos amplificadores operacionais e atualmente das tcnicas digitais. O fabricante correto fornece os circuitos eletrnicos e os diagramas de bloco esquemticos dos instrumentos.

Para a sintonia do controlador e o entendimento dos fenmenos relativos ao amortecimento, oscilao e saturao til o conhecimento rigoroso dos conceitos matemticos da integral e da derivada. A analise terica da estabilidade do processo requer uma matemtica transcendental, envolvendo a funo de transferncia, os zeros e os plos de diagramas, as equaes diferenciais, a transformada de Laplace e os critrios de Routh-Hurwitz.

2. Vantagens e Aplicaes Nem todas as vantagens da

instrumentao podem ser listadas aqui. As principais esto relacionadas com a qualidade e com a quantidade dos produtos, fabricados com segurana e sem subprodutos nocivos. H muitas outras vantagens. O controle automtico possibilita a existncia de processos extremamente complexos, impossveis de existirem apenas com o controle manual. Um processo industrial tpico envolve centenas e at milhares de sensores e de elementos finais de controle que devem ser operados e coordenados continuamente.

Como vantagens, o instrumento de medio e controle 1. no fica aborrecido ou nervoso, 2. no reclama, 3. no fica distrado ou atrado por pessoas

bonitas, 4. no assiste a um jogo de futebol na

televiso nem o escuta pelo rdio, 5. no pra para almoar ou ir ao banheiro, 6. no fica cansado de trabalhar, 7. no tem problemas emocionais, 8. no abusa seu corpos ou sua mente, 9. no tem sono, 10. no folga do fim de semana ou feriado, 11. no sai de frias, 12. no reivindica aumento de salrio.

Instrumentao

4

Porm, como desvantagens, o instrumento 1. sempre apresenta erro de medio 2. opera adequadamente somente quando

estiver nas condies previstas pelo fabricante,

3. requer calibraes e ajustes peridicos, para se manter exato

4. requer manuteno corretiva, preventiva ou preditiva, para que sua preciso se mantenha dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante

5. provvel que algum dia ele falhe e pela lei de Murphy, esta falha geralmente acontece na pior hora possvel e pode acarretar grandes complicaes.

2.1. Qualidade do Produto A maioria dos produtos industriais

fabricada para satisfazer determinadas propriedades fsicas e qumicas. Quanto melhor a qualidade do produto, menores devem ser as tolerncias de suas propriedades. Quanto menor a tolerncia, maior a necessidade dos instrumentos para a medio e o controle automtico.

Os fabricantes executam testes fsicos e qumicos em todos os produtos feitos ou, pelo menos, em amostras representativas tomadas aleatoriamente das linhas de produo, para verificar se as especificaes estabelecidas foram atingidas pela produo. Para isso, so usados instrumentos tais como indicadores de densidade e viscosidade, espectrmetros de massa, analisadores de infravermelho, cromatgrafos e outros.

Fig. 1.1.1. Transmissor de pH Os instrumentos possibilitam a

verificao, a garantia e a repetibilidade da qualidade dos produtos.

Atualmente, o conjunto de normas ISO 9000 exige que os instrumentos que impactam a qualidade do produto tenham um sistema de monitorao, onde esto includas a manuteno e calibrao documentada deles.

2.2. Quantidade do Produto As quantidades das matrias primas,

dos produtos finais e das utilidades devem ser medidas e controladas para fins de balano do custo e do rendimento do processo. Tambm freqente a medio de produtos para venda e compra entre plantas diferentes.

Os instrumentos de indicao, registro e totalizao da vazo e do nvel fazem a aquisio confivel dos dados atravs das medies de modo continuo e preciso.

Os instrumentos asseguram a quantidade desejada das substncias.

Fig. 1.1.2. Instrumentos de medio de nvel

2.3. Economia do Processo O controle automtico economiza a

energia, pois elimina o superaquecimento de fornos, de fornalhas e de secadores. O controle de calor est baseado geralmente na medio de temperatura e no existe nenhum operador humano que consiga sentir a temperatura com a preciso e a sensitividade do termopar ou da resistncia.

Os instrumentos garantem a conservao da energia e a economia do processo .

Instrumentao

5

Fig. 1.1.3. Instrumentao aplicada indstria

2.4. Ecologia Na maioria dos processos, os produtos

que no so aproveitveis e devem ser jogados fora, so prejudiciais s vidas animal e vegetal. A fim de evitar este resultado nocivo, devem ser adicionados agentes corretivos para neutralizar estes efeitos. Pela medio do pH dos efluentes, pode se economizar a quantidade do agente corretivo a ser usado e pode se assegurar que o efluente esteja no agressivo.

Os instrumentos garantem efluentes limpos e inofensivos.

Fig. 1.1.2. Incndio em rea industrial

2.5. Segurana da Planta Muitas plantas possuem uma ou vrias

reas onde podem estar vrios perigos, tais como o fogo, a exploso, a liberao de produtos txicos. Haver problema, a no ser que sejam tomados cuidados especiais na observao e no controle destes fenmenos. Hoje so disponveis instrumentos que podem detectar a presena de concentraes perigosas de gases e vapores e o aparecimento de chama em unidades de combusto. Os instrumentos protegem equipamentos e vidas humanas.

2.6. Proteo do Processo O processo deve ter alarme e proteo

associados ao sistema de medio e controle. O alarme realizado atravs das mudanas de contatos eltricos, monitoradas pelos valores mximo e mnimo das variveis do processo. Os contatos dos alarmes podem atuar (ligar ou desligar) equipamentos eltricos, dispositivos sonoros e luminosos.

Os alarmes podem ser do valor absoluto do sinal, do desvio entre um sinal e uma referncia fixa e da diferena entre dois sinais variveis.

til o uso do sistema de desligamento automtico ou de trip do processo. Deve-se proteger o processo, atravs de um sistema lgico e seqencial que sinta as variveis do processo e mantenha os seus valores dentro dos limites de segurana, ligando ou desligando os equipamentos e evitando qualquer seqncia indevida que produza condio perigosa.

Os primeiros sistemas de intertravamento utilizavam contatos de reles, contadores, temporizadores e integradores. Hoje, so utilizados os Controladores Lgicos Programveis (CLP), a base de microprocessadores, que possuem grande eficincia em computao matemtica, seqencial e lgica, que so os parmetros bsicos do desligamento para garantir a segurana da planta.

Apostilas\Instrumentao. 11 Introduo.doc 23 MAR 01 (Substitui 03 SET 00)

6

1.2

Smbolos e Identificao

1. Introduo A simbologia de instrumentao

analgica e digital, compartilhada e integral, distribuda e centralizada se baseia nas seguintes normas americanas (geralmente traduzidas para o portugus) :

1. ISA S5.1, Instrumentation Symbols and Identification, 1984

2. ISA S5.3, Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems, 1983

2. Aplicaes Os smbolos de instrumentao so

encontrados principalmente em 1. fluxogramas de processo e de

engenharia, 2. desenhos de detalhamento de

instrumentao instalao, diagramas de ligao, plantas de localizao, diagramas lgicos de controle, listagem de instrumentos,

3. painis sinpticos e semigrficos na sala de controle,

4. diagramas de telas de vdeo de estaes de controle.

3. Roteiro da identificao

3.1. Geral Cada instrumento ou funo a ser

identificada designado por um conjunto alfanumrico, chamado de tag. A parte de identificao da malha correspondente ao nmero comum a todos os instrumentos da mesma malha. O tag pode ainda ter sufixo para completar a identificao.

3.2. Tag completo tpico

TIC 103 Identificao do instrumento ou tag do instrumento

T... Primeira letra: varivel da malha, Temperatura

...C ltima letra: identificao funcional: Controlador

...I... Modificador ou complemento da funo: Indicador

103 Nmero da malha de temperatura O nmero da malha do instrumento

pode incluir o cdigo da informao da rea . Por exemplo, o TIC 500-103, TIC 500-104, aos dois controladores indicadores de temperatura, ambos da rea 500 e os nmeros seqenciais so 103 e 104.

3.3. Identificao funcional A identificao funcional do instrumento

ou seu equivalente funcional consiste de


7

letras da Tab. 1.2.5 e inclui uma primeira letra, que a varivel do processo medida ou de inicializao. A primeira letra pode ter um modificador opcional. Por exemplo, PT o transmissor de presso e PDT o transmissor de presso diferencial.

A identificao funcional do instrumento feita de acordo com sua funo e no de sua construo. Assim, um transmissor de presso diferencial para medir nvel tem o tag LT (transmissor de nvel) e no o de PDT, transmissor de presso diferencial. Embora o transmissor seja construdo e realmente mea presso diferencial, seu tag depende de sua aplicao e por isso pode ser LT, quando mede nvel ou FT, quando mede vazo. Outro exemplo, uma chave atuada por presso ligada sada de um transmissor pneumtico de nvel tem tag LS, chave de nvel e no PS, chave de presso.

O tag tambm no depende da varivel manipulada, mas sempre da varivel inicializada ou medida. Assim, uma vlvula que manipula a vazo de sada de um tanque para controlar nvel, tem tag de LV ou LCV e no de FV ou FCV.

A segunda letra tipicamente a funo do instrumento. FT o tag de um transmissor (T) de vazo (F). Tambm a segunda letra pode ter um ou mais modificadores. FIA o tag de um indicador de vazo, com alarme. Alarme o modificador da funo indicao. Tambm pode se detalhar o tipo de alarme, p. ex., FIAL o tag de um indicador de vazo com alarme de baixa.

O tag pode ter modificador da varivel (primeira letra) e da funo (segunda letra). Por exemplo, PDIAL um indicador de presso diferencial (modificador de presso) com alarme (modificador do indicador) de baixa (modificador do alarme).

Quando o tag possuir vrias letras, pode-se dividi-lo em dois tags. O instrumento simbolizado por dois bales se tangenciando e o tag por ser, por exemplo, TIC-3 para o controlador indicador de temperatura e TSH-3 para a chave manual associada ao controlador.

Todas as letras de identificao de instrumentos so maisculas. Por isso, deve-se evitar usar FrC para controlador

de relao de vazes e usar FFC, controlador de frao de vazes.

As funes de computao (+. -, x, , ), seleo (), lgica e covnerso (i/p, p/i) deve ter os smbolos ao lado do balo, para esclarecer a funo executada.

3.4. Identificao da malha A identificao da malha geralmente

feita por um nmero, colocado ao final da identificao funcional do instrumento associado a uma varivel de processo. A numerao pode ser serial ou paralela. Numerao paralela comea de 0 ou para cada varivel, TIC-100, FIC-100, LIC-100 e AI-100. Numerao serial usa uma nica seqncia de nmeros, de modo que se tem TIC-100, FIC-101, LIC-102 e AI-103. A numerao pode comear de 1 ou qualquer outro nmero conveniente, como 101, 1001, 1201.

Quando a malha tem mais um instrumento com a mesma funo, geralmente a funo de condicionamento, deve-se usar apndice ou sufixo ao nmero. Por exemplo, se a mesma malha de vazo tem um extrator de raiz quadrada e um transdutor corrente para pneumtico, o primeiro pode ser FY-101-A e o segundo FY-101-B. Quando se tem um registrador multiponto, com n pontos, comum numerar as malhas como TE-18-1, TE-18-2, TE-18-3 at TE-18-n.

Quando um registrador tem penas dedicadas para vazo, presso, temperatura, seu tag pode ser FR-2, PR-5 e TR-13. Se ele registra trs temperaturas diferentes, seu tag pode ser TR-7/8/9.

Acessrios de instrumentos, como medidores de purga, regulador de presso, pote de selagem e poo de temperatura, que s vezes nem mostrado explicitamente no diagrama, precisam ser identificados e ter um tag, de acordo com sua funo e deve ter o mesmo nmero da malha onde utilizado. Esta identificao no implica que o acessrio deva ser representado no diagrama. Tambm pode usar o mesmo tag da malha e colocando-se a palavra de sua funo, como SELO, POO, FLANGE, PURGA. H acessrio que possui letra correspondente, como W para poo termal.


8

Pode haver diferenas de detalhes de identificao. Por exemplo, para a malha 301 de controle de temperatura, pode-se ter a seguinte identificao:

TE-301 sensor de temperatura TT 301 transmissor de temperatura TIC-301 controlador de temperatura TCV-301 vlvula controladora (ou de

controle) de temperatura Porm, h quem prefira e use:

TIC-301-E sensor de temperatura TIC 301-T transmissor de temperatura TIC-301-C controlador de temperatura TIC-301-V vlvula controladora (ou de

controle) de temperatura

Tambm possvel encontrar em diagramas o tag de TIC ou TC para o controlador de temperatura. Como praticamente todo controlador tambm indicador, comum simplificar e usar TC.

Alguns projetistas usam pequenas diferenas de tag para distinguir vlvulas auto controladas (reguladoras) de vlvulas convencionais que recebem o sinal do controlador. Assim, a vlvula auto controlada de temperatura tem tag de TCV e a vlvula convencional de TV.

4. Simbologia de Instrumentos A normalizao dos smbolos e

identificaes dos instrumentos de medio e controle do processo, que inclui smbolos e cdigos alfa numricos, torna possvel e mais eficiente a comunicao do pessoal envolvido nas diferentes reas de uma planta manuteno, operao, projeto e processo. Mesmo os no especialistas em instrumentao devem saber a identificao dos instrumentos.

4.1. Parmetros do Smbolo A simbologia correta da instrumentao

deve conter os seguintes parmetros 1. identificao das linhas de

interligao dos instrumentos, p. ex.., eletrnica fsica , eletrnica por configurao, pneumtica.

2. determinao do local de instalao dos instrumentos, acessvel ou no acessvel ao operador de processo.

3. filosofia da instrumentao, quanto ao instrumento ser dedicado a cada malha ou compartilhado por um conjunto de malhas de processo

4. identificao (tag) do instrumento, envolvendo a varivel do processo, a funo do instrumento e o numero da malha do processo.

5. outras informaes adicionais.

4.2. Alimentao dos instrumentos A maioria absoluta dos instrumentos de

medio e de controle requer alguma fonte de alimentao, que lhe fornea algum tipo de energia para seu funcionamento.

Os tipos mais comuns de alimentao so a eltrica e a pneumtica, porm h muitas outras disponveis.

As seguintes abreviaes so sugeridas para denotar os tipos de alimentao. Opcionalmente, elas podem indicar tambm tipos de purga.

AS Suprimento de ar (Air supply) ES Suprimento eltrico (Electric supply) GS Suprimento de gs (Gas supply) HS Suprimento hidrulico NS Suprimento de Nitrognio SS Suprimento de Vapor (Steam supply) WS Suprimento de gua (Water supply) O nvel de alimentao pode ser

adicionado linha de alimentao do instrumento. Por exemplo, AS 100 kPa (alimentao pneumtica de 100 kPa), ES 24 V cc (alimentao de 24 V cc para instrumento eltrico).


9

Tab. 1.2.1. Vlvulas de controle

Vlvula de controle com atuador pneumtico

Vlvula atuada por cilindro (ao dupla)

Vlvula auto regulada ou reguladora

Reguladora com tomada de presso externa

Reguladora de vazo autocontida

Vlvula solenide com trs vias com reset

Atuada por diafragma com presso balanceada

Vlvula com atuador a diafragma e posicionador

Ao da vlvula FC Falha fechada FO Falha aberta

Vlvula de controle com atuador manual

Tab. 1.2.2. Vlvulas manuais

(*)

Vlvula gaveta (*) Pode ser acoplado atuador ao corpo

(*)

Vlvula globo

Vlvula reteno

Vlvula plug

Vlvula controle manual

(*)

Vlvula esfera

(*)

Vlvula borboleta ou damper

Vlvula de reteno e bloqueio

Vlvula de blowdown

(*)

Vlvula diafragma

(*)

Vlvula ngulo

(*)

Vlvula trs vias

Vlvula quatro vias

Corpo de vlvula isolado

Vlvula agulha

Outras vlvulas com abreviatura sob o corpo

S R

FO ou FC IhV

NV

TSO


Tab. 1.2.3. Miscelnea

Vlvula de segurana de presso, ajuste em 100 kPa

Vlvula de segurana de

Filtro tipo T

Placa de orifcio com flange

PSV

PSV

T

T

o

FE 10

vcuo, ajuste em 50 mm H2O vcuo

Disco de ruptura (presso)

Disco de ruptura (vcuo)

C = selo qumico P = amortecedor de

pulsao S = sifo

Plug

Mangueira

Filtro, tipo Y

Purgador de vapor

Dreno contnuo

Cdigo item #1234

Funil de dreno (Ver abreviaturas)

Instrumento de nvel tipo deslocador, montado externamente ao tanque

Totalizador indicador de vazo a DP

Indicador de vazo tipo rea varivel

Tubo venturi ou bocal medidor de vazo

Turbina medidora de vazo ou elemento propelente

Placa de orifcio em porta placa

Tubo pitot ou Annubar

Espetculo cego instalado com anel em linha (passagem livre)

Espetculo cego instalado com disco em linha (bloqueado)

Transmissor de nvel a presso diferencial

PSE

PSE

C

LSV

LSV

LT

FQI

FI

FE

FE

FE

FE

LT


11

4.3. Linhas entre os Instrumentos As linhas de ligaes entre os instrumentos devem ser mais finas que as linhas de

processo e so simbolizadas como mostrado a seguir.

Sinal indefinido: conexo com processo, elo mecnico ou alimentao do instrumento

Sinal pneumtico, tpico de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi) Sinal eletrnico, tpico de 4 a 20 mA cc Sinal de ligao por programao ou elo de comunicao Elo mecnico ~ ~ ~ Sinal eletromagntico ou snico (guiado) ~ ~ ~ Sinal eletromagntico ou snico (no guiado) L L L Sinal hidrulico Tubo capilar Linha de processo

4.4. Balo do Instrumento O instrumento completo simbolizado por um pequeno balo circular, com dimetro

aproximado de 12 mm. Porem, os avanos nos sistemas de controle com instrumentao aplicando microprocessador, computador digital, que permitem funes compartilhadas em um nico instrumento e que utilizam ligaes por programao ou por elo de comunicao, fizeram surgir outros smbolos de instrumentos e de interligaes.

Tab. 1.2.4. Representao dos instrumentos em Diagramas P&I

Sala de Controle Central Local Auxiliar Campo Acessvel ao

operador Atras do painel ou inacessvel ao operador

Acessvel ao operador

Atras do painel ou inacessvel ao operador

Montado no campo

Equipamento Instrumento discreto

Equipamento compartilhado Instrumento compartilhado

Software Funo de computador

Lgica compartilhada Controle Lgico Programvel

Instrumentos compartilhando o mesmo invlucro. No mandatrio mostrar uma caixa comum.

Tab. 1.2.5. Letras de Identificao


12

Primeira letra Letras subsequentes Varivel Modificador Funo display Funo sada Modificador

A Anlise (5,19) Alarme

B Queimador Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1)

C Escolha (1) Controle (13)

D Escolha (1) Diferencial

E Tenso (f.e.m.) Elemento sensor

F Vazo (flow) Frao ou relao (4)

G Escolha (1) Visor (9) ou indicador local

H Manual (hand) Alto (high) (7, 15, 16)

I Corrente Indicao (10)

J Potncia Varredura (scan) (7)

K Tempo Tempo de mudana (4, 21)

Estao controle (22)

L Nvel (level) Lmpada (11) Baixo (low) (7, 15, 16)

M Escolha (1) Momentneo Mdio (7, 15)

N Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1)

O Escolha (1) Orifcio ou Restrio

P Presso, Vcuo Ponto de teste

Q Quantidade Integral, Total (4)

R Radiao Registro (17)

S Velocidade ou Freqncia

Segurana (8) Chave (13)

T Temperatura Transmisso (18)

U Multivarivel (6) Multifuno (12) Multifuno (12) Multifuno (12)

V Vibrao, Anlise mecnica

Vlvula, damper (13)

W Peso, Fora Poo (well)

X No classificado (2) Varivel a definir

Eixo X No classificado (2)

No classificado (2) No classificado (2)

Y Evento, Estado Funo a definir

Eixo Y Rel, computao (13, 14, 18)

Z Posio ou Dimenso Eixo Z Elemento final


13

Notas para a Tabela das Letras de Identificao 1. Uma letra de escolha do usurio tem o objetivo de cobrir significado no listado que necessrio em uma determinada aplicao. Se usada, a letra

pode ter um significado como de primeira letra ou de letras subsequentes. O significado precisa ser definido uma nica vez em uma legenda. Por exemplo, a letra N pode ser definida como mdulo de elasticidade como uma primeira letra ou como osciloscpio como letra subsequente.

2. A letra X no classificada tem o objetivo de cobrir significado no listado que ser usado somente uma vez ou usado em um significado limitado. Se usada, a letra pode ter qualquer nmero de significados como primeira letra ou como letra subsequente. O significado da letra X deve ser definido do lado de fora do crculo do diagrama. Por exemplo, XR pode ser registrador de consistncia e XX pode ser um osciloscpio de consistncia.

3. A forma gramatical do significado das letras subsequentes pode ser modificado livremente. Por exemplo, I pode significar indicador, ou indicao; T pode significar transmisso ou transmissor.

4. Qualquer primeira letra combinada com as letras modificadoras D (diferencial), F (relao), M (momentneo), K (tempo de alterao) e Q (integrao ou totalizao) representa uma varivel nova e separada e a combinao tratada como uma entidade de primeira letra. Assim, os instrumentos TDI e TI indicam duas variveis diferentes: diferena de temperatura e temperatura. As letras modificadoras so usadas quando aplicvel.

5. A letra A (anlise) cobre todas as anlises no descritas como uma escolha do usurio. O tipo de anlise deve ser especificado fora do circulo de identificao. Por exemplo, anlise de pH, anlise de O2. Anlise varivel de processo e no funo de instrumento, como muitos pensam principalmente por causa do uso inadequado do termo analisador.

6. O uso de U como primeira letra para multivarivel em lugar de uma combinao de outras primeiras letras opcional. recomendvel usar as primeiras letras especificas em lugar da letra U, que deve ser usada apenas quando o nmero de letras for muito grande. Por exemplo, prefervel usar PR/TR para indicar um registrador de presso e temperatura em vez de UR. Porm, quando se tem um registrador multiponto, com 24 pontos e muitas variveis diferentes, deve-se usar UR.

7. O uso dos termos modificadores alto (H), baixo (L), mdio (M) e varredura (J) opcional. 8. O termo segurana se aplica a elementos primrios e finais de proteo de emergncia. Assim, uma vlvula auto atuada que evita a operao de

um sistema de fluido atingir valores elevados, aliviando o fluido do sistema tem um tag PCV (vlvula controladora de presso). Porm, o tag desta vlvula deve ser PSV (vlvula de segurana de presso) se ela protege o sistema contra condies de emergncia, ou seja, condies que so perigosas para o pessoal ou o equipamento e que so raras de aparecer. A designao PSV se aplica a todas as vlvulas de proteo contra condies de alta presso de emergncia, independente de sua construo, modo de operao, local de montagem, categoria de segurana, vlvula de alvio ou de segurana. Um disco de ruptura tem o tag PSE (elemento de segurana de presso).

9. A funo passiva G se aplica a instrumentos ou equipamentos que fornecem uma indicao no calibrada, como visor de vidro ou monitor de televiso. Costuma-se aplicar TG para termmetro e PG para manmetro, o que no previsto por esta norma.

10. A indicao normalmente se aplica a displays analgicos ou digitais de uma medio instantnea. No caso de uma estao manual, a indicao pode ser usada para o dial ou indicador do ajuste.

11. Uma lmpada piloto que parte de uma malha de instrumento deve ser designada por uma primeira letra seguida pela letra subsequente L. Por exemplo, uma lmpada piloto que indica o tempo expirado deve ter o tag KQL (lmpada de totalizao de tempo). A lmpada para indicar o funcionamento de um motor tem o tag EL (lmpada de voltagem), pois a voltagem a varivel medida conveniente para indicar a operao do motor ou YL (lmpada de evento) assumindo que o estado de operao est sendo monitorado. No se deve usar a letra genrica X, como XL

12. O uso da letra U para multifuno, vem vez da combinao de outras letras funcionais opcional. Este designador no especfico deve ser usado raramente.

13. Um dispositivo que liga, desliga ou transfere um ou mais circuitos pode ser uma chave, um rel, um controlador liga-desliga ou uma vlvula de controle, dependendo da aplicao. Se o equipamento manipula uma vazo de fluido do processo e no uma vlvula manual de bloqueio liga-desliga, ela projetada como vlvula de controle. incorreto usar o tag CV para qualquer coisa que no seja uma vlvula de controle auto atuada. Para todas as aplicaes que no tenham vazo de fluido de processo, o equipamento projetado como:

a) Chave, se for atuada manualmente. b) Chave ou controlador liga-desliga, se for automtico e for o primeiro dispositivo na malha. O termo chave geralmente usado se o dispositivo

aplicado para alarme, lmpada piloto, seleo, intertravamento ou segurana. O termo controlador usado se o dispositivo aplicado para o controle de operao normal.

c) Rel, se for automtico e no for o primeiro dispositivo na malha, mas atuado por uma chave ou por um controlador liga-desliga. 14. As funes associadas com o uso de letras subsequentes Y devem ser definidas do lado de fora do circulo de identificao. Por exemplo, FY

pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de vazo; TY pode ser o conversor corrente para pneumtico em uma malha de controle de temperatura. Quando a funo evidente como para uma vlvula solenide ou um conversor corrente para pneumtico ou pneumtico para corrente a definio pode no ser obrigatria.

15. Os termos modificadores alto, baixo, mdio ou intermedirio correspondem aos valores da varivel medida e no aos valores do sinal. Por exemplo, um alarme de nvel alto proveniente de um transmissor de nvel com ao inversa deve ser LAH, mesmo que fisicamente o alarme seja atuado quando o sinal atinge um valor mnimo crtico.

16. Os termos alto e baixo quando aplicados a posies de vlvulas e outras dispositivos de abrir e fechar so assim definidos: a) alto significa que a vlvula est totalmente aberta b) baixo significa que a vlvula est totalmente fechada

17. O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar permanentemente a informao que permita a sua recuperao por qualquer modo. 18. Elemento sensor, transdutor, transmissor e conversor so dispositivos com funes diferentes, conforme ISA S37.1. 19. A primeira letra V, vibrao ou anlise mecnica, destina-se a executar as tarefas em monitorao de mquinas que a letra A executa em uma

anlise mais geral. Exceto para vibrao, esperado que a varivel de interesse seja definida fora das letras de tag. 20. A primeira letra Y se destina ao uso quando as respostas de controle ou monitorao so acionadas por evento e no acionadas pelo tempo. A

letra Y, nesta posio, pode tambm significar presena ou estado. 21. A letra modificadora K, em combinao com uma primeira letra como L, T ou W, significa uma variao de taxa de tempo da quantidade medida

ou de inicializao. A varivel WKIC, por exemplo, pode representar um controlador de taxa de perda de peso. 22. A letra K como modificador uma opo do usurio para designar uma estao de controle, enquanto a letra C seguinte usada para descrever

controlador automtico ou manual.


14

(a) Representao detalhada

(b) Representao simplificada Fig. 1.2.1. Representao detalhada de uma malha de controle de presso (a) e a equivalente, simplificada

(b).

PIC 211

PT 211

"

0-300

PIC 211

S.P.

C-#2 (PI) PAH

dp/dt AO-21 AI-

PY 211

AS

AS P

PCV 211

FC


15

Fig. 1.2.2. Simbologia total

Fig. 1.2.3. Simbologia de modo simplificado

Fluido do trocador de

calor

PT 2

FT 1

PR FR

FY

TV 3

RTD

TRC

21

1

3TAL TSL 3 3

Fluido do trocador de calor

PR 2

FR 1

TV 3 TRC

3

TAL 4


16

Fig. 1.2.4. Diagrama funcional detalhado tpico de malha de controle

< >

K

I T A I

FE

FT

FR

I/P

ELEMENTO DE VAZO

TRANSMISSOR DE VAZO CAMPO

PAINEL REGISTRADOR

PAINEL

CAMPO

EXTRATOR DE RAIZ QUADRADA

MEDIO

FEEDFORWARD

CONTROLADOR

ESTAO AUTO-MANUAL

TRANSDUTOR I/P

VLVULA COM ATUADOR PNEUMTICO

DIFERENA (ERRO) PONTO DE AJUSTE

AO INTEGRAL AO PROPORCIONAL

REL TRANSFERNCIA A/M

LIMITADOR AJUSTVEL H e L

SOMADOR

TRANSFERNCI

MANUAL

SADA

MANUAL EMERGNCIA

K


17

Tab. 1.2.6. Elementos do Diagrama Funcional

Transmissor de vazo

Transmissor de nvel

Transmissor de presso

Transmissor de temperatura

Transmissor de anlise

Lmpada de painel

Indicador da varivel X

Registrador da varivel X

Bobina de rel

Chave de transferncia

Rel de transferncia ou trip

Seletor de sinal alto

Seletor de sinal baixo

Conversor analgico/digital

Conversor digital/analgico

Operador motorizado

Operador no especificado

Extrator de raiz quadrada

Multiplicador

Divisor

Polarizao, adio ou subtrao

Comparador, diferena

Adicionador, somador

Tirador de mdia

Integrador

Contato normalmente aberto

Contato normalmente fechado

Gerador de sinal analgico

Gerador de sinal manual

Atuador solenoide

Limitador de sinal alto

Limitador de sinal baixo

Transdutor ar pneumtico para corrente

Vlvula com atuador pneumtico

Ao de controle proporcional

Ao de controle integral

Ao de controle derivativa

5. Malha de controle A Fig. 1.2.1 (a). ilustra como os

smbolos anteriores so combinados para descrever uma determinada malha de controle. H vrios nveis de detalhamento. esquerda, tem-se a malha com todos os detalhes e direita, a malha simplificada.

FT

LT

PT

AT

TT

XI

XR

T

T

T

>

<

A/D

D/A

/n

/t

S

MO

A

>

<

P/I

K

d/dt f(x)


18

Esta malha de controle e indicao de presso (PIC) controlada por um sistema de controle distribudo compartilhado O ponto de ajuste deste controlador estabelecido por um computador supervisrio atravs de um highway de dados compartilhados que fornece o elo de programao entre o computador e o sistema de controle compartilhado. O nmero da malha de controle nico e igual a 211, que pode indicar a 11a malha da rea 200. Todos os componentes da malha possuem este mesmo nmero, ou seja,

1. transmissor PT 211 2. transdutor i/p PY 211 3. controlador PIC 211 O transmissor PT 211 est ligado ao

processo atravs de uma vlvula de bloqueio de " (13 mm) e sente a presso de 0 a 300 psi e gera na sada o sinal padro de corrente eletrnica de 4 a 20 mA cc. O sinal de sada do transmissor recebido e identificado no multiplexador do sistema compartilhado como a entrada analgica #17 (AI- 17). O controlador PIC 211 se encontra no console #2 (C-2) do sistema compartilhado e tem as funes de controle PI. O sistema compartilhado tambm fornece um sinal de alarme de alta e uma variao de presso de alta (dP/dt) desta medio (PAH). No lado da sada do controlador, o sinal que deixa o multiplexador do sistema identificada como a sada analgica (AO-21), que ainda o sinal de 20 mA cc que recebido por um transdutor i/p, que o converte para o sinal pneumtico de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi), que est montado na vlvula de controle PCV 211. A vlvula em si linear, em falha ela fecha (fail close - FC) e possui um posicionador (P). O transdutor i/p requer a alimentao pneumtica (AS - air supply), tpica de 140 kPa (22 psi).

O diagrama da Fig. 1.2.1 (b) mostra uma malha de controle de presso, digital e compartilhada, PIC.

6. Sistemas completos A seguir so mostrados outros

exemplos com smbolos de instrumentao. As Fig. 1.2.2. e Fig. 1.2.3 mostram o mesmo sistema de controle com diferentes graus de detalhamento. Na Fig. 1.2.3 todos os elementos so mostrados.

O registro da vazo obtido de 1. uma placa de orifcio (elemento de

vazo, FE-1, no mostrado), 2. transmissor de vazo, montado no

campo, FT-1, 3. extrator de raiz quadrada, montado

atrs do painel do operador 4. registrador com duas penas, uma

para a vazo (FR-1) e outra para a presso (PR-2), montado no painel de leitura.

O registro da presso obtido de 1. transmissor de presso, PT-2,

montado no campo. A tomada da presso usa a tomada de alta ou de baixa da placa de orifcio.

Todos os sinais envolvidos so pneumticos, padro de 20 a 100 kPa.

A temperatura da sada do gs medida por um detector de temperatura a resistncia (RTD), montada em um poo, ligado diretamente ao registrador e controlador de temperatura (TRC-3). A sada eltrica do controlador (4 a 20 mA cc) modula a abertura de uma vlvula esfera (TV-3), com atuador a cilindro. O controlador registrador de temperatura tem uma chave de temperatura (termostato TSL-3), que atua um alarme no painel (TAL-3), com a temperatura baixa.

A Fig. 1.2.3 usa uma simbologia simplificada para mostrar que um gs aquecido e sua temperatura controlada por um controlador de painel. O fluido de aquecimento modulado por uma vlvula de controle e registra a vazo do gs, presso e temperatura de sada e h um alarme que atua com temperatura baixa.

19

Fig. 1.2.5. Instrumentao para um sistema de distilao

Alimentao


20

Fig. 1.2.6. Instrumentao para um sistema de reao

Sistemas de Instrumentao

21

A Fig. 1.2.5. mostra a descrio simblica completa de um processo de distilao.

A vazo de alimentao medida (FE-3, FT-3) e registrada (FR-3), mas no controlada A taxa de entrada de calor proporcional taxa de alimentao vezes um ganho de rel (FY-3B), que ajusta o ponto de ajuste do controlador de vazo do leo quente (FRC-1).

O produto leve da torre condensado, com a temperatura do condensado controlada mantendo-se constante a presso da coluna (PRC-11). A sada do produto leve tem vazo controlada (FRC-4). O ponto de ajuste do controlador ajustado por um rel divisor (UY-6), cujas entradas so a vazo de alimentao, como modificada pelo rel funo (FY-3A) e a sada do controlador de anlise dos produtos leves (ARC-5). O controlador de anlise recebe a anlise do produto de seu transmissor, que tambm transmite o sinal para uma chave de anlise dual (alta/baixa), que por sua vez, atua em alarmes correspondentes.

O nvel do acumulador mantido constante (LIC-7) atravs da manipulao da vazo de refluxo (LV-7), que uma vlvula com falha aberta (FO). Uma chave de nvel separada atua um alarme de nvel do acumulador em alta e baixa (LSH/L 9). H uma indicao de nvel local atravs de visor (LG 10). So medidas temperaturas em vrios pontos do processo e os valores so registrados (6 pontos - TJR 8-1 a 8-6) e indicados (3 pontos - TJI 9-1 a 9-3). Alguns dos pontos de registro possuem chaves de acionamento de temperatura baixa e alta (por exemplo, TJSH 8-2, TAH 8-2 e TJSL 9-5 e TAL 8-5), com respectivos alarmes

A Fig. 1.2.6. ilustra o sistema de controle para um reator qumico. O reagente A alimentado com vazo controlada (FC-1). As vazes de A e B so controladas com razo constante, atravs do rel de ganho (FY-1), ajustando o ponto de ajuste do controlador de vazo B (FIC-2). O nvel do reator mantido constante (LIC-3) modulando a sada dos produtos pesados (LC-3). Se o nvel alto, ele automaticamente fecha as vlvulas de alimentao dos reagentes (FV-1 e FV-2) atravs de vlvulas solenides (UY-7A e UY-7B) e atua um alarme de nvel alto (LSH-3 e LAH-3). Um alarme separado

atuado por nvel baixo do reator (LSL-3 e LAL3). A reao exotrmica e a temperatura controlada (T4) modulando a presso do refrigerante na jaqueta do reator. Isto feito pelo controlador de temperatura do reator ajustando o ponto de ajuste do controlador de presso da jaqueta (PRC-5), que controla a presso do vapor gerado pela transferncia de calor para a gua de refrigerao. A temperatura do reator, se alta, atua um alarme. Se a temperatura fica muito alta, ela fecha as vlvulas de alimentao A (FV-1) e B (FV-2) e a de presso (PV-5), enquanto abre a alimentao d'gua e as vlvulas de retorno atravs de vlvulas piloto solenides de intertravamento (UY-7A, B, C, D). Estas vlvulas de alta temperatura podem tambm ser atuadas por uma chave manual (HS-6). Um nvel constante do refrigerante mantido na jaqueta modulando a alimentao de gua e o nvel baixo da jaqueta atua um alarme (LSL-11 e LAL-11). A presso do reator controlada modulando o venting dos no condensveis formados na reao enquanto um disco de ruptura protege o reator contra altas presses perigosas (PSE-10).

Apostilas\Automao SimbologiaISA.DOC 24 NOV 98 (Substitui 01 SET 96)

22

1.3


1. Classes de Instrumentos Os instrumentos de medio e controle

de processo podem ser classificados de acordo com a seguinte dialtica:

1. manual ou automtico 2. alimentado ou sem alimentao

externa 3. pneumtico ou eletrnico 4. analgico ou digital 5. burro ou inteligente 6. montado no campo ou na sala de

controle 7. modular ou integral 8. dedicado ou compartilhado 9. centralizado ou distribudo

2. Manual e Automtico Com relao interveno humana, a medio instrumento pode ser manual ou automtica.

A medio mais simples feita manualmente, com a interferncia direta de um operador. A medio manual geralmente feita por um instrumento porttil. Exemplos de medio manual: medio de um comprimento por uma rgua, medio de uma resistncia eltrica atravs de um ohmmetro, medio de uma voltagem com um voltmetro. As medies feitas manualmente geralmente so anotadas pelo operador, para uso posterior. A medio pode ser feita de modo automtico e continuo, sem interferncia humana direta. O instrumento fica ligado diretamente ao processo, sentindo a varivel e indicando continuamente o seu valor instantneo. Quando o operador quiser saber o valor medido, ele se aproxima adequadamente do

instrumento e faz a leitura. Tambm neste caso, ele pode anotar a leitura feita para uso posterior. Quando se necessita do registro continuo da varivel, usa-se um registrador, que opera continuamente. Atualmente possvel, num sistema de aquisio de dados, a medio contnua de muitas variveis e a emisso de relatrios de medio atravs de impressoras de computador.

Fig. 1.3.1. Instrumentos portteis (HP)

3. Alimentao dos

Instrumentos A energia est associada aos

instrumentos de dois modos: atravs da alimentao e do mtodo de transduo. Qualquer instrumento para funcionar necessita de uma fonte de energia. Esta fonte de energia pode ser externa e explcita, quando o instrumento alimentado. As duas fontes clssicas de alimentao de instrumentos so a eletrnica e a pneumtica.

Instrumentos eletrnicos so alimentados por uma fonte externa de voltagem, tpica de 24 V cc. Esta alimentao geralmente feita por um nico


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par de fios que simultaneamente conduz a informao e a alimentao. Por questo econmica e de segurana, raramente se usa um instrumento de medio no campo alimentado com uma bateria integral (colocado no seu interior).

Fig. 1.3.2. Alimentao do transmissor eletrnico Instrumentos pneumticos so

alimentados por uma fonte externa de ar comprimido, tpica de 140 kPa (20 psi). Cada instrumento pneumtico montado no campo alimentado individualmente atravs de um conjunto filtro-regulador ajustvel ou fixo. O filtro elimina, num estgio final, as impurezas, umidade e leo contaminantes do ar comprimido. O regulador, ajustvel ou fixo, geralmente abaixa a presso mais elevada de distribuio para o valor tpico de 140 kPa. O sinal padro de transmisso pneumtica de 20 a 100 kPa.

Existem ainda instrumentos de montagem local que no necessitam de nenhuma alimentao externa para seu funcionamento. Eles so chamados de auto-alimentados. Eles utilizam a prpria energia do processo para seu funcionamento. Exemplos de indicadores e registradores que no necessitam de alimentao externa so:

1. indicador local de presso, com elemento sensor tipo bourdon C, helicoidal, espiral, helicoidal ou fole.

2. indicador local de temperatura com elemento sensor tipo bimetal.

3. indicador ou registrador local de vazo com elemento sensor de presso diferencial (diafragma).

Fig. 1.3.3. Manmetro, sem alimentao externa

4. Pneumtico ou Eletrnico Os instrumentos de medio e controle

necessitam de uma fonte de energia externa para o seu funcionamento adequado. Dependendo da natureza desta fonte de energia, os instrumentos podem ser classificados em:

1. pneumticos, onde esto includos os puramente mecnicos.

2. eletrnicos, ou tambm chamados de eltricos.

Ambos os tipos de instrumentos podem executar as mesmas funes, apresentando vantagens e desvantagens, quando comparados. Esta comparao j foi clssica, na dcada de 1970, mas hoje h uma predominncia da instrumentao eletrnica sobre a analgica.

A escolha entre pneumtico ou eletrnico no apenas a escolha de um instrumento isolado, mas de todo um sistema de instrumentao de controle do processo. A escolha pode depender do tipo de processo e das variveis envolvidas.

A escolha do sistema de instrumentao influi e implica na definio de outros equipamentos e sistemas. Ou seja, quando se escolhe uma instrumentao pneumtica, h a necessidade de se ter um compressor de ar de instrumento, de capacidade adequada quantidade de instrumentos, com filtros, secadores, estgios de reduo e todo um sistema de interligaes e distribuio atravs de tubos plsticos ou de cobre. Quando se escolhe uma instrumentao eletrnica, deve-se considerar o sistema de alimentao eltrica, com eventual opo de reserva de bateria para suprir a energia na falta da alimentao alternada principal. Mesmo com toda a instrumentao eletrnica, deve ser considerado o uso do compressor de ar de instrumento, para alimentar, no mnimo, os transdutores I/P, pois as vlvulas de controle so atuadas pneumaticamente.


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4.1. Instrumento pneumtico O instrumento pneumtico aquele que

necessita, para seu funcionamento, da alimentao de ar comprimido, presso tpica de 120 kPa (20 psig). O sinal padro de informao pneumtica o de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi).

O dispositivo para gerar o sinal padro o conjunto bico palheta. A distncia entre o bico que sopra e a palheta que se move em funo da varivel medida modula o sinal de sada entre 20 e 100 kPa. O dispositivo para detectar o sinal padro o fole receptor.

Fig. 1.3.4. Transmissor pneumtico (Foxboro) Mesmo com o uso intensivo e extensivo

de instrumentos eletrnicos, ainda hoje se usa muito a vlvula de controle com atuador pneumtico. Por sua simplicidade, confiabilidade e economia, a vlvula de controle com atuador pneumtico ainda ser usada como elemento final de controle padro por muitos anos.

4.2. Instrumento eletrnico O instrumento eletrnico alimentado

por energia eltrica, geralmente de 24 V cc. Mesmo quando ele alimentado pela linha alternada de 120 V ca, seus circuitos internos a semicondutores necessitam de corrente contnua para sua polarizao e portanto todos os instrumentos possuem uma fonte de alimentao integralizada.

O sinal padro para a transmisso de corrente eletrnica 4 a 20 mA cc. J foi usado o sinal de 10-50 mA cc, porm, por causa da segurana e compatibilidade com computadores digitais, ele desapareceu. Existe tambm o sinal padro de transmisso de 1 a 5 V cc, porm ele no

adequado para grandes distancias, pois a resistncia parasita da fiao atenua o sinal transmitido.

A alimentao dos instrumentos eletrnicos de campo feita atravs do mesmo par de fios que conduz o sinal padro de informao. Tais transmissores so chamados de 2-fios. Pretendeu-se diminuir o sinal padro para faixa menor que 4 a 20 mA, para que a alimentao fosse de 5 V cc, porm, isso no se realizou.

Fig. 1.3.5. Medidor vortex, eletrnico (Foxboro) Atualmente, quando se tem todo o

sistema digital, a transmisso feita digitalmente. Ainda no h um protocolo padro de transmisso digital e os fabricantes usam os seus protocolos proprietrios, como HART, da Fisher-Rosemount, FOXCOM, da Foxboro. Em outubro de 1996 dever ser assinado uma tentativa de padronizao do Fieldbus.

O instrumento eletrnico pode ser uma fonte de energia e por isso ele no seguro, a no ser que sejam tomados cuidados especiais de fabricao e instalao. Ele deve possuir uma classificao eltrica especial, compatvel com a classificao de rea do local onde ele vai operar.

H basicamente dois tipos de instrumentos eletrnicos: base de corrente e base de tenso.


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Fig. 1.3.6. Instrumentos eletrnicos As caractersticas dos instrumentos

base de corrente so: 1. todos os instrumentos devem ser ligados

em serie. Para garantir a integridade do sistema, devem existir dispositivos de proteo que possibilitem a retirada ou colocao de componentes da malha, sem interrupo ou interferncia de funcionamento. Caso no haja essa proteo, quando um instrumento da malha retirado, ou mesmo se estraga, toda a malha fica desligada.

2. a ligao em serie tambm influi no valor mximo da impedncia da malha. A malha de instrumentos base de corrente, onde todos so ligados em serie, a soma das impedncias de entrada de todos os instrumentos limitada por um valor mximo, que funo geralmente do nvel de alimentao da malha. Desse modo, limitado o nmero de instrumentos ligados em serie numa malha. Quando esse limite ultrapassado, a soluo usar o instrumento repetidor de corrente, tambm chamados, casadores de impedncia.

3. as impedncias de entrada dos instrumentos so baixas (dezenas a centenas de ohms) e portanto as correntes circulares so relativamente elevadas (mA). Isso eqivale a dizer que o consumo de energia elevado e h grande dissipao de calor.

As caractersticas dos instrumentos base de tenso so: 1. todos os instrumentos so ligados em

paralelo. Os diagramas de ligao, como conseqncia, so mais simples, pois podem ser unifilares.

2. os componentes apresentam alta impedncia de entrada, de modo que a retirada, colocao ou defeito dos

instrumentos do sistema no interferem no seu funcionamento normal.

3. como os instrumentos possuem altssimas impedncias de entrada (M) as correntes circulantes so baixssimas (A ou pA). O nvel de energia dissipada baixo e o calor dissipado desprezvel.

Como recomendao: utiliza-se instrumento base de corrente para a transmisso de sinais, pois no h problemas de atenuao com as distancias envolvidas e utiliza-se o sistema com instrumentos base de tenso para a manipulao local dos sinais, dentro do painel, para usufruir das vantagens de baixo consumo, baixa dissipao de calor, facilidade de ligaes, flexibilidade de conexes.

5. Analgico ou Digital O conceito de analgico e digital se

refere a 1. sinal 2. tecnologia 3. display 4. funo matemtica.

5.1. Sinal Sinal uma indicao visual, audvel ou

de outra forma que contem informao. Sinal analgico aquele que vria de

modo continuo, suave, sem saltos em degrau. O parmetro fundamental do sinal analgico sua amplitude. Medir um sinal analgico determinar o valor de sua amplitude. So exemplos de sinal analgico: 1. Sinal padro pneumtico de 20-100

kPa, onde o 20 kPa corresponde a 0% e 100 kPa a 100%.

2. Sinal padro eletrnico de 4-20 mA cc, onde o 4 mA cc corresponde a 0% e 20 mA a 100%.

3. As variveis de processo so analgicas. Uma temperatura pode variar de 20 a 50 oC, assumindo todos os infinitos valores intermedirios. Uma presso de processo pode variar de 20 a 100 kPa, de modo contnuo. Sinal binrio ou discreto aquele que s

pode assumir valores descontnuos. O sinal digital constitudo de pulsos ou de bits. Pulsos s podem ser contados; bits podem ser manipulados.


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A sada de pulsos da turbina medidora de vazo, onde cada pulso escalonada pode corresponder, por exemplo, a 1 litro/segundo de vazo um sinal binrio.

Um sinal digital de 8 bits pode ser 10011101.

5.2. Display O display ou readout a apresentao

visual dos dados. Ele pode ser analgico ou digital.

Display analgico aquele constitudo, geralmente, de uma escala fixa e um ponteiro mvel (pode haver escala mvel e ponteiro fixo). O ponteiro se move continuamente sobre a escala graduada, possibilitando a leitura do valor medido.

Display digital aquele constitudo por nmeros ou dgitos. Os nmeros variam de modo discreto, descontinuo, possibilitando a leitura do valor medido. O fator mais importante favorecendo o instrumento digital, quando comparado com o analgico, a facilidade de leitura. Quando o operador l um instrumento analgico, ele deve se posicionar corretamente, fazer interpolao, usar espelho da escala, ou seja, ter um bom olho. A leitura analgica suscetvel a erro, subjetiva e demorada.

(a)

(b)

Fig. 1.3.7. Display (a) analgico e (b) digital

5.3. Tecnologia A tecnologia eletrnica pode ser

analgica ou digital. A base dos circuitos analgicos o

amplificador operacional, que manipula e computada variveis analgicas (corrente e voltagem). Os componentes passivos (resistncia, capacitor e indutor) servem

para polarizar os circuitos. Os componentes ativos (transistores, amplificadores operacionais) operam na regio de amplificao linear.

Instrumento digital usa circuitos e tcnicas lgicas para fazer a medio ou para processar os dados. Basicamente, um instrumento digital pode ser visto como um arranjo de portas lgicas que mudam os estados em velocidades muito elevadas para fazer a medio. A base dos circuitos digitais so os circuitos integrados digitais, constitudos de portas lgicas (AND, OR, NAND, NOR, NOT), multivibradores (flip-flop), contadores e temporizadores. Atualmente, todos estes circuitos e lgicas esto integradas no microprocessador. Os circuitos digitais podem tambm executar as tarefas analgicas de amplificar e filtrar. Necessariamente, eles devem ter um estgio de converso analgico-digital e eventualmente, de digital-analgico.

Fig. 1.3.8. Totalizao (digital) por meio analgico

5.4. Funo Matemtica H funes ou tarefas que so

tipicamente analgicas, como registro e controle de processo. S possvel registrar um sinal analgico. Por exemplo, quando se quer registrar a vazo, tendo-se uma turbina medidora com sada de pulsos, deve-se converter o sinal de pulsos em analgico. O controle tambm uma funo analgica. O seu algoritmo fundamental, PID, matematicamente analgico e continuo. O controle liga-desliga um caso particular, com uma sada discreta (digital). Um controlador digital envolve uma tecnologia digital para executar a funo analgica de controle.

Funes tipicamente digitais so alarme, contagem de eventos e totalizao de vazo. Quando se totalizam pulsos


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escalonados de medio de vazo, basta cont-los. Quando se totaliza um sinal analgico proporcional vazo, necessrio converter o sinal para digital e depois contar os pulsos correspondentes.

Um exemplo relacionando todos estes conceitos a medio do tempo pelo relgio. O tempo uma grandeza analgica. O tempo pode ser medido por um relgio mecnico, com tecnologia analgica e mostrador analgico. Tem-se engrenagens, molas, pinos acionando um ponteiro que percorre uma escala circular graduada. O ponteiro se move continuamente. Este mesmo tempo pode ser medido por um relgio eletrnico, com tecnologia digital mas com mostrador analgico. A tecnologia do relgio digital pois tem um microprocessador e um cristal oscilante. A indicao analgica, pois constituda de escala e ponteiro. Porem, o ponteiro se move com pequenos saltos, mostrando que est sendo acionado por pulsos. Finalmente, o tempo pode ser indicado por um relgio digital. A tecnologia do relgio digital e o indicador tambm digital. O display so nmeros que variam discretamente. Resumindo: a varivel analgica tempo pode ser indicada atravs de relgio analgico (mecnico) ou digital (eletrnico) com display analgico (escala e ponteiro) ou digital (nmeros).

5.5. Comparao Analgica Versus Digital

Deve-se diferenciar um instrumento digital e um instrumento com display digital. Instrumento digital aquele em que o circuito necessrio para obter a medio de projeto digital. Um instrumento com display digital aquele que o circuito de medio de projeto analgico e somente a indicao de projeto digital.

Um instrumento analgico com leitura digital geralmente no mais preciso que o mesmo instrumento analgico com leitura analgica.

A principal vantagem do display digital a convenincia de leitura, quando no se tem a preocupao de cometer erro de paralaxe, quando se posiciona erradamente em relao ao instrumento de leitura. Os psiclogos garantem que se cansa menos quando se fazem mltiplas leituras digitais.

Porm, a leitura de instrumento analgico de mais rpida e fcil interpretao, principalmente quando se tem comparaes entre duas medies. Por isso, mesmo a instrumentao eletrnica sofisticada com tecnologia digital possui medidores que simulam indicaes analgicas. Por exemplo, o controlador single loop possui indicaes da medio e do ponto de ajuste feitas atravs de grfico de barras. Os relgios digitais foram muito populares na dcada de 80, porque eles eram novidade e mais baratos. Atualmente, h o reaparecimento de relgios com display analgico, com ponteiros e escala, porque sua leitura mais rpida e fcil, pois se sabe o significado de certas posies dos ponteiros das horas e dos minutos.

A preciso uma segunda vantagem do instrumento digital sobre o analgico. Embora a preciso dependa da qualidade e do projeto do instrumento, em geral, o instrumento digital mais preciso que o analgico de mesmo custo. Tipicamente, a preciso do digital de 0,1% e do analgico de 1%.

A exatido de qualquer instrumento est relacionada com a calibrao. Como a preciso de um instrumento digital depende da percentagem do valor medido e de mais ou menos alguns dgitos menos significativos (erro de quantizao), o instrumento digital requer calibraes mais freqentes que o instrumento analgico, cuja preciso depende apenas da percentagem do fundo de escala. Os instrumentos digitais fornecem melhor resoluo que os analgicos. A maior resoluo dos instrumentos digitais reduz o nmero de faixas necessrias para cobrir a faixa de medio.

Fig. 1.3.9. Instrumentos inteligentes (Foxboro)


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6. Burro ou inteligente Os instrumentos convencionais de leitura

apresentam os resultados para o operador, que deve interpret-los. Esta interpretao envolve o uso da unidade de engenharia apropriada, linearizao, alguma computao matemtica e a concluso final. Obviamente, para isso se requer um operador esperto ou inteligente.

Com o uso intensivo e extensivo do microprocessador na instrumentao, tornou-se possvel passar para o instrumento esta capacidade humana de computao matemtica e interpretao de resultados. Em 1983 apareceu o primeiro transmissor microprocessado, lanado pela Honeywell e foi chamado de inteligente. Este outro de muitos exemplos de nomes escolhidos estupidamente para instrumentos de processo. No h nada particularmente inteligente nos medidores inteligentes. Porm, eles possuem caractersticas acima e alm das de seus predecessores e estas capacidades devem ser entendidas. Como estes instrumentos foram chamados de inteligentes, por contraposio, os j existentes so considerados burros (dumb).

Atualmente, h o sabido (smart) e o inteligente (intelligent), onde o inteligente tem maiores recursos que o sabido, embora ambos sejam microprocessados. Atualmente, quando se fala indistintamente que um instrumento inteligente quer se referir a um instrumento a base de microprocessador, com a capacidade inerente de computao matemtica, lgica, seqencial, intertravamento.

A capacidade adicional tornou-se possvel pelo desenvolvimento da microprocessador e a incluso deste componente admirvel nos instrumentos de medio. Isto significa que um transmissor inteligente possui um pequeno computador em seu interior que geralmente lhe d a habilidade de fazer duas coisas:

1. modificar sua sada para compensar os efeitos de erros

2. ser interrogado pelo instrumento receptor da malha.

As capacidades peculiares dos instrumentos inteligentes so: 1. habilidade de transmitir medies do

processo, usando um sinal digital que inerentemente um mtodo mais preciso

do que o sinal analgico. O principal obstculo a falta de padronizao deste sinal digital e seu respectivo protocolo. Algum dia isto ser resolvido.

2. Todos os instrumentos de medio industriais contem componentes como foles, diafragmas e elos que exibem comportamento no linear ou cujo comportamento pode ser alterado por variaes de temperatura, umidade, presso, vibrao, alimentao ou outros efeitos externos. Em outros casos, os efeitos no lineares aparecem por causa dos princpios de medio, como a medio de vazo com placa de orifcio. A estratgia, at hoje, era usar outros instrumentos para compensar estes efeitos. Como os instrumentos inteligentes possuem uma grande capacidade computacional, estas compensaes, correes e linearizaes so mais facilmente conseguidas atravs de circuitos embutidos no microprocessador.

3. Alm de transmitir a informao, o transmissor inteligente pode tambm ouvir. Um benefcio prtico disto em verificao de pr partida. Da sala de controle, o instrumentista pode perguntar ao transmissor que est no campo qual o seu nmero de identificao.

4. Um transmissor inteligente pode ter sua faixa de calibrao facilmente alterada atravs de comandos de reprogramao em vez de ter ajustes mecnicos locais. Na medio de vazo com placa de orifcio, as verificaes de zero do instrumento requerem a abertura e fechamento das vlvulas do distribuidor no transmissor.

Fig. 1.3.10. rea externa


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7. Campo ou sala de controle Os primeiros instrumentos de medio e controle, desenvolvidos at a dcada de 1940, eram de montagem local ou no campo, prximos ao processo. Apenas com o advento do transmissor, pneumtico ou eletrnico, que possibilitou o envio das informaes at distancias de centenas de metros (pneumtico) ou alguns kilmetros (eletrnico), tornou-se possvel a opo de se montar os indicadores, registradores e controladores em painis centralizados e localizados em salas de controle.

Outro fato que concorreu para o uso de painis centralizados em salas de controle foi a complexidade crescente dos processos, que requer a leitura e a monitorizao simultnea de muitas variveis simultneas.

Com o uso cada vez mais intensivo da instrumentao eletrnica, at com tcnicas digitais de controle distribudo, a tendncia a de se usar instrumentos centralizados em salas de controle, distribudas em toda a extenso da planta.

7.1. Instrumento de campo H instrumentos, que pela sua prpria

funo desempenhada, s podem ser montados no campo, prximos ou em contato direto com o processo. Os sensores (parte dos instrumentos) e as vlvulas de controle so necessariamente montados no campo. Na maioria dos casos mas nem sempre, o transmissor montado no campo. Em uma minoria dos casos, por questo de segurana ou de integridade, o transmissor montado no painel cego da sala de controle. Os outros instrumentos, tais como indicadores, registradores, controladores, totalizadores, transdutores e conversores podem ser montados tanto no campo como no painel da sala de controle.

Embora funcionalmente os instrumentos sejam os mesmos, suas caractersticas externas, relacionadas com robustez, segurana, funcionamento so diferentes. E como conseqncia, tambm os custos so diferentes.

Fig. 1.3.11. Instrumentos em rea industrial

De um modo simplista, um instrumento

especificado e construdo para ser montado no campo mais robusto, mais resistente corroso e maior do que o seu correspondente montado no painel da sala de controle. A sua pintura e o seu acabamento so normalmente especiais e especficos para cada atmosfera. Atualmente, se aplicam cada vez mais materiais plsticos (p. ex., epoxy) e fibra de vidro, que so altamente resistente e no sofrem corroso nem ferrugem.

A montagem padro dos instrumentos de campo em tubo de 2" (50 mm) de dimetro. Os instrumentos de medio ou registro de vazo, que utilizam o diafragma de presso diferencial (cmara Barton) so montados em pedestal (yoke), que levemente diferente da montagem em tubo de 2". Na montagem em tubo, o instrumento preso lateralmente ao tubo, atravs de uma braadeira. Na montagem em pedestal, o instrumento colocado sobre o tubo, pois no h espao lateral para ser fixado.

Os instrumentos de campo que apresenta portas, geralmente so trancados com chave, de modo que apenas as pessoas categorizadas lhe tenham acesso ao interior.

As portas e janelas de vidro, normalmente, so anti estilhao, ou seja, quando se quebram no produzem estilhaos, que seriam perigosos aos operadores.

Quando no h restries de segurana, por causa da presena de gases inflamveis no meio circundante, os instrumentos so iluminados internamente. As luzes so acesas manualmente pelo operador ou pelo instrumento de manuteno, facilitando a operao noturna.


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Os instrumentos de campo devem ser montados em lugares de fcil acesso, para possibilitar abertura, troca de grficos, calibrao e manuteno.

Fig. 1.3.12. Instrumentos montados no campo

Os instrumentos de campo so

chamados tambm de "caixa grande". So tipicamente de formato retangular. Os registradores tem o formato retangular, porm, seus grficos so circulares, com dimetro de 12".

7.2. Instrumentos montados na sala de controle Com a complexidade dos processos industriais, apareceu a necessidade de maior nmero de instrumentos para a manipulao dos sinais de informao. Para que os painis no se tornassem proibitivamente grandes, o que implicaria em maiores custos e maiores dificuldades para os operadores, os fabricantes foram forcados a diminuir os tamanhos dos instrumentos. Esta miniaturizao dos instrumentos foi auxiliada pelo advento da eletrnica e pelo uso de circuitos impressos pneumticos.

As caractersticas comuns aos instrumentos montados em painel so: 1. Os instrumentos so montados em

estantes padronizadas, atravs de cabos de engate rpido. Esta filosofia, valida para os instrumentos pneumticos e eletrnicos, torna fcil a substituio a manuteno dos instrumentos.

(a) Instrumentos soltos

(b) Instrumentos montados nas estantes

Fig.4.13. Instrumentos em painel de leitura (Foxboro) 2. Os instrumentos de painel so mais

padronizados, pois manipulam sinais padronizados provenientes dos transmissores de campo. A maioria dos instrumentos de painel recebe o sinal de transmissores do campo, por questo de padronizao, de segurana e de tcnica. No seria seguro nem praticvel trazer, por exemplo, um sinal de presso de 100 kg/cm2 do campo para o painel diretamente. Como conseqncia, usa-se um transmissor, eletrnico ou pneumtico, de presso para trazer essa informao para a sala de controle. E o sinal recebido pelo instrumento de painel um sinal padro, de 4 a 20 mA se eletrnico ou 20 a 100 kPa se pneumtico.

3. A padronizao maior dos instrumentos implica em menor nmero de instrumentos reservas. Como conseqncia dessa padronizao, por exemplo, todos os controladores so iguais, quaisquer que sejam as variveis controladas. O controlador do painel recebe um sinal padro do transmissor de campo e remete para a vlvula de controle outro sinal padro. Para facilitar ainda mais, os instrumentos de painel so fornecidos com escalas


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intercambiveis, de fcil substituio. Assim, em vez de se ter um controlador para cada varivel de processo, tem-se um nico controlador para todas as variveis. Apenas so trocadas as escalas dos instrumentos

(a) Porttil (b) Painel

(c) rea industrial Fig. 1.3.14. Locais de montagem 4. Os nicos instrumentos de painel que

recebem sinais diretamente do processo so os indicadores e registradores de temperatura, com elementos sensores a termopar ou a bulbo de resistncia. Tambm nessa situao, os instrumentos continuam sendo padronizados. Obviamente um registrador de temperatura, com termopar, no poder receber sinal de um transmissor eletrnico de presso. Porm, poder ser ajustado para receber sinal de outro termopar, desde que sejam modificadas as junes de compensao.

5. Os instrumentos de painel so estruturalmente mais frgeis que os instrumentos de campo, pois suas condies ambientais so mais favorveis e porque as estantes de montagem os protegem.

6. Os instrumentos eltricos montados nos painis so de uso geral. Ou seja, mesmo que a sala de controle seja de

uma industria cuja rea do campo seja perigosa por manipular produtos com gases inflamveis e explosivos, ela um local seguro.

7. Os tamanhos fsicos dos instrumentos de painel so menores, para que os painis sejam menores, as salas de controle sejam menores. A diminuio do tamanho dos instrumentos no prejudica a operao, pois na sala de controle os operadores podem se aproximar facilmente dos instrumentos de leitura.

Fig. 13.15. Painel de leitura e armrio cego


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8. Modular ou integral Os primeiros instrumentos agrupavam

em seu invlucro todos os circuitos funcionais e so chamados de integrais. Como resultado, eram pouco flexveis e praticamente no era possvel fazer modificaes em sua operao.

Fig. 1.3.15. Instrumento integral

Ainda na instrumentao analgica

apareceu a filosofia de separar os instrumentos em mdulos independentes fisicamente e separados geograficamente; tem-se a instrumentao modular. Nesta configurao, um controlador era constitudo por: 1. mdulo de entrada, que recebe o sinal de

medio da varivel de processo, vindo do campo,

2. mdulo de processamento de sinal, que pode opcionalmente alterar o sinal recebido, por exemplo, linearizando-o,

3. mdulo de contr

64680290 instrumentacao marco antonio ribeiro

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