a-introduçaõ da instrumentação

ESCOLA NESCOLA NÁÁUTICA INFANTE UTICA INFANTE D. HENRIQUED. HENRIQUE

Apontamentos Apontamentos de de

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO

2006/20072006/2007


Corpo docente:Corpo docente:

• Luis Filipe Baptista (aulas teóricas)• Carlos Augusto Silva (PG1/PG2)

••LinkLink da pda páágina gina webweb do docente da disciplina:do docente da disciplina:

http://http://www.enautica.ptwww.enautica.pt/professores/Publico//professores/Publico/Baptista/Baptista/index.htmindex.htm

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃOProgramaPrograma da da disciplinadisciplina

• INTRODUINTRODUÇÇÃO ÃO ÀÀ INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO•• CONDICIONAMENTO DE SINAISCONDICIONAMENTO DE SINAIS•• SENSORES E TRANSDUTORESSENSORES E TRANSDUTORES•• CONVERSORES, ACTUADORES E ELEMENTOS DE CONVERSORES, ACTUADORES E ELEMENTOS DE CONTROLO FINALCONTROLO FINAL

•• CONTROLADORES CONTCONTROLADORES CONTÍÍNUONUOSS•• CONTROLADORES DIGITAISCONTROLADORES DIGITAIS•• EXEMPLOS DE APLICAEXEMPLOS DE APLICAÇÇÃO EM INSTALAÃO EM INSTALAÇÇÕES ÕES

MARMARÍÍTIMASTIMAS

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM 4

BibliografiaBibliografia• Curtis D. Johnson, Controlo de Processos -Tecnologia da Instrumentação, Edição da Fundação Calouste Gulbenkian, 1991•Gustavo da Silva, Instrumentação Industrial, Edição da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, 1999•António Creus Sole, Instrumentacion Industrial, Editora Marcombo Boixareau•Gustavo Ribeiro da Costa Alves, Instrumentação e Medidas, ISEP, Instituto Politécnico do Porto•Luis Filipe Baptista, Apontamentos de ControloContínuo e Digital, ENIDH/DMM, 2006•Katsuhiko Ogata, Engenharia do controlo moderno,Editora Prentice-Hall do Brasil, 3a Edição, 1997


Normas de avaliaNormas de avaliaççãoãoAvaliação por testes:

Parte teórica: dois testes escritos, não podendo o aluno ter uma nota inferior a 7 valores em qualquer um deles. A média dos testes deverá ser igual ou superior a 9.5 valores;Parte laboratorial: o aluno deverá apresentar relatórios dos trabalhos práticos a realizar no laboratório, e ter uma nota mínima final de 9.5 valores. Os trabalhos serão sujeitos a uma discussão oral para atribuição da nota final.

Nota_final= 0.6*(N_1T + N_2T)/2 + 0.4*(N_TP)Avaliação por exame:

A nota mínima para ser aprovado no exame final é 9.5 valores;A nota final de exame é dada por:

Nota_final= 0.6*N_EFinal + 0.4*(N_TP)

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO(M412)(M412)

CAPCAPÍÍTULO I TULO I –– IntroduIntroduçção ão ààInstrumentaInstrumentaççãoão

Conceitos bConceitos báásicos sobre sicos sobre instrumentainstrumentaçção e medidasão e medidas

2006/2007


FunFunçção e constituião e constituiçção de um ão de um sistema de medisistema de mediççãoão


ConstituiConstituiçção de um ão de um dispositivo de medidadispositivo de medida

Bloco (ou elemento) sensorBloco (ou elemento) sensorElemento que se encontra em contacto Elemento que se encontra em contacto com o processo e que produz um sinal de com o processo e que produz um sinal de sasaíída que depende (de qualquer forma) da da que depende (de qualquer forma) da varivariáável sob medivel sob mediçção.ão.Exemplo:Exemplo: um termopar, em que a f.e.m aos um termopar, em que a f.e.m aos seus terminais depende da temperatura.seus terminais depende da temperatura.


Bloco (ou elemento) de condicionamento de Bloco (ou elemento) de condicionamento de sinalsinal

Converte a saConverte a saíída de um elemento sensor da de um elemento sensor numa forma mais apropriada para posterior numa forma mais apropriada para posterior processamento, geralmente uma tensão processamento, geralmente uma tensão contcontíínua ou um sinal em frequência.nua ou um sinal em frequência.Exemplos:Exemplos:

Ponte de Ponte de WheatstoneWheatstone que converte uma alteraque converte uma alteraçção ão de resistência numa alterade resistência numa alteraçção de tensão contão de tensão contíínua.nua.Amplificador operacionalAmplificador operacional que converte uma tensão que converte uma tensão de de miliVoltsmiliVolts em Volts.em Volts.



Bloco (ou elemento) de processamento Bloco (ou elemento) de processamento de sinalde sinal

Converte o sinal de saConverte o sinal de saíída do bloco (ou da do bloco (ou elemento) de condicionamento de sinal elemento) de condicionamento de sinal numa forma mais apropriada para numa forma mais apropriada para apreapre--sentasentaççãoão ou observaou observaçção.ão.Exemplo:Exemplo: um conversor analum conversor analóógicogico--digital que digital que converte uma tensão analconverte uma tensão analóógica numa palavra gica numa palavra digital, passdigital, passíível de ser lida por um computador.vel de ser lida por um computador.



Bloco (ou elemento) de apresentaBloco (ou elemento) de apresentaçção ão de dadosde dados

Apresenta o valor medido numa forma Apresenta o valor medido numa forma facilmente perceptfacilmente perceptíível pelo utilizador.vel pelo utilizador.Exemplo:Exemplo: indicador de ponteiro, indicador de ponteiro, mostrador alfanummostrador alfanuméérico, indicador de rico, indicador de barras, etc.barras, etc.



CaracterCaracteríísticas dos aparelhos sticas dos aparelhos de medidade medida

Exactidão ou FidelidadeExactidão ou FidelidadeTolerância aos factores ambientais e ao desgaste Tolerância aos factores ambientais e ao desgaste e envelhecimentoe envelhecimento..

PrecisãoPrecisãoA precisão implica a exactidão, uma vez que um A precisão implica a exactidão, uma vez que um aparelho não pode ser exacto sem ser preciso, aparelho não pode ser exacto sem ser preciso, embora o recembora o recííproco não seja verdadeiro.proco não seja verdadeiro.

SensibilidadeSensibilidadeResoluResoluççãoãoRapidez de indicaRapidez de indicaççãoãoConsumoConsumo



Comodidade de emprego e portabilidadeComodidade de emprego e portabilidadeCalibre e gama dinâmicaCalibre e gama dinâmica

CalibreCalibre éé o valor da grandeza medida que do valor da grandeza medida que dáá, , na escala, o desvio mna escala, o desvio mááximoximo

gama dinâmicagama dinâmica ==desvio máximo legível

desvio mínimo legível



Robustez e capacidade de sobrecargaUm aparelho é robusto desde que não seja susceptível a estragos devidos aos transportes e trepidações.Um aparelho está em sobrecarga quando a grandeza física aplicada ultrapassa o calibre.

Capacidade de sobrecarga =

Grandeza máxima não destrutível = sobrecarga que não faz variar, depois da sua aplicação, nem os erros, nem o limite de sensibilidade nem a precisão.

grandeza máxima não destrutiva

grandeza que dá o desvio máx. legível


Simbologia referente a aparelhos Simbologia referente a aparelhos de medidade medida

Relativamente à função:


SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas elelééctricas dos aparelhos de medidactricas dos aparelhos de medida

Relativamente às possibilidades de medida:

corrente contínua (c.c. ou DC em inglês)

corrente alternada (c.a. ou AC em inglês)

corrente contínua e alternada


Relativamente à posição em que devem ser utilizados

posição de emprego horizontal

idem, vertical

idem, oblíqua com indicação do ângulorelativamente à horizontal

SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas elelééctricas dos aparelhos de medidactricas dos aparelhos de medida

50º


SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas dos aparelhos de medida eldos aparelhos de medida elééctricosctricos

Relativamente à classe de precisãoA classe de precisão indica o limite superior do erro relativo (relativamente à medida da grandeza indicada), como percentagem do máximo valor indicado na escala que se está a usar. Os aparelhos mais frequentemente utilizados situam-se entre as classes 0,5 e 4.Exemplo:

Classe de precisão 2, escala de 0 a 30 volts. O erro relativo não excede +/- 2% de 30 volts, i. e. as leituras obtidas estarão afectadas, no máximo, de um erro absoluto de +/- 0,6 V.



Relativamente Relativamente àà sensibilidade, como sensibilidade, como voltvoltíímetrometro

ÉÉ indicada em ohms/volt (indicada em ohms/volt (ΩΩ/V) ou, mais frequentemente, /V) ou, mais frequentemente, em em quiloquilo--ohmsohms por volt (k por volt (k ΩΩ /V). Numa escala de zero a /V). Numa escala de zero a N volts, a resistência interna do voltN volts, a resistência interna do voltíímetro metro éé N N multiplicado pela sensibilidade, atrmultiplicado pela sensibilidade, atráás referida, em s referida, em ohms ohms por voltpor volt..Exemplo:Exemplo: se a sensibilidade for de 10 000 se a sensibilidade for de 10 000 ΩΩ /V/V

Numa escala de 0 a 0,1 VNuma escala de 0 a 0,1 V R1 = 10 000 R1 = 10 000 ΩΩ /V x 0,1 V = 1 k /V x 0,1 V = 1 k ΩΩ

Numa escala de 0 a 300 VNuma escala de 0 a 300 V R2 = 10 000 R2 = 10 000 ΩΩ /V x 300 V = 3,00 /V x 300 V = 3,00 M M ΩΩ



Relativamente a outros dadosIndica-se também, frequentemente, a tensão de ensaio, em KV, no interior de uma pequena estrela de 5 pontas.

Nos instrumentos de medida para corrente alternada indicam-se, por vezes, os limites de frequência dentro dos quais as leituras (das várias grandezas mensuráveis) podem ser feitas, dentro da classe de precisão estabelecida.

= 2 KV



• Instrumento de bobina móvel, incorporando rectificador

• Pertence à classe 1,5 em corrente contínua e à classe 2,5 em corrente alternada

• Permite medidas (em c.a.) envolvendo frequências entre 20 e 700 Hz, na classe

de precisão especificada - 2,5

• Resistência interna, como voltímetro, de 20 kΩ/V em c.c.

• Impedância interna, como voltímetro de 10 kΩ/V em c.a.

• Deverá ser utilizado com a escala em posição horizontal

• A tensão de ensaio é de 2 kV

Exemplo


CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Alcance (mAlcance (mááximo e mximo e míínimo)nimo)Gama (ou intervalo) de funcionamentoGama (ou intervalo) de funcionamentoLinearidadeLinearidadeSensibilidadeSensibilidadeResoluResoluççãoãoHistereseHistereseTolerância aos efeitos ambientaisTolerância aos efeitos ambientaisTolerância ao desgaste e envelhecimentoTolerância ao desgaste e envelhecimentoIntervalos de erro ou incertezaIntervalos de erro ou incerteza



Alcance (máximo e mínimo)O alcance de entrada (E) de um elemento é especificado através dos valores máximo e mínimo de E, i. e. Emáx e Emin. O alcance de saída (S) de um elemento é especificado através dos valores máximo e mínimo de S, i.e. Smax e Smin. Por exemplo um sensor de temperatura pode ter um alcance de entrada de 0 a 300º C e um alcance de saída de 10 a 40 kW.

Gama (ou intervalo) de funcionamentoIndica a máxima variação da entrada ou da saída, i. e. a gama de entrada é igual a Emáx - Emin e a gama de saída é Smáx - Smin. No exemplo anterior a gama de entrada era de 300º C e a gama de saída era de 30 kW.



LinearidadeDiz-se que um elemento é linear se a correspon-dência entre os valores à sua entrada e os valores à sua saída forma uma linha recta. A linha recta ideal liga o ponto mínimo (Emin, Smin) ao ponto máximo (Emáx, Smáx), sendo por isso descrita pela seguinte equação:

ou seja:

( )minminmax

minmaxmin EE

EE

SSSS −⋅⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

=−

S K E aideal = ⋅ +


CaracterCaracteríísticassticas de um elementode um elemento

LinearidadeExistem elementos que se afastam da lineari-dade, i. e. possuem uma característica não linear. A não-linearidade é geralmente quantificada em termos de não-linearidade máxima N, expressa como uma percentagem da deflexão de fim de escala (d.f.e.), i. e. como uma percentagem da gama de funcionamento.





LinearidadeEm muitos casos, S(E) e consequentemente N(E), pode ser expressa como um polinómio em E, i. e. :

Noutros casos, é mais adequado utilizar expressões diferentes das polinomiais. Por exemplo, a resistência R(T) de um termístor, com T em ºC, é dada por:

S E a a E a E a E a Emm

qq

q

q m

( )= + ⋅ + ⋅ + + ⋅ = ⋅=

=

∑0 1 22

0

K

R T e T( ) ,= ⋅ +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟0 04

3300

273



SensibilidadeIndica a taxa de variação da saída em relação àentrada, i. e.

dS/dE = K + dN/dE

Para um elemento ideal dS/dE = K. Quanto maior for o valor de K, maior será a sensi-bilidade do elemento.



Resolução

Alguns elementos são caracte-

rizados pela saída variar em intervalos ou deslocamentos discretos em resposta a uma variação contínua na entrada.

A resolução é definida como a variação máxima da entrada que não provoca nenhuma variação na saída.



HisteresePara um dado valor de E, a saída S pode ser diferente consoante E esteja a crescer ou a decrescer. Histerese, é a diferença entre estes dois valores de S.



Tolerância aos efeitos ambientaisEm geral, a saída S não depende só do sinal de entrada E, como também depende dos efeitos do ambiente em que se encontra o elemento. Geralmente, as funções de transfe-rência são elaboradas para condições bem determinadas, como por exemplo, a 25º C de temperatura ambiente, pressão atmosférica a 1000 milibars e uma humidade relativa de 80 %. Se existirem desvios em relação a estas condições, então a nova função de transferência deveráreflectir o efeito destes desvios.Tipos de efeitos ambientais: efeito de modificação e efeito de interferência. O primeiro actua ao nível do K e o segundo ao nível do a.Exemplo: variação da resistência com a temperatura.



Tolerância ao desgaste e envelhecimentoO desgaste e o envelhecimento podem causar variações nas características de um elemento, i. e. em K e a. Estas variações são geralmente muito lentas, mas sistemáticas ao longo do ciclo de vida do elemento em causa.Exemplo: a rigidez de uma mola pode ser expressa pela seguinte equação

k(t) = k0 - b x tNeste caso, b é muito pequeno e t é o tempo, contado

desde o momento em que a mola foi fabricada.



Intervalos de erro ou incertezaEm muitos sensores e transdutores modernos, a não linearidade, histerese, e efeitos de resolução são tão pequenos que dificilmente (ou por irrelevância) se quantifica cada um destes efeitos individualmente. Nestes casos, o fabricante opta por definir a resposta do elemento em termos de limites de erro. Para cada valor de E, a saída S será definida como uma linha recta ideal centrada numa zona de erro definida por duas rectas paralelas à recta ideal, colocadas uma de cada lado, a uma distância igual ao erro absoluto máximo.

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO(M412)(M412)


ConceitosConceitos bbáásicos sobre sicos sobre Controlo de ProcessosControlo de Processos

2006/20072006/2007


IntroduIntroduçção ao controlo de processosão ao controlo de processos

Conceito de controlo de processosDefinição directamente relacionada com o facto de os seres humanos terem passado a adoptar formas de regulação automática de modo a obter uma fabricação mais eficiente dos produtos.Neste tipo de estruturas, os procedimentos são automáticos, dado que dispensam a utilização de operadores humanos no esquema de regulação.



Variável dinâmicaÉ qualquer parâmetro físico que pode variar, ao longo do tempo, de uma forma expontânea ou por influências externas. A palavra dinâmica transmite a ideia de uma dependência do tempo que pode resultar de um conjunto de influências não especificadas ou desconhecidas.



Objectivo principal do controlo de processos

Consiste em fazer com que uma variável dinâmica se mantenha fixa ou perto de um valor específico desejado.Como as variáveis dinâmicas evoluem constantemente ao longo do tempo, énecessário efectuar constantes correcções, de modo a que o valor da variável dinâmica se mantenha constante.



Regulação (Regulation)REGULAÇÃo consiste na operação de manutenção num valor constante de uma variável dinâmica O controlo de processos tem por missão principal efectuar a regulação de uma variável dinâmica.



Exemplo: Sistema térmicoProcesso: conjunto constituído por um permutador, tubagens de entrada e de saída de fluido de um permutadorVariável dinâmica: é a temperatura do fluido à saída do permutadorRegulação: operação de manutenção da temperatura num determinado valor pré-definido pelo operador.



Exemplo: Sistema térmicoRealimentação ou feedback: para fornecer a informação relativa à temperatura do fluido à saída do permutador, é necessário medi-la através de um transdutor, de modo a informar o sistema de regulação acerca do seu valor.Controlo em anel ou malha fechada: com a introdução da realimentação, passamos a ter um sistema de controlo em anel ou malha fechada.



Exemplo: Sistema térmicoControlo em anel ou malha aberta: quando não se efectua a realimentação, diz-se que o sistema não tem feedbackNeste caso, o controlo é independente da evolução da variável dinâmica que se pretende controlar.



Exemplo: Sistema térmico

Sistema de controlo manual Sistema de controlo automático

Aquecedor

válvula

Set-point

vapor

dreno

água fria

água quente

termómetro

Aquecedor

válvula

Regulador PID

Set-point

vapor

dreno

água fria

água quente

sensor



Elementos do controlo de processosProcesso: conjunto complexo de fenómenos relacionados com uma sequência de fabrico. Háprocessos em que se pretende controlar apenas uma variável (processo univariável) ou várias variáveis em simultâneo (processos multi-variáveis).Medida: Tradução de uma variável física num corres-pondente valor analógico, que pode ser expresso, em geral, da seguinte forma:

Pressão pneumática (3-15 psi)Tensão eléctrica (1-5 V, 0-10 V, ± 10 V,…)Corrente eléctrica (4 – 20 mA)



Elementos do controlo de processosAvaliação: operação de análise do valor medido (medida), e determinação da acção que, caso seja necessário, se deverá executar –> controlador. Esta operação, pode ser efectuada através de processamento:

PneumáticoElectrónico (analógico)Electrónico (digital) -> Microprocessador

Valor de referência (set-point): valor desejado da variável dinâmica, expresso de uma forma semelhante à da variável medida.



Elementos do controlo de processosElemento de controlo: Dispositivo que exerce uma influência directa no processo, i.e., efectua as alterações necessárias na variável dinâmica para a trazer até ao ponto de ajuste (set-point) -> Actuador.Diagrama de blocos: Num anel ou malha de controlo de processos, cada elemento é representadonum diagrama de blocos, por um bloco em separado. Em geral, a variável dinâmica de referência, é representada por R (ou CSP) e a variável dinâmica medida por C ou CM.Erro: é dado pela diferença entre R e C, ou seja:

e = R – C ou e = CSP - CM



Diagrama de blocos (anel fechado)

Processo

Sensor de medida

+

-

Referência Saída do processo

Sinal medido

Erro

Controlador

Acção de controlo



Diagrama de blocos (anel aberto)

Controlador Processo

Referência

Acção de controlo

Saída do processo



Avaliação do Controlo de ProcessosCritérios de avaliação do sistema de controlo

Erro do sistemaResposta dinâmica

Erro do sistema: medida do erro existente entre o valor do ponto de ajustamento da variável controlada e o valor real da variável dinâmica mantido pelo sistema. Este erro pode ser expresso pela percentagem do de desvio do valor real de C em relação ao valor de ajustamento R.

Como reduzir o erro? Através da melhoria da qualidade dos elementos do sistema de controlo.



Avaliação do Controlo de ProcessosPonto de ajuste (set-point): Valor desejado para a

variável dinâmica no processo. Deve ser expresso na mesma forma que a dada pela medida da variável dinâmica.

Exemplo: Se uma medida converte uma pressão num valor de corrente proporcional, então o ponto de ajustamento deve ser expresso por uma corrente eléctrica na mesma proporção.

Resposta dinâmica: É o critério básico sobre o qual se avalia a actuação do sistema. A resposta dinâmica éuma medida da reacção do sistema em função do tempo, ao corrigir perturbações transitórias ou adaptar-se a alterações no ponto de ajuste.



Avaliação do Controlo de processosAlteração ao ponto de ajuste: Corresponde a

uma alteração no ponto de funcionamento da malha de controlo. A resposta do sistema pode ser ajustada da seguinte forma:

Resposta oscilatória: A resposta pode ultra-passar o ponto de ajustamento e efectuar um certo número de oscilações em torno deste ponto antes de estabilizar. Exemplo: Controlo de nível de um tanque.



Avaliação do Controlo de processosAlteração ao ponto de ajustamento:

Resposta amortecida: O valor da variável dinâmica nunca ultrapassa o ponto de ajustamento ou executa oscilações, mas aproxima-se do novo ponto de ajustamento de uma forma assimptótica.Exemplo: Controlo de temperatura num forno, no qual se pretende que a temperatura nunca ultrapasse um determinado valor pré-definido.



Avaliação do Controlo de processos






Avaliação do Controlo de processosResposta transitória: Descreve a capaci-dade da resposta dinâmica do sistema para recuperar de uma perturbação súbita no processo que provoque uma mudança brusca na variável controlada



Avaliação do Controlo de processosResposta transitória



Avaliação do Controlo de processosResposta transitória



Avaliação do Controlo de processosCritérios de avaliação da resposta dinâmica:Utiliza-se um conjunto de critérios de estabilida-de, quer os desvios sejam devidos a alterações no ponto de ajustamento, quer a entradas ou perturbações transitórias. Existem, entre outros, os seguintes critérios:

Tempo de estabilização Erro de picoErro residualÁrea mínima.....




Resposta de um sistema (processo) CM, com a indicação dos seus principais parâmetros.




Para avaliar a resposta da malha de controlo utilizam-se diversos critérios, sendo um deles ocritério da área mínima.



Avaliação do Controlo de processosTempo de estabilização (ts): Desvio permitido em torno do ponto de ajuste ± ∆C. Se houver uma entrada transitória ou uma alteração no ponto de ajuste, o tempo de estabilização é o tempo necessário para que a malha ou anel de controlo traga novamente a variável dinâmica para a zona aceitável, ou seja Csp ± ∆C.Nota: num sistema de 2ª ordem, definem-se em geral dois critérios de ts –> 2% e 5%.



Avaliação do Controlo de processosErro de pico: Desvio máximo da variável dinâmica em relação ao ponto de ajustamento. (Nota: num sistema de 2ª ordem, este erro tem o nome de máximo sobreimpulso ou overshoot(Mp).

Nota: Este assunto, será abordado com mais detalhe na segunda parte da matéria –> Controlo contínuo e digital



Avaliação do Controlo de processosProcessamento analógico e digital de sinais: A evolução do controlo de processos, tem levado àintrodução da tecnologia electrónica, devido fundamentalmente a:

Baixo custoFiabilidadeMiniaturizaçãoFacilidade de interligação

Computadores digitais: Com o desenvolvimento contínuo dos computadores, assiste-se hoje em dia, à inevitável introdução dos sistemas de processamento digital baseados em micropro-cessador, nos blocos de avaliação e decisão, no controlador.



Avaliação do Controlo de processosDiagrama de blocos de um sistema de controlo analógico

Referência Erro

Transdutor de medida

+

_

Algoritmode

controlo

Saída

ProcessoActuador

Controlador analógico



Avaliação do Controlo de processosExemplo de um sistema de controlo contínuo: controlo de velocidade de um motor Diesel através do dispositivo de massas de Watt.



Avaliação do Controlo de processosDiagrama de blocos de um sistema de controlo digital

Computador processo

Conversor A/D

ConversorD/A

Transdutor de medida

Referência

Sinal de saída do sensor (analógico)

Sinal de saída do conversor (discreto)



Avaliação do Controlo de processosProcessamento digital: Controlo digital de velocidade de um motor Diesel marítimo (Fonte: Wartsila-Sulzer.).



Unidades, Padrões e DefiniçõesSinais normalizados em controlo de processos

Transmissão do sinal eléctrico: Nas malhas ou anéis de controlo, é usual transmitir os sinais eléctricos sob a forma de intensidade de corrente.Gamas de sinais: 4 – 20 mA ; 10 – 50 mAVantagens da transmissão por corrente das variáveis dinâmicas:

• Impedância de carga• Compatibilidade• Imunidade ao ruído• Medida/fonte de alimentação.



Unidades, Padrões e DefiniçõesVantagens do uso de sinais em corrente

Impedância de carga: Evitam-se os erros introduzidos ao ligar diferentes cargas ao circuito de transmissão. Assim, se se mudarem as resistências das ligações ou uma resistência em série nas ligações, não se altera o nível de corrente.Compatibilidade: Usando uma gama de corrente especificada para representar o alcance da variável dinâmica, é possível mudar o controlador facilmente de uma malha para outra.Imunidade ao ruído: Os sinais transmitidos em corrente são menos corrompidos por ruído, relativamente aos sinais transmitidos sob a forma de tensão.



Unidades, Padrões e DefiniçõesVantagens do uso de sinais em corrente• Medida/fonte de alimentação: Só são

precisos dois cabos para ligar um transdutor e sistema de condicionamento de sinal ao resto da malha de controlo.

• Na figura seguinte, o sinal para o controlador e proveniente do transdu-tor, obtém-se através da queda de tensão V=I.R numa resistência em série na linha de transmissão.



Unidades, Padrões e DefiniçõesVantagens do uso de sinais em corrente

Medida Fonte

Sinal para o controlador V= I×R

R I

I



Unidades, Padrões e DefiniçõesTransmissão do sinal pneumático• Em muitas situações, numa malha o elemento

final de controlo, é um elemento pneumático (válvula automática). Geralmente, usam-se conversores Corrente/Pressão (I/P) para transformar o sinal eléctrico (4-20 mA) num sinal pneumático (3 – 15 psi), sinal normalizado na indústria. Em unidades SI, o sinal pneumático corresponde a:

• 3 psi = 2,07 * 104 N/m2 ou 20,7 kPa• 15 psi = 10,34 * 104 N/m2 ou 103,4 kPa



Unidades, Padrões e DefiniçõesEsquemas de regulação e controlo de processos

Em controlo de processos, utiliza-se muitas vezes a norma de esquemas de tubagens e instrumentação (Piping & Instrumentation Drawing – P&ID).Os símbolos estão normalizados e foram desenvol-vidos ao longo dos anos pela ISA – InstrumentSociety of America. Os esquemas são constituídos basicamente por:• Interligações• Balões• Instrumentos



Exemplo de um esquema de regula-ção e controlo de proces-sos em simbologiaP&ID.



Unidades, Padrões e Definições

Esquemas P&IDdas tubagens (processo) e sinais de medida e de controlo.




Código de letras da simbologia P&ID, que aparece nos balões identificadores dos instrumentos e restantes elementos dos esquemas de regulação.1ª Coluna: 1ª letra2ª coluna: 2ª letra



Unidades, Padrões e DefiniçõesExemplo de aplicação do código anteriormente indicado (FC).

1ª letra: F -> Caudal (1ª letra)-> Controlador de caudal2ª letra: C -> Controlo (2ª letra)




Símbolos P&ID de transdutores e elementos de controlo final. (Ex: FE 10)

F – Caudal (1ª letra)E – Elemento primário

(2ª letra) -> Elemento primário de medição de caudal –> prato com orifício calibrado




Esquema de controlo em cascata (Fonte: ControlEngineering Magazine)TY – Relé de temperatura, montado atrás do painel da sala de controlo.T– Temperatura (1ª letra)Y – Relé (2ª letra)YIC – Relé de controlo com indicador (controlo manual)



Conceitos bConceitos báásicos sobre sicos sobre NormalizaNormalizaçção e Sistemas de ão e Sistemas de

MedidaMedida

2006/20072006/2007


OrganismosOrganismos de de normalizanormalizaççãoão

ISO (mundial)IEC (mundial)ISA (mundial)CEN (Europa)CENELEC (Europa)ANSI (EUA)IEEE (EUA)IPQ (Portugal)


Organismos de normalizaOrganismos de normalizaççãoão

A Organização Internacional para a Normalização(International Organization for Standardization, ISO), foi estabelecida em 1947 com a missão de promover o desenvolvimento da normalização, e das várias actividades associadas, para facilitar a troca internacional de bens e serviços e para assegurar em simultâneo a cooperação nas áreas intelectuais, científicas, tecnológicas e económicas.Actualmente sediada em Geneva, Suíça, conta com mais de 130 países membros. Os trabalhos relativos à electrotecnia e à electrónica são desenvolvidos pela IECWWW site : http://www.iso.ch


A Comissão Electrotécnica Internacional(International Electrotechnical Commission, IEC) foi fundada em 1906, em Londres, em resultado de uma resolução emitida no Congresso Internacional de Electrotecnia, realizado em St. Louis, EUA, em 1904. Com um estatuto de organização mundial, éresponsável pela promoção da cooperação entre os seus vários membros de diferentes países e pela publicação de normas relacionadas com a electricidade, electrónica e outras tecnologias afins.Com sede em Geneva, Suíça, conta actualmente com membros de 46 países.WWW site : http://www.iec.ch



O Guia 25 do ISO/IEC, recentemente publicado, define os Requisitos Gerais para a Competência de Laboratórios de Teste e Calibração. Este documento, disponível na WWW, apresenta as várias organizações internacionais de acreditação, os vários organismos nacionais de acreditação, onde se inclui o Instituto Português da Qualidade, em Portugal, os organismos de certificação de produtos, e ainda vários endereços (na forma electrónica) relacionados com o teste e medição.Ver http://www.microserve.net/~iso25/



A Sociedade Internacional para a Instrumentação e Controlo (The International Society for measurement and control of America, ISA) é uma organização dedicada a engenheiros e técnicos ligados à área da medição e controlo.É responsável pelo desenvolvimento de normas para instrumentação, medição, automação e controlo, sendo a maior organização mundial nestas áreas específicas.Possui mais de 180 secções locais, espalhadas a nível mundial, e representa cerca de 110 países.Conta actualmente com mais de 47 mil membros.WWW site : http://www.isa.org/



O Comité Europeu de Normalização (CEN) foi fundado em 1961, tendo-se instalado provisoriamente em Paris, sob a égide da AFNOR (organização nacional francesa para a normalização). Em 1975 mudou-se para Bruxelas.A missão do CEN consiste em promover a harmonização voluntária da tecnologia na Europa, em conjunto com outros organismos mundiais, como a ISO, e com todos os seus países membros.As estatísticas do CEN apontam para mais de 5500 Normas Europeias já aprovadas e mais de 8000 em desenvolvimento através de 270 comités técnicos activos.WWW site - http://www.cenorm.be



O Comité Europeu de Normalização Electrotécnica(Comite Europeen de Normalisation Electro-technique, CENELEC) foi fundado em 1973, com estatutos de organização independente de fins não lucrativos.De acordo com a directiva 83/189 da Comissão Europeia, o CENELEC é considerada como a organização responsável pela normalização na área da Electrotecnia e Electrónica, actuando em estreita colaboração com o CEN.A cooperação entre o CENELEC e IEC é regulada pelo ‘Acordo de Dresden’ firmado em Setembro de 1986.WWW site - http://server.cenelec.be



O Instituto Nacional Americano de Normalização(American National Standards Institute, ANSI) éconsiderado uma das maiores federações internacionais de criação e promoção de normas.Com sede em Nova Iorque, EUA, foi fundada em 1918.Actualmente conta com mais de 1400 membros, entre companhias comerciais, organizações independentes e agências governamentais. WWW site - http://web.ansi.org



O ANSI não desenvolve, per si, qualquer tipo de norma, actuando antes e apenas como um organismo responsável pela criação e manutenção de consensos entre os diferentes grupos intervenientes no processo de desenvolvimento de normas. Qualquer membro de um destes grupos de desenvolvimento deverá porém estar acreditado junto do ANSI, existindo actualmente 175 instituições acreditados.Os números referentes a 1995 apontam para um total aproximado de 11 500 normas aprovadas pelo ANSI.



O Instituto dos Engenheiros Electrotécnicos e Electrónicos (Institute of Electrical and ElectronicEngineers, IEEE) foi fundado em 1 de Janeiro de 1963.Esta instituição tem um estatuto privado, não lucrativo, e conta actualmente com mais de 330 mil membros, distribuídos por 150 países, sendo considerada a sociedade profissional de maior dimensão em todo o mundo.WWW site - http://www.ieee.org



O IEEE:produz cerca de 30% da literatura mundial publicada na área da engenharia electrotécnica, computação e controlo;patrocina cerca de 300 conferências internacionais;possui mais de 800 normas em utilização e outras 700 em fase de desenvolvimento.

O IEEE encontra-se estruturado em 36 sociedades, cada uma dedicada a uma sub-área específica da electrotecnia / electrónica.Esta organização possui ainda uma secção independente dedicada à normalização: o IEEE-SA (Standards Association)



O Instituto Português da Qualidade (IPQ) é o organismo nacional que gere e desenvolve o Sistema Português da Qualidade (SPQ) - enquadramento legalde adesão voluntária para os assuntos da qualidade em Portugal. No âmbito do SPQ, o IPQ é responsável em Portugal pela acreditação de entidades, pela normalização nacional, assegurando a articulação com os organismos europeus e internacionais de normalização, pelo Laboratório Central de Metrologia, pela informação técnica na área da qualidade e pelo Secretariado do Conselho Nacional da Qualidade (CNQ).WWW site -> http://www.ipq.pt



No âmbito regulamentar, o IPQ é ainda responsável pelo controle metrológico em Portugal e pelo processo comunitário de notificação prévia de normas e regras técnicas.

Na sua acção, o IPQ orienta a actividade de numerosos organismos que com ele colaboram, aplicando os procedimentos definidos a nível europeu e internacional.



MediMediçção e Erro ão e Erro -- DefiniDefiniççõesões

Métodos de mediçãoApesar de existirem diversas formas de classificação é usual distinguirem-se os seguintes métodos:

Indirectos - o valor da grandeza a medir éobtido através da medição de outras grandezas funcionalmente associadas (exemplo: área, potência...) Directos - valor da grandeza obtido de forma imediata. Os métodos de medição por comparação são considerados uma variante da medição directa. Os primeiros são ainda divididos em métodos de medição por substituição e por zero.


MediMediçção e Erro ão e Erro -- DefiniDefiniççõesões

Métodos de mediçãoPor substituição - a grandeza a medir é substituída por uma grandeza da mesma natureza, de valor conhecido, escolhida de forma a que os efeitos no dispositivo indicador sejam os mesmos (ex: medição do valor de resistências pelo método de comparação de correntes)Por zero - o valor da grandeza a medir é determinado por equilíbrio, ajustando uma ou várias grandezas, de valores conhecidos, associados à grandeza a medir por uma relação de equilíbrio conhecida (ex: medição do valor de resistências usando a ponte de Wheatstone)


MediMediçção e Erro ão e Erro -- DefiniDefiniççõesõesErro

Desvio entre o valor medido e o verdadeiro valor da grandeza ou variável.Tipos de erros - Grandeza do erro

Grosseiros absolutoSistemáticos relativoAleatórios

Análise estatísticaAnálise probabilísticaLimites dos erros


Sistemas de unidades de medidaSistemas de unidades de medida

Unidades fundamentais (ou de base)Unidade de medida de uma grandeza base, num dado sistema de grandezas.Uma grandeza de base é uma grandeza que, num sistema de grandezas, faz parte de um conjunto de grandezas que são independentes entre si, i. e. não existe uma relação física entre elas.

Unidades derivadasSão definidas à custa das unidades fundamentais.



Sistema de unidadesConjunto de unidades estabelecido para um Sistema de grandezas. Um Sistema de Unidades compreende um conjunto de unidades base escolhidas e de unidades derivadas, determina-das pelas suas equações de definição e os factores de proporcionalidade.

Sistema de unidades coerenteOs factores de proporcionalidade são todos iguais a 1.


Sistemas de unidades de medidaSistemas de unidades de medidaSistema Internacional de medidas (SI)

Sistema de unidades coerente adoptado e recomendado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas (em vigor em Portugal).O sistema SI é baseado (presentemente) nas seguintes sete unidades de base:

• o metro (m)• o kilograma (kg)• o segundo (s)• o ampére (A)• o Kelvin (K)• a mole (mol)• a candela (cd)

- unidade de comprimento- unidade de massa- unidade de tempo- unidade de intensidade de corrente eléctrica- unidade de temperatura termodinâmica- unidade de quantidade de matéria- unidade de intensidade luminosa

[L][M][T][I][Θ]



Sistema de unidades MKSASistema de unidades CGSSistema de unidades SI….Necessidade de existirem tabelas de conversão de unidades entre os diferentes sistemas de unidades


Grandezas elGrandezas elééctricas e ctricas e magnmagnééticasticas

Corrente eléctrica, IForça electromotriz, EPotencial, VResistência, RCarga eléctrica, QCapacidade, CIndutância, LFluxo magnético,

Unidades do Sistema Internacional (SI)Grandeza e símbolo Nome Símbolo Relação

ampére

volt

volt

ohm

coulomb

farad

henry

Weber

A

V

V

Ω

C

F

H

Wb

W/A

W/A

V/A

As

As/V

Vs/A

Vs


MMúúltiplos e submltiplos e submúúltiplos ltiplos decimaisdecimais

Nome Símbolo Equivalência

tera

giga

mega

kilo

deci

centi

mili

micro

nano

pico

TGMkdcmµnp

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

12

9

6

3

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a-introduçaõ da instrumentação

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