auto macao dio celio

MARINHA DO BRASIL

DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS

ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO

MÓDULO DE AUTOMAÇÃO

UEA-11

UNIDADE DE ESTUDO AUTÔNOMO

2ª.edição

Rio de Janeiro

2009

Autor: Francisco DIOCÉLIO Alencar de Oliveira

Revisão Pedagógica: Francisco DIOCÉLIO Alencar de Oliveira

Revisão Ortográfica:Luiz Fernando

Concessão de Publicação de

____________ exemplares a:

Diretoria de Portos e Costas

Rua Teófilo Otoni, no 4 – Centro

Rio de Janeiro, RJ

20090-070

http://www.dpc.mar.mil.br

[email protected]

Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907

IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL

I

MENSAGEM AOS ALUNOS

Ensina-nos a Pedagogia que na aprendizagem há duas operações distintas: a compreensão e a fixação. No aprendizado de uma tecnologia, os alunos têm de observar e agir, de raciocinar e concluir, e cabe ao professor guiá-los e orientá-los nessas tarefas.

Na fase da compreensão, a missão do professor é criar condições para os alunos compreenderem os assuntos ministrados. Assim, nessa fase é necessário que os alunos observem os fenômenos, os objetos ou as imagens filmadas, fotografadas, desenhadas ou esquematizadas , além de vivenciarem atividades práticas, aplicando os conhecimentos construídos, conforme o assunto ministrado.

O recurso ao livro só deveria ser feito por necessidade de observar esquemas que completassem as folhas tarefas.

Na fase da avaliação da aprendizagem , é indispensável o uso do(s) livro (s), pois esse(s) terão como objetivo facilitar-lhes a recordação dos fundamentos que apreenderam, mas que não puderam reter. Mas tais livros, de acordo com a Psicologia e a Didática atual, terão de ser necessariamente concisos e com linguagem de fácil entendimento porque, uma vez compreendido o assunto, a sua sedimentação passa a ser função do número de leituras e de observações esquemáticas, número esse que é inversamente proporcional à extensão.

No ensino a distância (EAD), estas recomendações sobre os livros, tornam-se mais necessárias, pois o contato do aluno com o professor é limitado.

Assim, pretendemos, com esse livro-texto, propiciar ao estudante ou ao leitor interessado sínteses claras dos princípios e explicações sucintas dos assuntos que envolvem a automação industrial. Por outro lado, defendemos a tese de que um livro comum ou eletrônico (CD), ou qualquer outro material didático elaborado com base no programa de curso da disciplina, não deve ser encarado como o único meio de se atingir os objetivos. Outros livros devem ser consultados periodicamente, assim como é imprescindível o apoio de meios auxiliares, tais como: audiovisuais, filmes e experiências de laboratórios, vivenciando a construção do conhecimento.

Analisando os cursos anteriores, verificamos que muitos alunos não respondem determinadas questões em provas ou não sabem executar algumas tarefas, simplesmente por não terem dado importância a contextualização histórica ou mesmo não ter entendido os princípios básicos. Assim sendo, recomendarmos aos estudantes que não desprezem os conteúdos que tratam da história sobre como determinadas tecnologias evoluíram.

Lembramos que todo o conteúdo exposto neste material didático, mesmo não tendo sido estabelecido no sumário (programa) da disciplina, é de valiosa importância para quem deseja obter um conhecimento sólido sobre automação de processos industriais.

Esta edição tem como propósito oferecer-lhes conhecimentos científicos e tecnológicos especificados no currículo do Curso de Aperfeiçoamento de Aquaviários de Máquinas - Marítimos – a fim de alcançar determinadas competências e habilidades. Desta forma este livro-texto se propõem a:

I I

Proporcionar ao aluno conhecimento para interpretar , monitorar, operar e efetuar a manutenção em sistemas de automação aplic ados a navios com máquinas propulsoras de ate 3.000 kW de potência.

Algumas figuras são apenas para reflexão ilustrando a descrição outras são específicas do conteúdo estudado necessitando, portanto, de maior atenção.

Por fim, ao final de cada capítulo apresentamos um exercício para que você possa fazer uma auto-avaliação do conhecimento adquirido. Caso você tenha dificuldade para responder as questões propostas ou queira que façamos a correção, entre em contato através de carta ou de e-mail, que teremos a maior boa vontade em lhe ajudar.

Esforçamo-nos para que este livro texto fosse claro e atendesse a todas as recomendações didáticas. Oxalá o tenhamos conseguido. Caso seja do agrado do leitor nos escrever, dando conta da aplicabilidade deste material didático ou fazendo algumas sugestões construtivas, ficaremos gratos pela sua atenção.

Francisco DIOCÉLIO Alencar de Oliveira, concluiu o Mestrado em Educação na Área de Administração e Supervisão Escolar na UNICAMP em 1996, com a Dissertação: A Formação do Oficial de Máquinas da Marinha Mercante do Brasil; concluiu o Curso (superior) de Aperfeiçoamento para Oficial de Máquinas no CIABA (1985); é Graduado pela UFPA (1978) como Professor da área de mecânica de: tecnologia, fabricação e desenho técnico mecânico; é formado pela EMMPA (1972) como Oficial de Máquinas da Marinha Mercante.

Possui diversos cursos de automação industrial específicos, desenvolvidos pelo IBP: Automação e Robótica Industrial. (FEM-UNICAMP 1992); Produtividade e Tecnologia de Grupo nos Sistemas de Manufatura. (FEM-UNICAMP 1992); Controladores Lógicos Programáveis. (SENAI 1996); Instrumentação e Controle de Caldeiras. (ISQP 1997); Básico de Instrumentação e Controle (IBP 2000); Instrumentação Analítica Aplicada a Analisadores de Processo (IBP 2000); Avançado de Instrumentação e Controle (IBP 2002); Projeto de Instrumentação (IPB 2004); Sistemas Inteligentes para Controle, Automação e Otimização de Processos (IBP 2005).

Foi Oficial de Máquinas nos navios do extinto Loide Brasileiro; Professor do CIABA; Professor de Mecânica em Escola Profissional do Estado do Pará; Perito da ONU agência da IMO, como Professor e Diretor do Departamento de Máquinas da Escola Náutica da República de Cabo Verde (1985-1991); e professor da disciplina Aspectos Sócio-filosófico da Educação, da Universidade ABEU. Atualmente é professor das disciplinas específicas de máquinas e automação industrial e, Chefe do Departamento de Ensino de Máquinas do CIAGA.

FFFFRANCISCO RANCISCO RANCISCO RANCISCO DDDDIOCÉLIIOCÉLIIOCÉLIIOCÉLIO O O O AAAALENCAR DE LENCAR DE LENCAR DE LENCAR DE OOOOLIVEIRALIVEIRALIVEIRALIVEIRA

E-mail: [email protected]

I I I

COMO USAR O LIVRO TEXTO

Antes de cada unidade de ensino é especificado as competências que o aluno deve alcança com o estudo. No final de cada capítulo é disponibilizado um exercício para auto-avaliação, desenvolvido com base nas habilidades propostas para serem adquiridas, conforme definidas no Sumário da disciplina.

1. Como você deve estudar cada unidade?

� Ler a visão geral da unidade.

� Estudar os conceitos, as definições, as características e explicação de funcionamento e análise dos exemplos contemplados em cada unidade.

� Responder às questões para reflexão.

� Realizar a auto-avaliação.

� Realizar as tarefas.

� Comparar a chave de respostas e encaminhar as respostas dos exercícios para o Orientador de Aprendizagem.

2. Visão geral da unidade

A visão geral do assunto apresenta as competências que devem ser alcançadas com os estudos.

3. Conteúdos da unidade

Leia com atenção o conteúdo, procurando entender e fixar os conhecimentos por meio dos exercícios propostos. Se você não entender, refaça a leitura e os exercícios. É muito importante que você entenda e domine os conhecimentos.

4. Questões para reflexão

São questões que ressaltam a idéia principal do texto, levando-o a refletir sobre os temas mais importantes deste material.

5. Auto-avaliação

São testes que o ajudarão a se auto-avaliar, evidenciando o seu progresso. Realize-os à medida que apareçam e, se houver qualquer dúvida, volte ao conteúdo e reestude-o.

6. Tarefa

Dá a oportunidade para você colocar em prática o que já foi ensinado, testando seu desempenho de aprendizagem.

7. Respostas dos testes de auto-avaliação

Dá a oportunidade de você verificar o seu desempenho, comparando as respostas com o gabarito que se encontra no final do Manual.

IV

8. Competências a serem adquiridas

Após estudar todas as Unidades de Estudo Autônomo (UEA) deste módulo, você estará apto a realizar uma avaliação da aprendizagem.

9. Símbolos utilizados

Existem alguns símbolos no manual para guiá-lo em seus estudos. Observe o que cada um quer dizer ou significa.

Este lhe diz que há uma visão geral da unidade e do que ela trata. Ou melhor, define a competência que você deverá alcançar.

Este lhe diz que há, no texto, uma pergunta para vo cê pensar e responder a respeito do assunto.

Este lhe diz para anotar ou lembrar-se de um ponto importante.

EEssttee llhhee ddiizz qquuee hháá uumm eexxeerrccíícciioo rreessoollvviiddoo

Este lhe diz que há uma tarefa a ser feita por escr ito.

Este lhe diz que há um teste de auto-avaliação para você fazer.

Este lhe diz que esta é a chave das respostas para os testes de auto-avaliação, perguntas e tarefas.

V

SUMÁRIO

11 EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE............... .........................................................1

1.1 DEFINIÇÕES, CONCEITOS E IMPORTÂNCIA DA AUTOMAÇÃO .......................................2

1.2 A CONCEPÇÃO HUMANA DO TRABALHO ..........................................................................5

1.3 EVOLUÇÃO DAS TÉCNICAS INDUSTRIAIS.........................................................................6

1.4 EVOLUÇÃO DO EMPREGO DAS FONTES DE ENERGIA FLUIDAS..................................11

1.5 DESENVOLVIMENTO DO COMÉRCIO E DA INDÚSTRIA..................................................17 1.5.1 Desenvolvimento da Manufatura ...............................................................................20

1.6 DESENVOLVIMENTO DA CIÊNCIA DAS MÁQUINAS ........................................................23 1.6.1 Desenvolvimento dos Motores de Combustão Interna ..............................................30

1.7 IMPORTÂNCIA DOS SISTEMAS DE CONTROLE INDUSTRIAL ........................................32 1.7.1 Sistema.......................................................................................................................32 1.7.2 Período Empírico ou Experimental ............................................................................33 1.7.3 Período da Mecanização ou Automatização..............................................................34 1.7.4 Período da Automação Propriamente Dita ................................................................41

1.8 EVOLUÇÃO DA AUTOMAÇÃO NOS NAVIOS.....................................................................47 1.8.1 Implicações Técnicas e Sociais da Automação dos Navios ......................................50

1.8.1.1 Normas Técnicas Aplicadas a Praça de Máquinas Desguarnecidas.......................................................52 1.9 DESENVOLVIMENTO DA INFORMÁTICA ..........................................................................56

1.10 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 1 .................................................................63

22 FUNDAMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO ............... ....................................................66

2.1 ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL........................................67

2.2 NORMAS TÉCNICAS ...........................................................................................................70 2.2.1 Norma Técnica S5.1 da ISA.......................................................................................71 2.2.2 Padrões de Comunicações ........................................................................................74

2.3 TÉCNICAS DE CONTROLE DE PROCESSO......................................................................79 2.3.1 Classificação dos Controles de Processos ................................................................79 2.3.2 Controle Manual .........................................................................................................81 2.3.3 Malha Aberta (open-loop)...........................................................................................82 2.3.4 Comando Automático Industrial .................................................................................82

2.3.4.1 Comando Simples..................................................................................................................................83 2.3.4.2 Comando com Neutralização.................................................................................................................83 2.3.4.3 Comando de Entrada Fixa .....................................................................................................................84 2.3.4.4 Comando de Entrada Variável...............................................................................................................84

2.3.4.4.1 Comando Temporizado............................................................................................. 84 2.3.4.4.2 Comando Seqüenciado............................................................................................. 84

2.3.5 Malha Fechada (close-loop).......................................................................................84 2.3.6 Controle Automático de Processos Industriais ..........................................................85 2.3.7 Classificação dos Tipos de Controle Automático.......................................................86

2.3.7.1 Controle Auto-operado..........................................................................................................................88 2.3.7.2 Automatização.......................................................................................................................................88 2.3.7.3 Automação ............................................................................................................................................90

2.4 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS PROCESSOS ...........................................................90

VI

2.4.1 Mudança na Carga do Processo............................................................................... 91 2.4.2 Inércia do Processo................................................................................................... 92

2.4.2.1 Resistência............................................................................................................................................ 92 2.4.2.2 Capacitância ......................................................................................................................................... 92 2.4.2.3 Tempo Morto........................................................................................................................................ 94

2.5 ESTRATÉGIAS DE AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS................................. 94 2.5.1 Controle Antecipativo (Feedforward)......................................................................... 96 2.5.2 Controle Automático Descontínuo (on-off) ................................................................ 97

2.5.2.1 Controle Automático Descontínuo (on-off) com Zona Morta............................................................... 98 2.5.2.2 Controle Descontínuo (on-off) por Válvula Termostática................................................................... 101

2.5.3 Controle Automático Contínuo ................................................................................ 101 2.5.3.1 Controle Proporcional (P)................................................................................................................... 102 2.5.3.2 Controle Integral.................................................................................................................................105 2.5.3.3 Controle Derivativo ............................................................................................................................ 105 2.5.3.4 Controle Proporcional mais Integral (PI)............................................................................................ 105 2.5.3.5 Controle Proporcional mais Derivativo (PD)...................................................................................... 107 2.5.3.6 Controle PID....................................................................................................................................... 108

2.6 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 2................................................................. 108

33 INSTRUMENTAÇÃO DE CONTROLE ....................... ............................................................. 110

3.1 GENERALIDADES .................................................................................................................. 111

3.2 TERMINOLOGIA TÉCNICA DA INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL.................................................... 113 3.2.1 Segurança Intrínseca .............................................................................................. 116 3.2.2 Unidades Fundamentais. ........................................................................................ 117

3.3 MEDIDORES DE PRESSÃO ..................................................................................................... 119 3.3.1 Definição de Pressão .............................................................................................. 120 3.3.2 Escala de Pressão................................................................................................... 122 3.3.3 Classificação dos Instrumentos Medidores de Pressão ......................................... 126 3.3.4 Manômetro de Coluna Líquida. ............................................................................... 127 3.3.5 Manômetro de Tubo em “L” Inclinado. .................................................................... 128 3.3.6 Barômetro................................................................................................................ 129

3.3.6.1 Barômetro de Cisterna ........................................................................................................................ 130 3.3.6.2 Barômetro Metálico ou Aneróide. ...................................................................................................... 130

3.3.7 Manômetros por Deformação Elástica (Mecânicos) ............................................... 131 3.3.7.1 Manômetro de Diafragma................................................................................................................... 132 3.3.7.2 Manômetro de Fole............................................................................................................................. 133 3.3.7.3 Manômetro de Bourdon...................................................................................................................... 134

3.3.8 Medidores e Sensores de Pressão Elétricos. ......................................................... 135 3.3.8.1 Calibre de Tensão ............................................................................................................................... 136 3.3.8.2 Sensores Piezelétricos......................................................................................................................... 137 3.3.8.3 Sensores Piezoresistivos ..................................................................................................................... 138

3.4 MEDIDORES DE TEMPERATURA ............................................................................................. 138 3.4.1 Temperatura ............................................................................................................ 139

3.4.1.1 Escalas de Temperatura ...................................................................................................................... 140 3.4.1.2 Pontos Fixos de Temperatura ............................................................................................................. 142

3.4.2 Classificação dos Medidores de Temperatura........................................................ 143 3.4.3 Termômetro de Líquido com Bulbo de Vidro........................................................... 143 3.4.4 Termômetro Bimetálico ........................................................................................... 145 3.4.5 Termômetro Tipo Pressão Mola.............................................................................. 147

3.4.5.1 Termômetro de Bourdon Enchimento com Líquido........................................................................... 148 3.4.5.2 Termômetro de Bourdon de Enchimento Líquido e Vapor................................................................. 150

3.4.6 Termômetro de Bourdon de Enchimento Líquido e Gás......................................... 150

VI I

3.4.6.1 Sistemas de Compensação...................................................................................................................151 3.4.7 Termopar ..................................................................................................................153

3.4.7.1 Principio de Funcionamento do Termopar ..........................................................................................154 3.4.7.2 A f.e.m. de Peltier................................................................................................................................154 3.4.7.3 A f. e. m. Thomson..............................................................................................................................155 3.4.7.4 Material dos Termopares.....................................................................................................................155

3.4.8 Pirômetro ..................................................................................................................161 3.4.9 Termoresistência......................................................................................................162

3.5 MEDIDORES DE NÍVEL .....................................................................................................163 3.5.1 Medidores Diretos ....................................................................................................166

3.5.1.1 Sonda...................................................................................................................................................166 3.5.1.2 Visor....................................................................................................................................................166 3.5.1.3 Bóias....................................................................................................................................................168

3.5.2 Medidores Indiretos Baseados na Pressão Hidrostática .........................................171 3.5.2.1 Tipo Caixa de Diafragma ....................................................................................................................171 3.5.2.2 Tipo Pressão Diferencial .....................................................................................................................172 3.5.2.3 Tipo DP-Cell .......................................................................................................................................172 3.5.2.4 Tipo Manométrico com Sistema Pneumático (Borbulhamento)..........................................................173 3.5.2.5 Medidores de Nível Baseados no Deslocamento.................................................................................174

3.5.3 Medidores de Nível Elétricos ...................................................................................175 3.5.3.1 Medidores de nível por condutividade elétrica....................................................................................175 3.5.3.2 Medidores de Nível Capacitivos..........................................................................................................176

3.5.4 Medidor de Nível Radioativo ....................................................................................176 3.5.5 Medição de Nível de Sólidos....................................................................................177

3.6 MEDIDORES DE VAZÃO ...................................................................................................178 3.6.1 Grandezas Físicas e Características dos Líquidos.................................................178 3.6.2 Princípios Físicos .....................................................................................................182

3.6.2.1 Quantidade em volume de líquido num determinado período de tempo..............................................184 3.6.2.2 Medição da vazão do líquido na unidade de tempo.............................................................................185

3.6.3 Medidores de Vazão do Tipo Pressão Diferencial ...................................................186 3.6.3.1 Tomada Piezométrica ..........................................................................................................................187 3.6.3.2 Tubo Pitot............................................................................................................................................187 3.6.3.3 Tubo Venturi .......................................................................................................................................188 3.6.3.4 Bocal ou Tubo de Vazão .....................................................................................................................189 3.6.3.5 Placa de Orifícios ................................................................................................................................189

3.6.4 Medidores de Vazão de Área Variável.....................................................................190 3.6.4.1 Rotâmetros ..........................................................................................................................................190

3.6.5 Medidores Volumétricos...........................................................................................191 3.6.5.1 Tanque Medidor ..................................................................................................................................191 3.6.5.2 Disco Nutante......................................................................................................................................191 3.6.5.3 Movimento Alternativo .......................................................................................................................192 3.6.5.4 Movimento rotativo oscilante..............................................................................................................192

3.6.6 Deslocamento Positivo do Fluido.............................................................................192 3.6.6.1 Medidores de turbina...........................................................................................................................193

3.6.7 Medidores Eletromagnético......................................................................................195 3.6.8 Medidor de Vazão Ultra-Sônico ...............................................................................196

3.7 ELEMENTO FINAL DE CONTROLE ..................................................................................197 3.7.1 Válvula de Deslocamento Linear .............................................................................198 3.7.2 Válvula de Deslocamento Rotativo ..........................................................................199 3.7.3 Componentes da Válvula de Controle .....................................................................199

3.7.3.1 Conjunto de Corpo ..............................................................................................................................199 3.7.3.2 Sedes de Válvulas................................................................................................................................200 3.7.3.3 Obturador ............................................................................................................................................201 3.7.3.4 Conjunto do Atuador...........................................................................................................................202

VI I I


44 CONTROLADORES.................................... ............................................................................. 207

4.1 CONTROLADOR PNEUMÁTICO ...................................................................................... 208 4.1.1 Ar de Controle ......................................................................................................... 210

4.1.1.1 Fundamentos Físicos do Ar ................................................................................................................ 210 4.1.1.2 Propriedades do Ar de Controle.......................................................................................................... 211 4.1.1.3 Produção do Ar Comprimido.............................................................................................................. 212 4.1.1.4 Métodos de Tratamento de Ar Comprimido ....................................................................................... 213 4.1.1.5 Resfriamento do Ar ............................................................................................................................ 214 4.1.1.6 Reservatório de Ar.............................................................................................................................. 215 4.1.1.7 Secagem do Ar....................................................................................................................................215

4.1.1.7.1 Secagem por Absorção........................................................................................... 216 4.1.1.7.2 Secagem por Adsorção ou Regeneração ............................................................... 216 4.1.1.7.3 Secagem a Frio....................................................................................................... 217 4.1.1.7.4 Pré-aquecimento do Ar ........................................................................................... 217

4.1.1.8 Filtros de Ar de Controle .................................................................................................................... 217 4.1.1.9 Dreno Automático do Condensado..................................................................................................... 219 4.1.1.10 Unidade de Conservação .................................................................................................................. 219 4.1.1.11 Válvulas Reguladora de Pressão....................................................................................................... 221 4.1.1.12 Distribuição de Ar de Controle em Navio......................................................................................... 222

4.1.2 Bico Palheta ............................................................................................................ 225 4.1.3 Transmissor Pneumático......................................................................................... 226 4.1.4 Amortecedor de Oscilação ...................................................................................... 228 4.1.5 Amplificador de Sinal Pneumático........................................................................... 228 4.1.6 Extrator de Raiz Quadrada...................................................................................... 229 4.1.7 Controlador Pneumático.......................................................................................... 231

4.1.7.1 Detector de Erro.................................................................................................................................. 231 4.1.7.2 Controlador Pneumático de Duas Posições (on-off) ........................................................................... 231 4.1.7.3 Controlador Pneumático Proporcional................................................................................................ 233 4.1.7.4 Controlador Pneumático Proporcional e Integral (PI)......................................................................... 234

4.2 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO (SDCD) ............................................ 235 4.2.1 Origem do SDCD..................................................................................................... 235 4.2.2 Configuração do SDCD........................................................................................... 237 4.2.3 Comunicação de um SDCD .................................................................................... 238 4.2.4 Controladores Autônomos Interligados ao SDCD................................................... 238

4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) ......................................................... 238 4.3.1 Benefícios do Uso de CLPs .................................................................................... 240 4.3.2 Operação do CLP.................................................................................................... 241 4.3.3 Componentes do CLP ............................................................................................. 242

4.3.3.1 Fonte de alimentação .......................................................................................................................... 242 4.3.3.2 Unidade Central de Processamento (CPU) ......................................................................................... 243 4.3.3.3 Relógio de Tempo Real ...................................................................................................................... 243 4.3.3.4 Bateria ................................................................................................................................................ 243 4.3.3.5 Memória do Programa Monitor .......................................................................................................... 243 4.3.3.6 Memória do usuário............................................................................................................................ 243 4.3.3.7 Memória de dados .............................................................................................................................. 244 4.3.3.8 Memória imagem dos módulos de entradas........................................................................................ 244 4.3.3.9 Memória imagem das entradas e saídas.............................................................................................. 244 4.3.3.10 Circuitos auxiliares ........................................................................................................................... 244 4.3.3.11 Módulos de Entrada.......................................................................................................................... 245 4.3.3.12 Módulos ou interfaces de saída......................................................................................................... 246

4.3.4 Capacidade do CLP ................................................................................................ 247 4.3.5 Linguagens de Programação Para CLP.................................................................. 248

IX

4.3.5.1 Intercambialidade Entre Representações .............................................................................................248 4.3.5.2 Estrutura da Linguagem e Representações ..........................................................................................249

4.3.5.2.1 Álgebra de Boole..................................................................................................... 249 4.3.5.2.2 Portas lógicas.......................................................................................................... 250 4.3.5.2.3 Instruções Básicas .................................................................................................. 251 4.3.5.2.4 Instruções e Blocos Especiais................................................................................. 252

4.3.6 Passos para a Automação de um Processo com CLP ............................................255

4.4 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 4 .................................................................256

55 COMANDO E CONTROLE PNEUMÁTICO.................... ..........................................................258

5.1 CARACTERÍSTICAS DOS CIRCUITOS PNEUMÁTICOS .................................................259 5.1.1 Identificação dos Elementos dos Circuitos Pneumáticos ........................................261

5.1.1.1 Identificação por Algarismo ................................................................................................................262 5.1.1.2 Identificação por Letras.......................................................................................................................263

5.2 VÁLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL (VCD).............................................................264 5.2.1 Normalização da Simbologia das VCDs Segundo DIN 24300 ................................264 5.2.2 Elementos de Acionamento ou de Comando...........................................................267 5.2.3 Características de Construção.................................................................................270 5.2.4 Válvulas de Sede .....................................................................................................271

5.2.4.1 Válvulas de Sede Tipo Esfera..............................................................................................................271 5.2.4.2 Válvula de Sede Tipo Prato.................................................................................................................272 5.2.4.3 Sede Prato (Assento) Flutuante ...........................................................................................................275 5.2.4.4 Sede de Prato Servocomandada...........................................................................................................276

5.2.5 Válvulas Corrediças .................................................................................................277 5.2.5.1 Válvula Corrediça Longitudinal ..........................................................................................................278 5.2.5.2 Válvula Corrediça Plana Longitudinal ................................................................................................279 5.2.5.3 Válvula Corrediça Giratória ................................................................................................................280

5.2.6 Valores de Vazão nas Válvulas ...............................................................................281

5.3 VÁLVULAS DE BLOQUEIO................................................................................................282 5.3.1 Válvula de Retenção ................................................................................................282 5.3.2 Válvula Alternadora (OU) .........................................................................................282 5.3.3 Válvula Reguladora de Fluxo Unidirecional (VRU) ..................................................283

5.3.3.1 VRU com Acionamento Mecânico......................................................................................................284 5.3.4 Válvula de Escape Rápido .......................................................................................285 5.3.5 Válvulas de Simultaneidade.....................................................................................285 5.3.6 Válvula Limitadora de Pressão ................................................................................286 5.3.7 Válvula de Seqüência...............................................................................................286 5.3.8 Válvulas Reguladoras de Fluxo ...............................................................................286

5.4 COMBINAÇÕES DE VÁLVULAS........................................................................................287 5.4.1 Bloco de Comando Pneumático...............................................................................287 5.4.2 Bloco Temporizador NF (comutação retardada)......................................................287 5.4.3 Bloco Temporizado Normalmente Aberto ................................................................288

5.5 COMANDO E CONTROLE ELETROPNEUMÁTICO..........................................................289 5.5.1 Conhecimentos Elétricos Necessários.....................................................................289 5.5.2 Principais componentes de comando eletropneumáticos........................................290 5.5.3 Válvulas Solenóides de Comando Direto.................................................................293 5.5.4 Válvulas Solenóides com Servocomando................................................................294

5.6 ATUADORES PNEUMÁTICOS ..........................................................................................295 5.6.1 Simbologia dos Atuadores .......................................................................................295 5.6.2 Atuadores Pneumáticos Lineares ............................................................................296

5.7 CIRCUITOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS................................................297

X

5.7.1 Circuitos Pneumáticos de Comando Direto ............................................................ 298 5.7.2 Circuitos Pneumáticos de Comando Indireto .......................................................... 300 5.7.3 Circuitos de Comando Eletropneumático................................................................ 302


66 COMANDO E CONTROLE ELETRO-HIDRÁULICO............. .................................................. 307

6.1 HIDRÁULICA ..................................................................................................................... 308 6.1.1 Fundamentos Físicos da Hidráulica. ....................................................................... 309 6.1.2 Fluido Hidráulico...................................................................................................... 310

6.1.2.1 Propriedades do Fluido de Pressão ..................................................................................................... 310 6.1.2.2 Tipos de Óleos Hidráulicos................................................................................................................. 312

6.2 ELEMENTOS HIDRÁULICOS E ELETRO-HIDRÁULICOS............................................... 313 6.2.1 Simbologia Gráfica de Hidráulica Segundo DIN ISO 1219 ..................................... 313

6.2.1.1 Símbolos Básicos................................................................................................................................ 314 6.2.1.2 Símbolos Funcionais........................................................................................................................... 315 6.2.1.3 Tipos de Atuação ................................................................................................................................ 316 6.2.1.4 Conversão de Energia e Armazenamento de Energia ......................................................................... 317 6.2.1.5 Comando e Regulagem de Energia..................................................................................................... 318

6.2.2 Unidade Hidráulica / Reservatório........................................................................... 321 6.2.3 Bombas Hidráulicas................................................................................................. 323

6.2.3.1 Bombas de Engrenagens..................................................................................................................... 324 6.2.3.2 Bombas de Palhetas ............................................................................................................................ 326

6.2.4 Regulador de Pressão............................................................................................. 328 6.2.5 Regulador de Vazão................................................................................................ 329 6.2.6 Filtros de Circuitos Hidráulicos................................................................................ 330

6.3 CIRCUITOS DE COMANDO/CONTROLE HIDRÁULICO ............................................................. 331 6.3.1 Circuito Aberto......................................................................................................... 332 6.3.2 Circuito Fechado ..................................................................................................... 332 6.3.3 Exemplos de Circuitos Hidráulicos.......................................................................... 333


77 BIBLIOGRAFIA..................................... ................................................................................... 338

88 RESPOSTAS DOS TESTES DE AUTOAVALIAÇÃO ............ ................................................. 339

1

AUT

UNIDADE DE ENSINO 1

11 EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE

“O meio em que o homem vive, é ampliado em função de novos conhecimentos, novas opções e, conseqüentemente, novas tecnologias. As sociedades humanas não só selecionam um meio como também fazem os seus meios”

(USHE 1973, p.17)

Nesta unidade, você deve adquirir as seguintes comp etências

- Conhecer como evoluiu a tecnologia do controle auto mático industrial; e

- Compreender a importância da automação industrial p ara a sociedade.

2

1.1 DEFINIÇÕES, CONCEITOS E IMPORTÂNCIA DA AUTOMAÇÃ O

Nesta subunidade, você deve adquirir as seguintes c ompetências:

- Entender o que é automação industrial;

- Conhecer a evolução da automação industrial; e

- Compreender a importância da aplicação da automação industrial para o capitalista, o trabalhador e a sociedade.

- Compreender como o ser humano concebe e realiza um trabalho; e

- Analisar a concepção do trabalho na ótica do ser hu mano.

Provavelmente você já trabalhou com equipamentos, máquinas e sistemas automatizados. Talvez já tenha lido algumas publicações que tratam do assunto ou escutado algumas explicações sobre a automação industrial.

Mas, você seria capaz de definir ou conceituar te cnicamente Automação?

É bem provável que para alguns estudantes responder essa questão será tarefa fácil, porém para outros haverá dificuldade. Então, vamos ajudá-los.

A AUTOMAÇÃO , como é denominado o controle automático nos dias atuais, toma por referência o desenvolvimento de um programa para que o controlador do processo execute a monitoração e tem por base as técnicas da eletrônica digital.

Para formalizar esse entendimento, vamos analisar o controle do funcionamento do sistema de resfriamento do motor principal (MCP) de um determinado navio, conforme ilustrado na figura a seguir.

Fig.1.1 - Sistema de resfriamento do MCP controlado por CLP.

Durante as manobras de fundeio, atracação ou desatracação de um navio, operando com controle manual, as temperaturas e pressões do MCP se modificam em função de maior

3

AUT

ou menor regime de rotação, obrigando o Oficial de Máquinas ou seu auxiliar a manter uma atenção especial na operação, abrindo ou fechando as válvulas do referido sistema, isto é, aumentando ou reduzindo o fluxo para os aparelhos trocadores de calor (resfriadores), a fim de conservar o MCP operando dentro das faixas desejáveis de temperatura.

No caso de uma falha humana, esta acarretará choques térmicos, ou seja, se o operador abrir demasiadamente a válvula e/ou fechá-la imediatamente, causará variações elevadas dos máximos e mínimos da temperatura.

Um operador humano, limitado pelas suas capacidades, utiliza o conhecimento adquirido e as informações sensoriais, para pensar, analisar e executa a ação mais apropriada de controle do processo.

Porém, se deixarmos aos cuidados de um controlador lógico programável (CLP), devidamente programado, a análise dos valores das variáveis enviados pelos transmissores e medidos por sensores (S) adequados e a decisão de como deve atuar os acionadores (motores) elétricos, pneumáticos ou hidráulicos das válvulas de três vias de controle (CV) do fluxo de água dos resfriadores, teremos um sistema de automação, minimizando assim as tarefas e os riscos de acidentes.

Na automação, há auto-adaptação a condições diferentes de modo a que as ações do sistema de maquinismos conduzam a resultados ótimos. O órgão central de um sistema de automação é, na maior parte dos casos, o computador eletrônico .

O professor português Horta Santos conceitua a AUTOMAÇÃO da seguinte forma:

“Automação é o conjunto das técnicas que permitiram a criação de dispositivos capazes de estender o nosso sistema nervoso e a cap acidade de pensar”.

Ele considera também que a automação só foi possível graças ao aparecimento de uma nova ciência, a CIBERNÉTICA, e suas realizações concretas apoiadas pelo avanço da eletrônica (ROBÓTICA) , especialmente no domínio dos COMPUTADORES.

” a CIBERNÉTICA é uma ciência que corta transversalmente os entrincheirados departamentos da ciência natural: o céu, a terra, os animais e as plantas. Seu caráter interdisciplinar emerge quando considera a Economia não como um economista, a Biologia não como um biólogo, e as Máquinas não como um engenheiro. Em cada caso seu tema permanece o mesmo, isto é, como os sistemas se regulam, se reproduzem, evoluem e aprendem. Seu ponto alto é de como os sistemas se organizam.” Gordon Pask (1961),

A cibernética está ligada à inteligência artificial , na medida em que é a sua concretização prática. A inteligência artificial teoriza, e a cibernética encontra formas de materializar e de aplicar esses modelos teóricos.

A cibernética, ligada à robótica , encontra modelos em que os sistemas criados pela Inteligência artificial se alojam. Assim, a inteligência artificial relacionada com as ciências cognitivas compreende e reproduz os processos mentais, ao mesmo tempo em que a cibernética e a robótica compreendem e reproduzem os processos biológicos e motores dos seres humanos. Ao longo da história da cibernética e da robótica, máquinas cada vez mais próximas dos comportamentos humanos foram substituindo, progressivamente, os autômatos que caracterizaram os primeiros passos dessa ciência.

4

Atualmente, vemos robôs que jogam futebol em equipe, que dobram folhas de papel, atribuindo-lhes formas; que conseguem passar linhas por buracos de agulha, etc.; que conseguem realizar tarefas tão minuciosas e tão particulares, que até há bem pouco tempo apenas eram do domínio humano.

As investigações, em cibernética e robótica, caminham no sentido de aperfeiçoar a percepção visual e o controle motor dos robôs e de encontrar linguagens de programação que permitam uma melhor comunicação homem-máquina, máquina-máquina e máquina-homem. Esses assuntos são estudados em cursos avançados de automação.

Diversos Engenheiros e autores, de livros sobre controle automático de processos, consideram a necessidade de fazer distinção idiomática dos vocábulos AUTOMAÇÃO e AUTOMATISMO, para melhor entendimento do controle automático nos dias atuais.

“automação significa a dinâmica organizada dos automatismo, ou seja, suas associações de uma forma otimizada e direcionada à consecução dos objetivos do progresso humano.” FIALHO1,

“automatismo , são os meios, os instrumentos, máquinas, processos de trabalho, ferramentas ou recursos, capazes de potencializar, reduzir, ou até mesmo eliminar a ação humana” (FIALHO)

Por outro lado, sabe-se que as inovações mecânicas e as modernas tecnologias produzem desemprego nas áreas industriais; porém, os economistas, os sociólogos e outros estudiosos do assunto nunca chegaram a um consenso sobre esse desemprego ser transitório ou permanente. Da mesma forma, não sabemos se a automação contribui para a promoção ou o aviltamento dos trabalhadores.

O importante é que você saiba que a automação destina-se a estimular a produtividade e a reduzir o custo unitário da produção . Por essas características, ela tem sido o grande propulsor da chamada “globalização ”, interferindo nos canais de comunicação, na diplomacia e, por fim, no volume do comércio internacional.

Quais fatos explicam a evolução do controle automát ico de processos industriais?

Ao recorrermos aos registros históricos da humanidade, verificamos que, nos primórdios, os sistemas de controle de processos industriais foram projetados e desenvolvidos por meio de procedimentos empíricos baseados na intuição e na experiência cumulativa, ou seja, a maioria dos raciocínios envolvidos não tinha por base cálculos matemáticos ou aplicação de conhecimentos da física.

Contudo, esta aproximação não cientifica e por tentativas, como ocorreu, satisfez as necessidades de controle por longo tempo.

Da mesma forma, os historiadores consideram que o maior desenvolvimento tecnológico que a humanidade já presenciou ocorreu no século XX e que uma das tecnologias que mais repercussão alcançou e se mantém em constante desenvolvimento é a de controle automático de processos industriais, ou seja, da automação industrial .

1 Fialho, Arivelto Bustamante (2003).

5

AUT

Fig.1.2 - O ser humano e seu ambiente artificial

Os principais cien-tistas dedicados ao estudo do desenvolvimento tec-nológico consideram que a evolução do controle automático ocorreu devido à necessidade de o ser humano superar as suas limitações .

Na atualidade, esta importância sustenta-se em dois fatos principais:

1. substituir o trabalho humano nas tarefas monótonas, repetitivas, inseguras e

cansativas; e

2. permitir, com baixo custo de investimento, sensível melhoria na qualidade de operação dos processos, o que possibilita ao pro duto fabricado ser competitivo no mercado, gerando lucros razoáveis.

Para Horta Santos , desde os seus primórdios, o ser humano vem criando dispositivos que possibilitem estender as suas capacidades, ou seja, seus poderes, tais como:

- habitações e vestuários para se proteger, como extensão de sua epiderme;

- a piroga (canoa), carroça, carro, trem, avião, foguete, etc., ampliando a sua capacidade de locomoção;

- as máquinas para ampliar o poder de seus músculos e agir sobre a natureza;

- o rádio e o telefone, para ouvir e falar mais longe;

- o telescópico, a televisão e o radar, para amplificar a sua própria capacidade de ver; e

- o computador, que aumentou e aperfeiçoou o seu poder de comunicação e controle.

Neste momento é importante que você faça uma reflex ão sobre o que lhe foi apresentado. Anote os pontos de que discorda, justi ficando- os a seguir crie exemplos para os fatos com que concorda, etc.

1.2 A CONCEPÇÃO HUMANA DO TRABALHO

O processo de evolução de uma invenção tecnológica envolve um trabalho humano que, quase sempre, implica a alteração do meio ambiente e do padrão de comportamento da humanidade, originando nova fase de desenvolvimento.

Como se define o trabalho humano?

O trabalho é uma atividade que consiste em atuar so bre as matérias primas encontradas na natureza, com o objetivo de transfor má-las, para melhor satisfazer as necessidades das espécies.

6

“O trabalhador não transforma apenas o material sobre o qual opera; ele imprime ao material o projeto que tinha conscientemente em mira, o qual constitui a lei determinante do seu modo de operar ao qual tem de subordinar sua vontade” (Aristóteles )

O que regula o trabalho nos outros animais é a sua característica instintiva , que lhe é inata, antes de aprendida. Já no trabalho humano , o mecanismo regulador é o poder do pensamento conceptual , que tem origem em todo um excepcional sistema nervoso.

Assim sendo, só a espécie humana é capaz de fazer um trabalho propositadamente orientado pela inteligência. É esse modo de trabalho que faz a humanidade evoluir e que mantém a evolução. As diversas formas sociais que conhecemos e as que ainda hão de surgir dependem da característica distintiva do trabalho humano.

O processo de trabalho começa com um contrato ou acordo que estabelece as condições da venda das forças de trabalho pelo trabalhador e sua compra pelo empregador. Portanto, no contrato normal de trabalho:

“O que o trabalhador vende e o que o capitalista compra não é uma quantidade contratada de trabalho, mas a força para trabalhar por um período contratado de tempo”. (MAX, 1985)

1.3 EVOLUÇÃO DAS TÉCNICAS INDUSTRIAIS


- Reconhecer os principais inventos relacionados às m áquinas que contribuíram para o desenvolvimento dos sistemas de controle.

- Compreender como ocorreu a evolução das técnicas in dustriais.

No mundo ocidental, a evolução industrial ocorreu com grande lentidão até o início do emprego das máquinas térmicas, pois as sociedades antigas viviam da economia agrária e artesanal, com produções domiciliares, voltadas para um pequeno mercado interno.

Fig.1.3 - Ferramentas primitivas

Fig.1.4 - Ferramentas para trabalho em madeira

As técnicas predominantes eram rudimentares, baseadas em processos empíricos, transmitidos de geração em geração, e empregavam apenas ferramentas simples (manuais) , inventadas com base na utilização da energia muscular de origem humana ou animal, pois essas não se diferenciavam. Os resultados alcançados satisfizeram as necessidades específicas do momento e, por razões relacionadas ao sobrenatural religioso, as investigações praticamente pararam no tempo.

7

AUT

Antes de prosseguirmos, é importante que saibamos as definições técnicas de ferramentas e máquinas, para obtermos uma melhor compreensão dos fatos relacionados as técnicas industriais de controle.

“ferramentas são os utensílios empregados para execução direta de certos trabalhos que envolvam os atos de bater, esfregar e cortar”. Marx

O termo “máquina ” é de difícil definição tendo em vista a sua diversidade de aplicação. Adotamos a definição de de Karl Marx2, que acreditamos ser a mais concisa, pois ele tomou por base os pensamentos de Poncelet, Ure e Babbage. Porém, também citaremos as definições de Willis e Reùleaux, que fazem distinções entre a parte e o todo.

“toda a maquinaria inteiramente aperfeiçoada consiste em três partes essencialmente diferentes: o mecanismo motor , o mecanismo de transmissão e, por fim, a ferramenta ou máquina de acionamento ”. Marx

“ toda máquina consiste em uma série de peças ligadas entre si de formas variadas que, ao se movimentar uma delas, todas elas recebem um movimento, cuja relação com o da primeira é governada pela natureza da conexão”. Willis

“uma máquina é uma combinação de corpos resistentes, dispostos de tal forma que, por seu intermédio, as forças mecânicas da natureza podem ser coagidas a efetuar trabalhos, acompanhados por certos e determinados movimentos”. Reùleaux

Fig.1.5 - Ferramentas manuais para calafetar

embarcações

1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 11 - 12 - 13 - 14 - 15 - 16 - 17 -

Observando a figura 1.5, consulte um dicionário téc nico ou mesmo um colega, para identificar os nomes das ferramentas enumerada s de 1 a 17.

Mas, foi no tratado de Herão de Alexandria , sobre “Mecânica” , que começaram a ser definidas matematicamente as aplicações das “máquinas” ferramentas simples . No seu estudo sobre levantamento de grandes pesos, ele demonstrou como cinco máquinas simples poderiam movimentar um peso por meio de uma determinada força.

Por mais que as ferramentas tenham sido criadas para serem utilizadas com as mãos, muitas delas foram adaptadas a máquinas, sem grandes alterações da forma ou da finalidade. O aperfeiçoamento técnico delas ocorreu por acaso, em cima das próprias dificuldades e

2 Karl Marx, Capita l. Vol I, p. 407. Chicago: , 1912

8

necessidades do trabalhador, em peças e ferramentas de seu uso, buscando diminuir o esforço empregado, melhorar a performance de seu trabalho e a qualidade de vida.

Não houve análise da aplicação prática, porque não havia nenhuma preocupação com a produtividade e com a incidência da mão-de-obra no custo do produto final ou coisa parecida já que esses conceitos eram desconhecidos antes da era industrial.

Os historiadores da Antiguidade consideram que tenha sido a alavanca a primeira ferramenta mecânica empregada pelo ser humano.

Nas figuras a seguir são ilustradas ferramentas, as máquinas-ferramentas simples e algumas aplicações de instrumentos ou equipamentos simples da Antiguidade

Fig.1.6 - Ferramentas para trabalho manual em oficinas

Fig.1.7 - Alavanca

Fig.1.8 - Alavanca

Fig.1.9 - Cunha

Fig.1.10 - Roda e eixo

Fig.1.11 - Parafuso

Fig.1.12 - Roldana

Fig.1.13 - Plano Inclinado

Fig.1.14 - Nora romana aperfeiçoada

9

AUT

Fig.1.15 - Parafuso de água de Arquimedes

Também era empregado para esgotar os porões dos navios.

Fig.1.16 - Cadeia de alcatruzes

Fig.1.17 - Guincho romano

Fig.1.18 - Guindaste romano

Fig.1.19 - Picota (shafus).

A picota, também conhecida como cegonha, era utilizada no Egito (550a.C.), para tirar água de poços ou de rios. Ao lado, uma foto, onde vemos egípcios utilizando-as na captação de água do rio Nilo para se usada na irrigação das plantações agrícolas.

Fig.1.20 - Exemplo do emprego da picota

10

Fig.1.21 - Transmissão mecânica por meio de engrenagens, acionada por roda d’água. Invenção romana do século IV.

Conforme as dificuldades iam surgindo, os homens usavam de sua inteligência para estudá-las e superá-las. Assim, foram criadas as máquinas primitivas e as formas de controlá-las, ou melhor, iniciaram-se os estudos que originaram os “tratados ” sobre mecânica pura e aplicada .

Tratados são os escritos dos inventores ou cientistas sobre os estudos que fizeram sobre os seus inventos, que precederam a intuição ou foram feitos depois da concepção da idéia

Dentre os tratados da Antiguidade, destacamos os de:

- Filon de Bizâncio (270-200 a.C.);

- Marcus Vitruvius Pollio (Séc. II a.C.);

- Aristóteles (384-322 a.C.);

- Euclides (Séc. III a.C.);

- Herão de Alexandria (Séc. II d.C.); e

- Pappus de Alexandria (284-305 d.C.).

AGORA TEMOS UM DESAFIO! Escolha um dos cientistas m encionados, para fazer uma pesquisa sobre o que eles estudaram em se us tratados.

As bases para a análise e a concepção dos mecanismos de engrenagens, elementos principais dos primeiros sistemas de controle, foram definidas pelos fabricantes de relógios3. Começou com os tratados do século XIII em árabe e castelhano sobre os relógios de água , os quais foram empregados desde o antigo Egito até o século XVIII.

No século XIV, sugiram os relógios mecânicos , destacando-se o tratado de Giovanni Dondi sobre o seu relógio planetário e o relógio do Palácio da Justiça de Paris, no reinado de Carlos V.

Fig.1.22 - Relógio marítimo de Christian Huygens (1661)

3 Ou t ras i n fo rm aç ões cons u l t em USHE (H i s tó r i a das I nvenções Mec ân ic as , 1973 ) .

11

AUT

Fig.1.23 - Imprensa medieval

Nesta evolução, devemos destacar, também, a invenção da imprensa , que se deu na Alemanha por volta de 14574 e espalhou-se por toda a Europa, propiciando o registro das grandes invenções e os desenhos precisos das máquinas e mecanismos de Leonardo da Vinci (1451-1519), além de alguns tratados da mecânica.

O aperfeiçoamento das técnicas da metalurgia , principalmente daquelas aplicadas à fundição de peças de ferro, que contribuiu para o desenvolvimento da mais importante máquina-ferramenta que o homem inventou, o torno mecânico . A partir de então, foi possível construir com mais precisão as peças dos seus conjuntos mecânicos, como eixos , polias , engrenagens , cames etc., assim como outras máquinas, propiciando a confiabilidade dos mecanismos e a automatização dos seus funcionamentos.

Fig.1.24 - Torno de veio (eixo) (1785)

1.4 EVOLUÇÃO DO EMPREGO DAS FONTES DE ENERGIA FLUID AS

Nesta subunidade, você deve adquirir a seguinte com petência:

- Compreender a evolução do emprego das fontes de ene rgia fluídas conhecidas;

- Conhecer os aspectos básicos relacionados a energia ; e

- Entender os tipos de energia.

Energia é o termo técnico, originário da Física, mais empregado em nossa vida cotidiana. Foi estudado no Módulo Mecânica Técnica , porém vamos rever o assunto, na perspectiva de dirimir qualquer dúvida que tenha ficado com relação a questão das “energia pneumática ” e “energia hidráulica ”.

Por ser uma palavra muito abrangente e, por isso mesmo, muito abstrata energia é difícil de ser definida com poucas palavras de um modo preciso.

4 O mais antigo livro impresso de que temos noticias é o Livro de Salmos de Mogúncia, de 1457 (fonte de consulta: Grandes Impérios e Civilizações – A Europa Medieval. Vol. II – Edições Delprado)

12

Usando apenas a experiência do nosso cotidiano, poderíamos conceituar energia como “algo que é capaz de originar mudanças no mundo”.

Exemplos: O deslocamento de uma embarcação. A queda de uma folha. A correnteza de um rio. A rachadura em uma parede. O vôo de um inseto. A remoção de uma colina. A construção de uma represa. Em todos esses casos, e em uma infinidade de outros que você pode imaginar, a interveniência da energia é um requisito comum.

Como já visto, muitos livros definem energia como “capacidade de realizar trabalho ”. Mas esta é uma definição limitada a uma área restrita da física: a Mecânica.

À medida que procuramos abranger outras áreas da Física (calor, luz, eletricidade, por exemplo) no conceito de energia, avolumam-se as dificuldades para se encontrar uma definição concisa e geral. Mais fácil é descrever aspectos que se relacionam à energia e que, individualmente e como um todo, nos ajudam a ter uma compreensão cada vez melhor do seu significado.

- Conversão de energia: A quantidade que chamamos energia pode ocorrer em diversas formas. Ou seja a energia pode ser transformada, ou convertida, de uma forma em outra.

Exemplo: A energia mecânica de uma queda d’água é convertida em energia elétrica a qual, por exemplo, é utilizada para estabilizar a temperatura de um aquário (conversão em calor) aumentando, com isso, a energia interna do sistema em relação à que teria à temperatura ambiente. As moléculas do meio, por sua vez, recebem do aquário energia que causa um aumento em sua energia cinética de rotação e translação.

- Transferência de energia: Cada corpo e igualmente cada “sistema ” de corpos contém energia. Energia pode ser transferida de um sistema para outro.

Exemplo: Um sistema massa/mola é mantido em repouso com a mola distendida. Nestas condições, ele armazena energia potencial. Quando o sistema é solto, ele oscila durante um determinado tempo mas acaba parando por causa do atrito e da resistência do ar. A energia mecânica que o sistema possuía inicialmente acaba transferida para o meio que o circunda (ar) na forma de um aumento da energia cinética de translação e rotação das moléculas do ar.

- Conservação de energia: Quando energia é transferida de um sistema para outro, ou quando ela é convertida de uma forma em outra, a quantidade de energia não muda .

Exemplo: A energia cinética de um automóvel que pára é igual à soma das diversas formas de energia nas quais ela se converte durante o acionamento do sistema de freios que detém o carro por atrito nas rodas.

- Degradação de energia: Na conversão, a energia pode transformar-se em energia de menor qualidade, não aproveitável para o consumo . Por isso, há necessidade de produção de energia apesar da lei de conservação . Dizemos que a energia se degrada.

Exemplo : Em nenhum dos três exemplos anteriores, a energia pode “refluir” e assumir sua condição inicial. Nunca se viu automóvel arrancar reutilizando a energia convertida devido ao acionamento dos freios quando parou. Ela se degradou. Daí resulta a necessidade de produção constante (e crescente) de energia.

13

AUT

- Energia Mecânica são todas as formas de energia relacionadas com o movimento de corpos ou com a capacidade de colocá-los em movimento ou deformá-los

As classes de energia mecânica são:

1. Energia potencial (Ep) : É a que tem um corpo que, em virtude de sua posição ou estado, é capaz de realizar trabalho;

2. Energia Cinética (E C) : É a que todo corpo em movimento tem associada a esse movimento que pode vir a realizar um trabalho (em uma colisão por exemplo).

- Manifestação da energia - As forças, que integradas manifestam a existência do Universo estão associadas as três formas de energia existentes: a Energia Gravitacional, a Energia Eletromagnética e a Energia Nuclear. Juntas, elas criam o todo e tudo que existe é formado por elas.

1. A energia gravitacional é manifestada pela força de atração entre corpos que possuem massa, produzindo uma ação sobre toda a matéria existente.

Apesar da força da gravidade ser a mais fraca de todas, possui uma intensidade de longo alcance atuando no Universo como um todo.

A gravitação solar participa - em conjunto com a energia eletromagnética e a nuclear - na composição da energia solar. Por meio da gravitação terrestre, causa influência no movimento das massas de ar e água, contribuindo para formação da energia fluídica.

2. A energia eletromagnética se origina da fonte de interação da força da carga elétrica. Resulta numa força de atração ou repulsão entre partículas, conforme suas polaridades

A energia eletromagnética participa da composição da energia solar e é a sua própria manifestação, pois é por meio dela que a energia radiante do sol chega até nós. Pelas ligações atômico-moleculares forma a energia química, que em conjunto com o sol origina a biomassa.

3. A energia nuclear resulta das forças que atuam entre as partículas que compõem o núcleo da matéria.

A fusão nuclear possibilita a liberação de energia no interior do sol, contribuindo para formação da energia solar. As ligações nucleares originam os elementos radioativos, que pela fissão nuclear produzem grandes quantidades de energia em forma de calor. Esse processo resulta em produção de resíduos de alto impacto social e ambiental, inviabilizando o uso dessa fonte como substituta da geração termelétrica. A alternativa para o aproveitamento dessa fonte energética é por meio da energia geotérmica.

4. A energia solar é formada pela gravitação solar, juntamente com a energia eletromagnética e as reações nucleares (fusão=junção; fissão=separação) no interior do sol. A parcela da energia solar que chega até a terra contribui na composição do planeta e manifesta a vida.

14

“ A energia solar pode ser armazenada pelos vegetais através da fotossíntese na forma de hidratos de carbono, originando a biomassa. Também chamada massa da vida, compreende toda matéria orgânica animal (zoomassa) ou vegetal (fitomassa). Restos e rejeitos orgânicos industriais, urbanos e rurais, dejetos oriundos do sistema de esgoto e aterros sanitários, são também fonte de biomassa energética. O petróleo é biomassa fóssil, possuindo um período de formação de milhões de anos” .

“As energias química , mecânica e elétrica compreendem três formas de energia que estão diretamente associadas com as energias que forma o todo: energia eletromagnética, energia nuclear e energia gravitacional . Devido a essa característica, toda manifestação de vida na biosfera é resultante da transformação da energia solar em energia química (produção de hidratos de carbono, gorduras e proteínas a partir da fotossíntese) e da energia química em energia mecânica e calor no metabolismo celular. A origem dos recursos abióticos é produto das reações nucleares e químicas nas diferentes fases de formação geológica da Terra” (STI/MIC, 1979).

5. A energia fluídica ou fluxo , como os físico preferem, é originada pela influência da energia solar no aquecimento e evaporação das massas de ar e marítimas, e pela força de gravitação terrestre devido à energia gravitacional. Através da fotossíntese, forma a biomassa . Portanto, a conversão da energia solar em fluídica e biomassa é fundamental para existência da Terra.

Energia de fluxo é composta da energia hídrica e da energia eólica . Água e ar são elementos equivalentes com densidades diferentes, ambos são chamados fluídos.

Como já mencionado, o Homem desde o próprio processo de hominização (formação do ser humano), que busca superar suas dificuldades, assim primitivamente utilizou-se do fogo como fonte de calor e luz , tanto para cozinhar os alimentos quanto, para iluminar os ambientes. Mais tarde o fogo passou a ser empregado no tratamento térmico de materiais e tornou-se elemento constitutivo do próprio crescimento da humanidade, em sua vida material, cotidiana e simbólica.

Na sua evolução o Homem, para à realização de trabalhos que empreguem força e movimento não compatível com o ser humano, passou a utilizar-se das diversas fontes de energia disponível na natureza.

Os estudos pioneiros sobre a mecânica permitiram que, aos poucos, houvesse uma evolução da utilização da energia muscular dos animais e dos homens para as energias fluidas (fluxo): eólica e hidráulica, depois para a pneumática e, mais tarde com estudos modernos, para as energias térmica e elétrica .

Sabe-se que os chineses, nos primórdios da civilização, foram os primeiros seres humanos a fazer uso da energia eólica sobre as velas , para propulsão das embarcações, e que permaneceram até os dias atuais.

No Ocidente, os primeiros estudos sobre emprego do ar comprimido (pneumática) são encontrados nos trabalhos de Filom , de Bizâncio, e de Herão, de Alexandria. Mas, sabe-se que as primeiras aplicações da pneumática ocorreram por volta do ano 2.500 a.C. em “foles” e mais tarde, também, foi utilizado em equipamentos de mineração, em usinas siderúrgicas e em órgãos musicais.

15

AUT

Fig.1.25 - Emprego da energia eólica na propulsão de embarcações a vela.

Depois, no final do século XV, a eólica foi utilizada nos moinhos de vento da agricultura européia e nas azenhas. O aperfeiçoamento do funcionamento do moinho de vento fez aparecer um dos primeiros instrumentos de controle automático:

O aparelho de posicionamento automático do hélice do moinho de vento (mostrado na figura a seguir), inventado por Meikle em 1750.

Fig.1.26 - Moinho de vento – Meikle

Esse aparelho fazia o ajuste automático do eixo do hélice, visando a uma melhor posição relativa ao vento.

Funcionamento : O pequeno hélice h é um motor que gira enquanto o vento não está a 90º de seu eixo. Sua rotação gira toda a estrutura superior e carrega o eixo do hélice principal, H. Quando o pequeno hélice (h) pára com seu eixo a 90º do vento, o hélice grande (H) pára na direção do vento, obtendo assim a posição de máxima captação de energia.

Porém, a aplicação da pneumática na indústria , passou a ocorrer sistematicamente somente em meados do século XIX em ferramentas de perfurar, em locomotivas, em “correio ” de tubos e outros dispositivos acionados por ar comprimido.

Por volta de 1920, começou a ser empregado como ar de controle na automatização e racionalização dos processos de trabalho, tendo se acentuado a partir de 1950. Nos dias atuais a energia eólica é bastante aproveitada no acionamento de geradores de energia elétrica, de construção semelhante aos moinhos de vento.

A palavra “Pneumática ” provém da expressão pneuma , do antigo grego, que significa fôlego (respiração), vento e humanidade. Nos dias atuais, nos navios e na Indústria trata especificamente do ar de controle .

Todos os gases são facilmente compressíveis , e é esta propriedade que mais os diferencia dos líquidos como meio de transmissão de energia.

16

Exemplos : O comportamento de um gás, ao transmitir energia, pode ser entendido facilmente, analisando-se os exemplos a seguir:

- Se pegarmos uma bomba comum de bicicleta, puxarmos o cabo para fora e cobrirmos com o dedo a saída, o ar no interior comportar-se-á de forma muito semelhante a uma mola; um peso colocado sobre o cabo oscilará para cima e para baixo.

- Se colocarmos um corpo razoavelmente pesado sobre uma mesa e empurrarmos com o cabo da bomba, ainda com a saída fechada, notar-se-á que o êmbolo entra ou sai à medida que varia o atrito do corpo contra a mesa.

- Sacudir para cima e para baixo o cabo da bomba não produzirá nenhum aquecimento apreciável; mas, se a bomba for usada continuamente para forçar a saída de ar sobre pressão, ela acabará ficando bastante quente, assim como o ar que a deixa.

- Ao se esvaziar um pneu de bicicleta, o ar que sai dará a sensação de estar bastante frio. Pode mesmo tornar a válvula tão fria, que fará aparecer uma camada de gelo.

A energia hidráulica que, não tendo o inconveniente de depender da irregularidade do vento, e sim dos leitos regulares dos rios e de suas características menos caprichosas, evoluí ao longo do tempo, da simples nora (figura 1.17), empregada para retirar (bombear) água do rio para abastecer os canais de irrigação agrícola, aos sofisticados engenhos de rodas hidráulicas aliada à transmissão mecânica por meio de engrenagens (figura 1.27) que convertiam-na em de energia mecânica para mover os pesados martelos de forjar o ferro, os foles das forjas, as mós de moer o trigo e afiar as ferramentas, etc. As rodas hidráulicas, mais tarde, passaram a bombear água tanto para as cidades como para o campo.

Fig.1.27 - Rodas hidráulicas de Babegal,

cidade romana do século IV

Atualmente, a hidráulica é empregada para acionar as turbinas das hidrelétricas, para produzirem energia elétrica, como é o caso da hidrelétrica de Xingó, mostrado na figura a seguir.

Fig.1.28 - Hidroelétrica do Xingó

17

AUT

A gravura da figura 1.27 mostra uma parte dos moinhos de água de Babegal, cidade romana do século IV, vizinha da capital imperial Arles. As rodas tinham mais de 2m de diâmetro, eram acionadas pela água que corriam nos aquedutos e caíam sobre elas a um ângulo descendente de 30°. O movimento er a convertido para acionamento das rodas de moer (mos) horizontais por meio de um conjunto de engrenagens.

Um outro engenho famoso que empregava este tipo de energia foi a “A máquina de Marly ”, que acionava as fontes de Versalhes. Tinha 14 rodas hidráulicas que forneciam o mínimo de 75 cavalos-vapor (CV).

Provavelmente, a dificuldade encontrada para o emprego das energias eólica e hidráulica em grandes quantidades residiu no alto custo de produção, se comparado com o trabalho produzido pelos animais, pelos homens e pelas máquinas térmicas, o que justifica essas energias terem sido pouco exploradas.

A tabela a seguir demonstra o resultado do estudo desenvolvido por Rankine 5, comparando as potências das energias, baseados nos números de d’Aubuisson 6, para oito horas de serviço.

Fontes de Energia Potência da Energia Exercida em (CV)

- Homem acionando uma bomba 0,036

- Homem acionando uma manivela 0,04 – 0,078

- Homem acionando um cabrestante 0,0047

- Cavalo fazendo girar um molinete a passo 0,267 – 0,578

- Rodas acionadas pela parte superior, de 5,5 m 2 – 5

- Moinho de poste 2 – 8

- Moinho de torre 6 - 14

Os conteúdos que acabamos de estudar serão de grande valia para compreensão dos sistemas de controle industrial. Por essa razão faça um estudo mais detalhado sobre o que lhe foi apresentado, consulte outras publicações, anote os pontos importantes e associe no que for possível com as técnicas de controle automático.

1.5 DESENVOLVIMENTO DO COMÉRCIO E DA INDÚSTRIA


Compreender a importância do desenvolvimento do com ércio e da industria para a evolução da tecnologia de automação industri al.

“São as grandes crises que levam a humanidade a descobrir novas tecnologias, novas formas de trabalho e novas relações trabalhistas.”

5 Rankine, W. J. M. Useful rules and tables. Londres: 1873 6 D’Aubuisson de Voisins. Boston, 1852.

18

Se você analisar esse pensamento em função da automação industrial concluirá que assim é como ela tem se comportado ao longo da sua evolução. Vejamos alguns fatos importantes da humanidade.

Assim aconteceu na Idade Média, com a Guerra dos Cem Anos (1346-1450, entre França e Inglaterra), com a Peste Negra e as revoltas populares que provocaram a escassez da mão-de-obra, antes tão abundante, causando o desequilíbrio da oferta de mercadoria. A solução encontrada foi aproveitar os conhecimentos técnicos existentes para introduzir novas formas de trabalho por meio das quais os homens pudessem produzir mais.

Na produção feudal , foi adotado o arrendamento das terras e liberdade aos servos , para venderem seus excedentes nos mercados das cidades.

Com isso, ocorreu o incremento de técnicas para o aumento da produção, como a charrua e a rotação trienal das culturas. Surgiram então povoamentos rurais independentes dos domínios dos senhores feudais, que, não tendo quem trabalhasse em suas terras, além das despesas com as guerras, foram se endividando e acabaram por se desfazer delas. Assim, liberaram os seus servos, aumentando ainda mais o êxodo para as grandes cidades, favorecendo os mercadores e os financistas.

Às crises do século XIV provocaram um desequilíbrio da oferta de mercadoria e mudanças na economia dos Estados europeus, de forma tal que só os Países de regime político centralizados conseguiram se adequar e puderam levar adiante um empreendimento de caráter estatal, que se transformou em um instrumento de riqueza e poder: a expansão ultramarina.

Fig.1.29 - Piloto quinhentista e uso da bolina.

Fig.1.30 - Navio Espanhol do século XV (Caraça).

Portugal, sob a dinastia de Dom Dinis e seus sucessores, na busca de superar as suas dificuldades, deu início à expansão ultramarina, que foi consolidada pelo Infante D. Henrique. Este incentivou o desenvolvimento de instrumentos que facilitaram a arte de navegar e atraiu para Portugal, precisamente para a Ponta de Sagres , os melhores navegadores da Europa, marinheiros experientes e estudiosos da arte de navegar, os quais propiciaram ao Estado português expandir e manter um domínio do comércio marítimo por quase cem anos,

19

AUT

tornando-se o maior império marítimo colonial já existente e o primeiro Estado moderno europeu.

Com a consolidação da monarquia na Espanha, em 1492, os reis católicos deram início às grandes navegações marítimas que levaram a esse país descobrir e conquistar novas terras, as quais lhes propiciaram muito ouro e rápido enriquecimento, o que a tornou dona de inúmeras colônias nas Américas. A disputa com a França obrigou a Espanha a formar uma frota para proteger sua costa e seus navios comerciais, criando assim a sua famosa “invencível armada ”, que lhe deu o título de “a senhora dos mares ” europeus.

França, Inglaterra, Holanda e Alemanha, a exemplo de Portugal e Espanha se dedicaram às conquistas marítimas. Mas a cobiça, a ambição e o desejo de ser o melhor, o dominador , fizeram esses principais países europeus travarem entre si um “jogo de guerra ”, que levou a destruição econômica de uns e o crescimento de outros. Após o desastre da “invencível armada ” espanhola, em 1588, quando tentavam conquistar a Inglaterra, as diversas batalhas perdidas nos anos seguintes e a aliança dos ingleses com os Países Baixos levaram a Espanha à perda da liderança dos mares e à ascensão dos holandeses e ingleses.

A Holanda, devido à qualidade de suas terras, não produzia o suficiente para sustentar a sua população. Então, fez do comércio marítimo o sangue vital de sua sobrevivência, tornando-se a nação dominadora do “mercantilismo ” e a principal construtora naval da Europa no século XVII.

A Inglaterra, também dona de um poderio marítimo e almejando expandir-se, criou mecanismos que levaram a uma rivalidade marítima entre essas nações. O principal foi o “Ato da Navegação ”, de 1651, o qual determinava que só os navios britânicos tinham autorização para levar carregamentos para a Grã-Bretanha, com exceção dos navios que conduziam produtos de seu próprio país; todo navio que navegasse pelo Canal da Mancha deveria saudar seus navios de guerra e que a pesca de “arenques”, a 30 milhas de sua costa, pagaria impostos.

Essa decisão britânica foi a causa principal que levou à guerra contra a Holanda e contra a França. O resultado destas lutas foi entregar aos ingleses, por volta da segunda metade do século XVII, o domínio dos mares. Controlando os mares e aperfeiçoando as suas companhias monopolistas , pouco tempo levou para que a Inglaterra se tornasse a soberana dos mercados coloniais.

A expansão marítima quatrocentista e quinhentista, capitaneada por Portugal e Espanha, seguidas pela Holanda, Inglaterra e França, foi batizada como “mercantilismo ” e pode ser considerada como uma “Revolução Comercial”.

Os descobrimentos marítimos provocaram mudanças na economia, fizeram aparecer uma reserva de capital e propiciaram uma outra concepção do universo, ampliando as idéias geográficas do homem. Trouxeram à tona novas matérias-primas, novas especiarias, novos mercados consumidores e a necessidade de acelerar a produção.

20

1.5.1 Desenvolvimento da Manufatura

O comércio marítimo não só ajudou as igrejas a aumentarem o seu entesouramento como também fez surgir uma classe de negociantes ricos, desejosos de aumentar suas riquezas. Por isso, investiam seus ganhos em todas as atividades que acreditavam dar lucros.

A exigência de grandes quantidades de objetos fabricados para que houvesse o intercâmbio comercial entre os países ou com suas colônias, aliada ao enriquecimento de uma camada da população, aumentou a procura de produtos essenciais e de luxo, aguçando a curiosidade do homem europeu, promovendo debates e estudos que forçosamente levaram a descobertas de novas tecnologias e aperfeiçoamento de todas as artes já conhecidas, surgindo então as primeiras indústrias e os primeiros estaleiros.

Você sabe como evoluíram as indústrias?

As primeiras indústrias foram pequenas oficinas, denominadas de “artesanato das guildas “, onde o artesão trabalhava duramente, ao mesmo tempo em que dirigia outros trabalhadores da oficina

Esse método de produção não foi capaz de atender ao aumento da demanda, sendo obrigado a se modificar. Apareceu, então, a “manufatura ”, o embrião do capitalismo industrial, em que um significativo número de trabalhadores passa a ser empregado de um patrão, que detém o controle da comercialização da produção. As primeiras unidades eram pequenas e a produção tinha como insumo a lã de carneiro.

As unidades de manufatura , para proteção de seus interesses, organizavam-se em associações corporativistas com o capitalista financiando a produção (compra das matérias primas, pagamento dos empregados diaristas, aprendizes e do artesão), ou formavam uma cooperativa de trabalhadores.

Com a evolução da manufatura e a intensificação do comércio marítimo, apareceram outras unidades de produção que dependiam da importação de matéria-prima, das técnicas estrangeiras, como por exemplo, o algodão importado da Índia, do linho e da seda e da exportação da sua produção.

Na Inglaterra, as primeiras fábricas que trabalhavam com algodão não foram bem recebidas pelos industriais e trabalhadores da lã. Estes, alegando que haveria queda no preço dos produtos baseados na lã, incendiaram as indústrias e conseguiram, no ano de 1700, que o governo inglês proibisse a importação de tecidos de algodão. Essa proibição incentivou a produção de algodão na própria Inglaterra, fez surgir diversos inventos mecânicos e agrícolas que levaram ao grande desenvolvimento da indústria têxtil.

As invenções no campo da indústria têxtil fizeram aparecer as primeiras técnicas de controle automático na produção industria l e, conseqüentemente os primeiros choques entre os trabalhadores e a tecnologia, ou melhor, entre o trabalho manual e a máquina. Dessas invenções as que consideramos mais importantes foram:

a ) O tear mecânico de fazer meias , inventado por volta de 1589, por William Lee, pároco de Calverton . Nesse tipo de tear, o operador era não só uma fonte de energia, mas também um meio de coordenar os movimentos das diversas peças da máquina.

21

AUT

As vantagens da máquina inventada foram: fazer a teia da meia para costura até o pé; fabricar finas meias de seda e de fantasia, sem perder a velocidade de funcionamento; produzir de 1000 a 1500 malhas por minuto , enquanto que as pessoas que faziam malhas manuais chegavam no máximo a 100 malhas por minutos; e por fim podia ser operada por uma criança de doze ou treze anos, que acionava a máquina por meio de um pedal e com as mãos controlava a fiação.

b ) O tear mecânico de fazer fita , originário do Oriente, que, no Ocidente, porém, tem duas versões sobre sua invenção:

1. segundo um escritor veneziano de 1629, a primeira versão foi em Danzing , por volta de 1579, inventado um tear para tecer diversos comprimentos de fitas simultaneamente, por um só operário. O conselho da cidade ficou apreensivo e, receando que muitos tecelões pobres ficassem sem trabalho, mandou estrangular o inventor secretamente; e

2. a segunda é de um escritor holandês que afirma que esse tipo de tear foi inventado em Leyden , por volta de 1621.

c ) O aperfeiçoamento do tear de fitas foi feito por John Kay e Vaucanson, em 1745. Eles patentearam um sistema mecânico que tornou possível fazer a lançadeira movimentar-se de uma extremidade da tela à outra:

John Kay criou a “lançadeira volante ” (uma espécie de corredeira) . Esta era acionada por cordas e alavancas comandadas por meio excêntricos (cames) movimentados por pedais, sincronizando, assim, os movimentos da máquina. Por causa desse invento, sua casa foi depredada por trabalhadores da indústria têxtil, e ele teve de fugir da Inglaterra.

Vaucanson criou a barra de acionamento , o movimento de cremalheira e a roda dentada para acionar os eixos.

Exemplo: técnica de comando por eixo e excêntricos (cames) usado, em anos recentes, no controle automático de purificadores de óleo em navio mercantes (figura a seguir).

Fig.1.31 - Comando elétrico do funcionamento de um purificador de óleo de navio.

Funcionamento: Um sinal de ação (manual, pneumático, hidráulico, elétrico) atua no disjuntor (T), colocando o motor elétrico (M) em funcionamento, o qual faz o eixo de cames girar até que os contatos (K1) e (K2) fechem os seus respectivos circuitos elétricos. K2 alimenta a solenóide que atua abrindo a válvula de controle da água de selagem do purificador. O tempo que a válvula ficará aberta é regulado pela rotação do eixo de cames.

d ) Fuso (spinning-jenny) de Hargreaves . Este tecelão e carpinteiro inventou, na década de 1760, uma roda de fiar com vários fusos, que funcionava à mão, mas propiciava o aumento da produção. Uma pessoa que antes fiava um fio por vez, após esta invenção, passou a fabricar oito ou mais fios. Porém, o fio era pouco resistente, servindo apenas para o trançado;

e ) A fiandeira de Arkwright. Barbeiro e fabricante de peruca, Richard Arkwright patenteou, em 1769, a máquina water-frame. Essa máquina esticava os fios antes que se

22

enrolassem no fuso e utilizava força hidráulica para movimentar o cilindro. Podia fiar algodão mais rapidamente do que a velha roca e produzia um fio mais resistente. Tornou possível produzir, em 1773, um tecido feito exclusivamente de algodão e não mesclado com linho, como era o costume;

f ) A mula (mule-jenny) de Samuel Crompton , inventada por volta de 1779.

Crompton unificou a técnica de Hargreaves e a de Arkwright, fazendo com que os fusos fossem montados em um carril móvel e as agulhas fizessem um duplo movimento para esticar os fios em volta do cilindro, reproduzindo o movimento do fio, tal qual se realizava na fiação manual. A máquina inventada funcionava a energia hidráulica e, mais tarde, passou a ser acionada por máquina a vapor

g ) A técnica de reprodução “automática” de gravuras, papelão perfurado, criada pelo francês Basile Bouchon , por volta de 1725. Ver a figura a seguir.

Orifícios eram feitos em um rolo de papel, de acordo com o desenho que se desejava tecer. Quando esse papel em código era pressionado contra uma fileira de agulhas, as que coincidiam com as perfurações permaneciam na mesma posição. As demais eram movidas para a frente, formando, assim, o desenho do tecido. Era uma máquina simples, comandava uma única fileira de agulha.

Fig.1.32 - Tear de Basile Bouchon

Esta técnica é semelhante às utilizadas pelas rendeiras do Nordeste brasileiro, para fazer os belos e perfeitos trabalhos das rendas de birro.

h) Anos mais tarde, Joseph-Marie Jacquard aperfeiçoou a idéia de Bouchon, passando para cartões perfurados e conseguiu a patente do primeiro tear automatizado.

Fig.1.33 - Controlador com programação em

fita perfurada, (decádas 60 e 70).

A linguagem empregada por esses inventores para estabelecer uma comunicação com a máquina resumia-se a nada mais do que: orifício e não-orifício, semelhante à linguagem binária (0 e 1 ), empregada nos cartões perfurados ou fitas perfuradas (figura ao lado) dos primeiros computadores de automação de processos e dos torno mecânico e fresa com controle numérico de nosso tempo.

i) A gerência rudimentar , a princípio assumida pelo capitalista, em função de ser ele o proprietário do capital, surgiu com a aglomeração da produção, em função da necessidade da coordenação das atividades, tais como:

a) ordenação das operações;

b) centralização do suprimento de materiais;

23

AUT

c) escalonamento, mesmo rústico, das prioridades;

d) atribuição de funções;

e) registros de custos (folhas de pagamento, matérias primas, produtos acabados);

f) registro de vendas;

g) cadastro de crédito; e

h) cálculos dos lucros e da perdas.

Na análise deste desenvolvimento, não mencionamos os inventos orientais, porém devemos lembrar que, desde o século V a.C., a China já conhecia as técnicas de fundição do ferro por aquecimento pelo carvão, o tear de laço, o papel, a imprensa e técnicas de navegação marítima: manuseio da vela como elemento propulsor, o leme para manter o rumo, bússola para orientar a navegação, estanqueidade dos compartimentos para garantir a flutuabilidade das grandes embarcações e a tão conhecida pólvora.

As invenções dos chineses chegaram ao Ocidente por meio das Cruzadas e dos renovados contatos da Europa com outros povos, e consolidaram-se em decorrência do crescimento demográfico, do renascimento urbano e da necessidade de aprimorar a agricultura para atender a essas novas demandas.

1.6 DESENVOLVIMENTO DA CIÊNCIA DAS MÁQUINAS


Reconhecer os principais inventos relacionados às m áquinas que contribuíram para o desenvolvimento dos sistemas de controle aut omático industrial.

Tomando por base o trabalho histórico de USHER7, podemos considerar que o desenvolvimento industrial, especificamente as técnicas aplicadas às máquinas térmicas, começa com os estudos de Herão e Filon sobre o funcionamento do sifão , que já era empregado no Egito antigo, mas sem considerar o princípio do vácuo.

Fig.1.34 - Bomba aspirante-premente

Fig.1.35 - Órgão acionado por vento

Depois, vem a invenção da bomba aspirante-premente , atribuída a Ctesíbio , e descrita por Filon em seu tratado de hidráulica. Devemos contabilizar, também, a evolução dos dispositivos sonoros , empregando a força da água ou dos ventos.

7 USHER, Abbott Payson. História das Invenções Mecânicas. vol. I. Lisboa: Edições Cosmos, 1973

24

Devido às limitações desses inventos, o ser humano continuou os estudos em busca de soluções. Uma nova teoria nasceu com os princípios de Galileu , no tratado ”Diálogos referentes a duas novas ciências” (1638) e prosseguiu com os eficientes estudos de Torricelli (1644), comprovados por Blaise Pascal, no tratado “O equilíbrio dos líquidos e o peso da massa de ar”, publicado em 1664, após sua morte.

Paralelamente, Von Guericke , em 1654, definiu os princípios da bomba de sucção, ao desenvolver uma importante experiência sobre a força da pressão atmosférica , utilizando a aplicação da pressão de ar a um êmbolo, conforme mostra a figura a seguir.

A partir de então, as preocupações se voltaram para as modificações dos modelos das bombas existentes, buscando um melhor aproveitamento da pressão atmosférica.

Fig.1.36 - Experiência de Von Guericke

Assim sendo, em 1675, Samuel Moreland obteve a patente da invenção da bomba de êmbolo. A figura a seguir representa a bomba de êmbolo montada no edifício York, em Londres, cerca de 1710.

Fig.1.37 - Bomba de êmbolo

Funcionamento: Um dispositivo de energia mecânica eleva o êmbolo até o fim de seu curso, criando vácuo no cilindro e propiciando que a água o encha. Cessada ação do dispositivo de elevação e devido ao peso dos discos de chumbo montado no êmbolo, que é proporcional à altura que a água deve subir, força-se o cilindro a descer, elevando-se (bombeando) a água que passa por uma válvula de retenção, que evita que ele retorne. A vedação do cilindro é feita pelo conjunto formado pela caixa de gaxetas e a sobreposta (bucin). As gaxetas são feitas de couro.

Com a melhor eficiência das bombas as atenções voltaram-se para o aproveitamento da energia do vapor d’água . Este já era conhecido da humanidade pelo menos 100 anos a.C., mesmo não se fazendo distinção de vapor e ar , tendo em vista a sua aplicação em alguns dispositivos de Herão de Alexandria, como a eolipila (Turbina de reação) da figura a seguir.

25

AUT

Fig.1.38 - A eolipila de Herão de Alexandria

Salomon de Caus, em 1615, declarou que “o vapor é água evaporada que, depois de arrefecer, regressa à sua condição original”.

A partir dessa distinção, os estudiosos definiram que as potencialidades da pressão de vapor eram de muito mais importância do que as da pressão de ar . Na esteira destes estudos, destacaram-se Edward Somerset, Ramelli, Bates, Worcester, Savery e Papin.

O estudo de Worcester sobre a aplicação do vapor d’água, segundo seu biógrafo, começou em 1628, contando com a ajuda do mecânico Caspar Kaltoff. Por problemas políticos, foi exilado, teve seus bens confiscados, inclusive seus estudos e foi preso quando regressou. Na prisão, tentando recuperar seus estudos sobre as bombas, escreveu um tratado sobre o funcionamento de uma máquina para elevar água. Quando foi solto, dedicou-se a construir sua máquina.

A Máquina (bomba) inventada por Worcester, foi denominada de “Centenas ”, (figura a seguir) e construída para elevar água no castelo de Vauxhall.

Funcionamento: A fornalha (D) e a caldeira (C) são representadas por linhas tracejadas, O vapor sai da caldeira por meio de uma válvula de quatro vias (b) e dos tubos de abastecimentos (B e B’). Os dois reservatórios (A e A’) estão ligados à fonte de água pelos tubos (G e G’), e estão equipados com tubos de saída (F e F’) que se unem numa válvula de quatro vias (C). Produz-se um vácuo parcial no reservatório vazio (A), pela condensação de uma certa quantidade de vapor. A água é, então, forçada a entrar no reservatório pela pressão de ar que atua sobre a superfície da água na fonte. Quando o reservatório está quase cheio de água, entra vapor através da válvula de vapor e a sua pressão é suficiente para forçar a água a sair do reservatório. Quando o reservatório esta quase vazio, fecha-se a entrada do vapor, rapidamente seguida pela condensação e formação de vácuo.

Contemporâneo de Worcester, o inglês Thomas Savery patenteou, em 1698, uma máquina para retirar água de minas, cujo princípio de funcionamento era semelhante ao da máquina de Worcester.

Fig.1.39 - Engenho de Worcester

Estes engenhos só eram eficientes para determinadas pressões e certas profundidades.

26

Estudos sobre o funcionamento dos êmbolos, desenvolvidos por Hautefeuille (1678), Robert Hooke (1678) e Samuel Moreland (1681), contribuíram para que o americano Newcomen , entre 1705 e 1712, desenvolvesse a primeira máquina térmica, que funcionava com base na condensação do vapor. Denominada de máquina alternativa a vapor de condensação , acionava uma bomba de extração de água de poço. Sua potência chegou a 5 ½ CV. A figura anterior (1.40) mostra o esquema dessa máquina e a gravura nos dá uma idéia de como eram esses primeiros engenhos.

Esquema da instalação

Gravura de 1732

Fig.1.40 - Máquina alternativa a vapor de condensação de Newcomen.

Como funcionava a máquina alternativa a vapor de co ndensação?

Funcionamento: Quando a máquina estiver parada, devido ao movimento dos contrapesos (12), o êmbolo (6) fica posicionado no topo do cilindro, que estará frio e cheio de ar. Todas as válvulas estarão fechadas. Alimentando a fornalha (2) da caldeira (1) com carvão, aliado à presença de oxigênio contido no ar e uma chama, ocorrerá a combustão. Esta reação química produzirá energia calorífica, que será transmitida por processos termodinâmicos (condução, convecção e radiação) para a água contida no tubulão da caldeira (3). A água transforma-se em vapor d’água saturado (4). Abrindo-se a válvula de vapor (8), o vapor se expande para dentro do cilindro, expulsando o ar pela válvula (17), que se abre pela pressão maior. A ação do vapor enche e aquece o cilindro rapidamente. Então, fechando-se a válvula de vapor (8) e abrindo-se a válvula de injeção de água (9), o jato de água condensa o vapor rapidamente. A condensação do vapor provoca uma queda de pressão no interior do cilindro, permitido que a pressão atmosférica, atue sobre o êmbolo, forçando-o a descer. À medida que o processo de condensação continua, a descida do êmbolo é acelerada. Quando o êmbolo atinge o seu ponto morto inferior, o jato de injeção é fechado e abre-se a válvula de vapor (8). A primeira baforada de vapor liberta o cilindro de qualquer evaporação existente e cria pressão suficiente para permitir que a água de condensação escoe livremente para o reservatório (5). Devido aos contrapesos, o êmbolo eleva-se tão rapidamente quanto a entrada do vapor, pois há peso suficiente para levantar o êmbolo mas não para criar o vácuo. (continua.)

27

AUT

Funcionamento (continuação): Desta forma, a subida do êmbolo e o enchimento do cilindro com vapor são simultâneos, embora o vapor não exerça qualquer força ativa contra o êmbolo. As válvulas são abertas e fechadas automaticamente, por meio da haste (tirante) (10).

Diversos cientistas dedicaram-se a estudar o funcionamento da máquina de Newcomen, a fim de aperfeiçoá-la, mas o relativo sucesso ficou restrito à sua utilização como unidade de bombeamento. Não foi possível fazê-la produzir, na prática, movimento rotativo, por meio de manivelas, como já acontecia com as rodas hidráulicas, em razão de a máquina produzir trabalho apenas no curso de descida do êmbolo.

Porém, James Watt , fazendo um estudo, científico e crítico sobre essa máquina, verificou que ocorria uma grande perda de calor devido ao arrefecimento e ao aquecimento do cilindro. Então, teve a idéia de fazer modificações radicais no funcionamento da máquina. Essas mudanças podem ser entendidas observando-se a gravura a seguir e a sua descrição.

Descrição: Ele começou por fazer a instalação de uma câmara de condensação em separado. Tomou como cilindro uma seringa de latão, empregada em cirurgia, que media 4,45cm de diâmetro e 25cm de comprimento (ver figura ao ado). Contrariamente à máquina de Newcomen, inverteu a posição do cilindro (C) e prendeu um peso (E) ao êmbolo (D). Para liberar o cilindro da água condensada, a haste do êmbolo foi brocada e equipada com uma válvula (J) na sua extremidade inferior. Criou uma câmara de condensação (G), em estanho, imersa num reservatório de água fria. Para retirar o ar e a água desta câmara, adicionou uma pequena bomba manual (K).

Fig.1.41 - Máquina, experimental, de James Watt - 1765

Funcionamento: O vapor era direcionado da caldeira (A) a ambas as extremidades dos cilindros pelas tubulações (B). Tendo sido produzido vapor, era fechada a válvula para o condensador e a válvula de vapor para a parte inferior do cilindro, e aberta a válvula de vapor para a parte superior do cilindro. O ar do cilindro era expelido por meio da válvula da haste do êmbolo e ao redor da válvula do condensador. Então, a bomba do condensador era acionada para cima, produzindo um vácuo parcial no condensador. Neste instante, era fechada a válvula superior de vapor, aberta a válvula do condensador e a válvula inferior de vapor. Assim, o vapor da parte superior do cilindro passava para o condensador e era condensado. O vapor da parte inferior do cilindro atuava sobre o êmbolo, impulsionando o contra o vácuo e elevando um peso de 8,100 kg, indicando uma pressão efetiva de cerca de 6,170 kg por 6,45 cm².

Desta forma, James Watt demonstrou a eficiência da máquina e consolidou os princípios fundamentais. À medida que iam sendo construídas, essas máquinas eram aperfeiçoadas e aumentavam de tamanho, de tal forma que, rapidamente, atingiram o limite das possibilidades existentes para a construção.

Em 5 de janeiro de 1769, James Watt obteve a patente de sua máquina de condensação e conseguiu que o Dr. Roebuck fosse seu sócio financeiro para o empreendimento.

28

Mas, em decorrência da escassez do carvão em determinadas regiões e do seu alto custo em outras, seu sócio faliu e vendeu sua parte para Boulton, que transferiu a construção para Soho, em Birmingham (1774).

Os novos sócios dedicaram-se às máquinas empregadas para bombeamento num sistema de royaltry. Devido à grande dificuldade de receber dinheiro dos usuários e ao elevado custo do carvão, eles decidiram construir uma máquina para uso industrial.

Fig.1.42 - Máquina a vapor de James Watt

Fig.1.43 - Locomotiva a vapor

Assim, Watt dedicou-se a construir uma máquina que fosse capaz de produzir um movimento rotativo a partir do movimento recíproco (alternativo) e conseguiu patentear seu novo invento em 1781 e 1782, nascendo assim a máquina de ação dupla , com o vapor trabalhando alternadamente de ambos os lados do êmbolo. Nasceu, então, a máquina alternativa a vapor . (ver figura a seguir).

Fig.1.44 - Máquina alternativa a vapor empregada nos navios mercantes e detalhes da entrada de vapor no cilindro

Qual a técnica de controle automático que surgiu co m a invenção da máquina alternativa a vapor de James Watt?

Dois dispositivos foram de importância fundamental para o emprego dessa máquina: um foi o condensador , que é estudado em outra disciplina, e o outro foi o regulador Centrífugo de velocidade , que estudaremos mais adiante.

29

AUT

O Regulador Centrífugo , de James Watt, em 1775, foi o segundo aparelho de controle automático que o homem criou, e foi o precursor da aplicação do conceito de realimentação (Feedback) . Por essa razão é considerado, por muitos, como o primeiro controlador automático.

Em função das deficiências dos materiais empregados na construção das caldeiras e das máquinas alternativas a vapor, as potências dessas máquinas ficaram restritas à faixa de 40 a 50 CV. Raríssimas chegavam a 80 CV.

Fig.1.45 - Instalação propulsora a maquina alternativa a vapor

1. Hélice; 2. Eixo propulsor; 3. Eixo de manivelas; 4. Cilindros; 5. Conjunto conector

e biela; 6. Volante; 7. Caldeira de baixa

pressão; 8. Caldeira de alta

pressão; e 9. Tubulação de

vapor.

Com o aperfeiçoamento da fundição do ferro, no final do século XVIII, outros inventores, como o Inglês Murdock, o francês Cugnot, o americano Oliver Evans e o inglês Richard Trevithick, dedicaram-se a construir máquinas que podiam funcionar com vapor de alta pressão. O aperfeiçoamento da caldeira, realizado por Booth e Hackworth, permitiu que fosse alcançado êxito no teste que Rainhill fez, nos meados de 1830, e determinasse a eficiência das máquinas de condensação, encerrando essa fase primitiva da técnica de vapor.

Com essa nova tecnologia, romperam-se as amarras da corrente que emperrava a produção industrial, dando origem às fábricas modernas .

A máquina a vapor substituiu o trabalho físico dos homens e dos animais. Energias muito mais poderosas eram postas a serviço do homem, permitindo-lhe uma maior ação sobre a natureza.

Essa revolução industrial iniciou-se na Inglaterra, nas indústrias têxteis e se estendeu depois à América e ao resto da Europa Ocidental. Por volta de 1800, já havia pelo menos 500 máquinas alternativas a vapor em funcionamento. Foram aceleradas e aperfeiçoadas as comunicações, os transportes e a fabricação. O comércio mundial foi estimulado. Houve um rápido aumento da população, provocando o crescimento das cidades até chegar aos nossos dias com as megametrópoles.

Por outro lado, o avanço do conhecimento tecnológico da fabricação do aço e da produção do vapor fez surgiu uma nova máquina térmica - a Turbina a Vapor.

Os princípios básicos de funcionamento deste tipo de máquina perdem-se nos séculos pois podemos encontrá-los, como já mencionado, na turbina de reação, de Heron de Alexandria, cerca de 100 anos a.C. e na turbina de ação, de Giovanni Bianca, em 1629.

30

Fig.1.46 - Parsons

Fig.1.47 - Princípio da propulsão a Turbina a Vapor

As primeiras tentativas de aplicação prática das turbinas de reação e ação foram feitas a partir de 1884, por Charles Algenor PARSONS e LAVAL .

Depois de vencidas inúmeras dificuldades de construção, eles obtiveram êxito em 1894, com a adaptação de uma turbina a vapor a um pequeno barco torpedeiro. A este barco de 30 metros de comprimento e 45 toneladas de deslocamento, foi dado o nome de "TURBINIA"

1.6.1 Desenvolvimento dos Motores de Combustão Inte rna

Consolidada a máquina alternativa a vapor, o ser humano voltou suas atenções para o desenvolvimento da energia motora, cujos estudos começaram com Carnot, publicado em 1824. Porém, a dificuldade de se aproveitar essa energia residia no fato de que o combustível teria que ser um gás ou, na pior das hipóteses, um líquido facilmente vaporizável. Esse tipo de combustível só apareceu por volta da metade do século XIX, quando surgiram as primeiras indústrias de exploração e refino do petróleo.

Foi o franco-belga Jean Joseph Étienne LENOIR, em 1859, quem projetou e construiu a primeira máquina de combustão interna capaz de realizar um trabalho, empregando como combustível o gás de iluminação. Em 1860, ele a adaptou a uma carruagem e, mais tarde, a empregou como máquina propulsora de um barco

Fig.1.48 - Lenoir

Fig.1.49 - Motor a gás de Lenoir

Após a invenção de Lenoir, muitos estudos foram desenvolvidos para aperfeiçoar o invento do motor de combustão interna.

O francês, Alphonse Beau de Rochas desenvolveu uma teoria sobre o funcionamento do motor de combustão interna de quatro tempos, a qual chegou às mãos do caixeiro viajante alemão Nikolaus August Otto, que, depois de muito estudá-la conseguiu, em 1876, construir o primeiro motor desse tipo. Foi batizado, em sua homenagem como “motor de ciclo Otto ” mas, também é conhecido como motor de explosão ou de inflamação por centelha.

Nesse motor, uma mistura de ar e combustível é inflamada por uma centelha no interior dos seus cilindros.

31

AUT

Fig.1.50 - Nikolaus August Otto

Em 1885, o primeiro veículo impulsionado por um motor a gasolina circulou pelas ruas de Munique, na Alemanha. Era um triciclo patenteado por Karl Benz, precursor da famosa fábrica de automóveis Mercedes Benz

Fig.1.51 - Motor de Ciclo Otto

O engenheiro alemão Rudolph Diesel , em 1890, financiado por uma cervejaria de St. Louis, iniciou suas pesquisas que buscavam melhorar a eficiência do funcionamento do motor do ciclo Otto. Sua dedicação foi premiada em 1892, quando patenteou um motor de maior rendimento, que mais tarde receberia o seu nome - “motor do ciclo Diesel ”, mas que também ficou conhecido como motor de inflamação por compressão.

Fig.1.52 - Rudolph Diesel

Fig.1.53 - Motor Diesel marítimo de 4

tempos.

O motor Diesel trabalha de maneira semelhante ao do ciclo Otto, porém utiliza um combustível mais pesado (óleo diesel ou havy fuel oil) derivado de petróleo.

A combustão ocorre devido a alta compressão do ar, a qual eleva a temperatura no cilindro, e injeção do combustível na câmara de combustão no momento preciso, ou seja, para que ocorra a queima do combustível, não é necessário a centelha, como nos motores do ciclo Otto.

Essa invenção se impôs rapidamente. As máquinas a vapor foram pouco a pouco suplantadas em eficiência, e logo surgiram os motores navais e motores estacionários sem concorrentes que fossem parecidos.

Na propulsão marítima, essa nova tecnologia teve a sua primeira grande aplicação por volta do ano de 1912, depois de cerca de 15 anos de desenvolvimento.

Graças ao seu elevado rendimento térmico, o motor criado por Rudolph Diesel há cerca de 100 anos, após os diversos melhoramentos aplicados ao longo de um século de pesquisas e evoluções, é considerado nos dias de hoje a máquina motriz de maior eficiência térmica, ou

32

seja, capaz de transformar a maior quantidade de energia fornecida sob a forma de calor em trabalho mecânico com um mínimo de perdas e, por essa razão, este tipo de máquinas é aplicada em larga escala nas marinhas mercantes de todo os países.

A primeira revolução industrial trouxe, de fato, um progresso nunca antes alcançado, com o aumento da riqueza e do nível de qualidade de vida para uma parte da população. Nesse período, surgiu o sistema corporativo fazendo desaparecer o artesanato medieval e, conseqüentemente, o ofício do artesão e o declínio do aprendizado.

Houve uma maior interdependência entre o capital e o trabalho, dando início a produção em massa e a padronização dos produtos, primórdio da “ produção em série” .

Por outro lado, para a grande maioria da população, a industrialização mostrou-se danosa devido aos distúrbios sociais que provocaram (migração do camponês para a cidade, declínio do artesão e do aprendiz, etc.) e não provocou a sonhada distribuição de renda. Permaneceu a pobreza e a miséria, entre outras mazelas.

Essa fase de evolução da industrialização, ainda hoje encontrada, é definida como mecanização ou automatização .

1.7 IMPORTÂNCIA DOS SISTEMAS DE CONTROLE INDUSTRIAL


- Compreender as diversas aplicações da palavra siste ma; e

- entender a organização dos sistemas de automação de processos industriais.

- reconhecer a importância dos sistemas de controle a utomático de processos industriais;

- compreender como se desenvolveu o controle de proce sso industrial; e - reconhecer como evoluiu as técnicas dos sistemas de controle automático

de processos industriais.

1.7.1 Sistema

A palavra sistema tem diversas aplicações. Emprega-se para designar pequenos sistemas, como o sistema de injeção de combustível de motores de veículos, grandes e complexos sistemas, como o nosso sistema nervoso, o sistema econômico mundial, o sistema de defesa americano, o sistema de informação, o sistema de controle de planta industrial, o sistema de controle de navegação dos navios e dos aviões, etc.. A literatura científica define como sendo:

“sistema é uma disposição de componentes físicos, conectados ou relacionados de tal maneira a formar e/ou atuar como um conjunto”.

À primeira vista, parece imprópria a utilização do termo para conjuntos tão diferentes, mas na prática esses conjuntos apresentam várias características comuns, como é demonstrado a seguir:

1. compõem-se de muitas partes diferentes, onde os componentes podem ser bastante

33

AUT

distintos (elementos físicos, humanos, regras e regulamentos sobre as inter-relações dos elementos);

2. interação de seus diversos componentes (cada um influencia sobre o outro);

3. evoluem de um estado para outro (em pequenos intervalos de tempo os sistemas móveis parecem estáticos).

4. em sua maioria, são homeostático (quando observado em curtos períodos, o seu funcionamento parece manter continuidade ou estabilidade. Por outro lado, quando observado em períodos bastante longos, tendem a evoluir e mudar seu estado).

5. seqüência:

Em qualquer sistema há sempre uma unidade central processadora e todo sistema possui um tipo de controle .

Exemplos:

a) controle político exercido por funcionários sobre diversos sistemas sociais;

b) computadores de controle para sistemas de armas militares;

c) controle da navegação pelo piloto automático;

d) controle de funcionamento do motor propulsor do navio (MCP), por meio de programa de computador (softwares) etc.

Resumindo, um sistema constitui-se de três diferentes funções: função perceptiva , função reativa e função controladora .

Para um melhor entendimento da importância dos sistemas de controle industrial é necessário que façamos um estudo da sua evolução. Para tal, vamos dividi-lo em três períodos: O empírico ou experimental; o da automatização e o da automação.

1.7.2 Período Empírico ou Experimental

Nesse período os sistemas de controle eram projetados através de procedimentos empíricos baseados na intuição e na experiência cumulativa, ou seja, a maioria dos raciocínios envolvidos não considerava cálculos matemáticos, ou seja, não empregava métodos teóricos e analíticos.

Os instrumentos indicadores das condições das variáveis eram o único meio que o ser humano tinha para controlar manualmente os processos industriais. Até então, uma unidade fabril era dependente de uma única fonte de potência mecânica.

As fábricas dispunham de energia gerada por uma roda d’água ou por um moinho de vento, acoplada a um eixo que se estendia ao longo da fábrica. Desse eixo, por meio de correias, as máquinas fabris recebiam a energia mecânica necessária ao seu funcionamento.

34

Assim, o controle era interdependente e centralizado, exigindo do operador uma atividade mental baseada na intuição e na experiência, além de uma exposição constante ao perigo, devido à falta de segurança da instalação

Contudo, essa abordagem não científica e por tentativas satisfez as necessidades de controle por longo tempo. Porém, com o advento das máquinas alternativa a vapor e, conseqüentemente, com o aumento acentuado da demanda da produção industrial, o homem foi obrigado a desenvolver técnicas e equipamentos de controle que fossem capazes de substituí-lo nesta nova tarefa, libertando-o de grande parte deste esforço braçal e mental.

1.7.3 Período da Mecanização ou Automatização

Durante muitos anos, sociólogos, filósofos e outros profissionais se dedicaram a analisaram o trabalho humano em todos os seus aspectos, de tal forma que seus estudos propiciaram mudanças na maioria das funções dos trabalhadores.

Na área industrial foram reduzidas a gestos simples e mecanizadas como os empregados na linha de produção de Ford.

Desses estudos, os mais conhecidos foram o estudo do rendimento das máquinas-ferramentas de Taylor e a definição de normas de controle dimensional dos produtos fabricados.

A padronização permitiu automatizar a execução das tarefas, resultando numa maior precisão no trabalho e aquisição, pelos trabalhadores, de habilidades mais restritas , levando-os a perderem a noção do que e para que produziam.

O precursor da técnica de produção em série foi o americano Eli Whitney , que criou o sistema de peças permutáveis (estandardizada). Esse sistema foi utilizado na fabricação de uma máquina de descaroçar algodão e de um rifle para o exército americano.

Na cadeia de produção em série ou em massa , todos os movimentos das máquinas são sincronizados, temporizados e repetitivos.

Na indústria que opera com controle automático baseado na produção em série, o controle é feito por operadores humanos, de forma que a máquina fornece a força e o operador (a) o pensamento. Ele dispõe de informações sensoriais , dos dados dos instrumentos de medição e de informações de outras variáveis e faz a correção necessária para obter a melhor performance do sistema.

Neste caso, o operador(a) é o senhor(a) da máquina, pois pode comandá-la e pará-la quando desejar. Por outro lado, a máquina exige que o operador acompanhe os seus movimentos, sejam eles lentos, sejam rápidos, dentro de rigorosos limites de tempo.

Qualquer falha do operador pode provocar grandes prejuízos e acidentes fatais. Diz-se, então, que o operador fica reduzido à condição de escravo da máquina , sem nenhuma possibilidade de alterar seu comportamento.

Com a criação do regulador de velocidade das máquinas a vapor por James Watt e de outros avanços tecnológicos, as máquinas passaram a dispor de um motor dedicado e somado a eles os métodos de padronização o controle do processo foi descentralizado . Estava dado o primeiro passo para o controle automático.

35

AUT

Como funciona a estratégia de controle por realimentação ?

Na estratégia de controle por realimentação o equipamento (controlador ) age sobre o elemento de controle (válvula de controle), baseando-se em informações da variável física controlada , detectadas na saída do processo, por instrumentos de medidas (sensor ).

Fig.1.54 - Regulador centrífugo de velocidade das máquinas a vapor – James Watt

Funcionamento: Neste tipo de regulador, quando a velocidade do eixo E ultrapassa o valor desejado, a força centrífuga sobre cada massa M tem uma componente normal à haste de suporte, que vence a componente da força-peso; as massas M se afastam do eixo vertical e o cursor C sobe; o cursor C aciona a válvula de controle de vapor, reduzindo sua vazão e, por sua vez, reduzindo a velocidade do motor e do eixo E. O inverso ocorre quando a velocidade esta abaixo da desejada.

O aumento do tamanho das plantas industriais e a complexidade dos processos exigiram maior atenção com a segurança e a qualidade dos produtos. Na busca de soluções para os problemas que surgiram, diversas pesquisas foram desenvolvidas e produziram uma evolução das técnicas de controle automático na área industrial ou, melhor dizendo, iniciou o processo de automatização das fábricas.

Dentre essas técnicas, as que mais se destacaram foram:

a) a aplicação do cálculo diferencial para análise matemática do comportamento de um sistema máquina-regulador, utilizado por Clerk Maxwell, em 1868;

b) o desenvolvimento científico da aplicação da energia pneumática , tornando essa energia a primeira forma de processamento de sinal a ser empregada para a automatização de processo industrial;

c) a introdução da estratégia e/ou a filosofia de Controle Distribuído ;

Nos primórdios do Controle Distribuído , os instrumentos de controle (reguladores mecânicos, controladores pneumáticos, medidores, etc.) eram instalados próximo aos equipamentos do processo a serem controlados. A ação do controle era executada pelo operador, que também fazia o registro das variáveis e a comunicação, por troca de informações verbais, com o gerente de operação da planta.

36

d) aplicação dos primeiros controladores pneumáticos de conexão direta ao processo, por volta de 1930. Porém, foi mantida a filosofia de controle distribuído, ou seja, o controlador e a interface homem-máquina (IHM) permaneceram junto do processo (no campo);

e) a teoria da reação (Regeneration Theory) desenvolvida por H. Nyquist , da Bell Telephone Company , em 1932. Essa teoria definiu o primeiro método de análise de sistema à realimentação e estabeleceu um critério para o estudo de estabilidade em tais sistemas. O conceito de estabilidade é extremamente importante na operação de sistemas de controle;

Um sistema estável é aquele que permanecerá em repouso, a menos que sofra um distúrbio (perturbação) de fonte externa, e que retornará ao estado de repouso quando todas as excitações desaparecerem

f) a fabricação do primeiro controlador pneumático com ação proporcional mais integral (PI). Obs. Esta estratégia de controle será estudado mais adiante na unidade “Controladores”;

g) a padronização da faixa de alimentação (20 a 22 PSI) e de transmissão de sinal pneumático (3 a 15 PSI), ou seja, definido o primeiro protocolo de comunicação, antes da Primeira Guerra Mundial;

h) concentração dos controladores e instrumentos indicadores dos valores das variáveis em consoles de controle da máquina (CCM) nas salas de controle , graças ao desenvolvimento técnico e emprego dos instrumentos pneumáticos do tipo regulador de pressão , foles, relés, transmissor, atuadores, amplificadores de sinal , controladores a corda, aperfeiçoamento de funções (extração de raiz quadrada , multiplicação , etc.);

i) criação do servocon-trole ( figura anterior), por N. Minorsky baseado no conceito de realimen-tação (feedback), para a manutenção automática, do rumo do navio. Definido em um artigo intitulado “Dictional Stability of Automatically Steered Bodies”, durante a Primeira Guerra Mun-dial;

Fig.1.55 - Controle do rumo do navio por servocontrole

j) no final da década de 50 começou o emprego da energia elétrica, com utilização de relés elétricos, após a padronização de transmissão de sinal elétrico, estabelecida entre 4 a 20mA e o advento da eletrônica analógica . Os equipamentos eletrônicos analógicos empregavam válvulas eletrônicas, por essa razão eram grandes e consumiam muita energia. Porém, possibilitou:

- a substituição das longas linhas de sinais pneumáticos ou hidráulicos por cabos elétricos.

- Instalar a sala de controle mais distante da área de processo; e

37

AUT

- a utilização de terminais multiplexe remoto que aceleraram a comunicação entre os elementos do sistema de controle de processo. A figura a seguir ilustra esse sistema de controle remoto.

Fig.1.56 - Diagrama de blocos de automatização de uma instalação propulsora a turbina a vapor com padrão analógico de 4-20 mA. e 3–15 PSI.

Na sala de controle eram montados painéis imensos (quadro mímico ) contendo as lógicas de seqüenciamento e segurança da planta. (ver figura a seguir)

Fig.1.57 - Console com quadro mímico da AEG de um sistema de propulsão a turbina a

vapor

k) a evolução dos componentes eletrônicos analógicos que permitiu a fabricação dos controladores de arquitetura dividida e a implementação da filosofia ou configuração de

38

“sistema de automação distribuída com operação hierarquizada” . Os profissionais que até então eram técnicos de mecânica, especialista em mecânica fina, passaram a ser técnicos de eletrônica denominados de instrumentistas.

No modelo de “automação distribuída com operação hierarquizada” a interface humano máquina (IHM) era montada no painel do console de controle da máquina (CCM) da sala de controle e toda a parte eletrônica responsável pela manipulação de sinais e execução dos cálculos e controles das placas ficava localizada em armários, em uma sala auxiliar anexa. Os acionamentos e intertravamento eram feitos por relés.

Fig.1.58 - Console da sala de controle de um navio da década de 70.

As vantagens da automação distribuída com operação hierarquizada são:

a) a larga compatibilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes;

b) interfaces padrões para os sistemas de controle; e

c) equipamentos padrões de suporte.

As desvantagens desse modelo de automação são:

a) os equipamentos consumiam muita energia e ocupavam grandes espaços;

b) os sinais transmitidos não eram confiáveis;

Foram essas características que possibilitou ao sistema distribuído com operação hierarquizada ser empregado em praticamente todas as indústrias que se modernizaram até o final dos anos 80. Nessa época começou a ser substituído por sistemas eletrônicos digitais.

Essa tecnologia foi aplicada nos primeiros navios brasileiros (liners, nacionais ou poloneses), eram navios semi-automatizados. Os fabricantes principais foram: AEG, com os modelos LOGISTAT ; a SIEMES, com os modelos SIMOS e DIFA 21; e a English Electric, com os modelos M-2112.

As figuras a seguir ilustram alguns componentes dessa tecnologia.

39

AUT

Fig.1.59 - Controlador eletrônico de temperatura

Fig.1.60 - Registradora de alarme –

Sistema SIMOS-31 da SIEMENS

Fig.1.61 - Controlador pneumático - FISHER

Fig.1.62 - Temporizador eletromecânico

Fig.1.63 - Controlador eletrônico LICA o17

40

Fig.1.64 - Armário eletrônico analógico AEG

Fig.1.65 - Controlador eletrônico analógico

Fig.1.66 - CCM - Sistema SIMOS-31

Fig.1.67 - Placa de um controlador eletrônico analógico da AEG

A automatizaçã o produziu muitos reflexos econômicos e sociais saudáveis. Houve um aumento da produtividade, e diversos produtos manufaturados foram lançados no mercado em grandes quantidades e com preços mais baixos. O comércio e os transportes desenvolveram-se para atender ao aumento do fluxo de mercadorias. E uma grande parte da humanidade emergiu da miséria que tinha vivido até então.

41

AUT

Com a automatização o homem aprendeu a dominar a força bruta das ferramentas mecânicas, mas não as forças que se desenvolveram no mundo capitalista: as crises econômicas, as lutas de classes, crises de desempre go e outras mais.

Com a evolução tecnológica surgiram as grandes empresas e com estas uma nova classe social: os trabalhadores urbanos . Também se romperam os dois fatores de produção: capital e trabalho, que até então tinham convivido juntos. Apareceram as teorias econômicas e os conceitos de sucesso financeiro , as técnicas de contabilidade e o mercado de capital .

1.7.4 Período da Automação Propriamente Dita

Segundo ARNSTEIN (1965), a automação e os aperfeiçoamentos tecnológicos provocam uma revolução de várias facetas:

“é industrial , porque afeta mercadorias e serviço; é psicológica , porque influi nas atitudes dos trabalhadores, supervisores e outros cidadãos; é científica , porque, propiciada por cientistas, produz novos instrumentos e recursos para outros avanços da ciência; é econômica , pela sua influência sobre o padrão de vida; é social , por alterar os hábitos humanos; é política , porque exige novas soluções para as suas conseqüências”. Arnstein (1965)

Vivemos uma era, considerada por muitos como uma Segunda ou Terceira Revolução Industrial , que provavelmente teve seu início por volta de 1945, com o advento dos semicondutores e a válvula eletrônica .

Válvula Eletrônica , ou Válvula termoiônica ou Válvula Termiônica, é um dispositivo eletrônico formado por um invólucro de vidro de alto vácuo chamada ampola e que contém vários elementos metálicos . Os elementos metálicos internos são, o filamento , cuja função é o aquecimento do cátodo para a emissão de elétrons, o cátodo , emissor de elétrons, a placa, ou ânodo , receptor de elétrons, a grade de controle , que, dependendo de sua polarização, aumenta ou diminui o fluxo eletrônico do cátodo ao ânodo, além de outras grades que podem formar as válvulas tríodos , pêntodos , etc.

Fig.1.68 - Válvula eletrônica

Fig.1.69 - Transistor

A eletrônica de potência evoluiu, com a invenção do transistor , um novo componente eletrônico que viria substituir, com vantagens, a válvula eletrônica. O transístor começou a se popularizar na década de 1950 tendo sido o principal responsável pela revolução da

42

eletrônica na década de 1960, e cujas funções principais são amplificar e chavear sinais elétricos. O termo vem de trans fer resistor (resistor de transferência), como era conhecido pelos seus inventores.

O transistor foi fruto de pesquisa desenvolvida no Laboratório da Bell Telephone demonstrado em em dezembro de 1947 (e não em 1948 como é freqüentemente dito), por uma equipe formada por John Bardee, Walter Houser Brattain e William Bradford Schockley , os quais ganharam o Prêmio Nobel de Física, em 1956. Seu advento marcou o início da segunda geração de computadores.

A aplicação dos primeiros componentes eletrônicos ao controle automático (automatização eletrônica), propiciaram diminuindo o tamanho dos painéis, maior confiabilidade aos sinais de controle e fizeram surgir os primeiros controladores eletrônicos (feira da International Society for Measurement and Control – ISA - de 1958 “ISA’s -13th Annual Show ”, em Filadélfia).

Sua evolução introduziu o computador em nossas vidas e conseqüentemente a automação propriamente dita, pois essas máquinas passaram a monitorar os processos, nas diversas áreas da indústria e do comércio. Atuando como computador supervisório , mantiveram a filosofia ou configuração de sistema de controle centralizado.

Os principais recursos de automação e técnicas empregadas na área industrial integrados a computadores são:

a) CAD (Computer Aided Design) – Trata-se do projeto assistido por computador. Este é utilizado para modelamento matemático bastante poderoso quanto a cálculos e integração gráfica. As chamadas estações de trabalho substituem, em princípio, as pranchetas de desenho dos projetistas e desenhistas.

b) CNC (Computerized Numerical Control) – Utilizam-se computadores dedicados e específicos para controlar máquinas ferramentas por meio de controle numérico. Um programa especificamente elaborado é inserido no computador com vistas a controlar os diversos órgãos das máquinas para execução de tarefas, tais como: trajetória da ferramenta, velocidade de corte, seleção de ferramentas, etc.

c) Robótica – Um robô industrial é um elemento multifuncional projetado para, por meio de movimentos programados, executar tarefas diversificadas (movimentar peças, ferramentas ou dispositivos; pintar; soldar; etc.).

d) Tecnologia de Grupo – É a técnica de apoio à manufatura que permite reconhecer e explorar semelhanças, identificando e agregando peças ou componentes em um único processo produtivo. O método baseia-se nas características e condição dos elementos, de tal modo que sejam formadas famílias de elementos, considerando a empresa como um todo. Essa técnica permite a produção em massa de lotes médios e pequenos de peças.

e) Sistemas Flexíveis de Manufatura – É o conjunto de duas ou mais unidades de manufatura, interconectadas por equipamentos de manipulação de material, sob supervisão de um ou mais computadores de dedicação plena. Esses sistemas possibilitam a utilização plena de máquinas CNC, robôs manipuladores e técnicas organizacionais do tipo tecnologia de grupo. Consiste no emprego de “células de fabricação” , e cada célula tem autonomia e pode executar peças de algumas famílias. Cada célula é interdependente das demais e constitui um universo próprio. O fluxo integrado e automático das informações

43

AUT

constitui a base para todas as atividades dos sistemas flexíveis de manufatura. Isto compreende:

i - armazenamento, transferência e transporte automático da matéria-prima;

ii - distribuição e carregamento automático das unidades que compõem o sistema; e

iii - identificação das partes e seleção de programas das máquinas CNC.

g) CIM (Computer Integrated Manufacturing) – É a utilização das diversas ferramentas computacionais disponíveis (computadores de diversos portes, redes locais, bancos de dados, CAD, CAM, CNC, Robótica), com o objetivo de integrar o fluxo de informações de cada departamento e processo de fabricação com o fluxo de informações administrativas e gerenciais da empresa. O CIM parte do pressuposto de que a informação é o elemento chave da boa administração e que o melhor meio de obtê-la rápida e corretamente é através do uso integrado dos diversos recursos computacionais existentes na atualidade. O CIM permite uma alimentação “do que fazer ” pelos grandes sistemas aos níveis operacionais de fábrica e uma realimentação “do que foi feito ” por esses mesmos sistemas.

h) Automação de Processos – É um modelo de controle, baseado em um objetivo preestabelecido, desenvolvido em um determinado softwares e instalado em um computador, o qual acompanha a evolução do processo controlando as funções necessárias à realização desse objetivo. O acompanhamento da evolução do processo pode ser feito em “tempo real ” ou em medições efetuadas em intervalos de tempo preestabelecido. O modelo de controle é um programa que contém a lógica de medição x ação , podendo utilizar funções matemáticas e tabelas de referência. O controle pode ser dinâmico (o próprio computador dispara as ações) ou estático (o computador informa ao operador, e esse efetua a ação).

i) Controlador Programável (CP) – É um componente de automação que tem um funcionamento semelhante ao do computador e esta inserido na base de operação da maioria das técnicas existentes. Esse equipamento apareceu no final dos anos 60 e inicio dos anos 70, devido ao advento da eletrônica digital com a invenção do microprocessador, com o passar dos anos o CP evoluiu para o atual controlador lógico programável (CLP). Na língua inglesa é Programable Logic Controller – (PLC).

O CLP foi criado em 1968 sob a liderança do engenheiro Richard (Dick) Morley e seu colega Michael Greenberg pela empresa automobilística americana Hydronic Division da General Motors Co., com o nome de MOdular DIgital CONtroller , donde derivou o nome MODICON de seu primeiro fabricante, para fazer a verificação de continuidade da fiação (chicotes) dos carros.

44

Fig.1.70 - Controlador Lógico Programável (CLP)-Programable Logic Controller - PLC

Para a invenção deste equipamento dois fatores foram importantes:

a) Um foi substituir os grandes gabinetes ou painéis elétricos de comando, que empregavam lógica à relés eletromecânicos, por algo menor, mais confiáveis e mais flexíveis, quanto a facilidade de se alterar a programação de controle todas as vezes que havia mudanças na linha de montagem. Pois, tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro; e

b) O outro foi o advento da eletrônica digital com a invenção do microprocessador , permitindo a construção dos microcomputadores.

As pesquisas desenvolvidas em torno do transistor possibilitaram que Robert N. Noyce , através de processos de “ contaminação ” de cristais de silício , inventasse o circuito integrado (conhecido como chip ou CI).

O silício é o elemento químico, metalóide , com número atômico 14 e massa atômica 28,09.

Fig.1.71 - O chip eletrônico

Robert N. Noyce , Gordon E. Moore e Andrew Grove em 1968 fundaram a empresa INTEL.

O que o chip?

O chip (CI) é um componente eletrônico resultante da montagem de um conjunto de diversos transistores interligados formando um circuito eletrônico digital capaz de produzir efeitos elétricos semelhantes àqueles obtidos com transistores, de acordo com um projeto lógico preestabelecido (portas lógicas), em uma única pastilha de silício.

45

AUT

Os primeiros CLPs possuíam somente grandes cartões de entrada e saída digitais, denominados de TTL´s, para aplicações de intertravamento e seqüenciamento, mas deveriam ter as seguintes características:

- ser robusto capaz de resistir aos ambientes industriais agressivos,;

- ser facilmente reprogramados, usando uma linguagem conhecida pelo pessoal da engenharia e da manutenção elétrica;

- boa confiabilidade operacional e vida útil grande;

- as mudanças de programa teriam que ser feitas rapidamente; e

- era necessário incorporar ferramentas de diagnóstico para facilitar e tornar mais ágeis as localizações de defeitos.

Na evolução do CLP, foram criadas as interfaces homem-máquina no lugar das lâmpadas de indicação, cartões de entrada analógica para medição de variáveis analógicas tipo pressão, temperatura, vazão e nível e cartões de saída analógicas para controle regulatório.

Na esteira do CLP, surgiu na década de 70 o Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD). Sua invenção foi fruto da evolução dos componentes eletrônicos e a necessidade de melhorar a performance do controle regulatório.

Inicialmente os sistemas criados ficaram conhecidos como “sistemas proprietários” devido empregarem protocolo de comunicação fechados entre os elementos de controle com base no sinal de 4-20 mA., de tal forma que só o fabricante podia fazer a substituição dos elementos quando tinham defeitos ou quando era necessário melhorar a operação do processo.

Porem com advento do protocolo digital de comunicação aberto HART´s, que é uma freqüência superposta ao sinal 4-20 mA, foi possível a troca de dados ou melhor a integração entre os sistemas abertos e fechados e os SDCDs começaram a mudar a forma de atuar no controle do processo.

O ambiente operacional nas indústrias e nos navios, desde a introdução dos Controladores lógicos Programáveis (CLP) e dos Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD), sofreram grandes mudanças, de sorte que, nos últimos anos, a informática passou a ser o componente mais importante para a produtividade e a competitividade.

Com a introdução desta tecnologia rompeu-se as fronteiras entre as diversas áreas da automação e, surgiram novos paradigmas dos sistemas de gerenciamento e controle automático industrial ou do navio. Estes paradigmas são:

- Flexibilidade para alterar as configurações atendendo às novas demandas;

- Distribuição de funções críticas, como o controle para o campo;

- Maior número de informações, que não sejam de processo, para gerenciamento da instrumentação e do processo;

- Arquitetura mais enxuta com custo menor;

- Interoperabilidade entre vários fabricantes aumentando as possibilidades de escolha e redução de custos com sobresselentes;

46

- Totalmente digital;

- Possibilidade de expansão a custo reduzido.

Três são as tendências atuais da automação de processos/manufatura industrial:

1 - Enterprise Resource Planning (ERP) – proporciona soluções flexíveis e rápidas para atender as exigências de mercado.

2 - Interoperabilidade dos componentes – possibilita uma manutenção com custo menor pois permite a composição com outros fabricantes.

3 - Sistemas inteligentes (totalmente digitais) – Permite a volta da filosofia de Sistema de Controle de Campo (FCS) onde as funções de controle são distribuídas no campo, reduzindo a complexidade e o custo do sistema.

Estas tendências tem por aplicação sistemas baseados no protocolos digitais de comunicação, com a filosofia “open system ”, ou melhor, protocolo aberto. Dentre eles temos o conceito/modelo de automação denominado de FIELDBUS ou suas variáveis como o Profibus DP, Profibus PA, Fundation Fieldbus, ASI Bus, Device Net, Modbus e Ethernet.

O SDCD, o protocolo HART´s , o PROFIBUS DP e PA, assim como o FIELDBUS, são estudados em cursos avançados. O CLP, será estudados com mais detalhes na unidade de ensino 4.

Os principais modelos de automação de processos industriais contemporâneos são definidos da seguinte maneira:

1 - sistema híbrido é o que envolve controle a programa e controle à realimentação;

2 - sistema supervisório é o que permite a visualização do processo e a possibilidade de interferência do operador (SDCD, SCADA etc.);

3 - sistemas inteligentes são os que permitem autodiagnóstico do equipamento, correção de valores e substituição de equipamentos por ação do computador, visualização e simulação do processo e interferência por parte do operador. São construídos com base na tentativa de “imitar” uma característica do ser humano ou da natureza. Esses sistemas abrangem uma série de técnicas de controle as quais servem para nomeá-los. Assim temos: “FIELDBUS”, “PROFIBUS-DP”, “sistema especialista”, sistemas baseados em “Lógica Fuzzy“ ou difusa, “redes neurais”, e os algoritmos genéticos.

A automação, nos dias atuais, é aplicada em todas as áreas econômicas e engloba conhecimentos de diversos ramos da Tecnologia, da Matemática, da Física, da Química, da Sociologia, da Psicologia e da própria Filosofia. Portanto, conclui-se que seja a melhor solução para manutenção dos mais rígidos padrões de qualidade.

O controle automático visa a substituir o homem nas tarefas mais cansativas, monótonas, repetitivas, precisas e onde seja necessária extrema rapidez de resposta. Pois, como é sabido, o homem é naturalmente lento assim como a sua atenção é sujeita a erros e distorções.

Observamos em todos os noticiários as mesmas crises vividas na Primeira Revolução Industrial, o grande desequilíbrio entre a oferta e a procura por postos de trabalho, ou seja, desemprego maciço nos setores que automatizam sua produção e, desta vez, as inovações

47

AUT

tecnológicas invadem todos os setores da cadeia produtiva, da comercialização, dos escritórios de negócios, da comunicação, etc.

Em uma unidade fabril, ou mesmo em qualquer que seja a atividade econômica, o fato primordial é o processamento das informações . Atualmente, a melhor ferramenta disponível para a execução desse trabalho é o computador interligado em sistemas de comunicação, que possibilita a volta da centralização do controle do processo, mas de forma flexível, em que o gerenciamento é feito por setores ou mesmo de máquinas através de microcomputadores (PCs) que transmitem e recebem as informações dos computadores principais.

Desta forma, as funções da atual automação resumem-se em :

a) comunicação (informação);

b) computação; e

c) controle.

Pode-se dizer, então, que o computador é a principal causa da “Revolução Industrial Contemporânea”, por ser o principal componente da moderna automação.

1.8 EVOLUÇÃO DA AUTOMAÇÃO NOS NAVIOS


Reconhecer os aspectos técnicos, sociais e econômic os que envolveram a automatização dos primeiros navios mercantes;

A industria marítima considera que o primeiro navio construído com base no conceito de “automatização” foi o cargueiro “KINKASAN MARU ”8, terminado em 1961 pelo estaleiro “Mitsui Shipbuilding and Engineering Co .”, para a “Mitsui Steamship Co. ”.

Mesmo sendo um navio semi-automatizado, possuía um sistema extensivo de controle remoto centralizado e automatizado, que contagiou a indústria marítima e os maiores armadores do mundo.

Fig.1.72 - N/M Kinkasan Maru primeiro navio a motor automatizado (1961)

8 A revista The Motor Ship de junho de 1962, publicou uma descrição detalhada dos controles remotos automáticos desse navio.

48

Kinkasan Maru era um navio de 9.800 twd (8.316 tb), com propulsão a hélice acionada por um motor Mitsui-B&W, de 8 cilindros, tipo 874-VT2BF-160, de 12.000 bhp a 115 rpm, que proporcionava uma velocidade máxima de prova de 21,7 nós e uma velocidade de cruzeiro de 18, ¼ de nós. A energia elétrica era fornecida por um grupo de três alternadores de 450 volts e 240 kW, acionados por motores Mitsui-B&W e tinha 38 tripulantes.

O que motivou o governo e a indústria marítima japonesa a apostar no desenvolvimento de tecnologias voltada para a automatização dos seus navios, foi a carência de marinheiros para tripular as embarcações, devido ao grande desenvolvimento que o país atravessava na época. Um navio do mesmo porte do Kinkasan Maru, que não fosse automatizado possuía 50 tripulantes.

Segundo a empresa operadora desse navio, a implantação do sistema de controle automático representou uma economia de 190.000 libras . O investimento inicial na automação do navio custou 50.000 libras e na época o desembolso com um tripulante custava em média 1.500 libras por ano. Como houve uma redução de 12 tripulantes, ocorreu um ganho de 240.000 libras por ano.

Com base nesses valores econômicos, a automatização empregada foi estendida a outros navios convencionais da Companhia, assim como foram introduzidas outras medidas para melhorar as condições de segurança de trabalho.

Em resumo as principais ações tecnológicas tomadas foram:

a) instalação de uma sala de controle nas máquinas, com ar condicionado;

b) centralização de todos os alarmes e medidores;

c) introdução de um controle automático no sistema de purificação de óleo combustível e no sistema de óleo lubrificante das máquinas auxiliares;

d) controle automático da temperatura de entrada de refrigeração da camisa;

e) controle automático da temperatura de entrada de óleo combustível;

f) controle automático da temperatura de entrada de óleo lubrificante;

g) previsão de medidor remoto, de nível de água da caldeira;

h) dispositivo de corte automático de combustível a pressão elevada e a nível baixo da água de caldeira; e

i) instalação de um regulador Woodward no motor principal (B&W).

Na Mitsui-O.S.K. Line, entre 1966 e 1967, 18 navios sofreram as melhorias citadas anteriormente, levando a uma economia de três homens na equipe de serviço de quartos da máquina, de modo que ficou apenas um oficial de máquinas e um ajudante em cada quarto. Dos três tripulantes retirados do serviço de quarto, dois foram dispensados do navio e um passou para o serviço de manutenção. Nesta Companhia a equipe de máquinas cuidava da inspeção dos instrumentos e das máquinas, assim como fazia várias espécies de manutenção, tais como:

a) remoção e limpeza dos pistões; b) substituições de válvulas injetoras; c) substituições e ajustagem de válvulas de aspiração e descarga; e d) outras necessárias, quando o navio estava docado em dique-seco.

49

AUT

Fig.1.73 - Sala de controle e console do N/M Kinkasan Maru

Fig.1.74 - Praça de máquinas do Kinkasan Maru (Sist. de tratamento de óleo lubrificante)

Fig.1.75 - Painel mímico de controle distribuído, aplicado ao sistema de tratamento de óleo lubrificante (N/M Kinkasan Maru).

A implantação de sistemas de controle automáticos requer uma atenção especial com a manutenção, provocado pela necessidade de inspeção especializada e ajuste das partes principais dos dispositivos de controle. No caso do Kinkasan Maru, o aumento dos custos de manutenção foi estimado em 800 libras por ano.

Após entrar em operação o Kinkasan Maru, a Companhia desenvolveu um estudo sobre a eficiência dos sistemas implantados. Esse estudo apontou diversas melhorias que poderiam ser efetivadas, entre as quais foram citadas as seguintes:

50

a) o controle da máquina principal (MCP) pelo passadiço, consistia em uma chave de “partida e parada” e um dispositivo (mostrador) de controle de injeção de combustível separado. Conseqüentemente, o oficial de náutica (convés), no controle da máquina, tinha que operar os três elementos dentro de um tempo muito curto. Para superar essa dificuldade, foi instalado um novo tipo de telégrafo pelo qual o oficial de náutica podia manobrar a máquina em um único movimento; e

b) na máquina foi de deslocar o dispositivo (punho) de controle, que ficava do lado do motor, para dentro da sala de controle, graças à instalação de um sistema de conexão de alavancas e um painel indicador de gráfico (console).

Fig.1.76 - Controle remoto eletro-hidráulico para partida e parada do MCP do N/M Nichiko Maru (1962), semelhante ao do Kinkasan Maru.

Caso você queira ficar mais bem informado sobre o a ssunto, faça uma pesquisa sobre a evolução da automação nos navios mercantes de 1980 a 1990.

1.8.1 Implicações Técnicas e Sociais da Automação d os Navios

Devido a automatização do controle da operação das máquinas e equipamentos dos sistemas da praça de máquinas, o qual passou a ser feito por sistema supervisório, surgiu o conceito de praça de máquinas desguarnecida . Foi em 1965 no Japão, que começaram a

51

AUT

serem discutidas as questões relacionadas à operação do navio com a praça de máquinas não tripulada (desguarnecida), pelo menos no período entre 16:00h e 06:00h.

Essa estratégia permitiria ao oficial de máquinas trabalhar de 07:00h às 16:00h (8 horas por dia) na manutenção preventiva, em vez dos deveres convencionais atribuídos ao serviço de quarto normal e no período noturno o controle passaria para estações localizadas em ambientes estratégicos como o passadiço, escritório da máquina, etc..

Estações de alarme seriam espalhadas em diversos locais onde provavelmente deveria estar o oficial de máquinas de pernoite (responsável para atender os problemas que ocorressem num determinado período da noite, exemplo: de 16:00h as 20h).

Durante as reuniões, o assunto principal discutido foi a questão da segurança, fie ficou definido que, para um navio ter a condição de operar com praça de máquinas periodicamente desguarnecida, ele deveria dispor do seguinte:

a) um sistema de detenção de incêndio para a praça de máquinas;

b) um sistema de extinção de incêndio para o mesmo local;

c) um alarme para avisar sobre água em excesso no porão (dalas);

d) um meio de esgotar essa água;

e) um sistema de controle das máquinas de propulsão pelo passadiço;

f) um sistema de alarme para dar aviso de falhas nas máquinas;

g) abastecimento de energia elétrica garantida, mesmo em caso de parada da máquina propulsora ou dos alternadores; e

h) controles manuais para as máquinas essenciais, a serem usados em caso de falha do sistema de controle.

Para se ter uma idéia de como essa estratégia influenciou na composição da tripulação do navio, observe o quadro a seguir:

NAVIO KINKASAN MARU PROJETO DE NAVIO NAVIO ATUAL

OFICIAL AUXILIAR TOT. OFICIAL AUXILIAR TOT. OFICIAL AUXILIAR TOT.

CONVÉS 4 12 16 4 4 8 4 6 10

MÁQUINAS 4 7 11 4 4 8 2 5 7

RÁDIO 3 0 3 1 0 1 0 0 0

CÂMARA 1 6 7 1 2 3 0 2 2

Totais 12 25 37 10 10 20 6 13 19

Com a evolução dos componentes dos sistemas de comando remoto pneumático ou eletro-pneumático , atuando com pressão de ar acima de 1,2 bar, em válvula de controle direcional (VCD) pneumática ou combinada com sinal elétrico atuando em solenóides, a partida e parada dos motores de combustão principal (MCPs) e dos motores de combustão auxiliar (MCAs), passaram a ser feitas com esses sistemas.

52

1 . 8 .1 . 1 Norm as Té cn i cas Ap l i c ad as a P ra ça de Má qu i n a s De sg uar ne c id as

Os países mais desenvolvidos, que tem na Marinha Mercante um dos pilares de sua economia, criaram órgãos destinados a estudar as implicações da automação dos navios com vistas a implantação de tecnologias/equipamentos para praça de máquinas desguarnecidas.

Vamos citar a seguir, alguns itens dos Regulamentos Dinamarqueses elaborados por um comitê designado pelo Instituto Dinamarquês de Pesquisas de Navios , apresentado em um seminário no ano de 1972. A proposta considerou que o navio deveria ter uma máquina propulsora com mais de 2.000 hp e que haveria pessoal para guarnecer a praça de máquinas em caso de avarias. Assim estava previsto que:

1 – Controle Remoto

As recomendações seguintes aplicam-se as instalações com hélices de pás fixas:

- deve ser possível dar partida, para, regular e dar máquina a trás pelo passadiço;

- deve ser possível assumir o controle manual do motor direto da praça de máquinas;

- independente do suprimento de força do navio, deve ser possível parar as máquinas pelo passadiço (sistema de paralisação);

- deve ser possível, da praça de máquinas, cancelar a operação automática das funções de paralisação ou diminuição de velocidade e operação remota do passadiço;

- a transferência para operação manual deve ser efetuada suave e rapidamente, e nenhum defeito que ocorra em qualquer parte do sistema de automatização deverá causar dificuldade a operação manual;

- o sistema de comunicação entre o passadiço e a praça de máquinas deve ser disposto de tal modo que seja indicado por luzes de sinalização constante, na praça de máquinas e no passadiço, que estação está com o controle.

- a transferência de controle do uma estação para outra deve ser comunicada por telefone ou por outro meio.

- deve ser proporcionados recursos para evitar o esvaziamento do deposito de ar de partida abaixo do nível de partida, no caso de falha do motor principal em partir;

- deve ser proporcionada proteção para evitar sobrecarga não intencional do motor principal;

- deve existir um dispositivo para assegurar que a transferência do controle para o passadiço somente possa ocorrer quando o suprimento de ar de partida for aberto para o motor; e

- deve haver no passadiço indicação de rotações e direção de rotação, bem como a pressão do ar de partida.

2 – Sistema de Segurança

O motor principal deve ser provido com um sistema de segurança, para proteção em casos de defeitos comprometedores da operação. Deve ocorrer paralisação manual ou automática do motor principal quando houver alarme de:

- pressão mínima de óleo lubrificante na admissão do motor principal, incluindo turbo-

53

AUT

alimentador, engrenagens e acoplamentos;

- temperatura máxima do mancal da escora do motor principal;

Obs. Os sinais dos sensores devem tanto atuar automaticamente o sistema de paralisação, respectivamente um sistema de diminuição de velocidade, como indicar nos painéis de alarme, no passadiço e na praça de máquinas, que os sistemas de paralisação ou de diminuição de velocidade tem que ser atuados para proteger a máquina quando tiver avarias;

Á diminuição de velocidade (manual ou automática) do motor principal deve ter lugar quando ocorrer alarme de:

- temperatura máxima, tanto, nas saídas de descarga como nas cintas de ar de lavagem do motor principal.

Deve haver ação por parte do pessoal quando ocorrer alarme de:

- fluxo insuficiente de água de resfriamento para os êmbolos do motor;

- temperatura máxima da água de resfriamento no coletor de saída do motor principal;

- temperatura máxima da água de resfriamento no coletor de saída do motor auxiliar;

- pressão alta de óleo lubrificante no motor auxiliar;

- alarme de incêndio proveniente da praça de maquinas;

- nível mínimo e máximo nos tanques de serviço de óleo combustível;

- pressão mínima de ar de controle e partida;

- temperatura mínima de óleo combustível apôs a bomba primária;

- água subindo nos porões da máquina;

- pressão mínima apôs a bomba primaria de óleo combustível;

- nível nos tanques de serviço (day tanks) de óleo combustível;

- pressão mínima no sistema hidráulico de hélices de passo variável; e

- ligação automática de unidade de reserva ou suprimento defeituoso de meio (veiculo) de controle para o sistema de controle remoto do motor principal ou do hélice de passo variável.

- para ser combinado com paralisação automática do queimador de óleo

• pressão máxima da caldeira;

• nível mínimo, de água em caldeira a óleo

• apagamento em caldeira a óleo;

• falta de força para o sistema de segurança.

- falha do aparelho de governo, a ser combinado tanto com partida remota do passadiço como partida automática da unidade de reserva, se não for operada manualmente.

3 – Registro

Se as manobras não são registradas manualmente, devem ser providos meios para o registro automático.

Os instrumentos de registro devem ser convenientes para períodos de, pelo menos, o

54

mesmo, tempo que a duração pretendida para a operação da praça de maquinas não tripulada.

4 - O sistema de alarme

Painel principal do alarme central - Fica disposto na praça de máquinas ou compartimento de controle, e deve indicarmos circuitos que produzirem alarme.

Painéis secundários de alarme - Um painel de alarme deve ficar localizado no passadiço para dar alarme acústico e indicar quando se tornar necessária a paralisação ou a diminuição da velocidade do motor principal e, se possível, com lazeira de tempo para quando for necessária a convocação do pessoal. Quando este painel da o alarme, deve ser estabelecida comunicação do passadiço para as acomodações dos maquinistas, pelos meios gerais de comunicação.

Equipamento de alarme - O arranjo da central de indicação deve ser lógica. Somente deve ser possível cancelar o alarme acústico na praça de maquinas ou na sala de controle e indicação no passadiço, como em qualquer painel secundário na praça de maquinas ou sala de controle. O caráter da indicação (não sua extensão) em painéis secundários deve ser como a da central principal, e dispor de alarme acústico. Em refeitório e bares, entretanto, e aceitável o alarme visual. O sistema de alarme deve incluir alarme sem voltagem, o que significa que em caso de falha dos principais, alarme sobre os mesmos ocorrerá, com a força necessária de abastecimento de emergência.

Circuitos - O sistema de alarme deve funcionar com circuitos normalmente fechados. Quando ocorre um alarme, o painel central principal deve indicar claramente o circuito defeituoso simultaneamente alarme acústico. Quaisquer defeitos nas lâmpadas indicadoras do sistema não devem ter influencia no funcionamento do alarme acústico.

Geral - Os amplificadores eletrônicos devem ser protegidos contra sinal de entrada muito alto. Contatos dos reles eletromecânicos devem estar livres de vibração e garantidos para ter pelo menos 10 funções. Os circuitos indutivos devem ser protegidos por resistores instalados tão perto quanto possível do circuito indutivo.

Sensores - Todos os sensores e caixas serão feitos de material resistente a corrosão do meio circundante. Os sensores quando parafusados devem ter um amplo diâmetro de rosca, relativamente a seu peso e devem ser desenhados para fixação em qualquer posição em tomo do eixo da rosca, e de tal forma que o sensor ou sua caixa, fique efetivamente imerso no meio. As caixas de terminais e gaxetas dos cabos dos sensores devem ser resistentes a água a prova de clima tropical e a prova de óleo.

Abastecimento de força — Qualquer abastecimento de força deve ser do tipo de voltagem constante com ± 10% de variação nos principais para não ter influencia no funcionamento do sistema de alarme. A unidade de abastecimento de força deve ser dimensionada para 125% do consumo máximo do sistema de alarme.

OBS. Devem ser usados nos sistemas tão poucos fusíveis quanto possível.

55

AUT

5 - Precisão de Medida

A tolerância de precisão para termostatos e interruptores de precisão não devem exceder os limites de ± 10%, do valor nominal, entretanto, deve ser de apenas ± 5% para os sensores de temperatura de descarga.

Os sensores que não tiverem histerese ajustável devem ser de magnitude suficiente para assegurar que a variação natural na quantidade medida não dará funcionamento defeituoso.

6 – Precauções Contra Incêndio

Alarme contra incêndio - A praça de máquinas deve ser protegida por um sistema detector de fogo ou fumaça de um tipo aprovado pelas autoridades dinamarquesas e projetado de modo que possa ser facilmente testado e verificado e cujos defeitos produzam alarme. O alarme acústico de incêndio deve ser distinguível de outros alarmes acústicos, em caso de incêndio na praça de maquinas, o alarme deve sempre ser indicado no passadiço. O painel de alarme de incêndio deve ser localizado, ligado e disposto de tal modo que um incêndio na praça de maquinas não possa colocar o sistema de incêndio fora de ação.

Precaução contra incêndio devido a vazamento de óleo combustível - Para reduzir o risco de incêndio de óleo, possíveis no caso de óleo combustível esguichar de tubulações de alta pressão avariadas sobre tubulações ou superfícies aquecidas, estas tubulações e superfícies deverão ser protegidas.

Transbordamento de tanques - Os tanques de serviço de óleo combustível na praça de maquinas devem ser providos de som alarme de nível máximo de óleo.

7 – Supervisão Corrente

Os sensores e equipamentos de alarme devem ser testados, quanto ao funcionamento, pelo menos cada seis meses, sob supervisão do chefe de máquinas. Una anotação pára este efeito deve ser introduzida no livro de registros da praça de maquinas.

Quando ocorre revisão geral, e em caso de distúrbios funcionais em que componentes ou fração tenham sido afetados ou desmontados sem correto funcionamento deve ser testado.

8 – Sistema de Propulsão com Hélice de passo variáv el

Aplica-se a instalações que tenham hélices de passo variável:

- Deve ser possível controlar o passo do hélice do passadiço e da praça,de maquinas;

- um dispositivo de transferência (switch -over) deve ser instalado na praça de maquinas e projetado de forma que o controle do passo do hélice possa ser executado somente do passadiço ou da praça de maquinas.

- O seguinte equipamento deve ser disposto no passadiço: • controle do passo do hélice; • tacômetro paro o eixo do hélice; • indicador do passo do hélice; e • indicador de sobrecarga.

- Os seguintes equipamentos devem ser dispostos na praça de maquinas ou na sala de controle:

• controle do passo do hélice e controle de rotação do motor;

• tacômetro para o motor e eixo do hélice;

56

• indicador de passo do hélice; e

• unidade de força hidráulica para hélice de passo variável, provida com uma bomba de óleo de reserva.

O que estar definido na SOLAS sobre praça de máquin as desguarnecida?

“Os arranjos estabelecidos deverão ser tais que garantam que a segurança do navio em todas as condições de navegação, inclusive manobrando, seja equivalente à de um navio tendo os compartimentos de máquinas guarnecidos. Deverão ser tomadas medidas, à satisfação da administração para assegurar que o equipamento está funcionando de maneira confiável e que arranjos satisfatórios são feitos para inspeções regulares e testes de rotina, de moda assegurar a operação confiável contínua. Todo navio deverá estar provido de evidências, provadas com documentos, à satisfação da administração, de sua aptidão para operar periodicamente com compartimentos de máquinas desguarnecida.” (SOLAS9 - 1974)

A automação aplicada aos navios e à indústria marítima, no momento, dispõe de uma diversidade muito grande de modelos e de instrumentos. Pode-se dizer que chegaram a um patamar de alta confiabilidade, compactação e consolidação. Porém, um problema adveio com essa prosperidade tecnológica: o de operação .

A velocidade de lançamento de produtos novos é muito maior que a capacidade dos operadores de bordo (tripulação) absorverem todo o potencial que essas novas tecnologias oferecem. Os problemas com a operação, monitorização e gerenciamento dos sistemas de controle automático, no meu entender, estão relacionados com diversos fatores que envolvem não só o operador mas também a política da empresa.

A resposta para os problemas que estamos vivendo com o advento da automação certamente há de vir daqueles que detêm em suas mãos o conhecimento tecnológico e o poder de tomada de decisão. No entanto, é necessário que essas pessoas se dediquem a um estudo profundo dos benefícios e males causados pela introdução de novas tecnologias.

Consulte a SOLAS sobre a automação dos processos da praça de máquinas.

1.9 DESENVOLVIMENTO DA INFORMÁTICA


Reconhecer a importância do computador para o desen volvimento dos sistemas de controle automático de processos indust riais.

O aparecimento do computador é um marco nas relações sociais dos seres humanos. Talvez seja das nossas invenções, a máquina que causou o maior impacto na vida do cidadão contemporâneo. Os computadores podem ser analógicos ou digitais.

9 SOLAS :Safety of life at sea.A convenção internacional para salvaguarda da vida humana no mar de 1974 entrou em vigor em 25 de maio de 1980, foi criada com o objetivo de estabelecer padrões de segurança para as embarcações que possuem uma arqueação bruta maior ou igual a 500AB, conhecida como embarcação SOLAS

57

AUT

Fig.1.77 - Antigo computador analógico do laboratório de automação do CIAGA

Fig.1.78 - Princípio do computador analógico

Os sinais analógicos correspondem a informações distintas de um domínio de valores de maneira contínua, ponto a ponto.

O computador analógico opera diretamente com os números e utiliza no seu funcionamento a analogia entre os valores tomados no momento em que há uma variação no processo que esta controlando e certas grandezas físicas (variáveis), como tensões e correntes elétricas, distância, rotação de um eixo, etc.

SMITH, Ralph J. (1975)10, classifica os computadores analógicos de três tipos: Mecânicos, Eletromecânicos e Eletrônicos.

A régua de cálculo é um dos mais antigos computadores analógicos. Essencialmente, é um dispositivo para adição de comprimentos análogos a logaritmos; operações aritméticas básicas (adição, multiplicação, diferenciação e integração).

Os computadores digitais utilizam os números binários sob forma de sinais para processar números e símbolos. O sinal binário corresponde ao sinal de um parâmetro com apenas dois domínios de valores: 0 e 1.

Portanto, são constituídos de elementos que só podem assumir um dos dois estados possíveis, semelhante a um interruptor elétrico que esteja aberto, ou fechado. Uma das suas principais características é a capacidade de armazenar grandes quantidades de informações.

Nos dias atuais, quase só encontramos computadores digitais. Há, entretanto, os que têm as propriedades das duas categorias: são os computadores híbridos .

Os aspectos mais notáveis do computador são: a capacidade de memória; a velocidade de atuação; a execução de certas tarefas mentais mais rápidas e perfeitas que o homem; substituir o homem no controle de certos processos industriais cujas tarefas físicas são enfadonhas, repetitivas e até perigosas; a sua produção ser constante e previsível; poder controlar grande variedade de tarefas, sem “adoecer ou cansar”; e serem poucos os seus erros.

Por ser um instrumento destinado a fazer cálculos, a origem do computador liga-se a um instrumento muito antigo dos países asiáticos, chamado ábaco , ainda hoje muito usado para efetuar cálculos matemáticos.

10 Smith, Ralph J. Circuitos, Dispositivos e Sistemas – Curso de Introdução a Engenharia Elétrica. v. 2 . Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S. A. 1975. p.702

58

O ábaco surgiu na China por volta do ano 3000 a C., e foi um dos primeiros instrumentos criados para auxiliar o homem a melhorar a sua velocidade de cálculos. A palavra ábaco vem do grego abax , que significa “tábua de cálculo”. Ele representa os números em unidades, dezenas, centenas e milhares através de contas ou pedras.

Fig.1.79 - Valores das contas do Ábaco

chinês

As contas coloridas de cada ábaco formam o total da conta á sua direita e elas valem:

• abaixo da barra (verde) e da direita para a esquerda:1; 10; 100; 1.000; ...

• acima da barra: 5, 50, 500, 5.000, ...

Para registrar um número, deslocam-se as contas para junto da barra. Observe os exemplos.

C o n t a n d o :

N ú m e r o d o i s

N ú m e r o s e t e

N ú m e r o v i n t e e s e t e

No período que vai desde a Idade Antiga até o final da Idade Média , nada se pode afirmar da existência de outro dispositivo para auxiliar o homem a calcular.

Essa falta de informação está relacionada com as guerras desse período, que destruíram as bibliotecas existentes, e com a monopolização do conhecimento por parte da Igreja, a qual salvou e divulgou as de seu interesse.

Fig.1.80 - Tabela de multiplicação de John Napier

Por volta de 1600, John Napier desenvolveu uma tabela para fazer a operação de multiplicação, mostrada em parte, na figura ao lado.

Em 1642, Blaiser Pascal , tendo apenas 18 anos de idade, inventou sua máquina de calcular, que servia apenas para somar e subtrair.

A Pascaline era mecânica, usava engrenagem; portanto era vagarosa e não apresentava nenhuma vantagem se comparada com o cálculo manual.

59

AUT

Fig.1.81 - Máquina de calcular de Blaiser Pascal – Pascaline

Meio século de-pois, o matemático ale-mão Gottfried Wilhelm Von Leibniz criou uma máquina de calcular capaz de desenvolver as quatro operações básicas (somar, subtrair, multipli-car e dividir).

Fig.1.82 - Máquina de calcular de Leibniz

Em 1822, o inglês Charles Babbage , contando com o apoio do governo britânico, deu início ao projeto de uma calculadora, denominada de máquina diferencial . À medida que ia avançando, Babbage idealizava novos sistemas, que inutilizavam os anteriores. Após cinco anos, o projeto foi abandonado sem ter sido concluído.

Não desistindo de suas idéias, idealizou novo projeto denominado máquina analítica, que seria capaz de realizar qualquer operação matemática. Babbage, não podendo contar com a ajuda do governo, recorreu a Ada Augusta , filha do poeta Lord Byron.

Fig.1.83 - Máquina de cálculo diferencial de Babbage

Ada era matemática amadora, mas acabou escrevendo as instruções para a máquina analítica, a qual pode ser considerada a primeira máquina programável e Ada, a primeira

60

programadora de que se tem notícia. Devido à grande complexidade do sistema, o projeto foi esquecido.

Por volta de 1938, o norte-americano Herman Hollerith inventou uma máquina para acumular e classificar informações. Essa máquina foi usada para o censo americano de 1890, levando dois anos para ser apurado, em oposição ao de 1880, que tinha levado sete anos e meio. O invento de Hollerith foi aperfeiçoado e comercializado, tendo sua empresa prosperado e mais tarde se transformado na famosa IBM (International Business Machines).

Nesta mesma época Wilhelm Schickard criou uma máquina de calcular capaz de desenvolver as quatros operações básicas (somar, subtrair, multiplicar e dividir) e demonstrou que circuitos de interruptores eletrônicos eram capazes de expressar relações lógicas.

Durante a II Guerra Mundial, a Marinha norte-americana , o matemático Howard Aiken, da Universidade de Harvard, e a IBM desenvolveram o MARK I , um computador eletromecânico que era capaz de multiplicar números de dez dígitos em 3 segundos.

Esse equipamento era composto de 3.304 relés eletromecânicos e dispunha de 72 palavras com 23 dígitos decimais cada uma e um tempo médio de 6 segundos para executar uma instrução, além de entrada e saída através de fita de papel perfurada.

Em 1943, uma equipe Universidade da Pensilvânia, formado pelo engenheiro John Mauchley, seu aluno de pós graduação J. Presper Eckert e John Von Neumann, apresentaram ao Exército americano um projeto para construção de um computador, utilizando válvulas eletrônicas em vez dos relés eletromecânicos, destinado a efetuar cálculos para serem utilizados na frente de combate. Essa máquina recebeu o nome de ENIAC (Eletronic Numéric Integrator and Computer). Em 1944, Von Neumann, propôs uma arquitetura lógica na qual os programas ficassem internos à máquina, contribuindo assim para o sucesso do projeto.

O ENIAC deu origem à primeira geração de computadores. Possuía 18.000 válvulas eletrônicas, 1.500 relés e 800 quilômetros de fio, pesava 30 toneladas e consumia 140 KW. Compunha-se de uma arquitetura com 20 registradores, cada uma capaz de conter números digitais de até dez dígitos, sendo capaz de realizar 100.000 operações aritméticas por segundo. A programação era elaborada por meio de chaves com múltiplas posições e soquetes que eram conectados por cabos.

O projeto do ENIAC somente foi concluído em 1946, e, por isso, não pôde ser utilizado nas operações militares da II Guerra Mundial.

Em 1949, um pesquisador da Universidade de Cambridge, na Inglaterra, Maurice Wilkes , construiu o EDSAC, considerado o primeiro computador eletrônico a funcionar com um programa registrado . As instruções do programa foram inseridas no equipamento, tal quais os dados a serem processados, isto é, eram sinais elétricos armazenados numa parte que tomou o nome de “memória ”.

Em 1951, foi criada a empresa UNIVAC, que construiu o primeiro computador que processava tanto dados numéricos quanto alfabéticos, denominado de UNIVAC I (Universal Automatic Computer). Foi, também, o primeiro computador a ser usado em escala comercial. Anos mais tarde, a UNIVAC uniu-se à Burroughs , para formar a atual UNISYS.

Com a invenção do transistor (1955) foi possível a redução do tamanho dos circuitos eletrônicos digitais, permitindo que fossem construídos computadores de menor tamanho sob o

61

AUT

ponto de vista físico, então foram fabricados: os IBM 7090, IBM 7094 e IBM 1401, o DEC PDP-1, o DEC PDP-8, que utilizava a tecnologia de “barramento unificado ” para interligar os componentes internos do computador.

Na década de 60, a CDC lançou o Cyber 6600 , com um recurso denominado “paralelismo ”, que o tornou o mais rápido computador da época. A empresa Burrough s preocupou-se mais com o software e construiu o B5000, que executava programas codificados em Algo 60 , linguagem precursora da Pascal , quebrando o paradigma da época.

Surgiram então duas classes de computadores: os comerciais e os científicos e também uma série de problemas para as grandes empresas que eram obrigadas, pelas suas características de trabalho, a utilizarem os dois tipos que eram totalmente incompatíveis

No ano de 1965, utilizando a tecnologia de circuitos integrados (CI), a IBM lançou uma nova linha de computadores com arquitetura capaz de abranger soluções tanto para problemas comerciais quanto para problemas científicos, ficando conhecida como Família/360 (30, 40, 50, 65, 75 e 95).

Dessa data em diante conforme vão evoluindo os processadores, também se desenvolvem as linguagem de programação, os softwares e conseqüentemente os computadores. Alguns estudiosos divide os computadores em gerações:

a) Primeira geração - Os computadores eram muito grandes, com válvulas eletrônicas, de difícil manutenção e enorme consumo de energia, obrigando a instalação de custosos sistemas de refrigeração.

b) Segunda geração - As válvulas eletrônicas foram substituídas por transistores. Por isso, obteve-se uma considerável redução no tamanho e aumento da velocidade de processamento.

c) Terceira geração - O aparecimento de placas que acomodavam as peças eletrônicas, de modo a reduzir o número de fios e os problemas causados pelo agregamento desorganizado dos transistores.

d) Quarta geração - A quarta geração foi marcada pelo uso de circuitos integrados, trazendo vantagens como uma nova miniaturização dos equipamentos, aliada a uma maior velocidade de processamento.

EVOLUÇÃO �� 1° ESTÁGIO 1945 - 1970

2° ESTÁGIO 1955 – 1980

3° ESTÁGIO 1970 - 1990

4° ESTÁGIO 1975 - .....

ÁREAS DE USO Científica Gerencial Social Individual

OBJETIVO Defesa nacional e exploração espacial

Produto Nacional Bruto (PNB)

Bem-estar Nacional Bruto (BNB)

Satisfação Nacional Bruta (SNB)

VALORES Prestígio nacional Crescimento econômico

Bem-estar social Auto-realização

SUJEITO Nação Organização Público Indivíduo

OBJETO DE USO Natureza Organização Sociedade Ser humano

BASE CIENTÍFICA Ciências naturais Ciências administra-tivas

Ciências sociais Ciências comporta-mentais

OBJETO DA INFORMAÇÃO

Alcance de metas cientificas

Busca de eficiência empresarial

Solução de problemas sociais

Criação intelectual

Tabela – Estágio de desenvolvimento dos computadores

62

Existem vários parâmetros para definir os tipos de computadores. Tomando como referencial o “porte ”, podemos dizer que até o fim dos anos 90 existiam:

a) Mainframes são computadores de grande porte, alguns dos quais ocupam prédios inteiros. São utilizados pelas grandes empresas, no gerenciamento de sistema de controle, sistemas bancários, controle de vôos espaciais, previsão do tempo, etc.. São também chamados de supercomputadores, mas o seu tamanho, a cada dia que passa, vai diminuindo.

b) Workstation são computadores mais poderosos e mais caros que os PCs. Geralmente trabalham com sistemas operacionais especiais, tais como, Unix e Windows NT. São utilizados, por exemplo, em sistemas hospitalares e bancários, que requerem alta confiabilidade. Outra aplicação é na computação gráfica, para criar animações para vinhetas de televisão.

c) Microcomputadores ou PC: o primeiro foi lançado em 1981, desenvolvido pela IBM para atender a empresas que não necessitavam de mainframes ou workstation. A IBM utilizou componentes que podiam ser encontrados com facilidade no mercado e, não apostando no seu sucesso, liberou o uso da arquitetura PC para outros fabricantes. Com isso muitos passaram a produzir computadores compatíveis com IBM PC original. Hoje, é o mais popular dos computadores; nos dias atuais, está se tornando um eletrodoméstico comum. Há diversos fabricante com marcas de renomes, e outros sem marca. É possível você mesmo montar o seu PC. O que caracteriza esse tipo de computador é a sua configuração.

d) Macintosh é fabricado pela Apple. Constitui-se de uma família de microcomputadores com diversas configurações. Durante anos, os Macs dominaram o mercado de estações gráficas, principalmente na editoração eletrônica e multimídia. Há programas especiais para trabalhar com esse tipo de computador.

e) Notebook são modernos computadores portáteis que reproduzem todos os aspectos do funcionamento dos modelos de mesa. Pode-se trabalhar com eles em qualquer lugar, pois são alimentados por baterias que suportam horas de trabalho. Da mesma forma que os PCs ou os Macintoshs, o que determina sua aplicação é sua configuração. Os primeiros computadores portáteis, em média maiores que os atuais notebook, eram chamados de Laptops. Há uma outra variedade dos notebook, denominadas de Palmbook.

Fechando o nosso passeio pela evolução industrial a seguir, faz-se um resumo dos fatos mais interessantes sobre o desenvolvimento da energia motora e o desenvolvimento da informação ou como queira, da informática , com relação ao avanço tecnológico, à difusão de máquinas e sistemas, ao desenvolvimento industrial e ao desenvolvimento social.

Nota-se que, nos últimos tempos, a evolução tecnológica tem sido mais aplicada no processamento da informação, ou melhor, nos meios de comunicação utilizando-se da informática.

DESENVOLVIMENTO DA ENERGIA MOTORA DESENVOLVIMENTO DA INFORMÁTICA

1. Com relação ao avanço da tecnologia:

(229 ANOS)

� Máquina de Newcome (1708)

� Máquina de James Watt (1775)

� Ferrovia (1829)

(36 ANOS)

� Computador da 1ª geração (1946)



63

AUT

� Automóvel FORD (1909)

� Avião a Jato (1937)

� Microprocessador (1973)


2. Com relação à difusão de máquinas e sistemas:

� 1.500 Máquinas a vapor, de 1708 a 1800 (92 Anos)

� 1.000 Máquinas industriais de fiar, de 1784 a 1833 (49 Anos)

� 30 mil Computadores de 1946 a 1966 (20 Anos)

3. Com relação ao desenvolvimento industrial:

� Construção da Ferrovia Transcontinental Americana, de 1828 a 1859 (41 Anos)

� Estabelecimento das Indústrias de Manufa-tura, de 1708 a 1909 (201 Anos)

� Processamento de dados para Gestão de Empresas, de 1946 a 1955 (9 anos)

� Formação da Rede Nacional de Informação Americana, de 1965 a 1972 (7 Anos)

� Estabelecimento das indústrias de Informação, de 1946 a 1990 (44 Anos)

4. Com relação ao desenvolvimento social:

� Sociedade de consumo, de 1708 a 1930 (222 anos)

� Sociedade do conhecimento, de 1946 a 2010 ? (64 anos)

A evolução da tecnologia de controle da produção industrial pode ser dividida em três estágios, a saber:

� 1º estágio - MECANIZAÇÃO SIMPLES seria aquele em que dispositivos mecânicos simples, tais como a alavanca, roldanas, etc. Auxiliam o ser humano em seu esforço físico pela multiplicação de esforços;

� 2º estágio – MECANIZAÇÃO PROPRIAMENTE DITA é a substituição do esforço físico do ser humano pela máquina, permanecendo os comandos a cargo do ser humano;

� 3º estágio – AUTOMAÇÃO é aquele em que o esforço físico e alguns esforços mentais do ser humano são substituídos pela máquina. A tomada (anotações) de dados, a análise, decisão e ação são executadas pela máquina, dispensando a presença do ser humano.

1.10 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 1

ATENÇÃO! Agora chegou aquele momento importante par a consolidar o conhecimento estudado, é hora de você avaliar o que estudou. Primeiro tente responder sem fazer nenhuma consulta ao livro. Depo is, então releia os textos, sobre as questões que teve dúvida em responder.

1) Quais são os elementos de controle automático, observados na figura 1.1?

2) Conceitue automação na concepção contemporânea.

64

3) Cite três instrumentos ou equipamentos simples desenvolvidos na Antiguidade que facilitou (automatizou) uma ação de trabalho.

4) Em função da expansão ultramarina a procura por produto manufaturado foi intensificada, provocando uma mudança na organização da produção. Quais foram as mudanças ocorridas que ajudaram a acelerar a produção?

5) Explique a estratégia de controle por realimentação.

6) Quais são as faixas de transmissão de sinal definida no protocolo de comunicação para energia elétrica e energia pneumática ?

7) Nas afirmações abaixo, corrija as que são FALSAS.

7.1 - A técnica de reprodução “automática” de gravuras, papelão perfurados, criadas pelo francês Basile Bouchon é semelhante à linguagem de programação aplicada nas máquinas de controle numérico.

7.2 - Funções da gerência rudimentar tais como: ordenação das operações, escalonamento das prioridades e atribuições de funções contribuíram para o desenvolvimento da produção automatizada.

65

AUT

7.3 - A máquina alternativa a vapor foi o elemento propulsor da chamada primeira revolução industrial, desencadeada na França no século XVIII.

7.4 - O funcionamento do sinfão empregado no Egito Antigo foi estudado por Herão e Filon.

7.5 - Galileu (1638), Torricelli (1644) e Blaise Pascal em seus estudos desenvolveram as teorias referentes aos líquidos e a massa de ar.

8) O cargueiro “KINKASAN MARU ”, terminado em 1961 pelo estaleiro “Mitsui Shipbuilding and Engineering Co .”, para a “Mitsui Steamship Co ,” foi o marco inicial da aplicação do controle automático nos navios mercantes que, mesmo sendo um navio semi-automatizado, possuía um sistema extensivo de controle remoto centralizados e controle automatizados. Relacione cinco ações de controle implementadas

9) Nos estudos efetuados em 1965 por peritos japoneses sobre a automatização de um navio para operar com praça de máquinas periodicamente desguarnecidas, foram relacionadas diversas características de segurança que o mesmo deveria possuir. Cite cinco dessas características.

10) Diferencie computador analógico de computador digital.

66

UNIDADE 2

22 FUNDAMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO

Fig. 2.1 - Estrutura do PROFIBUS

Fig. 2.2 - Estrutura FIELDBUS da Empresa SMAR

67

AUT

2.1 ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL


- Conhecer os elementos empregados na automação de pr ocessos industriais;

- Compreender o significado dos termos técnicos empre gados na automação de processos industriais;

- Entender os fundamentos técnicos da automação indus trial;

Os sistemas de controle automático (automação) aplicado à produção industrial, ao longo de seu desenvolvimento, tem sido alvo de grandes polêmicas, quanto à definição ou classificação mais adequada tendo em vista a sua evolução.

No intuito de propiciar um melhor entendimento vamos analisar os conceitos e as definições mais conhecidas assim como os termos técnicos mais empregados. Fizemos a opção de iniciar pela definição dos principais elementos da automação, por acreditar que é de suma importância o seu aprendizado pelas pessoas envolvidas com esse ramo da engenharia, para que tenha pleno conhecimento dos termos técnicos empregados a fim de denominá-los, assim como defini-los, visto que facilitará o entendimento dos conceitos que serão citados, assim como, os outros assuntos que serão estudados mais adiante.

Os termos técnicos nomeiam os elementos do controle automático (automação) e visam padronizar a linguagem para evitar que se faça interpretações dúbias ou cometa-se erros e contradições. No Brasil o documento legal é o Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Me trologia , aprovado pela Portaria n.° 29, de 10 de março de 1995, do Preside nte do Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial – INMETRO.

Fig. 2.3 - Elementos do controle automático e os símbolos gráficos da norma ISA S5.1 para

representação de uma malha de controle em diagrama P&I.

Os elementos que compõem os sistemas de controle automático são divididos em três grupos: elementos primários ; elementos secundários e elementos finais de controle.

68

Quais são os elementos que compõem esses grupos?

A figura 2.3 ilustra esses elementos de acordo com o termo técnico que é denominado.

Há uma grande variedade de elementos empregados na automação e a cada dia outros vão surgindo. A seguir vamos citar e definir os mais comuns, especificamente aqueles que vamos empregar em nosso estudo. Alguns deles citaremos também a denominação na língua inglesa, pois é muito comum no dia-a-dia dos técnicos de automação empregá-los.

1. Processo (controlled system) - Trata-se de um determinado sistema industrial (planta), que possui um comportamento dinâmico, sobre o qual atuamos a fim de obtermos o controle de uma determinada variável ou produto. Um processo (sistema controlado) denota uma operação ou uma série de operações sobre materiais sólidos ou fluidos, na (s) qual (is) busca-se conseguir que estes materiais mantenham-se em um estado de utilização adequado a uma qualidade pré estabelecida. Exemplo: Água de alimentação de uma caldeira, sistema de óleo lubrificante de um motor Diesel, etc.

2. Elementos primários são dispositivos com os quais consegue-se detectar (medir) alterações nas variáveis do processo. Exemplo: sensores de pressão, indicadores de temperatura etc.

3. Elementos secundários são dispositivos que recebem e tratam o sinal do elemento primário. Exemplo: transmissores, controladores etc.

4. Elemento final de controle (final control element) - É quem atua na variável manipulada em função de um sinal de comando/controle recebido. Normalmente é uma válvula.

5. diagrama de bloco - Utilizado para dar uma melhor visualização da interdependência dos diversos órgãos que compõem o sistema, evidenciado as diferentes entradas e saídas das malhas de ação e de realimentação, tornando-as compreensivas. Ver figuras 2.4 e 2.5.

Fig. 2.4 - Diagrama de blocos com os elementos da automação

Os blocos, não tem apenas uma função ilustrativa, constituem um método eficaz para o estudo de sistemas complexos. Cada bloco tem uma tradução matemática das funções , podendo-se mesmo estabelecer operações entre eles e, nas malhas globais que os integram. Mais adiante vamos aplicá-lo no estudo das funções de transferência e na análise de alguns sistemas de controle automático.

69

AUT

Fig. 2.5 - Diagrama de blocos do regulador de velocidade

de James Watt

Exemplo : a figura ao lado ilustra o funcionamento do regulador de velocidade das máquinas alternativas a vapor inventado por James Watt.

6. Malha de controle é a combinação de instrumentos interligados para medir e/ou controlar uma variável.

7. Variável manipulada (manipulated variable) - É o agente físico que recebe a ação do controlador e altera o meio controlado. Por exemplo numa caldeira é a vazão de água de alimentação.

8. Variável controlada (controlled variable) - É o agente físico (variável) que se deve manter em um valor desejado. Exemplo: no controle de uma caldeira pode ser o nível de água do tubulão, a pressão de vapor, ou a combustão.

9. Variável secundária - é o agente físico (variável) mais próximo da variável controlada e que de forma instantânea interfere na mesma. No caso do controle de uma caldeira é a vazão de vapor produzida.

10. Variável de entrada ( command variable ) - É o valor emitido pelo elemento de ajuste do setpoint para o comparador.

11. Valor de referência ( set-point ) - Como o nome diz, é o valor o qual pretende-se manter a variável controlada. Também chamado de valor desejado.

12. Meio controlado – é a energia ou material do processo no qual a variável é controlada. Exemplo: no sistema de água de alimentação de uma caldeira é a água; no sistema de óleo lubrificante de um motor Diesel é o óleo lubrificante.

13. Agente de controle – É o elemento que altera o meio controlado, é a energia ou material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica. Exemplo: em um trocador de calor a vapor o agente de controle é o vapor, pois a variável manipulada é o vapor e no controle de uma caldeira é a água de alimentação.

14. Perturbação (Distúrbio) - É um sinal indesejável, pois tende a desestabilizar o sistema e, conseqüentemente, alterar o valor da variável comandada.

15. Sensor - É o instrumento que detecta o valor da variável que deve ser controlada. A informação mensurada é enviada ao comparador do controlador. O sinal emitido, as vezes, precisa ser amplificado ou convertido (transcodificado).

16. Conversor (converter) - Tem a função de converter o sinal recebido. Podem converter sinal elétrico em pneumático; elétrico em hidráulico; analógico em digital e vice-versa. Normalmente são instalados entre o sensor e o comparador, ou entre o controlador e o elemento final de controle.

17. Comparador - Sua função é comparar o valor medido com o valor desejado, gerando um

70

sinal de erro, cuja amplitude é proporcional à diferença algébrica entre o sinal de referência (setpoint ) e o sinal de realimentação (feedback ).

18. Controlador (controller )- Sua função é gerar um sinal de controle, o qual irá posicionar o elemento final de controle, afim de manter a variável controlada dentro do valor desejado. Este sinal varia de amplitude em função do sinal de erro enviado pelo comparador. É desejado que esta ação do controlador seja feita no menor tempo possível.

19. Transmissor (transmitter ) – dispositivo que detecta uma variável de processo por meio de um elemento primário e que tem um sinal de saída cujo valor é proporcional ao valor da variável controlada.

20. Amplificador de sinal - Tem a função de amplificar o sinal do sensor ou do controlador, quando esse é muito baixo, garantido uma informação precisa. Podem ser pneumáticos (bico palheta), elétricos e eletrônicos.

21. Sinal de controle (negative deviation) - É o valor resultante da equação algébrica entre o valor desejado e o valor da variável controlada medido. Também denominado sinal de erro.

22. Atuador ( actuator) - É à parte do elemento final de controle, que recebe o sinal de acionamento do transdutor ou do conversor. Pode ser pneumático ou elétrico.

2.2 NORMAS TÉCNICAS


- Conhecer as normas técnicas aplicadas à automação i ndustrial;

- discorrer sobre os padrões de comunicação aplicados a automação;

As Normas Técnicas aplicadas à automação industrial definem os símbolos gráficos e codificações alfanumérica s que identificam os instrumentos ou funções programadas, utilizadas nos diagramas P&I de malhas de controle dos projetos e os termos técnicos empregados. O objetivo é facilitar o entendimento dos diagramas e malhas de instrumentação e, viabilizar a comunicação entre usuários, projetistas e fornecedores.

No mundo existem diversas instituições de renome que ditam as normas técnicas aplicadas à automação. Entre elas temos:

• ISA (Iternational Society for Measurement and Control ) antigamente denominada de Instrument Society of America.

• SAMA - Scientific Apparatus Makers Association

• ISO – Organização Internacional de Normalização.

• DIN – Deustches Institut für Normung

• IEC – International Eletrotechnical Comientten (Comissão Internacional de Eletrotécnica).

• FF – Foundation Fieldbus. Essa quantidade de instituições e a não observância da legislação nacional, por parte

dos que editam as literaturas sobre automação, provocaram nos últimos anos confusões e dúvidas nas definições dos termos técnicos. Como exemplo pode-se citar a palavra “variável ” utilizada, na maioria dos livros e revistas, para definir as grandezas a serem medidas no

71

AUT

processo, a qual, pelo documento legal do INMETRO, deveria ser designada de “grandeza ” e/ou “mensurando ”. Com base nas normas da ABNT o INMETRO elabora manuais de terminologia técnica.

No Brasil a Associação Brasileira de Normas Técnicas , procura acompanhar as normas internacionais mais aceitas por fabricantes e usuários.

Para classificação do grau de automação da praça de máquinas dos navios brasileiros, a Diretoria de Portos e Costa aplica as Normas da Autoridade Marítima para Embarcações Empregada na Navegação de Mar Aberto (NORMAM 01), especificamente o Anexo 1-C (Diretrizes Específicas para Elaboração dos CTS), Item 4, Notação para Grau de Automação (NGAPM) do sistema de máquinas para navios.

A Norma mais utilizada na área de automação é a estabelecida pela ISA, definida como Norma S5.1. Esta também é a adotada pela ABNT - NRB-8190 outubro/1983. No entanto, existem outras associações que adotam normas diferentes:

A SAMA adota a Norma RC-22 (Fuctional Diagramming of Instrument and Control Systems – Analog and Digital Systems) para instrumentação aplicada à caldeira.

2.2.1 Norma Técnica S5.1 da ISA

Essa Norma Técnica estabelece que para representar os instrumentos ou função programada em um diagrama P&I de malha de controle deve ser empregado como símbolos um conjunto de letras e um conjunto de algarismos definidos conforme a tabela a seguir.

1 º G R U P O D E L E T R A S 2 º G R U P O D E L E T R A S

V A R I Á V E L M E D I D A F U N Ç Ã O

Letr

a

1ª Letra Modificadora Passiva ou de Informação

Ativa ou de Saída

Modificadora

A Análise Alarme B Chama C Condutividade elétrica Controlador D Densidade Diferencial E Tensão Sensor F Vazão Razão G Escolha do usuário Visão direta H Manual Alto I Corrente elétrica Indicador J Potência Varredura, Seleção

manual

K Temporização Taxa variação com o tempo

Estação de controle

L Nível Lâmpada piloto Baixo M Umidade Instantâneo Médio, Intermédio

N / O Escolha do usuário Orifício de restrição P Pressão Conexão para teste Q Quantidade Integração,

Totalização

R Radiação Registrador S Velocidade,

Freqüência Segurança Chave

T Temperatura Transmissor U Multivariável Multifunção Válvula, Damper V Vibração, Análise

mecânica

72

W Peso, Força Poço ponta de prova X Não classificada Eixo dos X Não classificada Não classificada Não classificada. Y Estado, Presença,

Seqüência de eventos Eixo dos Y Relé, Conversor

Solenóide

Z Posição, Dimensão Eixo dos Z Acionador, Atuador, Elemento final de controle.

TABELA da Norma ISA S5.1 e SAMA de identificação das letras em malha de controle

A primeira letra do conjunto de letras indica a variável controlada e as letras subseqüentes indicam a função que o instrumento desempenha na malha de controle.

O primeiro algarismo indica a área/fábrica e o segundo indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo.

Outras observações sobre essa Norma:

a) Uma letra tipo “escolha do usuário ” é utilizada para cobrir significados não listados e que serão utilizados de maneira repetitiva em um projeto particular. O significado da letra deve ser definido na legenda.

b) a letra “A” cobre todos os tipos de analisadores. Recomenda-se que o tipo de análise realizado pelo instrumento seja definido fora do círculo de identificação.

c) a função passiva “G” aplica-se a instrumentos ou dispositivos que fornecem uma indicação visual não calibrada, como os visores de vidro e monitores de TV.

d) no caso de diagramas P&I, se necessário, as funções associadas com o uso da letra subseqüente “Y” são definidas fora do circulo de identificação.

e) os termos modificadores “alto ”, “baixo ”, “médio ” ou “intermediário ” correspondem a valores das variáveis medidas, e não aos valores dos sinais correspondentes, a não ser que seja indicado de outra forma.

f) os termos modificadores “alto ”, “baixo ”, quando aplicados a posições de válvulas e outros dispositivos abre-fecha (on-off), são definidos como se segue: I - “alto ” denota que a válvula está na posição completamente aberta ou se aproxima

desta, e II - “baixo ” mostra que ela está na posição totalmente fechada ou se aproxima desta.

g) o termo “registrador ” aplica-se a qualquer forma de armazenamento permanente de informações que permite recuperação por quaisquer meios;

h) a primeira letra “V” (vibração ou análise mecânica) desempenha o mesmo papel em monitoração de máquinas que a letra “A” desempenha em análise de maneira geral.

i) exceto para a variável vibração, espera-se que as demais variáveis de análise mecânica sejam definidas fora do círculo de identificação.

A identificação funcional de um instrumento tem a seguinte seqüência:

1. A função programada é a primeira letra selecionada de acordo com a especificação da tabela anterior;

2. as letras de funções passivas ou de informação devem seguir em qualquer ordem;

3. as letras de funções ativas ou de saída seguem-nas também em qualquer ordem, com exceção da letra de função de saída “C” (controle ), que deve preceder a letra “V” (válvula ), quando ambas coexistirem.

4. se forem utilizadas letras modificadoras, estas deverão ser interpostas de forma que fiquem posicionadas seguindo imediatamente as letras que elas modificam;

73

AUT

5. para instrumentos de função programada como é o caso do CLP é desenhado um hexágono envolvendo uma circunferência, conforme é mostrado na figura 2.3;

6. a numeração da malha pode ser feita de forma paralela ou serial. Usualmente na indústria, utiliza-se numeração paralela. O número total dentro de um grupo não deve exceder de quatro; e

7. todas as letras de identificação funcional deverão ser letras maiúsculas.

Exemplo: A tabela a seguir mostra o instrumento TRC-21002A, identificado de acordo com a Norma ISA S 5.1.

T RC - 2 10 0 2 A VARIÁVEL ( controlada

ou medida) FUNÇÃO (registrador

controlador) ÁREA DE ATIVIDADE

(planta ou fábrica) N.º SEQUENCIAL

DA MALHA

IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL IDENTIFICAÇÃO DA MALHA

SUFIX0

onde:

T = Variável medida : TEMPERATURA;

R = Função passiva ou de informação: REGISTRADOR;

C = Função ativa ou de saída: CONTROLADOR;

2 10 = Área de atividade ou fábrica, onde o instrumento ou função programada atua;

0 2 = Número seqüencial da malha;

A = Sufixo.

A figura a seguir mostra a simbologia adotada em automação para representar os elementos em um diagrama de malha de controle.

SÍMBOLO FUNÇÃO SÍMBOLO FUNÇÃO

SOMA

MULTIPLICAÇÃO

MÉDIA

DIVISÃO

SUBTRAÇÃO

EXTRAÇÃO DE RAIZ QUADRADA

PROPORCIONAL

EXTRAÇÃO DE RAIZ

INTEGRAL

EXPONENCIAÇÃO

DERIVATIVO

FUNÇÃO NÃO LINEAR

SELETOR DE SINAL ALTO

LIMITE SUPERIOR

SELETOR DE SINAL BAIXO

LIMITE INFERIOR

POLARIZAÇÃO

LIMITADOR DE SINAL

FUNÇÃO TEMPO

CONVERSÃO DE SINAL

Fig. 2.6 - Símbolos e funções de processamento de sinais (ISA E SAMA).

A norma ISA também considera que, quando da elaboração de um diagrama P&I de controle, a identificação do instrumento será escrita dentro do símbolo geral e que, em casos

74

específicos, sua função será detalhada pelo acréscimo de um símbolo de processamento de sinal ao seu símbolo geral.

SÍMBOLO FUNÇÃO SÍMBOLO FUNÇÃO

Símbolo geral para os elementos primários de vazão. Podem ser utilizadas as palavras laminar e turbulento.

Placa de orifício com tomada no flange ou canto, conectadas a um transmissor indicador de pressão diferencial

Elemento primário de vazão com transmissor incorporado. (vazão mássica, etc.)

Indicador de vazão de área variável, tipo rotâmetro.

Tubo Venturi.

Medidor de vazão tipo “bocal”

Indicador, totalizador de vazão, tipo deslocamento positivo.

Elemento primário de vazão tipo turbina.

Fig. 2.7 - Símbolos de elementos primários de vazão

2.2.2 Padrões de Comunicações

Os primeiros instrumentos de medição empregados nas instalações industriais e nos navios para medir o valor das variáveis do processo, indicavam, no próprio local onde a medição era feita, o valor mensurado (medido). Cabendo ao operador de serviço, no caso dos navios ao responsável pelo quarto de serviço, percorrer a planta verificando os valores indicados nos instrumentos e se necessário atuar para corrigir distorções.

Como já estudado, este modelo de controle era denominado de “distribuído ”. Com a evolução tecnológica foi possível transmitir o valor mensurado para uma sala de controle em local distante da planta do processo. Esse procedimento ficou definido como telemetria.

Telemetria é a tecnologia que permite a centralização dos instrumentos indicadores, registradores, controladores, etc. em uma sala de controle (CCM).

Ela, consiste na medição de uma variável no campo onde ela ocorre e da transmissão do valor medido, através de algum tipo de sinal, até o instrumento ou equipamento receptor (console, computador) localizado a distância, normalmente dentro da sala de controle. De maneira análoga, os sinais de atuação no processo, de dentro da sala de controle, devem ser transmitidos até o campo, onde serão convertidos em atuação física capaz de modificar o valor da variável.

Nos dias atuais os sinais utilizados obedecem a normas específicas definidas como “protocolo de comunicação”

Vimos, no primeiro capítulo, que os padrões de comunicações, também denominados de protocolos de comunicação, empregados para os primeiros sistemas de controle eram de 3 a 15PSI para sinais pneumáticos, 4 a 20mA, para sinais elétricos e 1 a 5v para eletrônicos analógicos. Eles são representados nas plantas de controle automático em padrões definidos

75

AUT

por norma técnica. A figura a seguir nos indica os principais símbolos utilizados para representá-los em um diagrama de malha de controle.

Fig. 2.8 - Símbolos para representar os sinais de controle

Fig. 2.9 - Aplicação das normas técnicas na malha de controle da automatização pneumática do sistema de resfriamento do motor principal de um navio construído na década de 70

TAREFA! Tomando como referência a Norma técnica ISA -S5.1, descreva a ação de controle quando houver uma mudança de carga ou seja quando, por exemplo, for reduzida a rotação do motor para embar car o prático!

Com o advento da eletrônica digital surgiram os protocolos digitais de comunicação específicos para a automação eletrônica . Essas primeiras tecnologias de comunicação, foram desenvolvidas tendo por base os métodos empregados nos sistemas telefônicos e

76

telegráficos. Mas, nem por isso obedecem a padrões de qualidade universal, em sua maioria formados (formação de palavras) e protocolos (gramática) de linguagem evoluíram tão dispersos que muitas das vezes, se não existir um meio de interpretação, não são compatíveis nem entre equipamentos de um mesmo fornecedor.

Os mais recentes padrões de sinais de controle são:

� PROWAY, desenvolvido para sistemas “data highway ” pelo comitê técnico do IEC (International Electrotechnical Comission).

� Projeto 802 , desenvolvido pelo comitê de padronização LAN (Local Area Networks) do IEEE, para se empregado na descrição de acesso da informação transitando pela “highway” em sistemas que lidam com características mecânicas, elétricas e funcionais de uma linhas entre nodos de rede.

� TOP (Technical Office Protocol), proposto pela Boeging.

� FASOR , proposto por uma associação de usuários europeus.

� MAP, (Manufacturing Automation Protocol), proposto pela General Motors por volta de 1984.

� SP50, criado por um Comitê da ISA, em 1985, com objetivo de substituir o padrão de 4-20 mA por um padrão de sinal digital.

� Modelo de Referência OSI - Com a implantação de Sistemas Flexíveis de controle de processos a ISO (Internacional Standardization Organization) criou através o Comitê Técnico 97, o Sub-comitê SC 16 , com vistas a estabelecer um padrão de interconexão de Sistemas Abertos (OSI - Open Systems Interconnection) para a indústria de equipamentos de automação. Deste trabalho resultou a Norma ISO/TC97/SC 16 7498/1, denominada “Modelo de Referência OSI”.

“O Modelo de Referência OSI ”, se destina facilitar a comunicação entre os computadores, os equipamentos computadorizados e as redes de comunicação, assim como, propõe caminhos para organizar sua implementação. Os padrões OSI objetivam a descrição do comportamento externo do sistema, independentemente de sua construção interna. De uma forma simplista, OSI diz que o que deve ser transmitido pelo fio e quando deve ser, mas não como os equipamentos devem ser construídos para exibirem a ação ordenada, nem como cada aplicação particular deve ser implementada”11.

Este modelo permite que o protocolo de comunicação seja bastante flexível facilitando a comunicação entre equipamentos de diferentes fabricantes pois, estabelece uma arquitetura modular em sete níveis: Físico (Physical Layer), Enlace de Dados (Data Link Layer), Apresentação (Presentation Layer), Sessão (Sesson Layer:, Transporte (Transport Layer), Rede (Network Link Layer) e Aplicação (Aplication Layer). Cada nível deve ser independente e o modo para transmitir um sinal fisicamente pode mudar, porém, o caminho para interpretar esse sinal deve permanecer o mesmo.

Os níveis de 1 a 4 são chamados de “Serviço de Transferência ”, uma vez que são os responsáveis pela movimentação das mensagens de um ponto a outro. Os níveis 5 a 7 são conhecidos como “Segmento dos Utilizadores ”, porque estes dão ao

11 FRANCO, Lúcia Regina Horta Rodrigues, Modelos de Referência OSI e as Redes de Barramento de Campo, Revista INSTEC, Ano VIII, N° 82, outubro/94. McKla usen editora: São Paulo 1994

77

AUT

utilizador, acesso aos dados na rede. Para aplicação em tempo real os níveis de 3 a 6 não são considerados, por se tratar de dados entre redes. O grupo responsável pelas normas da ISA/SP50 definiu um oitavo nível, denominado de nível do usuário.

� Foundation FIELDBUS é um protocolo de comunicação digital bidirecional que permite a interligação em rede, com base no conceito físico elétrico de multiplexação, de equipamentos, instrumentos inteligentes instalados no campo, realizando funções de controle e monitoração de processos, e estações (IHMs), geralmente localizados na sala de controle, por meio de softwares supervisório. Essa tecnologia deve ser estudada com base em duas perspectivas: uma com relação a padronização e a outra a sua implementação .

O processo de normalização do FIELDBUS começou em 1985, quando as indústrias de tecnologias de automação aceitaram desenvolver sistemas de controle automático baseados no conceito de arquitetura aberta (padrão ISO/OSI), então o IEC criou o Comitê SC65C/W66 , com o objetivo de definir um protocolo mundial FIELDBUS, de forma a prover total interconectividade em sistemas abertos para todos usuários. No Brasil o Comitê 65.S , Barramento de Campo do COBEI representa a ABNT sobre o FIELDBUS.

A padronização do protocolo Foundation FIELDBUS foi construída tendo como base os pontos forte do sistema 4 a 20mA: larga compatibilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes, interfaces padrões para os sistemas de controle e equipamentos padrões de suporte.

O nível ou camada meio físico (Physical Layer) é definido segundo padrões internacionais (IEC, ISA). Ele recebe mensagens (sinais) da camada de comunicação (Communication Stack) e as converte em sinais físicos no meio de transmissão FIELDBUS e vice-versa, incluindo e removendo preâmbulos, delimitadores de começo e fim de mensagens.

O fabricante SMAR, ver figura 2.2, constrói o seu sistema FIELDBUS baseado na IEC61158-2 e suas característica principal são:

a) Transferência de dados digital, usando codificações Manchester, com taxa de 31.25kbit/s através de um barramento bidirecional ;

b) para um sinal de comunicação integro, cada equipamento deve ser alimentado com no mínimo 9 volts. O meio físico H1 permite que se alimente os equipamentos via barramento. O mesmo par de fios que alimenta o equipamento também fornece o sinal de comunicação;

c) comprimento máximo de 1900 metros sem repetidores;

d) usando-se até 4 repetidores, o comprimento máximo pode chegar a 10 K (Quilômetros);

e) um equipamento fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 2 ate 32 equipamentos em aplicação sem segurança intrínseca e alimentação externa à fiação de comunicação;

f) um equipamento fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 2 ate 4 equipamentos em aplicação com segurança intrínseca e sem alimentação externa;

g) um equipamento fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 1 ate 16 equipamentos em aplicação sem segurança intrínseca e sem alimentação externa;

Obs. Pode-se ligar mais equipamentos do que foi especificado, dependendo do consumo dos equipamentos, fonte de alimentação e características das barreiras de segurança intrínsecas;

78

h) não há interrupção do barramento com a conexão e desconexão de equipamentos enquanto estiver em operação: e

i) topologia em barramento, árvore ou estrela ou mista.

A transmissão do sinal em um equipamento FIELDBUS fornece 10mA a 31,25kbit/s em carga equivalente de 50 Ohms criando um sinal de tensão modulado em 1,0 Volt pico a pico. A fonte de alimentação pode fornecer de 9 a 32 VDC, porém em aplicações seguras (IS) deve atender os requisitos das barreiras de segurança intrínsecas.

� HART (Highway Addressable Remote Transducer) – desenvolvido segundo o modelo OSI em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil calibração, ajuste de range e damping de equipamentos analógicos. O HART permite a utilização de dois mestre sendo um no console de engenharia na sala de controle e o outro no campo, por exemplo um laptop ou um programador de mão. As suas principais características são:

a) Projeto simples, fácil operação e manutenção;

b) compatível com a instrumentação analógica;

c) sinal analógico e comunicação digital;

d) opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop;

e) flexível acesso de dados usando-se até dois mestres;

f) suporta equipamentos multivariáveis;

g) 500 ms de tempo de resposta (com até duas transações); e

h) totalmente aberto com vários fornecedores;

O protocolo HART opera segundo o padrão mestre-escravo , onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre.

� PROFIBUS (Process Field Bus ) – é um protocolo aberto que foi definido na Alemanha conforme Norma DIN 19245 e em março de 1996 foi incorporado no padrão EN50170 e EN50254, e apoiado por diversas empresas e Institutos no mundo é considerado o padrão europeu de fieldbus. É um sistema inteiramente digital permitindo taxa de comunicação de 1.200 bit/s a 500 kbit/s. O nível físico é baseado no padrão RS485, conectado a quatro fios e não possui solução para segurança intrínseca. Este padrão permite a existência de múltiplos mestres e baseia-se na circulação do token entre os mestres, que se comunicam com as estações quando de posse do mesmo. Em uma mesma planta industrial é comum encontrar diferentes exigências de comunicação dentro da aplicação. O PROFIBUS, ver figura 2.2, em sua arquitetura está dividido em três variantes, a saber:

1. PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery) – é a solução de comunicação a alta velocidade (high-speed) para a troca de dados entre estações mestre-escravo descentralizados, que também podemos denominar I/O remotos. É um dos mais utilizados nos navios mercantes. Permite a conexão de até 126 nós (escravos = dispositivos), separados por segmentos de no máximo 32 nós cada. Os dispositivos podem ser ilhas de válvulas, inversores de freqüência, single-loop ou mesmo I/O remotos. Considerando que a cada I/O remoto pode-se conectar dezenas de instrumentos (4..20ma, Hart, digitais) o número de instrumentos que pode ser conectado é ainda maior. Emprega o meio físico RS485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizado em controles com tempo crítico.

79

AUT

O protocolo PROFIBUS-DP é utilizado em substituição a sistemas convencionais a 4 a 20 mA ou HART ou em transmissão a 24 volts.

2. PROFIBUS-FMS (Field Message Specification) – é uma variante do protocolo PROFIBUS que oferece uma ampla seleção de funções, sendo ideal para troca de dados entre unidades, especialmente entre equipamentos inteligentes. Sua orientação à objeto torna a integração de diferentes equipamentos totalmente transparente. É um padrão de comunicação universal que pode ser empregado para resolver tarefas complexas de comunicação.

3. PROFIBUS-PA (Process Automation) – Define as regras para a aplicação na área e processos, permitindo a conexão de instrumentos segundo o meio físico padrão IEC1158-2. Suas principais características:

a) Taxa de comunicação a 31,25 kbits/s;

b) topologia com barramento, árvore/estrela e ponto-a-ponto;

c) alimentação via barramento ou externa;

d) segurança intrínseca possível;

e) número de equipamentos conectados: máximo 32 para área não classificada; 9 para área explosion Group IIC e 23 para área explosion Group IIB;

f) cabeamento máximo de 1900 metros, expansível a 10 Km com 4 repetidores;

g) máximo comprimento do spur é de 120 m/spur; e

h) sinal de comunicação em codificação Manchester, com modulação de corrente.

Os protocolos FIELDBUS , PROFIBUS e HART´S. São assuntos estudados em cursos avançados de automação.

2.3 TÉCNICAS DE CONTROLE DE PROCESSO


- Conhecer os tipos de controle de processo;

- Entender como as técnicas de controle do corpo huma no serviram para desenvolver a automação dos processos industriais; e

- Reconhecer as diversas técnicas de automação de pro cessos industriais.

2.3.1 Classificação dos Controles de Processos

Se você fizer uma comparação criteriosa, poderá perceber que diversas técnicas aplicadas aos sistemas de controle de processos industriais são semelhantes às praticadas pelos órgãos do corpo humano.

Alguns dos desenvolvimentos teóricos do controle automático tomaram por princípio o próprio ser humano. Com base nessa teoria, podemos dizer que o controle de processo pode ser: natural ou artificial .

80

Controle de Processo Natural são as operações que regulam algumas características físicas de suma importância para a vida humana , tais como a temperatura do corpo, a pressão sangüínea, a intensidade de luz na retina, o equilíbrio de líquidos no corpo, etc.

O processamento das informações no ser humano pode ser entendido por meio do Diagrama de blocos, da figura a seguir.

Explicação: as informações são captadas pelos elementos periféricos dos órgãos dos sentidos, em seguida são enviadas para o sistema nervoso central e periférico, que recebem e transmitem ao cérebro, que processa as informações e estabelece o produto final, o qual é levado aos músculos por meio dos nervos periféricos.

Fig. 2.10 - Diagrama de blocos do sistema de processamento de informação do ser humano

O Controle de Processo Artificial são operações que controlam alguns dos parâmetros físicos do meio em que o homem vive, ou de produtos que necessitam para manter as suas condições de vida.

Os processos industriais podem ser:

a) Processo industrial contínuo – assim é denominado quando a matéria-prima ao percorrer os equipamentos é submetida ao processo. Ou seja, há sempre um fluxo de massa. Exemplo Aquecimento de óleo combustível (HFO), que ao passar pelo aquecedor de óleo sai com a temperatura desejada (aquecido).

b) Processo industrial em batelada - Uma porção discreta da matéria-prima sofre todo o ciclo de processamento, desde o seu estado inicial até ser considerada produto acabado, quando então é substituída por outra, e o ciclo se repete.

Mais adiante veremos que os processos, tecnicamente, podem ser classificados como: mono-capacitivo, bi-capacitivo e multi-capacitivo.

Dentre as maneiras de controlar os processos industriais , temos o comando e o controle automático , que envolve diversas técnicas e modelos desenvolvidos por uma infinidade de fabricantes.

De acordo com as Associações de Normas Técnicas e uma grande maioria de profissionais da área de automação, é importante que você faça diferenças entre comando, controle , servomecanismo, automatização e automação . Para compreender o significado desses termos é necessário conhecer também, outros termos importantes do linguajar técnico de automação, que ainda não estudamos. Por tanto vamos conhecê-los.

81

AUT

2.3.2 Controle Manual

Antes de entrarmos no estudo das técnicas de controles artificiais, vamos entender como é definido e quais as características principais do controle manual.

O controle manual é realizado por meio da intervenção humana. Portanto exige a presença de um operador , que com o conhecimento de algumas regras opera algum equipamento de controle, como válvula, alavanca, chave elétrica, etc., o qual por sua vez produz alterações na variável física que esta sendo controlada

.Exemplo 1 : Controle de operação de uma caldeira, conforme ilustrado na figura a seguir.

Fig. 2.11 - Controle manual de uma caldeira.

Operações: O operador observando os instrumentos medidores mede as variáveis: pressão de vapor, nível de água e a qualidade da combustão (queima);

Compara os valores das variáveis obtidos com os que devem ser mantidos; Se houver desvios executa as regulagens necessárias das válvulas e dos dispositivos de controle de ar e combustível.

Tarefa! Traduza os termos técnicos apresentados em inglês na figura anterior.

Exemplo 2 : controle do nível de água de um tanque (cisterna), em função da demanda (consumo), como ilustrado na figura a lado.

Operações: O operador observando o indicador de nível de água; Compara o valor da variável (nível) obtido com o que deve ser mantido; Se houver desvio executa as regulagens necessárias das vazões nas válvulas.

Controle - Se a demanda fosse pequena, todas as vezes que o nível atingisse um ponto mínimo, teríamos que abrir a válvula de entrada e regular a vazão até que o tanque atingisse o nível máximo e então fechá-la. Porém, se a demanda fosse grande, teríamos que manter a válvula de entrada aberta, regulando para não deixar o tanque transbordar.

Fig. 2.12 - Controle manual do nível de uma cisterna.

Os dois exemplos mostram que para uma operação com certo grau de segurança, seria necessária uma pessoa com total atenção ao controle do processo (caldeira ou do tanque) e dependeria de sua experiência e habilidade para não ocorrer uma avaria. Assim, teríamos um controle de produção empírico ou manual .

82

2.3.3 Malha Aberta (open-loop).

O que você entende por malha aberta?

No sistema de Malha Aberta , medimos o valor de entrada da variável controlada, para estabelecer o valor de saída desta variável, ou seja executamos uma ação de controle antecipativo .

Os sistemas de comando, como será estudado mais adiante, é o modelo clássico de malha aberta. Um processo que é controlado por meio de um sistema de malha aberta não deve trabalhar sozinho porque apresenta erro muito grande.

Fig. 2.13 - Diagrama de bloco de malha aberta

Exemplo : Pretende-se controlar a temperatura de óleo combustível (HFO) que passa por um trocador de calor, ver figura a seguir.

Funcionamento: Verifica-se a temperatura com que o óleo entra no aquecedor e determina-se a temperatura (o set-point da variável controlada) que se deseja na saída Então, abre-se a válvula de controle de vapor, procurando manter uma vazão (variável manipulada) que leve a alcançar o valor desejado da temperatura do óleo. Após certo tempo, ao verificar no medidor a temperatura de saída do óleo, nota-se que ela apresenta um erro, então é necessário atuar na posição da válvula para modificar a vazão do vapor.

Fig. 2.14 - Controle da temperatura de óleo combustível em um aquecedor em malha aberta (controle antecipativo).

2.3.4 Comando Automático Industrial

Trata-se de um modelo de operação, onde há um sinal que comanda uma ação e não há nenhum controle por parte dos equipamentos e sim pela observação do operador . Normalmente o “comando” está relacionado com a área elétrica.

Sistema de Comando consiste num conjunto de elementos interligados em malha aberta , isto é, onde as informações processadas nesses elementos apresentam-se num único sentido, da entrada para a saída.

83

AUT

Os sistemas de comando classificam-se:

a) quanto ao modo de atuação do comando:

- comando simples; e

- comando com neutralização.

b) quanto à variável de entrada:

- entrada fixa;

- entrada variável.

2 . 3 .4 . 1 Com an do S imp l es

Neste sistema, o sinal de comando atua diretamente sobre o elemento final de comando. As perturbações não podem ser eliminadas, por isso seu valor é acrescido ou suprimido da variável comandada.

Exemplo: Pretende-se manter um barco num rumo constante, no sentido Oeste�Este. O diagrama de blocos da figura a seguir ilustra essa ação de comando simples em malha aberta.

Funcionamento : O timoneiro comanda o timão (sinal de comando ), alterando a posição ou ângulo do leme (variável manipulada ) ate que o navio alcance a posição desejada (set-point ), então, basta fixar o leme que o rumo (variável comandada ) se mantém. Ora todos sabemos que devido aos ventos e correntes (perturbações) haverá um erro , que será corrigido mediante mudança na posição do leme para o valor desejado.

Fig. 2.15 - Comando simples do rumo de uma embarcação

2 . 3 .4 . 2 Com an do com Ne u t r a l i za çã o

No sistema de comando com neutralização só é permitido que apenas uma determinada perturbação seja neutralizada a fim de que esta não atue sobre a saída. Não será eliminada qualquer outra perturbação não prevista.

O neutralizador deve realizar função inversa do elemento final de comando, invertendo também o sinal de perturbação à sua entrada. A figura a seguir ilustra esse tipo de controle.

Fig. 2.16 - Sistema de comando com neutralizador.

84

2 . 3 .4 . 3 Com an do de En t r ad a F i xa

Um sistema de comando com entrada fixa é aquele em que a variável de entrada permanece inalterada ao longo do tempo.

Exemplo: sistema de comando de entrada fixa para partida simples de motores elétricos de bombas.

Fig. 2.17 - Sistema de partida de uma

bomba

2 . 3 .4 . 4 Com an do de En t r ad a Var i á ve l

Um sistema de comando com entrada variável é aquele em que a variável de entrada pode assumir valores diferentes em função do tempo ou de uma seqüência de operação. Estes, por sua vez, podem ser de dois tipos: comando temporizado e comando seqüenciado.

2.3.4.4.1 Comando Temporizado

Comandos temporizados são aqueles em que a variação de entrada de comando ocorre em função somente do tempo.

Estes sistemas apresentam o inconveniente de possibilitar que o tempo de uma operação não tenha sido suficiente (por exemplo, devido a perturbações) e o temporizador inicie nova operação com a anterior ainda não completada.

Exemplos: luzes cadenciadas, operações de carga e descarga de produtos, etc..

Fig. 2.18 - Temporizador eletrônico

2.3.4.4.2 Comando Seqüenciado

Comandos seqüenciados São aqueles em que a entrada de comando varia em seqüência e em função do encadeamento de operações sucessivas. São mais confiáveis do que os temporizados, pois uma operação nova só é iniciada após a anterior ter sido executada.

Exemplos: sistema de máquinas operatrizes, linhas de montagem, etc.

2.3.5 Malha Fechada (close-loop).

Neste sistema, por meio de sensores, mede-se o valor da variável controlada, o qual é transmitido ao controlador, que compara o valor medido com o valor desejado (set-point). Se houver erro de desvio, é enviado um sinal de correção ao elemento final de controle , que,

85

AUT

atuando na variável manipulada , busca corrigir esse erro. Essa hipótese é representada pela figura a seguir, com o diagrama de blocos correspondente mostrado na figura a que se segue.

Exemplo: Controle do rumo de um navio pelo piloto automático. Depois de estabilizar o navio no rumo desejado, é necessário de tempos em tempos corrigir o desvio (distúrbios), provocado pelo vento, correntes, ondas, etc. A correção é feita comparando o rumo real, com o rumo desejado.

Fig. 2.19 - Esquema de controle elétrico do leme em malha fechada

Funcionamento: Quando os cursores dos dois potenciômetros se encontram na posição central, a tensão entre as duas tomadas médias é nula: não há nenhum sinal de saída. Quando o timão é girado, o cursor S1 desloca-se da sua posição central, dando origem ao aparecimento de uma diferença de potencial entre S1 e S2. A amplitude desta diferença depende do afastamento de S1 em relação a S2. A fase da diferença de potencial depende, por sua vez, do sentido do deslocamento de S1. Quando S1 se desloca para a esquerda de S2, aproxima-se do terminal A da fonte de alimentação (CA) que serve de referência. Em conseqüência, a diferença de potencial entre S1 e S2 está em fase com a tensão entre o ponto A e B. Quando ocorre ao contrário, o deslocamento de S1 é para a direita de S2 e o cursor S1 aproxima-se do terminal B da fonte de alimentação. A diferença de potencial está, então, defasada em relação à tensão entre A e B.

Fig. 2.20 - Diagrama de blocos do controle do rumo do navio em malha fechada.

2.3.6 Controle Automático de Processos Industriais

Nos dias atuais, o controle automático de processos industriais é denominado de automação industrial e seus objetivos resumem-se a:

- Manter os processos dentro de seus pontos operacionais mais eficientes; - Prevenir condições instáveis no processo; e - Facilitar a operação por meio do fácil acesso as informações.

Qualquer que seja o processo industrial, a ação do controle ocorre sobre uma ou mais grandezas físicas (variáveis ), com o objetivo de manipular a relação de entrada / saída de

86

material ou de energia, de maneira que as variáveis do processo sejam mantidas dentro dos limites estabelecidos.

Como sabemos, qualquer variável pode ter seu valor intencionalmente alterado, salvo aquelas em que há limitações práticas, como alguns dos fenômenos naturais.

Por essa razão a ação de Controle , pode ser empregada para designar o ato de regular, dirigir uma variável de forma manual ou automática

Quando uma parte, ou a totalidade das operações executadas pelo trabalhador, é realizada por um equipamento que funciona com um determinado tipo de energia (mecânica, pneumática, hidráulica ou elétrica), temos um controle automático.

O controle automático (automação) envolve um conjunto de componentes físicos, conectados ou relacionados numa disposição que flexibilize os sinais processados por eles, controlar ou regular a si mesmos ou a outros sistemas.

Nos sistemas de automação , não é necessária a presença do operador para que haja controle de uma determinada variável. A malha de controle é fechada mediante o sinal enviado pelo sensor para o comparador do controlador , ou seja, através de uma mensagem de realimentação (feedback).

Exemplo: Na figura a seguir ilustramos um modelo de automação aplicado a uma caldeira.

O sistema é operado por meio de controlador lógico programável (CLP) que executa a tarefa de controle sob a supervisão do operador.

Fig. 2.21 - Sistema de automação de caldeira – Modelo Especialista

Funcionamento: Observa-se que o operador não se preocupa com a operação da caldeira, a preocupação dele e analisar dados sobre o processo que não estão compatíveis com o desejado, visando fazer a manutenção (correção) dos elementos que estejam operando com defeitos. A operação é controlada pelo CLP mediante um programa desenvolvido para tal.

2.3.7 Classificação dos Tipos de Controle Automátic o.

Os sistemas de controle automático podem ser definidos ou classificados em função:

a) do modo de controle ou forma de atuação:

- manual;

- remota;

- autooperado;

- automático; - local;

- central; - distribuído; - avançado; e - otimizado

87

AUT

b) da malha de controle:

- malha aberta; - malha fechada;

- sistema contínuo (on/off ou step controllers); e - sistema descontínuo (continuous controllers).

c) da ação do controlador:

- on-off (On-off);

- proporcional;

- integral;

- derivativa;

- proporcional + integral; e

- proporcional + integral + derivativa.

d) da tecnologia de controle :

- mecânico ou direto:

• sistema auto-operado;

• sistema por servomecanismos; - analógico pneumático;

- pneumático;

- eletropneumático;

- eletrohidráulico;

- hidráulico;

- elétrico:

• sistema síncrono; • sistema por relé;

- eletrônico analógico

- eletrônico digital: • controle digital direto (DDC); • sistema digital de controle

distribuidor (SDCD); • auto-sintonizado; • PROFIBUS; • FIELDBUS; e • Híbrido.

e) da arquitetura do sistema de controle:

- local (direto ou pneumático);

- grupal (painel de controle);

- central (painel de controle);

- computadorizado:

• supervisório;

• controle digital direto.;

• controle digital distribuído

f) do padrão de comunicação:

Refere-se ao protocolo de comunicação entre os elementos de controle de campo/chão de fábrica ou praça de máquinas e o controlador e/ou o computador na sala de controle:

- sinal analógico de 4-20mA.

- sinal digital: • FIELDBUS;

• PROFIBUS;

• Divice Net;

• Modcom;.

• WorldFIP;

• INTERBUS; etc.

g) da estratégia do controle:

- retroalimentação (feedback); - cascata. - antecipação (feedforward);

h) do tipo de sistema: - Auto-operado

- servomecanismos;

- sistema Síncrono;

- sistema a 4 – 20mA;

- computadorizado:

- sistema PROFIBUS;

- sistema FIELDBUS;

- sistema Especialista; e

- sistema Auto-sintonizado.

88

Na unidade 4.0 vamos estudar os principais tipos de sistema de automação empregados nas plantas marítimas.

2 . 3 .7 . 1 Co n t ro l e Au t o -o per ad o

Um sistema de controle auto-operado obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Esses sistemas são largamente empregados no controle de pressão e nível de água de caldeira.

Apresentam como principais vantagens a sua simplicidade de projeto, construção e operação. Como desvantagem , temos os seguintes problemas de estabilidade:

- opera utilizando somente parte da capacidade total da válvula; e

- não obtém linearidade de controle.

A figura a seguir ilustra um sistema de controle da pressão de vapor no lado de descarga (jusante) da válvula.

Funcionamento: Verificamos que, por meio de um tubo de pequeno diâmetro, que conecta a tubulação do lado de saída da válvula ao atuador da mesma, a pressão do fluido atua diretamente no diafragma do atuador da válvula. O ponto de ajuste (set-point) é mudado, atuando-se no parafuso externo de ajuste de pressão. Assim, enquanto a pressão do fluido empurra o diafragma da válvula para cima, a mola empurra-o no sentido contrário; conseqüentemente o posicionamento do obturador (plugue) será função da resultante dessas pressões que atuam no diafragma e das pressões que atuam no próprio obturador. Observamos que não há uma linearidade de controle, pois, à medida que a compressão da mola aumenta, sobe o valor da pressão necessária para posicionar o obturador da válvula.

Fig. 2.22 - Sistema de controle auto-operado

2 . 3 .7 . 2 Au t o mat i za çã o

Na Unidade 1 estudamos a evolução do controle automático, então tivemos a oportunidade de conhecermos algumas características da automatização, agora vamos estudar com mais detalhes esse modelo de controle.

Lembre-se ! O vocábulo automatização emprega-se para classificar os processos que envolvem componentes e ações de controle automático relacionadas à mecanização .

Segundo Horta Santos:

“o conceito de automatização está indissoluvelmente ligado à sugestão de movimento automático, repetitivo, mecânico e é, portanto, sinônimo de mecanização . E mecanismo implica ação cega, sem correção”.

Segundo a literatura técnica, originou-se da seguinte forma:

“A palavra automatização resultou da aglutinação de automa tic control and instrumentation.”

89

AUT

Segundo o dicionário Aurélio:

“automatização é o sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio funcionamento, quase sem interferência do homem.”

Até poucas décadas atrás, o comando e o controle de funcionamento de todas as máquinas e/ou de todos os equipamentos eram feitos por operadores humanos. Nessa forma, há uma associação da força e sincronismo da máquina com o pensamento do homem. A máquina ou o equipamento, não dispondo de quaisquer meios de informação, tem um comportamento que se repete uniformemente, indiferente às alterações do meio. A isso denominamos mecanização ou automatização .

Na automatização , é o operador que, dispondo de informações sensoriais dos dados dos instrumentos de medida e de informações de várias ordens, introduz correções na atuação do sistema (máquinas ou equipamentos) de modo que sejam atingidas as condições desejadas.

Na automatização , todos os movimentos das máquinas são rigorosamente sincronizados e cronometricamente repetidos, exigindo dos operários movimentos repetitivos e monótonos que servem a máquina dentro de rigorosos limites de tempo. O operador fica reduzido à condição de escravo da máquina, sem qualquer possibilidade de alterar o seu comportamento.

É um trabalho com inúmeros casos de acidentes de trabalho com graves conseqüências para o trabalhador.

Exemplo 1 : Operação do torno mecânico. O torneiro comanda os movimentos do seu torno mecânico clássico de acordo com a forma desejada da peça que está fabricando, e em função das medidas que faz de vez em quando. Se deixar por conta do torno mecânico, este só poderá ir até a sua autodestruição. Neste caso, o operário é, de certo modo, senhor da máquina. Pode comandá-la e parar quando desejar.

Fig. 2.23 - Torno mecânico da ROMI modelo tormax20

Exemplo 2: A figura a seguir ilustra o controle automático simples ou mecanizado, do nível de água de uma cisterna, empregando uma válvula comandada por uma bóia mecânica.

Operações: Todas as vezes que o nível de água baixar devido à demanda, a bóia move-se (detecta) em função dessa mudança; O movimento da bóia abre a válvula, permitindo que a água entre no tanque até o nível se normalizar; Quando isso ocorre, a válvula volta à sua posição inicial; mas, se o consumo for contínuo, ela se mantém aberta.

Fig. 2.24 - Automatização do controle do nível de água de uma cisterna.

90

2 . 3 .7 . 3 Au t o ma çã o

Recordando o que foi estudado no início do primeiro capítulo

A Automação, dos dias atuais, toma por base as técnicas da eletrônica digital aliada ao desenvolvimento da informática, para desenvolver programas para um tipo especial de controlador manter as variáveis de um processo dentro de valores desejados.

Exemplo: Controle automático de uma caldeira, conforme ilustrado na figura a seguir.

Fig. 2.25 - Controle da Caldeira empregando um sistema supervisório com CLP.

Funcionamento: Dois programas são desenvolvidos em determinadas linguagem de programação em um computador: um para o sistema supervisório gravado no computador do sistema e outro para ser inserido no CLP. Esse se encarrega de analisar as variáveis detectadas pelos sensores e enviadas pelos transmissores, caso alguma ultrapasse o valor desejado é emitido um sinal de correção, controlado pelo sistema supervisório. Os operadores acompanham e analisam a atuação do CLP, verificam a otimização dos processos e sugerem ou mesmo atuam nas correções dos valores do programa.

“um sistema de automação comporta-se exatamente como um operador humano o qual, utilizando as informações sensoriais, pensa e executa a ação mais apropriada. Na automação, há auto-adaptação á condições diferentes de modo a que as ações do sistema de maquinismos conduzam a resultados ótimos. O órgão central de um sistema de automação é, na maior parte dos casos, o computador eletrônico .” Horta Santos

2.4 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS PROCESSOS


Conhecer as características básicas dos processos i ndustriais (mudança

de carga, inércia do processo, resistência, capacit ância e tempo morto);

Na implantação e operação de um sistema de controle automático se deve levar em consideração que cada processo apresenta, pelo menos, dois efeitos que devem ser analisados cuidadosamente:

a) mudança na carga do processo, e

b) inércia do processo.

91

AUT

2.4.1 Mudança na Carga do Processo

Carga de um processo - É a quantidade total de agente de controle exigida em um dado instante, para manter as condições de equilíbrio do processo.

Exemplo: Controle automático eletrônico (Automação) da temperatura da água de um reservatório aquecido por vapor, ver figura a seguir.

Funcionamento: A água fria passando pelo trocador de calor é continuamente aquecida com vapor (agente de controle). Esta ação requer uma certa quantidade de vapor, para manter a sua temperatura (variável controlada) no grau desejado (set-point), enquanto o produto estiver escoando a uma determinada velocidade. Um aumento no escoamento do produto (aumento de demanda) exige mais vapor, já um aumento na temperatura do produto na entrada do trocador de calor requer menos vapor. Estas situações representam mudanças de carga.

Qualquer modificação na carga do processo exige uma correspondente modificação na ajustagem do elemento de controle final , a fim de manter o equilíbrio (a variável controlada permanecer no ponto prefixado, set-point).

Fig. 2.26 - Controle da temperatura da água de um aquecedor a vapor.

As modificações na carga do processo ocorrem devido os distúrbios do processo e estes podem ser de três tipos: distúrbios de alimentação, distúrbios de demanda e distúrbios de ponto de ajuste (set point).

a) Distúrbios de alimentação - É uma mudança de energia ou de produto que ocorre na entrada do processo. No nosso exemplo a mudança pode ocorrer: na vazão e/ou na temperatura da água e na temperatura, na pressão e/ou na vazão de vapor.

b) Distúrbios de demanda – É uma mudança de energia ou de produto que ocorre na saída do processo. No nosso exemplo é uma mudança na vazão da água aquecida (maior ou menor consumo).

c) Distúrbios de ponto de ajuste – É uma alteração no valor/ponto estabelecido para que o processo fique estabilizado. No nosso exemplo, poderíamos desejar que água estabilizasse em 75º C. e por uma razão qualquer sofreu uma mudança para 65º C.. São alterações difíceis para o sistema de controle pois, têm que atravessar o processo inteiro para serem medidas e controladas.

A grandeza e a velocidade na mudança da carga do processo são fatores importantes para a instrumentação e os sistemas de controle.

92

2.4.2 Inércia do Processo

Em processos que envolvem modificações rápidas, a resposta dinâmica da variável controlada é uma característica importante.

Inércia do processo - é o tempo que a variável controlada requer para alcançar um novo valor, ao ocorrer uma modificação na carga.

Os processos têm a característica de atrasar as mudanças nos valores das variáveis. Essas ações são denominadas de atrasos de tempo do processo e são causados por três propriedades: resistência , capacitância e tempo morto .

2 . 4 .2 . 1 Re s i s t ên c ia

São as partes do processo que resistem à transferência de energia ou de material.

Exemplo 1 : A inclusão de um poço em uma tubulação, para instalar o instrumento de medição da variável, aumenta em muito o atraso de tempo do elemento primário (sensor). Sempre que possível, recomenda-se evitar a utilização de qualquer dispositivo que diminua a velocidade de resposta do elemento primário.

Exemplo 2 : No medidor de temperatura tipo Bourdon, a resistência ao fluxo de fluído no tubo capilar provoca um atraso de tempo. Por essa razão se devem evitar grandes comprimentos de tubo capilar.

Exemplo 3 : Nos sistemas de comando/controle hidráulico ou pneumático também temos um atraso de tempo, provocado pela resistência ao fluxo de fluído na tubulação entre o elemento primário e o transmissor. Por essa razão, entre esses elementos a tubulação deve ser a mais curta possível.

Exemplo 4 : Nas válvulas de controle a inércia física e os atritos da haste, obturador e sede provocam atraso de tempo. Para diminuir esse problema é necessário manter o elemento final de controle em ótimas condições por meio de uma manutenção cuidadosa e utilizar posicionador.

2 . 4 .2 . 2 Ca pa c i t â nc i a

Apesar da capacidade ser um termo familiar para medir a habilidade de um processo reter energia (unidade de quantidade), um fator mais importante é dada por sua capacitância .

Capacitância é a medida de habilidade de um processo reter uma quantidade de energia ou material, por unidade de quantidade de alguma variável de referência.

Em função de sua capacitância, os processos podem ser monocapacitivos ou multicapacitivos . Para distingui-los, analisam-se as curvas de reação do processo:

a) monocapacitivo tem um gráfico cuja curva de reação é uma reta inclinada em um determinado ângulo; e

b) multicapacitivo possui um gráfico cuja curva de reação é um “S”.

93

AUT

Exemplo 1 : A figura a seguir mostra dois tanques de formatos diferentes, mas com a mesma capacidade volumétrica (160 m3).

Fig. 2.27 - Comparação entre capacitância e capacidade.

Análise: Cada tanque possui capacitâncias diferente, baseada na altura do líquido. O tanque com oito metros (8m) de altura possui uma capacitância volumétrica de líquido de 20m3 por metro de altura (160/8); ao passo que o tanque com quatro metros (4m) de altura apresenta uma capacitância de 40m3 por metro de altura (160/4).

Deve-se, portanto, identificar sempre a capacitância com o tipo de energia ou com o tipo dos materiais envolvidos.

Exemplo 1 : A capacitância volumétrica do tubo capilar provoca um atraso de tempo considerável, que unido à resistência ao fluxo do fluido, forma o par RC. Assim, sempre que possível se deve evitar a aplicação de tubos capilares de grande comprimento. O mesmo acontece com os meios de transmissão hidráulicos ou pneumáticos.

A capacitância térmica de um líquido é definida em termos de energia calorífica (Joule, calorias) exigida para elevar a temperatura do líquido por graus centígrados.

Exemplo 2: A figura a seguir, ilustra um processo com elevada capacitância térmica. Trata-se de um reator de jaqueta vitrificado, ou aquecedor de jaqueta, com capacidade para 7.500 litros, utilizado para produzir uma variedade de produtos químicos.

Fig. 2.28 - Processo com elevada capacitância térmica - Reator de jaqueta vitrificado.

As principais características do processo são:

1. agente de controle do processo (fluido): água doce;

94

2. variável controlada: vazão (28 m3/h..)

3. temperatura inicial do produto a ser fabricado: 10 - 27 °C.

4. temperatura detectada do produto a ser fabricado (variável controlada): ?

5. temperatura máxima do produto a ser fabricado : 143 °C.

6. temperatura da água da jaqueta (set-point): - 155 °C. (variável controlada)

7. aumento de temperatura por passe: ¯ 17 a 0°C.

8. pressão de suprimento do vapor: 7 Kg/cm² a 170°C . (variável manipulada).

Analise: É necessária uma malha de água temperada para que haja uma melhor flexibilidade de controle, evitando choques térmicos no revestimento de vidro do reator (martelamento e instabilidade). Uma válvula termostática do fabricante Hidro-Thermal Corporation modelo Hydroheater: K410ADX é empregada para fazer o controle. Por tratar-se de um processo que inicia com aquecimento, torna-se esotérmico requerendo, então, um resfriamento e que o controle seja feito em cascata.

Funcionamento: O controlador mestre recebe o sinal de temperatura do produto fabricado, analisa e envia um sinal de correção para o controlador escravo de temperatura da água da jaqueta (camisa). Este controlador compara o sinal recebido do controlador mestre com o sinal do sensor de temperatura da água da jaqueta, enviando um sinal de correção para a válvula termostática (hydroheater).

Lembre-se: capacitância é uma característica dinâmica do processo e capacidade é uma característica volumétrica do processo.

2 . 4 .2 . 3 Te mp o Mo r to

Também chamado tempo de transporte – é o atraso verificado entre a ocorrência de uma alteração no processo e a sua percepção pelo elemento de medição. O tempo morto ocorre no transporte de massa ou energia através de um dado percurso. O comprimento do percurso e a velocidade de propagação da massa ou da energia definem o tempo morto.

2.5 ESTRATÉGIAS DE AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS INDUSTRIA IS


Reconhecer as principais estratégias de automação d os processos industriais;

A nossa indústria e os navios com plantas automatizadas na base de sistemas rígidos , com conexão ponto-a-ponto , encontravam, e ainda encontram, grandes dificuldades para atualizar os equipamentos de automação. Pois os fabricantes desenvolveram esses sistemas baseados em modelos de comunicação proprietário , em que buscavam reserva de mercado para seus produtos, de tal forma que muitos deles não se comunicam nem com os equipamentos produzidos pelo próprio fabricante.

Essa estratégia não tem uma preocupação com a qualidade, a mobilidade e a estrutura da comunicação, fatores esses que são tão importantes na construção da fábrica ou do navio, ou dos equipamentos, quantos no treinamento dos empregados, para que a empresa se torne competitiva.

95

AUT

Em uma Indústria ou em uma companhia de navegação atual, as pessoas envolvidas com o controle da planta/navio possuem objetivos distintos, mas, que estão perfeitamente sincronizados com o objetivo maior. Uma falha em qualquer uma das áreas compromete as metas estabelecidas.

Seja qual for à estratégia de controle adotada, deve-se levar em consideração que as decisões devem ser rápidas para que os resultados financeiros sejam compensadores, pois há cada vez mais uma acirrada concorrência entre fabricantes e prestadores de serviço.

Nestas condições, a comunicação torna-se um dos principais elementos do sistema, pois a disponibilidade, no momento certo, das informações adequadas da área de produção (chão-de-fábrica, praça de máquinas, passadiço, convés) permite desde o gerente (comandante, chefe de máquinas) até o operador (oficial de quarto) tomar as decisões apropriadas. Portanto, é preciso uma grande atenção com ela, pois quanto menor for o tempo de fabricação de um produto ou a execução de uma operação, maior será a possibilidade de levar vantagens sobre o concorrente.

Assim, a produção industrial de nossos dias, aponta para a necessidade de um gerenciamento centralizado que interligue todos os subsistemas e assuma de modo integral o controle. A necessidade da centralização da informação obriga que os processos e suas instalações sejam totalmente automatizados e monitorados, assim como haja uma troca de informações entre as unidades funcionais, de maneira compreensiva.

Para tanto, é necessário que o controle da planta seja distribuído e hierarquizado ; seja instalado próximo do processo e que se comunique com o centro de supervisão e todos os setores envolvidos com a produção.

Nos navios deve se comunicar com o passadiço, sala de operação, escritório do Chefe de Máquinas, camarote do Oficial de máquinas de serviço e outros locais importantes.

Na sala de operação (CCM ou passadiço), o controle, a monitorização e a supervisão são feitos por meio de terminais computadorizados, conforme é ilustrado na figura acima. Atualmente, são empregados monitores coloridos, com tamanhos razoáveis, que mostram imagens dinâmicas do processo.

Fig. 2.29 - Console de controle integrado de passadiço de navio

O monitoramento constante permite não só visualizar as grandezas em operação normal e alterá-las, mas também detectar prematuramente falhas.

96

Desta forma, nos dias atuais predomina sistemas flexíveis, nos quais com pequenos ajustes é possível substituir alguns dos equipamentos da malha de controle pelo de um outro fabricante. A flexibilização nos sistemas de comunicação é um dos principais requisitos para que haja uma ótima interação na automação de processos.

As estratégias de controle podem ser:

a) por antecipação (feedforward ), também chamado antecipatório;

b) por realimentação (feedback ), também chamado regulatório;

c) caracterizado;

d) modelagem matemática; e

e) otimização ou otimizado.

2.5.1 Controle Antecipativo (Feedforward)

O que é controle antecipativo ou feedforward ?

Esse modo de controle estabelece que se faça uma avaliação prévia da demanda de um produto, para que com o resultado da avaliação possamos agir nos ajustes do processo. Ou seja, caracteriza-se por oferecer uma correção no processo , antecipadamente , a fim de evitar um futuro desvio.

No controle antecipativo, o distúrbio é medido e, baseado num valor de set-point para a variável controlada , é calculado o valor necessário para a variável manipulada de maneira a evitar que a variável controlada seja alterada

Exemplo: Aquecimento de um ambiente, regulado por uma válvula termostática (ver figura a seguir).

Fig. 2.30 - Controle automático do aquecimento de um

ambiente pelo método antecipativo.

Fig. 2.31 - Válvula termostática

Funcionamento: Estabelecemos o valor da temperatura ambiente que se deseja, por exemplo 23°C, que corresponde o valor do set-point. Caso ha ja alguma perturbação, por exemplo à porta foi aberta mais vezes do que a calculada, ou ainda a temperatura externa caiu mais de 20%, a temperatura no ambiente tenderá a ficar mais baixa. Para voltar ao valor do set-point será necessário ajustar a posição da válvula.

97

AUT

É o conhecimento especial sobre o processo que limita a aplicação prática do controle por antecipação. Precisam ser bem conhecidos tanto os ganhos em regime estacionário quanto as constantes de tempo e os tempos mortos que apresentam o processo. Ou seja, no modo de atuação feedforward previne-se erros no processo .

2.5.2 Controle Automático Descontínuo ( on-off )

O controle automático descontínuo emprega a estratégia de realimentação (feedback ). Podemos defini-lo como o sistema de automação cujo sinal de saída do controlador apresenta apenas dois níveis: máximo e mínimo (alto e baixo). Por esta razão, também é conhecido como controle tudo ou nada, duas posições, liga–desliga e on-off .

No modelo de controle descontinuo, pode ser empregado para emissão e recepção dos sinais de comunicação, elementos que utilizam energia pneumática, ou hidráulica, ou mecânica, ou elétrica, ou eletromecânica ou elementos eletrônicos ligados a computador.

No dia-a-dia e na maioria das literaturas disponíveis emprega-se simplesmente o termo on-off para esse sistema ou para o controlador. Por essa razão, daqui a diante adotaremos a mesma postura

O sinal de saída de um controlador on-off é representado pela equação abaixo:

Observa-se, pela equação, que o sinal de saída do controlador é mudado de ligada para desligada ou vice-versa, quando o sinal de erro passa pelo zero, ou seja, quando o sinal da variável controlada passa pelo set-point.

Neste tipo, o elemento final de controle, que normalmente é uma válvula comandada por solenóide, move-se rapidamente da posição totalmente aberta para a posição totalmente fechada, ou vice-versa, sem posições intermediária.

O controle on-off é utilizado na indústria para controlar malhas de menor importância, como os sistemas de: ar-comprimido, ar-condicionado, câmaras frigoríficas e de segurança.

Os controladores on-off mais utilizados são: pressostato, termostato, fluxostato, chave de nível, chaves-limite e detectores de chama

Características peculiares permitem classificar o sistema de controle on-off nos seguintes tipos:

a. sem zona morta (sem histerese);

b. com zona morta (com histerese); e

c. com largura de pulso.

Exemplo: A figura a seguir exemplifica um sistema de controle on-off de duas posições sem zona morta (histerese) e com o gráfico da ação do controle.

98

Fig. 2.32 - Trocador de calor a vapor com controle on-off sem zona morta.

2 . 5 .2 . 1 Co n t ro l e Au t omát i c o De sc on t í nu o ( on -o f f ) com Zo na Mo r ta

Este modelo caracteriza-se por criar uma zona morta ou zona diferencial , utilizando-se de duas chaves-miniatura. Com a introdução da zona diferencial, a freqüência de oscilação diminui, diminuindo o desgaste do elemento final de controle; porém a amplitude de oscilação aumenta, piorando a qualidade do controle.

Fig. 2.33 - Trocador de calor a vapor com controle on-off com zona morta.

Neste tipo de controle, o elemento final de controle apresenta um tempo de comutação muito curto, exigindo uma alta velocidade de atuação. Por esta razão são empregados em processos que apresentam uma velocidade de reação lenta, uma vez que a quantidade de energia, entrando e saindo do processo, é ligeiramente superior e inferior respectivamente às necessidades operacionais.

Também o controle on-off se caracteriza pela variável controlada oscilar continuamente dentro de uma faixa que tem como valor principal o set-point. Essas oscilações variam em amplitude e freqüência de acordo com as alterações de carga ocorridas no processo.

99

AUT

Exemplo : Um sistema típico de controle on-off é o controle da pressão de um reservatório de ar comprimido ilustrado na figura a seguir.

Esse controle é feito por um pressostato que aciona uma válvula solenóide. As perturbações aparecem em função da variação da descarga e da temperatura. O quadro a seguir identifica os elementos com suas principais características.

Fig. 2.34 - Controle on-off do reservatório de ar.

Elementos principais do sistema localizados no rese rvatório de ar.

A - Reservatório metálico, alimentado com ar comprimido cuja pressão é constante e igual a 1,2 kg/cm². A descarga é contínua.

B - Pressostato diferencial de 0,1 a 0,4 kg/cm² (faixa real de medição 0 a 4 kg/cm²), utilizado para comandar a válvula solenóide.

C - Válvula solenóide, montada em série na rede de ar comprimido que alimenta o reservatório.

D - Registrador de pressão (escala 0 a 1 kg/cm², velocidade do gráfico 1 mm/s). Permite registrar as variações da pressão (variável controlada) em função do tempo.

E - Válvula de descarga (acionamento manual), pode ser usada para simular perturbações no processo.

F - manômetro de Bourdon (escala de 0 a 1,6 kg/cm²);

G - redutor de pressão; e

H - interruptor bipolar.

Como funciona o pressostato?

Fig. 2.35 - Pressostato em corte.

Fig. 2.36 - Esquema do pressostato.

100

Funcionamento : A pressão a ser controlada P exerce uma força sobre o elemento elástico S (é um fole mas, pode ser um diafragma). Os movimentos do fole S são transmitidos para a alavanca L1 cujo apoio está em F1. A alavanca L1 está solidamente ligada a uma haste B, que comanda o comutador C. Quando a haste está na posição A’, os contatos 3 e 4 estão fechados; quando está na posição A, são os contatos 1 e 2 que estão fechados. As molas de aferição M1 e M2 estão em oposição com os movimentos do fole, de modo que a mudança dos contatos aconteça de acordo com os valores máximo (Pa) e mínimos (Pf) prefixados para a pressão. A tensão necessária das molas de calibração é obtida por meio dos respectivos parafusos V1 e V2, e os valores escolhidos são legíveis nas respectivas escalas S1 e S2, por meio dos ponteiros I1 e I2.. Atuando-se no parafuso V1, escolhe-se o valor da pressão que provocará o fechamento dos contatos 3 e 4. Atuando-se no parafuso V2, escolhe-se o valor da pressão que provocará a abertura dos contatos 3 e 4 e o fechamento dos contatos 1 e 2, ou seja, o valor do diferencial de pressão (∆∆∆∆p). O valor da pressão de fechamento Pf é obtido, somando-se o valor definido com o parafuso V1 com o valor definido com o parafuso V2 . O limite R3 evita a ruptura do dispositivo de controle no caso da pressão atingir valores superiores aos máximos previstos. O limite superior da alavanca L1 é R1

Atuação do pressostato quando variar a pressão (observe a figura do esquema do pressostato) - Quando a pressão é nula, os contatos 3 e 4 estão fechados. Quando houver um aumento de pressão P, o fole S se distende, elevando a extremidade direita da alavanca L1, ao mesmo tempo que a extremidade esquerda coloca a mola M1 sob tração. Antes que a alavanca L1 tenha descrito um ângulo capaz de provocar a mudança dos contatos, encosta na alavanca L2 vencendo também o momento da mola M2. Os contatos 3 e 4 abrem-se. Quando a pressão diminui, depois de ter atingido o ponto de fechamento, os contatos 3 e 4 permanecem abertos até a alavanca L2 atingir o seu encosto limite R2, ou seja, os contatos 3 e 4 permanecem abertos durante todo o intervalo compreendido entre 0,8 e 0,5 Kg/cm², fechando exatamente quando a pressão atinge o valor de 0,5 Kg/cm.

Válvula solenóide

A válvula solenóide é alimentada com uma tensão elétrica de C.A. de 220 V., fornecida pelos contatos 3 e 4 do pressostato que estão em série com o circuito de alimentação.

Fig. 2.37 - Válvula solenóide

Funcionamento: Quando a solenóide é percorrida pela corrente, suas bobinas criam um campo magnético de excitação que atraem o núcleo (3), preso ao obturador da válvula, provocando a abertura da mesma e, conseqüentemente, permitindo a passagem de ar. No caso contrário, solenóide desalimentada, uma mola, não representada no desenho, mantém o obturador de encontro à sede, ou seja, a válvula permanece fechada.

101

AUT

2 . 5 .2 . 2 Co n t ro l e De sco n t í n uo ( on -o f f ) po r Vá l vu l a Te rm os t á t i c a

O ajuste da faixa de operação, ou melhor dizendo, dos limites máximos e mínimos são ajustados no termostato.

Exemplo: Sistema de aquecimento de ar por meio de água quente. As duas figuras a seguir ilustram esse tipo de controle.

Fig. 2.38 - Controle on-off, por meio de válvula termostática.

Fig. 2.39 - Válvula termostática de 3 vias em corte.

Tarefa! Agora temos um desafio, identifique as part es da válvula termostática da figura a cima que estão numeradas.

1- _________________________

2 –_________________________

3 –_________________________

4 –_________________________

5 –_________________________

6 –_________________________

7 –_________________________

8 –_________________________

9 –_________________________

10 –_________________________

11 –_________________________

12 –_________________________

13 –_________________________

14 –_________________________

15 _________________________

16 –_________________________

17 _________________________

2.5.3 Controle Automático Contínuo

São os sistemas de controle automático em malha fechada, que apresentam um controlador capaz de manter a variável controlada dentro do valor desejado por meio de modulação contínua , ou seja, podendo assumir qualquer valor compreendido entre os limites máximo e mínimo. Também empregam a estratégia de controle por realimentação .

Dependendo da forma como a informação de erro é processada, ou seja, da ação de controle, podemos dispor de um sistema de controle estático, dinâmico ou combinado, nos seguinte modos:

102

a) controle proporciona [P] (estático);

b) controle integral [I] (dinâmico);

c) controle derivativo [D] (dinâmico) e;

d) controle combinado [PID] (estático e dinâmico).

2 . 5 .3 . 1 Co n t ro l e P ro por c i o na l ( P )

O modo de controle proporcional pode ser considerado como uma evolução do modo de controle on-off. O sinal de saída (sinal de ação de controle ) de um controlador proporcional pode assumir qualquer valor, desde que compreendido entre os limites máximo e mínimo, que depende das condições do processo. Esse valor é o resultado de uma relação matemática proporcional entre o sinal de saída (sinal de ação de controle ) do controlador e o erro verificado (desvio).

A ação proporcional controla a amplitude da oscilação ou erro (desvio) e estabiliza a variável controlada próximo do set-point (valor desejado, ponto de ajuste, valor de referência ou variável de entrada), dentro de uma faixa predeterminada entre 0 % a 100 %. (banda proporcional ).

Em outras palavras, a ação de controle proporcional é o ajuste de proporcionalidade entre a mudança da posição do elemento final de controle para determinada mudança da variável controlada . Isto se consegue mediante o controle do ganho do controlador.

O erro é a diferença entre o set-point e o valor da variável controlada detectado (sinal de realimentação ).

E = SP – Vc

E = erro

SP = valor da variável de entrada (set-point, ).

Vc = valor da variável controlada.

O ganho do controlador é a diferença entre o sinal que entra e o sinal que sai do controlador. O primeiro ajuste do controlador é o ganho e varia entre 0,2% a 20%.

O termo ganho é oriundo do crescimento das análises técnicas para controle de

processos. O ganho proporcional indica o quanto a posição da válvula é alterada para um

dado erro. Portanto, mostra o quanto a válvula é sensível ao erro. Matematicamente Kp pode ser expresso como:

∆∆∆∆S Kp = ---------

∆∆∆∆R

Kp = ganho proporcional;

∆S = variação de saída da variável controlada;

∆R = variação de entrada (referência).

Exemplo: A figura a seguir mostra a curva de resposta de um controlador proporcional com diversos valores de ganho proporcional.

103

AUT

Fig. 2.40 - Curvas de respostas de um controlador proporcional em função do ganho.

Análise: Nota-se que, à medida que o ganho proporcional do controlador aumenta, o erro diminui e o sistema responde mais rapidamente às variações.

Banda proporcional é um parâmetro ajustável que se estabelece dentro da faixa real; é a mudança requerida na entrada para produzir uma mudança de amplitude na saída, devido à ação do controle proporcional. Ou melhor:

A banda proporcional é a faixa de erro da variável controlada, necessária para a válvula realizar o seu percurso completo.

100 % BP % = ---------

Kp

Kp = ganho proporcional

BP = banda proporcional em percentagem

- Faixa real são os valores compreendidos entre os limites máximos e mínimos que a variável controlada pode alcançar dentro do processo.

- Quanto maior for o percentual da banda proporcional, menor é a mudança da posição da válvula quando ocorrer mudança na variável controlada; e

- Quanto maior o percentual da banda proporcional menor é o ganho do controlador e vice-versa.

V (t) = Kp . E (t) + M A Posição da válvula (V) é igual ao ganho do controlador multiplicado pelo valor do erro somado a posição M da válvula.

V = posição da válvula (saída do controlador).

Kp = ganho proporcional (% / %).

E = erro.

M = abertura da válvula quando a variável controlada está no set-point. Ou saída do controlador quando o erro E(t) for zero. É freqüentemente chamada de reset manual .

Quando um controlador é projetado com as características da ação proporcional, ele deve, pelo menos, conter estes dois ajustes, um para Kp e o outro para M. Por esta razão o controle torna-se mais complicado pela necessidade de saber qual o ajuste de Kp e M que melhor se adapta ao sistema. Não levaria muito tempo para que um o operador do processo descobrisse uma série de deficiências no controle proporcional.

Características do Controle Proporcional .

a) Modo de controle proporcional não contém nenhum elemento dinâmico, sua ação depende do valor do erro e independe de sua velocidade ou tempo de duração.

104

b) Mudanças de cargas sucessivas provocarão o surgimento do erro de regime (off-set ). A ação de controle proporcional apresenta um inconveniente que é de não corrigir o erro quando ele for constante. É necessário, de tempo em tempo (predeterminado), fazer um Reset manual. Para se analisar o surgimento do erro de regime, deve-se conhecer primeiro as diferentes fontes de distúrbios dos processos (a figura a seguir ilustra o erro de regime).

Fig. 2.41 - Gráfico da resposta de um controlador com ação proporcional mostrando o erro de regime (off-set).

c) Caso o valor do erro ultrapasse a faixa da banda proporcional, o sinal de saída saturará em 0 % ou 100 %, dependendo do sinal do erro. Quando o erro está fixo, o sinal de saída do controlador proporcional não varia, porém se o erro estiver variando o sinal de saída também estará variando.

Fig. 2.42 - Gráfico do controle proporcional em função da variável manipulada.

d) O Ponto de ajuste (set point , valor desejado, variável de entrada ou valor de referência) sempre corresponde a 50% da variação total da banda proporcional, pois desta maneira o controlador terá condições de corrigir erros tanto acima como abaixo do valor desejado.

Exemplo: A figura a seguir nos mostra um processo com controle proporcional, no qual se pretende elevar a temperatura da água, usando vapor.

Fig. 2.43 - Automatização de um aquecedor de água a vapor.

Funcionamento: Um sensor de detecta o valor da temperatura da água, na saída do aquecedor e produz um sinal analógico de 4-20mA (1-5VCD), correspondente ao sinal da variável

controlada, situado entre 0°C a 100°C, o qual é enviado ao controlador. O controlador compara o sinal da variável controlada com o do set point e envia um sinal de saída, entre 3-15psi (0,206 - 1,034 bar) ao elemento de controle final (válvula de controle pneumática).

Em função do sinal de saída do controlador proporcional, o controle pode ser classificado de:

105

AUT

1. Controlador proporcional de ação direta é aquele no qual o sinal de saída aumenta à medida que o sinal de entrada da variável controlada aumenta.

2. Controlador proporcional de ação inversa é aquele no qual o sinal de saída diminui à medida que o sinal de entrada da variável controlada aumenta.

2 . 5 .3 . 2 Co n t ro l e I n t eg r a l

É a ação de controle cujo o sinal de saída varia em direção a um de seus extremos enquanto houver um desvio.

Quando se emprega o modo integral de controle, temos uma relação linear entre o desvio verificado e a velocidade de aplicação da correção. Portanto, a direção do sinal de saída depende da direção do desvio, e a velocidade depende da amplitude do desvio e dos ajustes do controlador.

A característica principal do controle integral é a ausência do erro de regime , pois a válvula de controle só cessará seu deslocamento quando a variável controlada retornar ao ponto desejado (set-point).

O emprego do controle integral isolado não é usual, pois sua ação corretiva não é instantânea, sendo aplicada gradativamente. Costuma-se combinar as vantagens do controle proporcional (correção instantânea) com as do controle integral (ausência de erro de regime) em instrumentos conhecidos como “proporcional com reajuste” .

2 . 5 .3 . 3 Co n t ro l e Der i va t i vo

O modo de “ação derivativa ” de controle aplica no sistema uma correção proporcional à velocidade de aumento do desvio verificado. A ação derivativa de controle, também é denominada de pré-ativa, antecipatória ou rate

Se a posição do elemento final de controle estiver estabilizada em qualquer ponto, mesmo sendo uma posição diferente do set-point, o instrumento não reagirá. Tal característica impede que este modo de controle seja usado isoladamente. Por isso, esse modo de controle é especialmente usado em combinação com o “proporcional” (P+D) em processos que apresentem grandes retardos.

Um sistema que tenha grandes retardos atinge muito mais rapidamente o equilíbrio após a ocorrência de um desvio quando seu controle incluir o modo de ação derivativa.

2 . 5 .3 . 4 Co n t ro l e P ro por c i o na l m a i s I n te g ra l ( P I )

Para eliminar o erro de off-set do controle proporcional sem o inconveniente do operador ter que compensar ou eliminar o erro através do reajuste manual, ou através da mudança da polarização, os fabricantes adicionam aos controladores proporcionais o modo de controle integral, que elimina o erro de off-set , automaticamente.

A saída do modo integral é função da integral do erro, ou seja, a velocidade de correção do elemento final de controle é proporcional ao erro (E t). A saída de um controlador integral (I) é representada pela equação:

106

Onde: Ti = Tempo integral (minutos para repetir). F = Constante de integração que corresponde

ao valor percentual da saída do controlador antes da ocorrência do erro (E).

A saída de um controlador proporcional mais integral (PI) é representada por:

A saída do modo integral não varia instantaneamente com o surgimento do erro, mas o fato de o erro ser diferente de zero faz com que a saída do modo integral varie à medida que o tempo vai passando; esta variação só irá cessar quando o erro voltar a zero.

Vê-se, então, que o modo proporcional será mais efetivo que o modo integral na resposta a rápidas variações de processo.

O tempo necessário para que a ação integral ajuste a saída do mesmo valor da variação da ação proporcional é chamado tempo integral , (Ti). A ação integral irá repetir a correção da ação proporcional, a cada tempo integral; a unidade de Ti normalmente é dada em minutos para repetir (MPR).

Em alguns controladores, o ajuste do modo integral é expresso em repetições por minuto (rpm ). Este termo é chamado de taxa de reajuste (1/Ti) e representa o número de vezes por minuto que o componente integral irá repetir a correção do componente proporcional.

Matematicamente, a taxa de reajuste e o tempo integral são inversamente relacionados, ou seja: MPR = 1/ rpm.

Tanto o conceito de taxa de reajuste como o de tempo integral são normalmente empregados.

Exemplo: A figura a seguir ilustra a curva de resposta de um controlador proporcional mais integral (PI), com ganho proporcional (K) constante e com diversos valores de tempo integral (Ti), para um sistema de controle em malha fechada.

Fig. 2.44 - Resposta de um controlador PI

Análise: Nota-se que:

a) para tempo integral grande , a resposta tem uma “cauda”, e a variável se aproxima do ponto de ajuste muito lentamente;

b) para tempo integral curto , o excesso de correção faz com que a variável ultrapasse o ponto de ajuste e demora a estabilizar (oscila).

107

AUT

Como para todos os valores de tempo integral (exceto Ti = ∞) o erro será eliminado. O

ajuste do valor de tempo integral será função, basicamente, do ajuste do componente proporcional..

O valor do tempo integral a ser utilizado deverá ser tal que elimine o erro no menor tempo possível , sem afetar, significativamente, a taxa de amortecimento

2 . 5 .3 . 5 Co n t ro l e P ro por c i o na l m a i s Der i va t i vo ( PD)

Neste modo de ação de controle existe uma relação contínua e linear entre a velocidade de deslocamento da variável controlada e a posição do elemento final de controle. Em outras palavras, a quantidade de movimento da válvula é proporcional à velocidade de mudança da variável controlada. Quanto maior é a velocidade do desvio, maior é a amplitude da correção..

O sinal de saída da ação derivativa é função da derivada do erro E (t). Ou seja:

O sinal de saída de um controlador com ação derivativa é proporcional à velocidade de variação da variável controlada.

Já o sinal de saída de um controlador PD é calculado e representado pela seguinte equação:

O ajuste do modo derivativo é o tempo derivativo (Td), normalmente expresso em minutos. Por definição, tempo derivativo é o tempo que a saída do modo proporcional leva para repetir a saída do modo derivativo.

Exemplo: Na figura a seguir se mostra à curva de resposta de um controlador PD, com ganho proporcional (K) constante e com diversos valores de tempo derivativo (Td), para um sistema de controle em malha fechada.

Análise: Nota-se que o aumento do tempo derivativo melhora a estabilidade do processo, embora se diminua a velocidade de resposta. Nota-se, também, que a ação derivativa não influencia no valor final do erro E (t).

FIG. 2.45 - Resposta de um controlador PD

Como a ação derivativa melhora a estabilidade do processo, devido à sua característica de se opor às variações, ao adicioná-la a um controlador proporcional, pode-se aumentar o ganho (K) sem afetar a estabilidade do sistema.

108

2 . 5 .3 . 6 Co n t ro l e P I D

O controlador PID (proporcional mais integral mais derivativo) combina as características de grande estabilidade do controlador proporcional mais derivativo e as eliminações do erro do controlador proporcional mais integral, em um único controlador.

Os termos do controlador PID são os mesmos que os termos correspondentes nos controladores P+I e P+D. Assim, a saída do controlador proporcional mais integral mais derivativo ( PID ) é representada pela seguinte equação:

Como o modo derivativo dificulta o procedimento de sintonização, o controlador PID deverá ser aplicado onde sua utilização melhora o desempenho do processo.

Na figura a seguir, estão colocadas as curvas de resposta típicas dos controladores P, P+I e PID. Nota-se que, com a adição da ação integral, o erro E (t) foi eliminado, enquanto que com a adição da ação derivativa a estabilidade do processo melhorou sensivelmente.

Fig. 2.46 - Resposta comparativa dos controladores P, PI e PID.


ATENÇÃO! Esse é um momento importante no seu aprend izado. Resolva as questões proposta a seguir, caso tenha duvidas volt e a estudar o conteúdo não entendido.

11) Com respeito aos elementos do controle automático, analise as definições apresentadas. A seguir, escreva certo para as que estiverem corretas e corrija as que estiverem erradas.

A _________ Negative deviation é o valor emitido pelo elemento de ajuste do set-point para ajuste do controlador.

109

AUT

B _________ Variável de entrada, é o valor resultante da equação algébrica entre o valor desejado e o valor da variável controlada medido.

C _________ Actuator, é a parte do elemento final de controle que recebe o sinal de acionamento do transdutor.

12) Na automação do sistema de lubrificação do motor propulsor principal (MCP), quais são os elementos primários ?

13) Tomando como referência a automação do sistema de água de resfriamento dos motores geradores (MCAs), defina elemento final de controle .

14) Diferencie variável controlada de variável manipulada.

15) Compare malha aberta com malha fechada.

16) Cite duas características de um sistema de controle automático antecipativo.

17) Diferencie automatização de automação.

UNIDADE 3

110

33 INSTRUMENTAÇÃO DE CONTROLE

111

AUT

3.1 GENERALIDADES


- Reconhecer a terminologia aplicada à instrumentação de controle;

- Entender os fundamentos técnicos da instrumentação de controle; e

- Conhecer as características técnicas dos medidores e sensores das variáveis de controle.

Em uma instalação industrial de terra ou marítima (navio, plataforma, etc), durante cada quarto de serviço é executada pelo operador, por meio manual ou de um computador (automação), a verificação e o controle das condições das diversas variáveis dos fluidos (temperatura, pressão, vazão (fluxo), viscosidade e o nível), assim como, o teor de umidade dos equipamentos, máquinas e ambientes, além da monitoração de incêndio.

Fig. 3.1 - Sistema de circulação de água do mar e instrumentos de controle

Por esta e outras razões, é que, neste capítulo, vamos estudar os indicadores e sensores utilizados para fazer a medição, a detecção, a transmissão e a monitoração das variáveis físicas envolvidas no sistema ou na malha de controle dos processos industriais de terra ou marítimos, em especial os instrumentos aplicados ao controle automático. Vamos conhecer a função que eles desempenham no controle de processos industriais de fabricação de produtos essenciais ao bem estar, conforto, segurança humana e nos transporte em especial nos navios.

Os Instrumentos de medição são usados para informar as condições físicas, as propriedades químicas e a quantidade da substância, tão precisamente quanto necessários, a fim de alcançar as especificações definidas do produto.

112

Essencialmente na indústria, a instrumentação de controle tornou possível se manter rigorosamente os valores das variáveis dentro de faixas críticas e com isso garantindo uma produção em massa com qualidade e preços acessíveis.

Nos navios a cada ano que passa permite um controle mais apurado das variáveis dos diversos sistemas dando maior segurança às operações e a navegação.

O instrumento medidor ou sistema de medição pode ser mecânico, pneumático, hidráulico, elétrico, eletrônico ou uma combinação de quaisquer duas ou mais formas básicas, como os eletromecânicos. Em uma malha de controle automático (automação), são definidos como sensores . Atualmente, os sensores mais usados se baseiam nos conhecimentos físicos das propriedades elétricas.

Cada sistema de medição ou instrumento possui os dispositivos básicos ilustrados no diagrama de blocos da figura a seguir e definidos logo abaixo.

Fig. 3.2 - Diagrama de bloco do sistema de medição.

a) ELEMENTO PRIMÁRIO - Responsável por criar as condições da medição da variável pelo sensor. Na figura é representado por uma placa de orifício.

b) DETECTOR - Detecta a variável monitorada e converte a magnitude do parâmetro para um sinal mecânico ou elétrico.

c) CONVERSOR (Transdutor ) - Converte o sinal de saída do detector para um sinal que pode ser usado pelos elementos de controle do processo. Se o sinal do detector poder ser usado diretamente, não é necessário o transdutor.

d) AMPLIFICADOR - Aumenta a magnitude do sinal da variável detectada.

e) INDICADOR - Mostra o valor (sinal) medido da variável do processo.

Em muitos sistemas de medição as funções de medição (sensoras), de conversão ou amplificação, são estreitamente acopladas, de maneira que são especificadas como um todo, conforme foi demonstrado, na subunidade que estudamos normalização, em vez de individualmente, como vamos estudar.

As diversidades de produtos encontrados no mercado possibilitam ao usuário dispor de dispositivos que utilizam combinações técnicas operacionais que satisfaçam requisitos específicos de determinados processos. O tipo de instrumento ou sistema de medição a ser empregado depende das variáveis a serem controladas ou medidas e da rapidez e precisão requerida.

113

AUT

Com o emprego de complexo centro computadorizado de acionamento (CCM) e controle de processos (sistema supervisório), inclusive nos navios, é necessário que, para cada aplicação, deva haver uma compreensão clara e concisa da função de cada instrumento e de suas limitações. É essencial que sejam conhecidas à teoria , a operação funcional e as interações entre os componentes do processo a ser medido ou controlado.

A utilidade de um instrumento em qualquer sistema de medição e controle depende de sua capacidade de ativar um dispositivo de controle e da segurança que apresenta para reproduzir a ativação do controle

Tanto a precisão como a segurança de um instrumento dependem da sua construção e da capacidade de manter a sua calibração. Um instrumento descalibrado significa um conjunto de medidas casuais, e não um verdadeiro dispositivo de medição. Por estas razões é que existem os padrões de calibração de instrumentos, assunto estudado em curso específico para instrumentistas.

3.2 TERMINOLOGIA TÉCNICA DA INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRI AL

A terminologia empregada é padronizada, a fim de que os fabricantes, os usuários e os organismos ou entidades que atuam no campo da instrumentação industrial empreguem a mesma linguagem. A Scientific Apparatus Makers Association (SAMA), pela sua norma PMC 20, define os termos relacionados e ilustrados na figura a seguir.

Fig. 3.3 - Terminologia técnica dos instrumentos de controle.

1) Faixa de medida, Alcance (Range) – É a região existente entre os limites superiores e inferiores da capacidade de medida do instrumento nos quais mostra o conjunto de valores da variável medida. É expresso, mostrando os valores extremos. Na figura 3.3, temos

como exemplo: range = 100 - 300 °°°°C.

2) Amplitude (span) – É a diferença algébrica entre os valores superiores e inferiores da faixa

de medida do instrumento. No exemplo da figura citada, seu valor é 200°°°°C.

114

3) Variável Medida (Measured Variable) – É o termo utilizado para descrever a quantidade, propriedade ou condições medida. Observa-se, que nos instrumentos a escala nem sempre começa com o valor zero da variável medida., por esse motivo, temos escala de zero suprimido e escala de zero elevado.

4) Escala de Zero Suprimido (Suppressed Zero ) – É uma escala na qual o valor de zero da variável medida é menor que o valor inferior do alcance (Range).

5) Escala de Zero Elevado ( Elevated Zero) - É uma escala na qual o valor de zero da variável medida é maior que o valor inferior do alcance (Range).

6) Erro (erro) – É a diferença algébrica entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento e o valor real da variável medida. Devido as características dos processos devemos considerar 3 tipos de erros:

� Erro estático , ocorre quando o processo está em condições de regime permanente;

� erro dinâmico , existi em maior ou menor grau quando as condições do processo forem dinâmicas.

Em condições dinâmicas, o erro varia consideravelmente porque os instrumentos têm características comuns aos sistemas físicos, ou seja, ao absorver a energia do processo, o instrumento requer um certo tempo para transmitir a variável medida, isto provoca um atraso na leitura do medidor. O erro dinâmico é o resultado da diferença entre o valor instantâneo da variável e o indicado pelo instrumento. O seu valor depende do tipo de fluido do processo, de sua velocidade, do elemento primário (sensor), dos meios de proteção, etc.

� O erro médio do instrumento é a média aritmética dos erros em cada ponto medido, e determinada por todos os valores crescentes e decrescentes da variável medida.

7) Precisão (accuracy) – Por definição, o sinal de saída de um instrumento é comparado a um valor padrão para se determinar se ele está funcionando da maneira requerida. Portanto, “precisão” significa PRECISÃO DE REFERÊNCIA.

� Precisão de referência é a tolerância da medida ou de transmissão do instrumento e define os limites que os erros não devem exceder, quando o instrumento é empregado em condições normais de serviço.

� Há várias formas para expressar a precisão, tomando como referência a figura 3.3 teremos os seguintes valores:

a) Em x % da Amplitude ( Span.)

Exemplo: para uma leitura de 150°C e uma precisão de ± 0,5 %, o valor real da temperatura

estará compreendido entre 150 ± 0,5 % x 200/100 = 150 ± 1, ou seja, podendo ser 149 °°°°C ou 151°°°°C.

b) Diretamente em unidade da variável medida.

Exemplo : Precisão de ± 1°C.

c) Em x % da leitura efetuada.

Exemplo : Precisão de ± 1% de 150°C, ou seja ± 1,5°C.

d) Em x % do valor máximo da faixa de medida (Ranger).

Exemplo: Precisão de ± 0,5 % de 300°C, ou seja, = ± 1,5°C.

115

AUT

e) Em x % do comprimento da escala.

Exemplo : Se o comprimento da escala do instrumento da figura 3.3 é 150 mm, a precisão de ±

0,5 % representará ± 0,75 mm da escala.

A precisão varia em cada ponto da faixa de medida do instrumento, por mais que o fabricante especifique em um todo. Algumas vezes é indicado seu valor em uma zona da escala

Exemplo : Um manômetro pode ter uma precisão de ± 1 % em toda a escala e de ± 0,5 % na zona central.

Quando se deseja obter a máxima precisão do instrumento em um ponto determinado da escala, pode-se calibrar unicamente para este ponto de trabalho, sem considerar os valores restantes da faixa de medida

Exemplo: Um termômetro de 0-150°C e de ± 1 % de precisão situado em um plano de

temperatura constante a 80° C, pode ser calibrado a este valor, de modo que a sua precisão neste ponto de trabalho é a máxima que se pode obter com um termômetro padrão.

Muitas das vezes há uma diferença entre os valores de precisão de um instrumento definido pela calibração do fabricante e da calibração de inspeção dos instrumentos dos usuários. Essa diferença é uma margem de segurança para compensar os erros de apreciação das pessoas que efetuam a calibração, das diferentes precisões dos instrumentos de medidas utilizados. As possíveis alterações se devem ao deslocamento do instrumento de um ponto ao outro, dos efeitos ambientais e do envelhecimento

Exemplo: Um instrumento que na fábrica tem uma precisão de calibração de ± 0,8 %, e na

inspeção corresponde a ± 0,9 % é fornecido ao usuário ± 1 %.

8) Zona morta ou banda morta (dead zone ou dead band) – É a faixa de valores da variável que não provoca variação da indicação ou sinal de saída do instrumento, ou seja, que não produz uma resposta. É dado em tantos porcento (x %) da amplitude.

Para se determinar à banda morta de um instrumento, procede-se da seguinte maneira: aumenta-se lentamente o sinal de entrada do instrumento até que se observe uma mudança na saída, e registra-se esse valor; diminui-se lentamente o sinal de entrada até que se observe novamente uma mudança no sinal de saída, registra-se esse novo valor. A diferença entre esses dois valores é a banda mort a. Essa medição deve ser feita várias vezes para se ter à garantia de que foi determinado um valor correto, assim como se deve fazê-lo em vários pontos para se obter a banda morta máxima

Exemplo: O instrumento da figura 3.3 é de ± 0,1 %. Aplicando-se a equação, o valor calculado,

em graus, é: 0,1 x 200/100 = ± 0,2 °C.

9) Sensibilidade ( sensitivity ) – É a razão entre a mudança na magnitude de saída e a mudança do sinal de entrada da variável medida. É uma relação que determina quanto deve mudar a variável de entrada para produzir alguma mudança na magnitude de saída, depois de ter alcançado o estado de repouso. É dada em x % da amplitude. Não se deve confundir a sensibilidade com a zona morta, são termos distintos.

Exemplo: Se a sensibilidade do instrumento de temperatura da figura 3.3 é de ± 0,05 %, seu

valor será de 0,05 x 200/100 = ± 0,1 °C.

116

10) Repetibilidade ( repeatibility ) – É a capacidade de reprodução das posições do ponteiro ou índice do instrumento ao medir repetidamente valores idênticos da variável nas mesmas condições de serviço e no mesmo sentido de variação, percorrendo toda a faixa. Normalmente se considera seu valor máximo (Repetibilidade máxima) em x % da amplitude (SPAN).

Fig. 3.4 - Gráfico de repetibilidade

11) Histereses ( histeresis ) – É a diferença máxima que se observa nos valores indicados pelo índice ou pelo ponteiro do instrumento para o mesmo valor, qualquer que seja a faixa de medida, quando a variável percorre toda a escala nos dois sentidos, ascendente e descendente. Expressa-se em x % da amplitude.

Exemplo: No instrumento da figura 3.3 é de ± 0,3 %, então, seu valor será de:

± 0,3 de 200°C = ± 0,6°C.

3.2.1 Segurança Intrínseca

É uma das técnicas de proteção que podem ser empregadas em equipamentos elétricos utilizados em áreas classificadas. O objetivo é assegurar que o equipamento elétrico não se constitua em uma possível fonte de ignição de uma atmosfera potencialmente explosiva, presente na planta. Em outras palavras:

“O objetivo é limitar a energia, nos circuitos do equipamento elétrico, em níveis tais que, mesmo na ocorrência de centelhamentos, a energia disponível na centelha não é suficiente para causar a ignição de uma atmosfera explosiva.” Giovanni Hummel Borges , 1999.

As principais técnicas empregadas são:

a) invólucro à prova de explosão;

b) emprego de materiais com isolamento reforçado, distância de isolação e escoamento; e

c) manter equipamentos pressurizados com ar limpo ou gás inerte.

Conforme norma do IEC (Comissão Internacional de Eletrotécnica), as simbologias empregadas são:

Ex ib – que se refere aos produtos projetados para garantir a segurança intrínseca, mesmo na ocorrência de uma falha qualquer. Ex ia – que se refere aos produtos projetados para garantir a segurança intrínseca, mesmo na ocorrência de duas falha quaisquer.

Os peritos advertem que não adianta o emprego de equipamentos associados e dispositivos de campo certificados, se não forem observados os critérios normalizados de

117

AUT

interconexão, principalmente o tipo de cabo empregado, a disposição das malhas existentes por uma mesma bandeja e por um mesmo cabo multipolar.

3.2.2 Unidades Fundamentais.

Diversos trabalhos científicos e de engenharia são baseados nas medições exatas das quantidades físicas. A medição é simplesmente uma comparação com uma quantidade definida por um padrão de medidas de dimensões chamada de “unidade de medida”.

Compete ao Bureau Internacional de Pesos e Medida, estabelecido em Paris, e fundado em 1875, tratar dos acordos internacionais sobre padrões de medida a ser adotado. As quantidades físicas, segundo o sistema internacional S.I. (Le Système Internationaal d´Únités ” podem ser expressas pelas seguintes unidades fundamentais:

GRANDEZAS UNIDADE SÍMBOLO

a) Comprimento Metro m

b) Massa Quilograma kg

c) Tempo Segundo s

d) Corrente Elétrica Ampère A

e) Temperatura Termodinâmica Kelvin K

f) Quantidade de Substância Mol mol

g) Intensidade Luminosa Candela cd

TABELA 3.1 – UNIDADES FUNDAMENTAIS

As outras unidades de medidas físicas são derivadas dessas unidades. Exemplo:

a) A área é o produto de dois comprimentos (m²);

b) O volume é o produto de três comprimentos (m³);

c) A velocidade é a razão da distância pelo tempo (m/s).

Os outros sistemas de unidades de medidas utilizados são:

1) Sistema MKS – ( metro, quilograma e segundos);

2) Sistema CGC – (centímetro, grama e segundo);

3) Sistema BTU (inglês) – (foot, pound e second) ou (inches, psi e second).

Devido à dificuldade de se expressar propriedades físicas que demandam números muito grandes a 14ª Conferência Geral sobre Pesos e Medidas, recomendou adotar por conveniência os prefixos mostrados na TABELA 3.2.

PREFIXO FATOR SÍMBOLO PREFIXO FATOR SÍMBOLO

Deca- 101 da Deci- 10-1 d

Hecto- 10² h Centi- 10-² c

Kilo- 103 k Milli- 10-3 m

Mega- 106 M Micro- 10-6 µ

118

Giga- 109 G Nano- 10-9 n

Tera- 1012 T Pico- 10-12 p

Peta- 1015 P Femto- 10-15 f

Exa- 1018 E Atto- 10-18 a

TABELA 3.2 – PREFIXOS DO SISTEMA MÉTRICO

A existência de diferentes conjuntos fundamentais de unidades de medição contribui para uma considerável confusão em muitos cálculos. O padrão internacional adotado no Brasil pela ANBT é o sistema MKS. Porém, devido o poder econômico da Inglaterra e dos E.U., o sistema Inglês ainda é muito usado por fabricantes. Por esse motivo, elaboramos a TABELA 3.3, com a finalidade de facilitar a conversão de unidades.

COMPRIMENTO

UNIDADES cm. m. Km. in. ft.

1 centímetro

1 metro

1 quilômetro

1 polegada in

1 pé (ft.)

1

100

105

2,540

30,48

10-2

1

1000

2,54 x 10-2

0,3048

10-5

10-3

1

2,54 x 10-5

3,048 x 10-4

0,3937

39,37

3,937 x104

1

12

3,281 x 10-2

3,281

3.281

8,333 x 10-2

1 milha marítima = 1.852 metros = 1,1508 milhas terrestres = 6.076,10 ft

TABELA 3.3 – CONVERSÃO DE UNIDADES COMUNS DE COMPRIMENTRO

O padrão de massa do SI é um cilindro feito com uma liga de platina iridiada, guardado no Bureau Internacional de Pesos e Medida, próximo de Paris, e designado, por acordo internacional, como sendo a massa de um quilograma. Existe uma reprodução fiel desse padrão de massa nos E.U.A. denominado de “quilograma padrão n.º 20 ”.

MASSA

UNIDADES gm. kg . oz . lb .

1 grama 1 qu i lograma 1 onça 1 l ib ra

1 1000 28,35 453,6

0 ,001 1 2 ,835 x 10-2

0,4536

3,527 x 10-2

35,27 1 16

2 ,205 x 10-3 2 ,205 6,250 x 10-2

1

TABELA 3.4 – CONVERSÃO DE UNIDADES COMUNS DE MASSA

TEMPO

UNIDADES dia h. Min. sec.

1 dia

1 hora

1 minuto

1 segundo

1

4,167 x 10-2

6,944 x 10-4

1,157 x 10-5

24

1

1,667 x10-2

2,778 x 10-4

1440

60

1

1,667 x 10-2

8,640 x 104

3600

60

1

TABELA 3.5 - CONVERSÃO DE UNIDADES COMUNS DE TEMPO

119

AUT

3.3 MEDIDORES DE PRESSÃO


- Compreender o funcionamento dos medidores de pressã o;

- Entender os fundamentos técnicos da instrumentação de controle de pressão; e

- Reconhecer as características dos instrumentos indi cadores e sensores de pressão.

A medição da pressão ou vácuo é muito importante a bordo dos navios e na indústria de um modo geral. Pois na maioria das vezes o controle pela medição da pressão é muito mais eficiente do que pela medição da temperatura. Em alguns processos, uma mudança de meio grau de temperatura poderá causar uma mudança muito grande na pressão de fluido.

Há uma infinidade de aplicação dos medidores de pressão. Entre essas podemos citar:

a) processo moderno de síntese no campo da química e dos plásticos, que operam sobre pressões extremamente elevadas;

b) eletrodeposição de metais, que é feita sobre alto vácuo;

c) processos na indústria de alimentação, que operam sobre pressões elevadas para reduzir o tempo de cozimento;

d) evaporadores, que são mais eficientes quando trabalham sob condições de alto vácuo;

e) processos de lançamento de foguetes e mísseis, que exigem medições de pressão e vácuo;

f) torres de destilação, que exigem medição e controle de pressão absoluta com valores exatos;

g) nos navios; temos medição da pressão da caldeira, vácuo das bombas, pressão de injeção de combustível, pressão do ar de lavagem, pressão de óleo lubrificante dos motores; etc.

Os princípios usados na medição de pressão também são aplicados em medições de temperatura, vazão e nível de líquido. Normalmente, o que o instrumento detecta e indica é a pressão diferencial , que é de grande interesse numa variedade de controle e monitoramento de processos. No entanto, esses instrumentos podem também ser empregado para deduzir os valores de outras variáveis associadas a gases e líquidos, como é o caso de medidores de vazão (fluxo), os quais serão estudados mais adiante.

No estudo dos medidores e sensores das variáveis físicas dos processos industriais, é essencial conhecermos:

1) os princípios físicos que o instrumento foi concebido;

2) os princípios gerais de operação;

3) os tipos de instrumentos;

4) os princípios de instalação;

5) como os instrumentos devem ser mantidos para se obter o melhor desempenho; e

6) como são calibrados.

120

3.3.1 Definição de Pressão

Quando um objeto esta em contato com outro, pode-se dizer que o primeiro exerce uma pressão sobre o segundo. Então, a pressão é simplesmente a aplicação de força a algo, por outra coisa que esta em contato direto com esse algo. Essa relação pode ser equacionada da seguinte forma:

A força devido a pressão sobre uma superfície é igual à pressão multiplicada pela área superficial.

F = P x A Onde: F = força; P = pressão; e A = área

Exemplos: nas figuras a seguir podemos observar a pressão, melhor dizendo, a força exercida.

Fig. 3.5 - Pressão do lápis sobre a mesa

Fig. 3.6 - Pressão exercida por pancadas sobre uma chapa de chumbo

Fig. 3.7 - Pressão do fluido nas paredes do

vaso do Carneiro Hidráulico

Com esse entendimento, podemos dizer de forma simples que:

� a pressão é uma quantidade derivada da unidade de força; e

� Pressão é uma força exercida sobre uma dada área.

Antes de se definir pressão em termos mais exatos é necessário rever o conceito de força.

A Primeira Lei de Movimento de Newton estabelece que:

Todo corpo permanece em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em linha reta, salvo que seja obrigado a mudar o dito estado por forças exercidas sobre ele.

Em outras palavras, um corpo em repouso permanece em repouso e um corpo em movimento permanece em movimento a uma velocidade constante, salvo que algo lhe influencie. Esse “algo” é a força .

Força é toda causa capaz de produzir ou modificar o estado de movimento ou de repouso dos corpos ou de lhes alterar a forma. Observe as figuras a seguir.

121

AUT

Força do vento (energia

eólica)

Força da água na barragem

Força do ar

Força do fluido

Fig. 3.8 - Tipos de forças

A pressão é medida em unidades de força por unidades de área. Essa força pode estar aplicada a um ponto de uma superfície ou distribuída sobre a mesma.

A figura a seguir ilustra essa teoria.

Fig. 3.9 - Definição da Pressão

Unidades da Pressão

Provavelmente você já estudou as unidades de pressão, mas, vamos relembrar. No Sistema Internacional (S.I.) é recomendado que seja empregada Pascal (Pa) ou Newton (N).

Na prática das atividades tecnológicas outras unidades são utilizadas, sendo as principais especificadas na tabela a seguir, tomando-se como base a pressão atmosférica normal ao nível do mar na temperatura de 0º C.:

UNIDADES SIMBOLOGIA RELAÇÕES

Newton por metro quadrado N/m2

Pascal Pa 1 Pa = 1 N/m²

Bar bar 1 bar = 10 5 N/m2

Kilograma força kgf/cm² 1 kgf/cm² = 14,2 libra/pol²

122

Atmosfera atm 1 atm = 1,01 x 105 N/m²

1 atm ≅ 1 kgf/cm²

1 atm = 760 mmHg.

Milímetro de mercúrio mmHg 1 mmHg = 133 N/m²

Centímetro de mercúrio cmHg 1 cmHg = 1,033 N/m²

Pressão com relação aos líquidos (hidrostática)

O Princípio de Stevin é considerado o Princípio Fundamental da Hidrostática , e define que:

“A diferença de pressão entre dois pontos do mesmo líquido é igual ao produto da massa específica (também chamada de densidade) pelo módulo da aceleração da gravidade local e pela diferença de profundidade entre os pontos considerados”.

A figura a seguir ilustra a medição da pressão diferencial de um fluido com um tubo em U a partir da equação de Stevin. Quando estudarmos os medidores de vazão veremos que a densidade também tem como símbolo a letra grega ρ.

Fig. 3.10 - Diferencial de Pressão nos líquidos

A partir do princípio de Stevin pode-se concluir que:

• Pontos situados em um mesmo líquido e na mesma horizontal ficam sujeitos a mesma pressão;

• a pressão aumenta com o aumento da profundidade; e • a superfície livre dos líquidos em equilíbrio é horizontal.

Antes de prosseguirmos, lembramos que é importante que você faça uma revisão sobre o estudo da pressão no ponto de vista da física clássica da hidrostática.

3.3.2 Escala de Pressão

As medidas de pressão estendem-se desde valores muito baixos, que são considerados vácuos, até milhares de toneladas. A figura a seguir, mostra a relação de diversos tipos de pressão e as respectivas faixas de medição (escalas).

São três as escalas para a medição da pressão:

1. Escala de pressão manométrica , onde o ponto zero é a pressão atmosférica;

2. Escala de pressão absoluta , onde o ponto zero corresponde ao ponto zero absoluto; e

123

AUT

3. Escala de vácuo , onde se ponto zero corresponde ao ponto de pressão atmosférica e o ponto máximo no ponto do zero absoluto. Ou seja, a escala de vácuo é usada para indicar pressão manométrica negativa.

A diferença entre a escala de pressão manométrica e a escala absoluta é a localização do ponto zero.

Fig. 3.11 - Escalas de pressão e instrumento de medição

As medidas de pressão estendem-se desde valores muito baixos, que são considerados vácuos, até milhares de toneladas. A seguir, serão definidas as principais escalas de pressão

Pressão Atmosférica

A Terra é circundada por uma camada de ar com cerca de 80 Km de altura ou mais. Como o ar tem peso, exerce sobre cada cm². de área da Terra uma certa pressão. Esta pressão é chamada pressão atmosférica e é medida em um barômetro.

Mas a camada de ar está em constante movimentação e durante as horas do dia está sujeita a temperaturas diferentes. Vento e correntes provocam acumulação da massa de ar em certas partes, rarefazendo a atmosfera em outras partes. Além disso, quando subimos numa montanha, a espessura da camada sobre nós é menor que a espessura que temos quando estamos ao nível do mar. Daí, concluímos que:

a pressão atmosférica não é constante. Varia com a temperatura, com a altitude, com o vento, etc.

Realmente, pesquisas científicas mostraram que para cada 100 m de altitude que subimos acima do nível do mar a temperatura desce 0,65°C e a pressão cai, aproximadamente, segundo a fórmula:

P = P0 (1 – 0,00002254 * h) 5,256 h = altitude em metro P0 = pressão atmosférica ao nível do mar.

A partir de 11.000 m, outros fatores começam a influir, de forma que podemos esperar variações diferentes daquelas experimentadas nas altitudes mais baixas.

A pressão atmosférica é a pressão exercida por uma coluna de ar de altura igual à espessura da camada sobre a superfície de 1 cm² ao nível do mar. Equivale a 1, 033 N/cm², aproximadamente 760 mmHg.

124

Pressões Absoluta

Subtende-se por pressão absoluta a pressão total ou efetiva de um fluido, ou seja, é a soma das pressões relativas e atmosféricas.

Pressão Manométrica ou Relativa

É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência, ou seja, é a pressão indicada por um manômetro.

MANÔMETRO (Gr. manós , pouco denso + métron , medida), é o nome genérico dos instrumentos ou dispositivos medidores de pressão. Estes podem ser mecânicos, eletromecânicos, elétricos ou eletrônicos.

A figura a seguir ilustra um instrumento indicador de pressão.

Fig. 3.12 - Manômetro de mostrador redondo com 3 escalas.

É importante compreender que os manômetros são calibrados para ler zero de pressão atmosférica e que esses instrumentos não medem a pressão total ou efetiva do fluido num reservatório ou numa tubulação; o que eles medem é a diferença de pressão entre a pressão total do fluido e a pressão atmosférica .

No processo de medição da pressão, freqüentemente utilizam-se termos como medidor, sensor, transdutor e transmissor de pressões.

O termo medidor de pressão refere-se usualmente a um indicador que converte a pressão detectada, num movimento mecânico de um ponteiro.

Um transdutor de pressão pode combinar o elemento primário de um medidor com um conversor mecânico/eléctrico ou mecânico/pneumático e um fornecimento de potência.

Um transmissor de pressão é um “pacote” padronizado (estandardizado) de medição de pressão que consiste em três componentes básicos: um transdutor, seu fornecimento de potência e um condicionador/retransmissor de sinal que converte o sinal do transdutor numa saída (output) padronizada. Ele podem usar sinais pneumáticos (3-15 psig), elétricos (4-20mA) ou ainda eletrônicos digitais (1-5v).

A bordo dos navios são encontrados nas descargas das bombas, em trechos das tubulações, nas caldeiras, nos compressores, purificadores, destiladores, tanques hidróforos, reservatório de ar comprimido, nos motores e etc.

Para determinar a pressão absoluta do fluido no reservatório, quando a pressão do fluido é maior que a pressão atmosférica, adiciona-se a pressão atmosférica à pressão manométrica: Pabs = Patm + Pman

125

AUT

E quando a pressão do fluido é menor que a pressão atmosférica, a pressão absoluta do fluido é determinada, subtraindo o valor de pressão negativa (vácuo) da pressão atmosférica: Pabs = Patm - Pman

Pressão Negativa ou Vácuo

É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. O instrumento que indica a pressão negativa é denominado de vacuômetro .

Nos navios, normalmente, é instalado no lado de aspiração das bombas um instrumento que pode indicar tanto pressão negativa como positiva, denominado de manovacuômetro.

A medição nesta condição, em geral, é difícil e por vezes sujeitas a grandes erros. Excluindo os vacuômetros de mercúrio e os mecânicos todos os outros tipos respondem de maneira diferente na medição de vários gases e vapores, e o valor determinado vai depender da pressão e da composição química da atmosfera residual.

Medições, entre 10-1 e 10-3 mbar., podem ser feitas com relativa precisão. Abaixo de 10-4 mbar as determinações são mais difíceis, visto que as medidas são feitas diretamente, sendo neste caso, necessário proceder à calibração dos aparelhos por comparação com vacuômetros padrão, em geral, o tipo «McLeod».

Mesmo entre 10-1 e 10-3 é difícil fazer medidas com precisão. Felizmente na maioria das aplicações basta uma indicação aproximada da pressão.

Fig. 3.13 - Um Manovacuômetro com mostrador redondo

Pressão Diferencial

É a diferença entre duas pressões, sendo representada pelo símbolo ∆∆PP (delta P). Essa diferença de pressão também é utilizada para medir vazão, e nível.

Pressão Estática

É o peso exercido por um líquido em repouso, ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso, por unidade de área exercida.

Pressão Dinâmica ou Cinética

É a pressão exercida por um fluido em movimento. Ela é medida montando o elemento primário de tal forma que receba o impacto do fluido.

126

3.3.3 Classificação dos Instrumentos Medidores de P ressão

Existe uma variedade muito grande de instrumentos medidores de pressão que, como já falamos, em termo de automação são classificados em função do elemento sensor primário, o qual, por sua vez pode fornecer uma leitura direta ou indireta.

Depois da Segunda Guerra Mundial, os sensores de pressão passaram de um elemento defletor mecanicamente acoplado a um dispositivo de leitura (denominado de analógico) para um sensor de estado sólido com saída de sinal digital. Desta forma, nos dias atuais, os medidores de pressão são classificados, em função do elemento indicador , em dois grandes grupos: analógicos e digitais.

Dependendo da forma como opera o elemento sensor, os medidores de pressão podem ser mecânicos, eletromecânicos, elétricos, eletrônicos digitais, inteligentes, etc..

Fig. 3.14 - Manômetro com mostrador analógico.

Fig. 3.15 - Manômetro com mostrador digital.

Os mecânicos podem ser classificados em dois grupos:

1) O primeiro grupo inclui aqueles em que a medida da pressão é feita, equilibrando-se uma força desconhecida contra uma força conhecida.

2) O segundo grupo inclui os que empregam uma deformação quantitativa de uma membrana elástica

Os instrumentos eletromecânicos normalmente dependem de uma mudança física que possa ser detectada, indicada ou registrada eletronicamente.

Em geral, os sensores empregados estão sujeitos a deslocamentos ou deformações mecânicas provocadas pelas forças exercidas das duas pressões monitoradas, principalmente nos instrumentos de pressão diferencial. Ao movimento opõem-se forças restauradoras – criadas, por exemplo, pelas propriedades elásticas do sensor, por molas externas, ou pela gravidade.

Por mais popular que seja o manômetro analógico, os dispositivos eletrônicos digitais vem tendo grande aceitação e a cada dia que passa maiores são suas aplicações.

127

AUT

Isto se deve à necessidade de processamento automático de dados e às características desses novos instrumentos: rápidos, versáteis, precisos, inteligentes e mais econômicos que os analógicos.

A escolha do sensor ou indicador de pressão depende das seguintes especificações:

a) pressão de trabalho;

b) fidelidade;

c) alcance normal e valor máximo (span e range);

d) resposta de frequência;

e) vida útil;

f) estabilidade;

g) material de construção;

h) meio onde vai trabalhar, etc..

Fig. 3.16 - Medidor digital e sensor de pressão.

3.3.4 Manômetro de Coluna Líquida.

Equilibrando-se uma força ou uma pressão desconhecida contra uma força conhecida, podem ser feitas medidas de pressão com manômetros de coluna líquida, de diafragma flácido, de campânula e de pistão. São os mais simples e mais baratos medidores de pressão.

A expressão empregada para calcular o valor da pressão é: P = Patm – h

O funcionamento do manômetro de coluna líquida baseia-se no princípio de que:

“a pressão hidrostática exercida por um líquido na parte inferior de uma coluna é diretamente proporcional à altura do líquido da coluna”.

Fig. 3.17 - Manômetro de tubo em U

Fig. 3.18 - Manômetro de tubo em U – medição de pressão diferencial

Funcionamento : O manômetro mostrado na figura 3.17 é constituído por um tubo com formato em “U” com ambas extremidades abertas, com as colunas líquidas cheias de um líquido específico e possuindo uma escala graduada em milímetro de Hg. Verifica-se que, quando suas extremidades estiverem em contato com a atmosfera, a altura das duas colunas será a mesma e teremos indicado na escala o valor zero.

128

Por outro lado, na figura 3.18 , se o ramo do lado direito do tubo estiver ligado a um equipamento com uma determinada pressão (pressão manométrica ), haverá um deslocamento da coluna, exemplificada como de valor quatro (4), correspondente a uma pressão acima da pressão atmosférica de 8 milímetro de Hg.

Fig. 3.19 - Manômetro de tubo em U – para

medição de pressão absoluta.

Os instrumentos antigos empregavam como líquido o mercúrio, porém devido suas características nocivas aos seres humanos não é mais utilizado, foi substituído por água colorida, líquidos orgânicos (densidade inferior à água) e composto de bromo (densidade superior a da água). O líquido e a densidade escolhidos dependem da faixa (range) exigida pelo processo. Quando o líquido do manômetro é a água, o manômetro é usado para baixas pressões.

A tabela a seguir indica as características dos principais líquidos empregados.

LÍQUIDO SÍMBOLO PESO

ESPECÍFICO PONTO DE EBULIÇÃO COR

Água H2O 1,0 100 °C Avermelhada com metil orange

Mercúrio Hg 13,59 357 °C Vermelho

Tetra-cloreto de carbono

CC 14 1,594 76 °C Arroxeada com iodo

Álcool etílico C2 H5 OH 0,794 78 °C Azul

Tetra-cloreto de acetileno

(CHBr2)2 2,95 240 °C Azul

Tabela 3.6 – Líquidos Manométricos.

Em certas aplicações, é necessário levar em conta os efeitos da temperatura na densidade do fluído (ou dos fluídos - podem ser usados fluídos de densidade diferente em cada braço do tubo).

Assim, a densidade (d) em cada temperatura T pode ser determinada por:

d0 d =

1 + ß (T - T0)

Exemplo: a densidade do mercúrio varia com a temperatura conforme mostrado a seguir.

0° C ---------------------------- = 13,595;

15° C ----------------------------- = 13,558;

20° C ----------------------------- = 13,546.

3.3.5 Manômetro de Tubo em “L” Inclinado.

O manômetro de tubo em “L” inclinado é similar ao de tubo em “U”, exceto um dos ramos, que é inclinado em uma posição quase horizontal. Essa construção possibilita que a

129

AUT

mínima diferença ou mudança de pressão do fluido no outro ramo provoque uma mudança muito grande no nível da coluna líquida do manômetro.

Fig. 3.20 - Manômetro em “L” inclinado

h = L Sen αααα

P2 - P1 = D L S αααα

A1 P2 - P1 = d (1 + -------- ) L Sen αααα

A2

Na figura acima, observamos que uma pequena diferença no nível de mercúrio, no tubo vertical de grande área (A2), apresenta uma grande mudança na posição do mercúrio no tubo inclinado de pequena área (A1).

A distância que o mercúrio percorre no tubo inclinado é igual à altura do líquido no ramo vertical multiplicado pela cossecante do ângulo que o tubo inclinado faz com a horizontal

O ponto de maior pressão é ligado ao ramo vertical e o de menor pressão, ou vácuo, ao ramo inclinado. Para medir pressão muito baixa, geralmente, utiliza-se um líquido mais leve que a água. A escala pode ser graduada em ¼ de milímetro, o que permite leituras exatas ao décimo de milímetro e a leitura é praticamente direta.

Estes tipos de manômetros são usados, na maioria dos casos, para determinar as pressões diferenciais muito baixas na tiragem de caldeiras, pressões estáticas em sistemas de ar condicionado e pressões em fornalhas.

3.3.6 Barômetro

O barômetro é um tipo especial de manômetro que permite medir a pressão atmosférica, por isso é muito empregado na meteorologia.

Quem pela primeira vez empregou um dispositivo para medir a pressão atmosférica foi Torricelli e seu instrumento é conhecido como Tubo de Torricelli

Além de medir a pressão atmosférica, o barômetro também serve indiretamente, para:

a) Previsão do tempo – Ao nível do mar, a pressão atmosférica no mesmo instante, geralmente, não tem o mesmo valor nos diferentes lugares. Por outro lado, a observação da indicação de um barômetro mostra que “num dado lugar, a pressão atmosférica varia mais ou menos rapidamente de uma hora para outra.” Em geral verificam-se certas coincidências entre os períodos de altas pressões e o bom tempo, de um lado, e de baixas pressões e mau tempo de outro lado. Além disso, as variações de pressão, altas ou baixas, precedem freqüentemente de algumas horas as variações do tempo.

130

b) Medição da altitude – Quem, pela primeira vez, estabeleceu um pensamento sobre a possibilidade do barômetro servir para medir a altitude foi o francês Blaiser Pascal . Ele definiu que: “Se a coluna de mercúrio no barômetro era sustentada pela pressão do ar, então a sua altura no cume das montanhas devia ser menor qu e na base, visto a pressão do ar ser lá naturalmente menor.” Em 1648, a pedido de Pascal, Du Perier subiu uma montanha e fez esta experiência, comprovando a teoria. Assim, acima do nível médio do mar, a pressão atmosférica diminui, pois, quanto mais alto é um ponto, menos quantidade de ar pesa sobre ele. Esta diminuição de pressão com a altitude é sensivelmente constante até algumas centenas de metros.

Fig. 3.21 - Experiência de

Pascal.

3 . 3 .6 . 1 Bar ômet ro de C i s te rn a

É um tipo especial em “L”, como o mostrado na figura a seguir. O tubo de medida é lacrado na extremidade superior e esvaziado (para se obter vácuo) tanto quanto possível. A extremidade aberta é, então, inserida num recipiente com mercúrio. A pressão exercida na superfície do mercúrio o força a subir no tubo. A altura que o mercúrio alcança no tubo representa a pressão absoluta da atmosfera na hora e local de medição.

Fig. 3.22 - Barômetro de cisterna.

3 . 3 .6 . 2 Bar ômet ro Me t á l i co ou An e r ó id e .

O princípio desse instrumento foi descoberto por Vidi , e mede o valor da pressão atmosférica por simples leitura da posição de uma agulha sobre uma escala.

Fig. 3.23 - Barômetro metálico

Funcionamento: Constitui-se de uma caixa metálica, cilíndrica, de dentro da qual se extraiu o ar. A face superior dessa caixa é canelada circularmente para torná-la mais sensível e levanta-se ou baixa-se, conforme a pressão exterior diminui ou aumenta. Os deslocamentos da face superior da caixa são transmitidos a uma mola e ampliados por um sistema de alavanca que atua sobre uma agulha. Esta agulha desloca-se diante de uma graduação indicando a pressão.

131

AUT

3.3.7 Manômetros por Deformação Elástica (Mecânicos )

São três os principais tipos desses medidores:

a) diafragma não metálico e metálico;

b) fole; e

c) mola Bourdon.

Os manômetros mecânicos de maior aplicação na indústria fazem uso das deformações quantitativas de uma membrana elástica baseada no princípio da Lei de Hooke, a qual estabelece que:

“ As deformações são diretamente proporcionais às ten sões que as produzem ”, ou seja, a deflexão do elemento elástico e o movimento resultante são proporcionais à pressão aplicada.

De forma a ficar mais clara a nossa compreensão sobre a Lei de Hooke, tomamos um gráfico formado por dois eixos cartesianos, figura a seguir, o eixo vertical (k) representa a

tensão e o eixo horizontal (εεεε) representa a deformação, e como exemplo um ensaio de laboratório no material de um medidor tubo de Bourdon.

Verificávamos que o material apresentava duas fases distintas; a elástica (��) e a plástica ��, e com isso notávamos que a lei de Hooke só é valida até um certo limite que corresponde ao ponto "kp " chamado limite de proporcionalidade , que é definido como sendo o ponto para o qual a deformação deixa de ser proporcional ao esforço aplicado .

Fig. 3.24 - Gráfico Tensão X Deformação

da Lei de Hooke

Dentro da faixa de proporcionalidade (fase elástica) entre a tensão e a deformação o material também se comporta elasticamente ou seja, a deformação se origina pela aplicação da carga e apenas temporariamente, cessada a tensão o material volta a forma e dimensões originais. Este comportamento dos materiais permite estabelecer o limite de elasticidade que é a máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente.

A relação entre a força P que atua e a área S que resiste, é denominada de tensão “k”. E a relação entre o alongamento total ∆∆∆∆l e o comprimento inicial l, é o alongamento unitário εεεε.

Comparando os medidores por deformação elástica com os de coluna líquida, verifica-se que esses últimos, devido a sua fragilidade e dificuldade de manuseio, são mais utilizados em laboratórios, enquanto que os primeiros são os mais empregados na área industrial por serem robustos, pequenos, de operação simples, facilidades de transporte, facilidades de transformar o sinal detectado em sinal elétrico e sem grandes problemas de manutenção.

132

3 . 3 .7 . 1 Ma nôm et r o d e D i a f r agm a

O manômetro de diafragma é o melhor exemplo de medição de pressão por equilíbrio de força. São instrumentos sensíveis, usados em processos de baixa pressão não excedendo os 15 psi.

O diafragma pode ser liso, ondulado ou misto (normalmente é ondulado uma vez que assim aumenta o desvio sem reduzir a resistência).

O diafragma consiste num disco flexível, com área relativamente grande e com boa qualidade de vedação, instalado de tal maneira que sobre uma de suas superfícies possa ser aplicada à pressão do sinal da variável, a ser medida. A outra superfície fica submetida á pressão de referência (pressão atmosférica, vácuo, etc.).

Fig. 3.25 - Diafragma metálico

Fig. 3.26 - Transdutor de pressão capacitivo

O diafragma também é empregado como elemento sensor dos transdutores ou conversores de pressão elétricos ou pneumáticos, conforme ilustrado na figura ao lado.

Funcionamento: Ligado a uma das superfícies, temos um pequeno êmbolo ou, o mais comum, uma mola, calibrada de forma a cobrir uma determinada faixa de medidas, normalmente bastante baixa. Acoplado à mola ou ao êmbolo por meios mecânico, poderemos ter um ponteiro ou outro dispositivo que indique a deformação sofrida pelo diafragma. Devido à força produzida pela pressão aplicada, o diafragma se deforma.

A amplitude dessa deformação é transformada em medida de pressão pelo deslocamento do ponteiro em um dial com uma determinada escala, no caso do instrumento ser um indicador de pressão, ou é convertida em um sinal elétrico ou pneumático, se o instrumento atuar como sensor de pressão. È um instrumento empregado para medir pressões baixas.

TAREFA! (Um desafio para você) Faça a tradução dos termos em inglês da figura 3.26 – utilize um dicionário.

Os diafragmas utilizados são geralmente metálicos, e a flexibilidade é conseguida por meio de ondulações concêntricas em seu perfil. Os diafragmas podem ser montados isoladamente (figura 3.27) ou em conjunto com outros diafragmas (figura 3.28).

Na montagem em conjunto, montam-se dois diafragmas “boca com boca” e aplica-se a pressão no interior da câmara formada. Dessa maneira, consegue-se maior amplitude de movimento.

133

AUT

Fig. 3.27 - Manômetro de diafragma simples.

Fig. 3.28 - Manômetro de diafragma duplo

(cortesia Haenni).

3 . 3 .7 . 2 Ma nôm et r o d e Fo le

É também chamado de “sanfona” ou, em inglês, “Bellows”.

O fole é um tipo de sensor que consiste em um tubo metálico de paredes finas, fechado em uma de suas extremidades, que foi submetido à deformação permanente em seu perfil (inconsúteis), normalmente por meio de estiramento hidráulico ou por outros processos como: laminação e repuxamento. Essa deformação foi no sentido de produzir grandes variações no seu diâmetro ao longo do seu comprimento, dando ao tubo um formato “sanfonado”.

Fig. 3.29 - Manômetro de fole.

Os materiais usados na sua construção devem ser flexíveis, dúcteis e de boa resistência à fadiga. Os mais empregados são: latão, bronze, cobre-berílio, liga de níquel e cobre, aço e metal monel.

Se for aplicada uma pressão na extremidade aberta, o fole se expandirá axialmente ; cessada a ação da pressão, o fole volta à dimensão original. Essa deformação pode estar baseada apenas na elasticidade de seu material, ou pode ser modificada através de mola, semelhante ao medidor de diafragma.

O fole é muito utilizado nos transmissores de pressão pneumático ou como elemento sensor dos transdutores/conversores de pressão elétricos. Emprega-se para medir pressões não muito altas, aproximadamente 50 Kgf/cm2.

Tem a vantagem de oferecer uma amplitude de movimento maior que a dos diafragmas, porém é mais caro. As figuras a seguir mostram tipos de aplicação dos foles como elemento sensor de transdutores elétricos de pressão.

134

Fig. 3.30 - Transdutor de pressão magnético tipo variação de indutância - sensor de fole.

Funcionamento: Na figura ao lado, o movimento do fole força o núcleo de ferro magnético a mover-se ao longo do eixo das duas bobinas, montadas de topo entre si. As duas bobinas são conectadas em um circuito de ponte, de forma que, quando o núcleo de ferro estiver igualmente interno a cada bobina, não haverá voltagem indicada no voltímetro. Quando o núcleo de ferro estiver mais interno a uma bobina que a outra, o voltímetro indicará uma voltagem. Desta forma, a pressão que atua no fole e posiciona o núcleo de ferro é convertida em informação de voltagem.

Transdutor de Indutância

Quando uma corrente alternada flui através de uma bobina, pode ser induzida uma fem alternada numa bobina vizinha. Esse efeito é chamado de indução eletromagnética.

O valor da fem induzida depende da distância entre as duas bobinas e da quantidade de material magnético presente.

Fig. 3.31 - Transdutor de pressão tipo magnético de redutância - sensor de fole.

Fig. 3.32 - Transdutor de pressão tipo resistência - sensor de fole.

3 . 3 .7 . 3 Ma nôm et r o d e Bou rd on

Esse dispositivo de medição de pressão foi patenteado pelo engenheiro francês Eugène Bourdon , em 1852.

Tubo Bourdon Formato “C”:

O principal componente desse tipo de medidor é o Tubo (Mola) Bourdon . Esse tubo é fabricado pelo processo de deformação mecânica, em uma calandra, da seção original de um tubo metálico para uma forma achatada (oval) e do seu comprimento para um formato curvado conforme o original do tubo de Bourdon, formato de um "C" , figura 3.33, ou outras menos usadas, que são derivações do tubo de Bourdon, como a forma de uma espira (ver termômetro de Bourdon), a forma helicoidal ou dispositivos similares. Uma das extremidades do tubo

135

AUT

Bourdon é fechada e a outra é ligada ao local da pressão que se quer medir. Também pode ser utilizado como elemento sensor do transdutor de pressão elétrico.

Fig. 3.33 - Manômetro de Bourdon formato “C”.

Funcionamento: Se a pressão no interior do tubo for maior que a pressão exterior, haverá uma tendência de sua seção de forma achatada se aproximar da forma circular. Essa pequena deformação força a curvatura da “letra C” para fora, e o tubo faz um pequeno movimento no sentido de assumir uma forma mais reta. Se fixarmos uma das extremidades, a posição da outra extremidade passará a ser função da diferença entre as pressões internas e externas. Se a pressão externa for à pressão atmosférica, como acontece na maioria das aplicações, esse tubo comporta-se como um sensor de pressão manométrica.

O formato “C” é adequado para medir pressões altas, até 7.000 Kgf/cm2. Usualmente, a menor pressão que ele é mede é de 1 Kgf/cm2.

As outras variações do tubo de Bourdon, espiral ou helicoidal , buscam fazer com que a amplitude do sinal detectado seja maior. São empregados para pressões baixas.

As principais fontes de erro são: histerese mecânica do tubo, mudança de sensibilidade devido à temperatura, efeitos de atrito.

Fig. 3.34 - Tubo Bourdon helicoidal

3.3.8 Medidores e Sensores de Pressão Elétricos.

Normalmente, na medição elétrica, uma deformação causada por pressão é convertida em uma grandeza elétrica, em seguida amplificada e depois indicada em um mostrador e/ou enviada a um controlador. É necessário uma alimentação elétrica auxiliar, porém esses instrumentos são robustos, precisos e de grande velocidade de respostas. São muito utilizados como transdutores ou conversores de pressão.

Os mais comuns são: o transdutor indutivo, já estudado, calibre de tensão (Strain Gauge) e o Piezoresistivo, porém o Bourdon formato “C” também pode ser empregado como é demonstrado na figura a seguir.

136

Fig. 3.35 - Tubo Bourdon “C” aplicado como transdutor/conversor de sinal de pressão para sinal elétrico.

3 . 3 .8 . 1 Ca l i b re de Te ns ão

O calibre de tensão de resistência elétrica é um transdutor cujo funcionamento se baseia no princípio de que:

“ se uma peça de fio metálico é tracionada, não somen te se torna mais longa e mais estreita, como também sua resistência elétrica aumenta .”

Quanto maior o esforço sofrido pelo fio, tanto maior o aumento da resistência . A informação na forma de uma variação de comprimento é convertida na forma de uma variação de resistência.

A figura a seguir mostra um tipo de calibre de tensão, feito de fio de metal. O elemento de resistência é montado sobre apoio de metal, de forma que, quando não é ligado à superfície de um metal, ficam isolados eletricamente do metal. Em uso, os calibres de tensão são ligados à superfície do componente para o qual se deseja a tensão de superfície.

Fig. 3.36 - Medidor de tensão

tipo fio de metal.

É importante quem a ligação seja feita cuidadosamente para que, quando a superfície for tencionada, o calibre de tensões seja tencionado e não escorregue. Para assegurar uma boa ligação, a superfície deve ser cuidadosamente preparada- em geral levemente desbastada e depois desengordurada. Então o adesivo prescrito pelo fabricante deve ser utilizado, de acordo com as instruções, e obedecido todo o tempo de secagem antes de o calibre ser utilizado.

Quando a temperatura de um resistor varia, sua resistência também varia. Assim, um calibre de tensão é sensível tanto a esforços como a temperaturas. As variações de resistência produzidas pelas variações de temperatura podem ser comparadas com as variações de resistência produzidas por esforços. Assim, na utilização de um calibre de tensão para medição de esforços, os efeitos de quaisquer variações de temperatura devem ser eliminados.

137

AUT

Freqüentemente isso é feito com o uso do chamado “calibre-fantasma ”. Esse é um calibre de tensão de mesma resistência que o calibre que está sendo tencionado, conhecido como calibre ativo, e montado numa peça de mesmo material que o calibre ativo. A peça de material, no entanto, não está sujeita a tensão.

O calibre ativo e o fantasma são ligados a um circuito de medição de tal maneira que os efeitos de temperatura nos dois calibres cancelam-se, restando somente a diferença entre os dois resultantes da tensão a ser medida.

3 . 3 .8 . 2 Se ns ore s P i ez e lé t r i co s

Um sensor piezelétrico , como o próprio nome diz, gera um sinal elétrico quando está sendo deformado. É empregado em transdutor e de todos os materiais piezelétricos, o quartzo (Si02) é o mais conveniente devido à estabilidade de seu sinal.

Os cristais usados em transdutores são cortados de modo que somente sejam sensíveis às pressões ou forças de cisalhamento em uma determinada direção. Aproveitando estas características do cristal, é possível construir transdutores que medem forças de empuxo , esforços de corte , momentos fletores , forças de tração , etc... Existem dois tipos principais de sensores de quartzo usados para medição:

1. O primeiro é do tipo no qual a força aplicada causa o surgimento de uma carga eletrostática , normalmente mede-se a voltagem ao invés da carga - através de um amplificador e o sinal resultado pode ser calibrado diretamente em força, por exemplo.

2. O segundo tipo envolve um cristal na forma de elemento ressonante, onde a freqüência é modificada com a força aplicada.

É comum encontrar transdutores que usem simultaneamente 3 cristais, medindo simultaneamente forças em 3 deformações ou acelerações. Configurações desse tipo conseguem desvio de linearidade da ordem de 0,2 - 0,3%, faixas de pressão de 25Mpa e a resposta é uniforme até 30 kHz, com picos de até 100 kHz. Como existe uma resistência DC praticamente infinita ao longo do sensor, esses dispositivos não se prestam para medições estáticas .

O limite de frequência inferior é da ordem de 1 Hz, dependendo da sensibilidade. O tipo de amplificador usado com esses sensores é do tipo "operacional de alto ganho, com estágio de entrada baseado num MOSFET", adequado para impedância de entrada muito alta. As principais características destes transdutores são:

a) alta estabilidade;

b) faixa de resposta ampla em freqüência;

c) estabilidade boa à temperatura;

d) boa linearidade; e

e) baixa histerese.

138

3 . 3 .8 . 3 Se ns ore s P i ez o res i s t i vos

Muitos metais e outros materiais sólidos variam a resistividade quando submetidos a tensões mecânicas e é esse o princípio físico que se baseia o funcionamento do sensor piezoresistivo. As figuras a seguir ilustram um sensor desse tipo.

Princípio: Submetendo-se um fio de resistência elétrica a uma determinada pressão ou a uma determinada tensão por meio de uma força derivada da pressão, haverá uma determinada alteração de resistência.

Fig. 3.37 - Sensor piezoresistivo e esquema de ligação

A resistência elétrica é determinada pela fórmula a seguir:

P.L R = S

R = resistência; P = resistividade; L = comprimento; S = área seccional.

Ou seja:

Havendo aumento no comprimento (L) simultaneamente à diminuição do diâmetro ou seja da área (S) resulta no aumento da resistência (R). O instrumento funciona com uma resistência variável, quando submetido a uma pressão ou tensão.

.

Fig. 3.38 - Sensor de pressão elétrico tipo Strain gage e circuito elétrico

3.4 MEDIDORES DE TEMPERATURA


- Compreender o funcionamento dos medidores de temper atura;

- Entender os fundamentos técnicos da instrumentação de controle de temperatura; e

- Reconhecer as características dos instrumentos indi cadores e sensores de temperatura.

139

AUT

3.4.1 Temperatura

Todas as substâncias acham-se constituídas por uma enorme quantidade de pequenas partículas que denominamos de moléculas, as quais se encontram em contínuo movimento.

Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se encontra o corpo, e, quanto mais lento o movimento, mais frio se apresenta o corpo.

A temperatura é uma propriedade da matéria que está relacionada com o movimento das moléculas das substâncias. As moléculas possuem uma determinada energia cinética que se traduz nas formas de vibrações ou de deslocamento para os líquidos e gases. A isto denominamos de potencial térmico de uma substância ou de um corpo. Ou como uma energia efetiva da substância (energia cinética).

Baseado nisto podemos conceituar a temperatura como sendo: “A propriedade da matéria que reflete a média de energia cinética de um corpo ”.

O número dado a esse atributo é o grau de temperatura. Então, podemos definir que:

a) a temperatura é o grau de calor ou de frio representado em uma escala definida;

b) a temperatura de um corpo exprime a intensidade de calor , mas não a quantidade (a quantidade é dada em calorias);

c) calor é transferido do corpo mais quente ao corpo mais frio.

Na prática a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.

Uma alteração da temperatura indica alguma anormalidade e deve ser eliminada imediatamente. Na manutenção preventiva, a medida da temperatura informa que, quando se trata de uma elevação originada pela transmissão via fluido ou via corrente elétrica, a informação é global e há necessidade de verificar quais são os pontos quentes.

Quando a elevação da temperatura é devida ao atrito entre peças que se movimentam ou é devida à combustão, há um defeito no mecanismo ou a combustão é inadequada (incompleta).

Como sabemos, os instrumentos que nos fornecem essas informações são os termômetros e os pirômetros , porém muitas das vezes há grande conveniência em medir a temperatura de uma instalação inteira, o que somente com estes instrumentos não será possível.

Presentemente com o desenvolvimento da termografia , são utilizados filmes coloridos sensíveis aos infravermelhos que, por meio de escalas de cores no próprio filme, permite medir diretamente a temperatura de grandes áreas.

Tanto nos navios como nas instalações industriais modernas é bastante comum o sensor de temperatura estar ligado a um dispositivo eletroeletrônico (termostato) que desliga o equipamento quando a temperatura supera um valor pré-fixado. Tal procedimento constitui o desligar em função da temperatura máxima ou mínima.

140

Entretanto, dificilmente o sensor elétrico permanece junto à zona onde a temperatura é importante, mas sim a alguma distância. Num mancal, por exemplo (figura 3.39), o sensor fica na face externa, enquanto que o interesse maior situa-se na interface eixo-mancal. Nesses casos, a temperatura na interface é bem superior à medida indicada pelo termômetro. Para superar esse problema é comum estabelecer o ponto de ajuste, numa temperatura mais baixa, com tal procedimento, as paradas e interrupções são freqüentes e inúteis, tornando o método inadequado.

Fig. 3.39 - Conjunto eixo-mancal.

Nos últimos anos, o controle passou a ser feito com base no gradiente de temperatura máxima (gradiente térmico ), determinado por microprocessador que recebe o sinal do sensor que mede a temperatura.

Gradiente térmico é um vetor perpendicular (normal) a uma superfície isotérmica na mesma direção do aumento de temperatura e numericamente igual à derivada da temperatura nesta direção. (Termotecnia, por A. P. Baskatov)

dt Gradiente Térmico = --------- dy

Assim sendo, quando mais avançam os conhecimentos tecnológicos, mais sofisticados ficam os controles de medida de temperatura.

Pode ser que neste momento já existam meios mais avançados que deixamos de mencionar, portanto não se limitem apenas aos conhecimentos que serão transmitidos aqui, visto que trataremos apenas dos indicadores e sensores de temperatura em um todo, o que será apenas um início no imenso campo que necessitarão conhecer. Ou seja, deverão pesquisar de modo a conhecer todos os meios de medição de temperatura que existam nos navios, para que possam desempenhar as suas funções com segurança e conhecimento de causa.

A medição da temperatura a bordo dos navios é exigida em todos os casos nos quais a aplicação de calor ou frio é necessária para o controle de um processo ou da operação de manobra.

3 . 4 .1 . 1 Es ca l as de Temp er a tu r a

Um dos primeiros requisitos para a medição de temperatura é estabelecer uma escala a ser usada no instrumento de indicação, registro ou controle.

As principais unidades de temperatura são:

a) Celsius (°C ), que divide o intervalo de temperatura em 100 partes ou graus, sendo o 0ºC o ponto de congelamento da água e 100ºC o ponto de ebulição;

b) Fahrenheit (°F), que divide o intervalo de temperatura, em 180 partes, ou graus, sendo 32ºF o ponto de congelamento da água e 212ºF o ponto de ebulição;

141

AUT

c) Kelvin (°K), que define uma escala absoluta de temperatura, sendo o zero absoluto (0ºK) a temperatura teórica mais baixa, ou seja, aquela em que cessa todo o movimento molecular e, portanto não existe mais calor;

d) Rankine, que divide a escala de temperatura semelhante a Fahrenheit, e 491,7ºR equivale a temperatura de congelamento da água e 671,7°R a temperatura de ebulição da água.

Ponto de Fusão

Tungstênio Carbeto de Titânio Tântalo Dióxido de Zircônio Molibdênio Irídio Boro Alumina Ródio Nióbio Cromo Titânio Vanádio Sílica Níquel Silício Berílio Urânio Cobre Ouro Prata Rádio Germânio Cloreto de Sódio Estrôncio Alumínio Magnésio Zinco Chumbo Cádmio Bismuto Estanho Selênio Enxofre Água Mercúrio Sub. Árgon Nitrogênio Hidrogênio

Graus °C

3370 °C 3140 °C 3027 °C 2715 °C 2620 °C 2454 °C 2300 °C 2020 °C 1985 °C 1950 °C 1890 °C 1800 °C 1710 °C 1710 °C 1455 °C 1420 °C 1280 °C 1113 °C 1083 °C 1063 °C 961 °C 960 °C 958 °C 801 °C 760 °C 660 °C 651 °C 420 °C 327 °C 320 °C 271 °C 232 °C 220 °C 113 °C 0,000 °C − 39 °C − 78,5 °C − 189 °C − 210 °C − 259 °C

Fig. 3.40 - Faixa de uso dos dispositivos de medição de temperatura.

Porém, as unidades fundamentais utilizadas, tanto nos navios como na indústria, são a Celsius e Fahrenheit. Na maioria dos termômetros as escalas são convenientemente feitas com as duas unidades de medidas.

Como podemos ver, fundamentalmente, as escalas Celsius e Fahrenheit medem as mesmas diferenças de temperatura, mas valores diferentes foram arbitrariamente escolhidos

142

como pontos fixos, sobre os quais se baseia cada sistema, assim como para as escalas Rankine e Kelvin. Porém, há uma relação simples entre elas, como se comprova nas equações a seguir, e se vê na figura 3.40.

Para converter

- Graus Kelvin (°K) em graus Celsius (°C), subtraem -se -273,2 de °K

- Graus Celsius (°C) em graus Fahrenheit (°F), apli cam-se a equação

9 °F = ------- . ( °C + 32) ou °F = 1,8 . °C + 32 5

- Graus Fahrenheit (°F) em graus Celsius (°C), apli cam-se a fórmula

5 °C = ------- . ( °F - 32) 9

- Graus Fahrenheit (°F) em graus Rankine (°R), apli ca-se a fórmula:

°R = °F + 459,7

3 . 4 .1 . 2 Po n to s F i xo s d e Tem pe ra t u ra

São as medidas exatas de temperatura de determinados elementos químicos que foram tomadas como base, por poderem ser reproduzidas.

Exemplos:

1. Ponto de ebulição do oxigênio = − 182,97°C;

2. Ponto de ebulição da água pura = + 100,000°C;

3. Ponto de ebulição do enxofre = + 444,60°C; e

4. Ponto de fusão da prata = + 960,80°C.

Princípios Físicos das Medições de Temperatura

As temperaturas são deduzidas a partir de seus efeitos sobre uma substância, cujas características são conhecidas.

Os princípios físicos básicos que permitem deduzir a temperatura são os seguintes:

a) expansão de um liquido, de um gás ou de um sólido;

b) a tensão de vapor de um liquido;

c) potencial elétrico produzido por metais diferentes em contato;

d) alteração na resistência elétrica;

e) intensidade da radiação total ou da radiação de uma faixa particular de comprimento de onda mantida por um corpo aquecido.

143

AUT

3.4.2 Classificação dos Medidores de Temperatura

Há vários modos de classificarmos os sensores de temperatura. De forma particular, adotamos a classificação mostrada no quadro da tabela a seguir.

• Termômetro de liquido com bulbo de vidro. Sistema Termométrico Expansão Termômetro bimetálico. de Enchimento Diafragma Pressão Mola Fole Bourdon Ponte de Wheatstone de deflexão ou balanceada Sistema

Ponte Balanceada de: Collande Graffiths, Dupla Resistência, Variável, Mueller e Capacitância com Resistência de:

• Platina • Níquel • Cobre

Termométrico Grânulos Provas de Resistência Termistores Haste Disco Material semicondutor Cobre-Constantan Ferro-Constantan Par-Termoelétrico Cromel-Constantan (Termopar) Cromel-Alumel Platina-Platinumradio tipo R e S Radiação Lentes Pirômetros Espelho Ótico

Tabela 3.2 - Classificação dos Sensores de Temperatura.

3.4.3 Termômetro de Líquido com Bulbo de Vidro

Esses termômetros são cheios com um liquido com determinada característica de expansão térmica. O princípio em que se baseia o funcionamento desses instrumentos é o da expansão térmica dos fluídos.

As substâncias minerais contraem-se e expande-se a um montante definido com mudança de cada grau de temperatura

A sua equação é:

Vt = V0 (1 + B . T)

Vt = Volume do líquido à temperatura em °C; V0 = Volume do líquido à temperatura de referência; B = Coeficiente de Expansão; e T = Temperatura do líquido °C.

Da equação observa-se que o aumento de volume é diretamente proporcional ao aumento de temperatura, isto é, a escala da temperatura é linear .

144

Fig. 3.41 - Nomenclatura do termômetro industrial de bulbo de vidro.

Por muitos anos o liquido mais empregado para este tipo de termômetro tem sido o MERCÚRIO, porém, devido a ser nocivo à saúde e ao meio ambiente, atualmente não se recomenda sua utilização. A tabela a seguir lista os principais líquidos empregado.

LÍQUIDO COEFICIENTE DE EXPANSÃO ( B x 10 3)

CALOR ESPECÍFICO

Água Tetracloreto de carbono Tuleno Álcool etílico

0,25 1,1 1,1 1,1

1,0 0,2 0,4 0,5

Tabela 3.3 – Coeficiente de expansão de alguns líquidos.

Como funciona o termômetro de bulbo de vidro?

A expansão volumétrica do líquido é maior que a do vidro, assim, quando se aplica calor ao bulbo de vidro, o líquido se expande mais rapidamente que o bulbo de vidro e esta diferença na expansão aliada ao princípio da capilaridade permite ao líquido subir no tubo capilar de vidro (menisco), que é fixo ao bulbo;

Em razão de o líquido subir uniformemente com a temperatura, o tubo capilar pode ser calibrado de acordo com uma escala graduada de temperatura. Para temperaturas moderadas, na faixa que vai do ponto de congelamento do líquido até à aproximadamente 35 °C o espaço acima do fluído é vácuo. Isto é conseguido da seguinte maneira:

Depois de o bulbo e de o tubo capilar serem enchidos com o líquido adequado, o bulbo é aquecido à máxima temperatura a que o termômetro poderá ser usado. A extremidade do tubo capilar é, então, fechada. Quando o bulbo arrefece, o líquido desce no tubo capilar, gerando-se um vácuo parcial sobre ele.

145

AUT

Fig. 3.42 - Tipos de termômetros de líquido com bulbo de vidro.

Para estender a faixa acima de 600°C, o espaço acim a do líquido é cheio de nitrogênio, ou CO2 sob pressão para reter o ponto de ebulição do líquido. Para medição de baixas temperaturas, faixa de ¯ 196°C a 100°C, usa-se o pen tano; e, em faixa de 80°C a 100°C, usa-se álcool ou tuleno.

As escalas dos termômetros de líquido de bulbo de vidro podem ser gravadas (cravadas) diretamente no bulbo de vidro (tubo capilar) por uma técnica especial denominada de “etched " (cravar ou cauterizar)

Os termômetros de líquidos com bulbo de vidro podem ser empregados em:

a) compartimentos cobertos ou fechados e nos quais a leitura da temperatura é no próprio local;

b) onde forem toleradas exatidões de até 1% de escala; e

c) onde as respostas podem ser lentas.

3.4.4 Termômetro Bimetálico

O princípio físico em que se baseia o funcionamento desse instrumento é o da diferença de coeficiente da dilatação térmica dos m etais .

O elemento bimetálico é formado por duas ligas metálicas "Alloys " com características físicas diferentes, mas com alto coeficiente de dilatação térmica como o cobre, e outra com baixo coeficiente de dilatação térmico como o INVAR (36% Ni, 64% Fe, fundidas), que são soldadas ou cravadas formando uma tira, que pode ser enrolada na forma espiral ou uma mola helicoidal.

146

Fig. 3.43 - Princípio da dilatação térmica

dos metais. Fig. 3.44 - Nomenclatura do termômetro

bimetálico.

Como funciona o termômetro bimetálico?

Quando o elemento bimetálico é aquecido, a dilatação desigual dos dois materiais, rigidamente fixados, causa uma deflexão. O grau de deflexão é em função da variação da temperatura. Então, o elemento bimetálico enrola-se e desenrola-se com a variação da temperatura. Como há um ponteiro preso à espira ou ao hélice, este move-se e indica a temperatura em uma escala circular calibrada.

Quais são as aplicações do termômetro bimetálico?

São usados para fins industriais e laboratoriais. O tipo industrial tem uma constituição mais robusta, o que causa uma pequena perda de fidelidade e velocidade de resposta. Aplica-se em processos como refinação de óleo e temperatura dos tanques de decantação onde há medição de temperaturas de –185ºC a 650ºC, porém nas temperaturas muito altas, não pode ser com base contínua, pois o elemento bimetálico tende a superesticar (fadiga térmica), causando infidelidade permanente.

Também é muito aplicado como elemento de compensação nos sistemas termométricos cheios com fluido expansivo.

Fig. 3.45 - Tipos de elementos bimetálicos.

Fig. 3.46 - Indicação da temperatura no termômetro bimetálico.

147

AUT

Fig. 3.47 - Indicador de temperatura tipo bimetálico

Vantagens :

a) relativamente barato;

b) construção robusta;

c) a leitura é direta; e

d) não exige equipamento adicional ou fonte externa de energia.

Desvantagens são de não :

a) permitir indicação à distância;

b) ser tão exato;

c) atuar sobre uma faixa tão grande de escala; e

d) operar tão bem, com pequenos desvios

3.4.5 Termômetro Tipo Pressão Mola

Os termômetros de líquido com bulbo de vidro e os bimetálicos são projetados para indicação de temperaturas no local, ou seja, utiliza-se no local onde se quer medir e aí mesmo faz-se a leitura. Mas na indústria, muito freqüentemente, é necessário medir num ponto e ler num outro ponto. Por essa razão criaram-se os termômetros tipo Pressão Mola. Eles podem ser usados para:

1) Leituras continuas;

2) indicação remota de temperatura; e

3) operação de alarme em sistema de controle.

Os termômetros de pressão-mola são classificados pela Instrument Society of America Standards em quatro classes básicas, a saber:

a) Classe 1. cheio de líquido volátil (exceto mercúrio);

b) Classe 2. pressão de vapor;

c) Classe 3. cheio de gás; e

d) Classe 4. cheio de mercúrio.

Fig. 3.48 - Nomenclatura do termômetro de

Bourdon de mola espiral.

As figuras 3.48 e 3.49 nos mostram típicos termômetros de pressão mola de enchimento com líquido. Consiste em um tubo de Bourdon conectado a um bulbo metálico por meio de um tubo de liga especial de pequeno orifício, conhecido como tubo capilar ou tubo Accuratus , sendo o volume interno total do bulbo e tubos preenchidos com líquidos de alto coeficiente de expansão volumétrica.

148

O princípio de operação desses instrumentos está baseado na expansão térmica, similar aos termômetros de mercúrio em bulbo de vidro. Basicamente, esses termômetros são constituídos pelos elementos seguintes:

1. Bulbo Metálico, onde fica o fluido expansivo.

2. Fluido Expansivo - que pode ser um líquido volátil ou um gás. Exemplos: Mercúrio, Álcool, Vapor d'água, etc.

3. Soldadura – que liga o bulbo com o tubo Accuratus.

4. Tubo Accuratus (Tubo Capilar) - é um tubo feito de material especial (no caso de aço inoxidável) e que tem um coeficiente de dilatação térmica selecionado de modo que o volume efetivo do orifício capilar aumente com a temperatura apenas o suficiente para que mantenha em seu interior o volume expandido do líquido volátil ou do gás (no caso mercúrio). Há tubos Accuratus com mais de 60 metros.

5. Orifício Capilar – corresponde ao diâmetro do tubo capilar.

Lembre-se de que capilares ou capilaridade são fenômenos em que um líquido em contato com um sólido sobe , se molha esse sólido; ou desce , se não o molha. Característica que esta aparentemente em contradição com as leis da hidrostática.

6. Mola Bourdon - é o principal componente destes tipos de termômetros

A seleção do tipo de termômetro de pressão mola para uma aplicação particular depende de alguns fatores, entre os quais o domínio de temperatura útil no local da medição.

Fig. 3.49 - Tubo/mola de Bourdon formato

helicoidal.

Se o termômetro de pressão mola é usado somente como um indicador, um simples mostrador, como o da figura 3.48, pode ser utilizado.

Se for para fazer registro, o instrumento pode ser um sistema com bulbo e tubo capilar muito curto localizado na carcaça do registrador, como mostra a figura 3.50a, ou então pode ter um sistema de tubo capilar longo para leituras mais distantes, como o mostrado na figura 3.50b.

3 . 4 .5 . 1 Te rm ômet r o d e Bou rd on En ch im en t o c om L í qu i d o

Como funciona?

Quando o bulbo esta imerso na substância quente, provoca a expansão do líquido volátil. Isto causa um aumento da pressão, fazendo com que o dispositivo pressão-mola desenrole-se. Um indicador, registrador ou um mecanismo de controle são cravados no tubo Bourdon e atuam através dos movimentos deste. Não se deve esquecer de que há também aplicação do princípio da capilaridade e da relação proporcional tensão x deformação da Lei de Hook .

A medição da temperatura através da pressão é baseada na variação do volume.

149

AUT

Visto que a pressão varia em função da temperatura, logo, quando a temperatura aumenta há um aumento da pressão que atua em proporção no dispositivo pressão mola e indica a temperatura.

O sistema é completamente selado e para quaisquer problemas com efeito de pressão de vapor ou de diferença na altura entre a posição do bulbo e o medidor, o sistema é pressurizado em volta de 70 bar no tipo enchimento com mercúrio. Durante a operação, qualquer variação na temperatura que está sendo medida varia o volume do líquido e esta troca de volume é transmitida ao tubo Bourdon, através da pressão.

O instrumento tem um relacionamento linear com a variação de temperatura, a faixa de operação é aproximadamente de –39ºC até 520ºC para o mercúrio, e a força é suficiente para operar um ponteiro com pena de um registrador (figura 3.50) ou um transdutor pneumático (bico palheta).

Se o tubo capilar, o qual tem diâmetro aproximadamente de 0,2 mm, ou o tubo Bourdon estão sujeitos a diferenças apreciáveis de temperatura em relação àquela na qual foi feita a calibração, poderão surgir erros nas medições.

Para distâncias menores de 15 metros, a sutileza do tubo capilar não produz nenhum erro apreciável. A fim de manter o sistema com boa resposta, deve ser feita uma compensação pelos meios que serão estudados mais adiante.

Como sabemos, o bulbo expande-se com a variação da temperatura, mas esta expansão é muita pequena, comparada com a expansão do líquido volátil. Por isso, este efeito é desprezível.

Fig. A – Tubo capilar curto

Fig. B – Tubo capilar longo

Fig. 3.50 - Registrador de temperatura.

Se o coeficiente de expansão volumétrica do bulbo e do líquido são similares, o efeito total reduz a expansão do líquido para uma certa faixa de medição. Se o termômetro foi bem calibrado, tolerâncias (distinções) podem ser feitas para pequenas variações no coeficiente.

ATENÇÃO! Não esqueçamos que nenhum fluido tem compo rtamento ideal. Entretanto, estes medidores são suficientemente pre cisos para encontrar grandes aplicações na indústria e nos navios.

150

3 . 4 .5 . 2 Te rm ômet r o d e Bou rd on de En ch im en to L í qu i do e Vapo r

Este tipo de termômetro de pressão-mola (figura 3.51) difere dos tipos de líquido e gás. Vapor não expedem uniformemente, como líquido e gás expande. Por isso, as graduações nas escalas são mais afastadas para leituras altas do que para leituras baixas. Isto aumenta a capacidade de leituras entre as linhas.

Princípio de funcionamento

O funcionamento de todos os medidores/sensores enchidos com vapor baseia-se na relação entre a pressão do vapor e a temperatura do líquido.

A temperatura é determinada na superfície livre (tensão superficial) entre o líquido e o vapor. Isto significa que tanto o estado gasoso quanto o líquido estão presentes e a pressão de vapor é suficiente para impedir futuras transformações de líquido em vapor.

À medida que a temperatura aumenta, mais liquido se torna vapor e exerce mais pressão no tubo de Bourdon, o que faz com que ele se estire (movimente-se). Quando a temperatura cai, o vapor passa a liquido e reduz-se a pressão, resultando numa contração do tubo de Bourdon e do capilar com liquido.

O termômetro da figura a seguir tem a sua constituição semelhante ao enchimento de líquido, porém o sistema é parcialmente enchido com um líquido volátil do tipo:

a) cloreto de metila; b) éter; c) butano; d) nexano; e) propano; f) tuleno; e ou g) dióxido de enxofre.

Fig. 3.51 - Termômetro pressão-mola de enchimento líquido e vapor.

Como a substância de enchimento estará sempre no estado líquido, na parte mais fria do sistema, o aparelho deverá conter uma quantidade suficiente de substância a fim de que a interface do líquido e vapor esteja sempre situada no bulbo.

Pode ser utilizado numa faixa de –10ºC até 300ºC e não existe erro devido à variação da temperatura ambiente; eles podem ser usados com comprimentos de capilar de até 60m sem compensação. A escala é não linear e o sistema tem um considerável atraso de tempo no registro de variações de temperatura. O bulbo e o tubo capilar são geralmente construídos em aço inoxidável, bronze e chumbo e podem ser revestidos com plástico.

3.4.6 Termômetro de Bourdon de Enchimento Líquido e Gás

Novamente estes contém os mesmos elementos básicos como os dois tipos anteriores, o sistema é evacuado e preenchido com nitrogênio ou hélio sob alta pressão. O funcionamento desse termômetro é baseado na lei dos gases de Charles , em que:

151

AUT

- se o "volume do gás " for constante, a pressão absoluta elevar-se-á com o aumento absoluto da "temperatura" total ou parcial do gás, ou melhor:

- se a massa e o volume de gás são considerados constantes, então, a pressão absoluta no sistema é proporcional à temperatura, de maneira que uma variação da temperatura no bulbo irá mostrar uma troca da pressão no tubo Bourdon.

Cuja equação é:

P1 P2

------------ = ----------- T1 T2

Onde: P1 = pressão menor,; P2 = pressão maior; T1 = temperatura menor; T2 = temperatura maior.

Suas principais características são :

a) A deflexão no tubo é proporcional à pressão e esta é proporcional à temperatura, dando um relacionamento linear.

b) Variações na temperatura ambiente podem produzir erros, e a compensação é feita por uma lâmina bimetálica na extremidade do tubo Bourdon.

c) A faixa de utilização é de –193ºC a 600ºC.

d) Eles são muito usados quando o comprimento do tubo capilar for limitado para aproximadamente 2m, diminuindo assim a influência da temperatura ambiente e conectado através de um fole para o mecanismo de operação de um transmissor de temperatura pneumático ou elétrico.

e) Possibilidade de surgimento de problemas com a fuga de gás através das soldagens e do bulbo.

f) O volume do bulbo é muito grande em relação ao do tubo capilar.

3 . 4 .6 . 1 S i s t ema s d e Compe ns aç ão

O sistema de compensação visa a equalizar o erro que os sensores apresentam em virtude das variáveis que os afetam. São dois os sistemas de compensação mais usados para os sensores termométricos de enchimento:

Compensação do Mostrador

É a equalização do erro no elemento receptor causado pelo fato de estar o sistema termométrico cheio de liquido, que faz com que as variações de temperatura ambiente afetem não somente o liquido no bulbo, mas ainda o existente no tubo capilar e o próprio elemento receptor (tubo Bourdon, fole, etc.).

Fig. 3.52 - Compensação do mostrador em um termômetro de Bourdon do tipo espiral.

152

Existirá suficiente compensação do mostrador, quando o bulbo possuir pequena extensão e quando a variação da temperatura ao longo do capilar for desprezível.

A compensação do mostrador é feita pela colocação de uma lâmina de um bimetálico rigidamente presa à ponta fixa do hélice, (figura ao lado).

Como funciona a compensação do mostrador ?

Variando a temperatura ambiente nas proximidades do elemento Bourdon (espiral), o bimetálico responde com um aumento ou uma diminuição ao movimento da espiral, de forma a fornecer uma leitura correta, apesar do efeito da temperatura local.

Compensação Total do Capilar

É a compensação do mostrador e da tubulação, a qual deve ser empregada em todos os casos em que os bulbos possuírem uma extensão muito longa ou quando a temperatura do local apresentar variações muito grandes ao longo do tubo capilar.

Fig. 3.53 - Compensação total do termômetro de Bourdon - formato espiral.

Empregam-se para este tipo de compensação duas espirais e dois tubos capilares (figura 3.53). A espiral de medição está ligada ao bulbo na maneira usual. A espiral de compensação está ligada a um capilar colocado dentro da mesma armadura do capilar ligado à espiral de medição e que termina fechado, junto do bulbo. A espiral de compensação e seu capilar são também enchidos com o liquido.

Como funciona a compensação total?

Modificações na temperatura próximas ao mostrador, ou ao longo do capilar, afetam igualmente a ambas as espirais. Como as espirais são montadas em oposição, os efeitos se cancelam. Portanto, quaisquer variações na temperatura ambiente são somadas ou subtraídas no movimento da espiral de medida, forçando o instrumento a indicar corretamente a temperatura

153

AUT

Proteção a Temperatura Excessiva

A proteção dada a um instrumento contra uma temperatura excessiva é a máxima temperatura a que o bulbo pode ser exposto, indefinidamente, sem dano ao sistema.

Fig. 3.54 - Tubo capilar autocompensável.

Erro de Elevação do Bulbo

Quando o bulbo de um sistema de enchimento liquido é colocado acima ou abaixo do nível do mostrador, forma-se uma pressão diferencial igual à diferença de altura entre o bulbo e a espiral. Este fato causa uma leitura errônea.

Se o bulbo estiver acima do mostrador , a leitura é mais alta do que a real . O erro pode ser determinado e a correção aplicada à leitura feita.

A figura ao lado apresenta um diagrama que mostra o tempo de resposta de vários tipos de termômetros com bulbo cheio com fluido.

Fig. 3.55 - Diagrama de tempo e resposta de vários termômetros.

3.4.7 Termopar

São sensores de temperatura que enviam diretamente uma variação de tensão elétrica proporcional a variação da temperatura, devido as suas propriedades termoelétricas. Dependendo do material que são fabricados e do processo, podem medir temperaturas que variam de -100°C á 1.800°C. onde são exigidas respo stas rápidas. Na prática industrial e comercial são identificados como TC.

Como é constituído e como funciona o termopar?

Basicamente, consiste em um par de condutores metálicos de materiais diferentes ligados em uma extremidade, formando a junção quente ou de detecção (T) e na outra extremidade, formando a chamada junção fria ou junção de referência (TR) conectada a um instrumento de medição elétrica, como um milivoltímetro ou a um potenciômetro (M). A f.e.m. medida normalmente é comparada a alguma referência, tal como o ponto de congelamento. Alterando a temperatura da junção quente, obviamente haverá uma diferença de temperatura entre as junções, que provocará uma corrente fluir no circuito, devido às duas f.e.m. geradas nas junções, ou seja, haverá um aumento da voltagem. A f.e.m. resultante é medida pelo instrumento elétrico e convertido em graus de temperatura.

154

Fig. 3.56 - Funcionamento de um termopar.

Fig. 3.57 - Junção quente (T) do

termopar.

3 . 4 .7 . 1 P r i n c ip i o d e F un c io nam en to d o Term opa r

O princípio de funcionamento desse sensor está baseado no fenômeno da termoeletricidade ou seja na resultante da f.e.m. gerada no circuito.

Você sabia que em 1821,Thomas Johan SEEBECK descobriu o fenômeno da termoeletricidade (corrente termelétrica, ilustrada nas figuras acima).

Observou ele que, quando se funde um fio de cobre (condutor A) com um de ferro (condutor B), formando um circuito, e aquece-se uma das junções fundidas com uma temperatura T1, enquanto a outra extremidade se encontra a uma temperatura T2, uma corrente contínua circula pelo circuito. Esta corrente continuará fluindo enquanto houver diferença entre as temperaturas T1 e T2, ou seja, obterá uma força eletromotriz (f.e.m.) Ele também descobriu que a corrente fluía do cobre para o ferro na extremidade aquecida. Isto permitiu definir que o conduto A é positivo em relação a B, se a corrente flui de A para B na junção de menor temperatura.

Esta foi a primeira observação de que se tem conhecimento do fenômeno de corrente termelétrica. Descobertas posteriores revelaram que o fluxo de corrente observado por Seebeck era aparentemente o resultado de duas causas separadas:

1) da diferença de temperatura entre a junção quente e a fria dos dois condutores (conhecida por efeito THOMSON ); e

2) da composição metalúrgica dos dois condutores dissimilares soldados na junção quente (conhecida como efeito PELTIER ).

3 . 4 .7 . 2 A f . e .m . de Pe l t i e r

Você sabia que em 1834, Jean Peltier descobriu que, quando uma corrente circula pela junção de dois condutores metálicos, dá origem a uma absorção ou liberação de calor. Se a corrente flui no mesmo sentido que a produzida pelo efeito Seebeck, na junta quente o calor é absorvido, enquanto que na junta fria o calor será liberado. A quantidade de calor liberada ou absorvida, é proporcional à quantidade de eletricidade (Coulombs) que atravessa a junção. Portanto, a quantidade de calor liberada ou absorvida quando 1 Coulomb passa pela junção, é chamada de efeito Peltier. O efeito Peltier é praticamente insignificante quando se quer medir a f.e.m. de Seebeck.

A parte da f.e.m. total de um termopar causada pela diferença de potencial na junção de dois condutores heterogêneos é a f.e.m. Peltier . Esta diferença de potencial varia com a temperatura da junção, mas nada garante que varie uniformemente.

155

AUT

Pode ser mostrado que a magnitude do efeito Peltier é dada pelo produto da temperatura absoluta na junção pela taxa de variação da f.e.m. naquela temperatura, também conhecida por potência termoelétrica .

ωωωω = Tabs. x ∝∝∝∝

ωωωω = Magnitude do efeito Peltier. Tabs. = derivada da corrente elétrica.

∝∝∝∝ = Taxa de variação da f.e.m..

dE ∝∝∝∝ = -------- dT

∝∝∝∝ = Taxa de variação da f.e.m.. dE = derivada da corrente elétrica.

dT = derivada da temperatura.

3 . 4 .7 . 3 A f . e . m . Tho mson .

Thomson descobriu que haverá um diferencial de potencial (f.e.m.) numa única seção do condutor de material homogêneo se uma extremidade estiver a uma temperatura maior que a outra.

A teoria usada para explicar este fenômeno é complexa e não se ajusta exatamente a todos os efeitos observados experimentalmente.

3 . 4 .7 . 4 Ma t e r i a l do s Te rm opa re s

Os fios dos termopares são escolhidos de tal forma que produzam uma grande f.e.m. e que variem linearmente com a temperatura. O material do termopar, escolhido idealmente, deve permitir que:

a) as f.e.ms. de Thomson dos dois fios somem-se no circuito; b) as f.e.ms. de Thomson variem diretamente com a temperatura; c) as f.e.ms. de Peltier, que desenvolvem potenciais na junção quente, tenham o

mesmo sentido das f.e.ms. de Thomson; d) as f.e.ms. de Peltier variem diretamente com a temperatura; e e) a potência termelétrica seja tão elevada quanto possível.

Nenhum metal conhecido, ou liga, tem estas características, embora alguns se aproximem muito delas. Visto que não há termopares de comportamento ideal, todas as curvas de f.e.m. desviam-se de uma reta ou de uma resposta linear, de algum modo (figura a seguir).

Num esforço para tentar ajustar-se aos resultados observados experimentalmente, foram desenvolvidas equações empíricas. Uma destas equações foi desenvolvida para termopar de metal nobre platina-platina-ródio e pode ser expressa por:

∑ e = a + b . T + c . T2

onde:

e = força eletromotriz do termopar em milivolts;

T = temperatura em graus Kelvin;

a, b, c = constantes que dependem do metal condutor ou liga.

Exemplo : A equação para um termopar platina-platina-ródio é:

e = 0,323 + 0,000827 + 0,000001638 T2 mV

156

Nas aplicações industriais, a escolha dos materiais usados para confeccionar um termopar depende:

a) da faixa de temperatura a serem medidas;

b) do tipo de meio ao qual o material será exposto;

c) da precisão exigida na medição; d) da boa resistência à oxidação

e/ou corrosão no meio e na faixa de temperaturas em que será usado;

e) da resistência à variação das características que afetarão sua calibração;

f) ser imune a correntes parasíticas; e

g) ter reprodução de leitura dentro dos limites de precisão exigidos.

Fig. 3.58 - Gráfico das curvas da relação temperatura x f.e.m. de termopares do tipo comum.

Fig. 3.59 - Limitações, em temperatura, dos condutores dos termopares

Várias combinações de metais diferentes fornecem bons termopares para uso industrial. Essas combinações de condutores devem possuir relações razoavelmente lineares entre temperatura e f.e.m. e devem ser capazes de desenvolver uma f.e.m. por grau de variação de temperatura que possa ser detectada com instrumento de medição padrão.

Para estas severas exigências não existe nenhuma combinação de metais que satisfaça a todas. Baseada na experiência ganha com anos de aplicação, a indústria

157

AUT

padronizou algumas combinações de fios que atendem a maioria das necessidades. Ver gráfico de barra da figura 3.59 e a tabela 3.4.

Em um termopar um fio é positivo e o outro é negativo . O nome do metal indicado antes do “epiteu ” (travessão) designa que o fio é positivo, e o ligado depois designa que é negativo

Exemplo: num termopar Ferro-constantan, o ferro é usado para fio positivo e constantan para fio negativo. As características e domínio dessas combinações de fios são resumidas na tabela a seguir.

MATERIAL

COMPOSIÇÃO (%)

GAMA DE TEMPERATURAS

f.e.m. (mv)

CARACTERISTICAS

COBRE–CONSTANTAN

99,9 %

(45Ni+55Cu)

-184 a 315 °C ¯ 5 á ¯ 8 Baixa resistência elétrica. Linearidade; a resistência à corrosão. Reprodutibilidade de alto grau de precisão.

FERRO-CONSTANTAN

TIPO (J)

(45Ni+55Cu)

150 a 750 °C 8,5 á –44 Atmosferas oxidantes com temp eratura inferior a 6000. Sem capas protetoras até 290 °C.

CHROMEL P-CONSTANTAN

(90Ni+10Cr) 0 a 700 °C 10 á -55 Devido à f.e.m. alt a, é bastante utilizado.

FERRO-CONSTANTAN

(Tipo K) -18 á 870 °C Usado em meios redutores em que existe falta de oxigênio livre. Acima de 5780C, utiliza fios de maior diâmetro e capas protetoras.

(Tipo K) -18 á 1315 °C Usado em meios onde existe excesso de oxigênio livre.

PLATINA–PLATINA–RÓDIO

Tipo R = 10; e

Tipo S = 13% Ro

São usadas para temperaturas elevadas. São chamados de termopares de metal nobre.

São afetados desfavoravelmente em meios que contêm gases redutores.

Tabela 3.4 – Características de materiais dos termopares.

Não são somente diferentes combinações de fios, mas diferentes bitolas de fios nas mesmas combinações de metais, que podem ser necessárias para se obter a resistência física necessária a uma dada aplicação. O gráfico da figura 3.59 nos mostra as limitações em temperatura de diversas combinações com condutores de bitolas apropriadas.

Os termopares raramente são usados na forma de fios nus, exceto na junção de detecção. A capa dos fios pode ser de esmalte resistente ao calor ou verniz, borracha resistente ao calor, algodão trançado encerado, asbesto trançado, trançado de vidro impregnado de silicone, asbesto impregnado de silicone, trançado de fibra de vidro, trançado de vidro/teflon, nylon extrudado, trançado de sílica de alta temperatura, tubos de cerâmica, filetes de cerâmica, óxido de alumínio ou molibdênio. Também são usadas combinações de capas em que de cada fio é protegido separadamente, sendo o conjunto posteriormente encapsulado em uma única cobertura .

158

Fig. 3.60 - Tipos de capas protetoras dos

termopares e termoresistência.

A aplicação industrial em relação ao meio e à faixa de temperaturas normalmente impõe os requisitos para as capas de proteção.

Quando a aplicação requer a medição de temperaturas em meios corrosivos ou outros que são altamente prejudiciais aos metais usados no termopar para formar a junção exposta, utiliza-se um tubo protetor sobre o termopar, além da capa protetora sobre os fios acima da junção soldada. Esses tubos protetores ou poços são construídos numa variedade de materiais que depende da aplicação do termopar.

Os tubos/poço são construídos em ferro forjado, ligas revestidas com ferro forjado, ferro fundido, aço sem costura (inconsútil), aço inoxidável, níquel, inconel, fyrestan, carboneto de silicone com rebordos de cerâmica ou outros materiais que prolonguem a vida e precisão do termopar para a aplicação desejada.

Em aplicações nas quais são usadas grandes pressões, os tubos de proteção são geralmente construídas em peça única perfurada, ou são montados, soldando-se um tubo, uma bucha e uma cabeça sextavada. Estes dois tipos de confecção são vistos na figura 3.60. Esses tubos de proteção podem ser tanto retos como angulares, de acordo com a instalação.

Fig. 3.61 - Ponta soldada.

Fig. 3.62 - Nomenclatura do termopar.

Na figura 3.62, vê-se a seção transversal de um termopar. Pode-se aumentar a sua sensibilidade, reduzindo-se a massa da junção de medição. Um método de se realizar esta redução de massa é soldar de topo os dois fios do termopar, conforme a figura 3.61.

159

AUT

Em lugares em que a resistência mecânica da solda de topo é inadequada, os dois fios são retorcidos, conforme a figura 3.62, soldando-se as extremidades. Costuma-se dar três voltas aos fios e, em algumas aplicações, até cinco. Para se obter uma junção sólida em medidas exatas e com boa repetibilidade, é necessária uma soldagem comum ou forte bem executada.

Quando o dispositivo de proteção tem o menor diâmetro possível, o termopar responde mais rapidamente a uma variação de temperatura. Diâmetros maiores e paredes mais espessas provocam uma resposta mais lenta.

Termopar com milivoltímetro

Na maioria das aplicações industriais, são muito convenientes as características de sensibilidade, precisão e controle automático do termopar a milivoltímetro.

São largamente utilizados para indicação e controle das temperaturas dos motores, fornalhas, fornos, autoclaves. São também freqüentemente usados com alarmes de excesso de temperatura e dispositivos de corte (desligar) na maioria dos equipamentos térmicos.

Para indicação remota ou para controle automático a junção fria deve ser instalada em um local em que a temperatura ambiente seja estável e ajustes possam ser feitos facilmente, no caso de variação na temperatura ambiente.

Como o sinal de saída do termopar é somente na faixa de 0 a 100 mV, para leitura remota com extensão dos fios, a partir da cabeça do termopar, devem ser feitas por cabos com propriedades iguais.

Freqüentemente, a junção fria é colocada na caixa do instrumento indicador ou nas proximidades do controlador, os quais podem estar em sala de controle com ar condicionado, fornecendo condições completa e estáveis. O ajuste automático do circuito elétrico para compensar a variação de temperatura na junção fria pode ser fornecido pelo fabricante.

Um método é fixar uma lâmina bimetálica entre uma mola de controle (cabelo) na extremidade do ponteiro do instrumento e a sua carcaça, de maneira que uma variação causaria um reajuste ao ponteiro, chamada de compensação do mostrador, semelhante ao termômetro de Bourdon.

Pode ser que o elemento indicador (o milivoltímetro) tenha uma resistência fixa para obter leituras precisas, então é essencial que o termopar e os fios de ligação possuam a mesma resistência que ele. É extremamente importante que todas as conexões sejam limpas e sólidas, porque uma conexão fraca ou suja, ou mal soldada, pode criar uma falsa junção fria e gerar erros grosseiros na indicação.

É igualmente importante que os fios de extensão usados sejam de material adequado, ou seja, que tenham quase as mesmas características termelétricas que as do material do par. Muito freqüentemente o fio do próprio termopar é usado como fio de extensão, pois o termopar na verdade é constituído pelo par mais os fios de extensão.

Os termopares não podem ser ligados a fios condutores comuns porque cada ligação se comportaria como um termopar adicional com características diferentes.

160

O tamanho ou bitola do fio de extensão pode ser variado de modo a ajudar a casar a resistência do medidor, especialmente quando são feitas medições múltiplas de termopares localizados em distâncias diferentes dos instrumentos de medição.

Os componentes básicos de um termopar com milivoltímetro são vistos na figura a seguir.

Fig. 3.63 - Termopar ligado a um

milivoltímetro.

Funcionamento : Um campo magnético, criado pelo ímã e por peças polares, circunda uma bobina que está suspensa por meio de pivôs e mancais de rubis. O ponteiro indicador é ligado à bobina. A corrente elétrica gerada pelo termopar passa através da bobina e cria um campo magnético oposto, que é proporcional a passagem da corrente pela bobina e faz com que esta gire. O giro da bobina movimenta o ponteiro ao longo da escala. A bobina e o ponteiro são deflexionados contra os cabeços, que retardam o movimento da bobina e do ponteiro e fazem com que voltem ao zero da escala quando não há fluxo de corrente. Eles também levam a corrente até a bobina. Assim, quando o milivoltímetro está ligado ao termopar, na verdade não mede a temperatura , mede a voltagem . Mas, uma vez que existe uma relação definida entre a voltagem gerada pelo termopar e o montante de calor detectado por ele, a escala no milivoltímetro pode ser graduada em unidades de temperatura.

Ligações com mais de um termopar

Existem aplicações nas quais é vantajoso usar-se mais de um termopar. Os termopares podem ser usados em série ou paralelo para se atingirem os requisitos da aplicação a que se destinam.

Ligação em série : Utilizada quando é necessário obter-se alta sensibilidade. A f.e.m total desenvolvida é a soma de cada termopar utilizado. A resistência total é a soma das resistências individuais. Isto é mostrado de forma algébrica nas equações a seguir. A temperatura média do sistema ou processo é achada, dividindo-se a f.e.m total pelo número de termopares usados. Esse arranjo em série proporciona maior sensibilidade, mas pode ser de menor precisão pois podem ser introduzidas incertezas devidas à heterogeneidade dos pares.

Em = E1 + E2 + E3 + ... + En e RT = R1 + R2 + R3 + ... + Rn

onde: - Em = diferença de potencial no milivoltímetro; - E1, 2, 3, n = potencial desenvolvido por cada

termopar utilizado; - RT = resistência total; e - R1,2,3n = resistência de cada termopar.

Ligação em paralelo : Num arranjo em paralelo, vários termopares devem ser conectados diretamente aos dois terminais comuns através dos quais se mede a f.e.m. Este arranjo mede somente f.e.ms. médias.

Num arranjo paralelo, a resistência do medidor-indicador e a carga têm efeito sobre a indicação do potencial, como se vê na equação a seguir:

161

AUT

e1 e2 e3 en Rm Em = (------ + ------ + ------ + ------ ) . (------------------------------------------------------- ) r1 r2 r3 rn 1 + (RM + RL)(1/r1 + 1/r2 + 1/r3 + 1/rn)

onde: - Em = diferença de potencial através do medidor-indicador; - RM = resistência do medidor-indicador; - RL = resistência de linha no circuito; - r1, 2, 3n = resistência de cada unidade; e - e1, 2, 3n = potencial gerado por cada unidade.

3.4.8 Pirômetro

Dois são os tipos de pirômetros: óptico e de radiação total .

Pirômetros ópticos : são os que medem a temperatura de um corpo em função da radiação luminosa.

Fig. 3.64 - Pirômetro óptico.

Você sabia?

• Se um espelho for girado um certo ângulo, o raio refletido girará duas vezes esse ângulo. Esse princípio pode ser utilizado para fornecer uma ampliação (igual a 2) de um deslocamento angular.

• Uma fonte de luz, colocada no ponto focal de uma lente convexa, originará raios paralelos de luz emergindo da lente. Diz-se que a lente produz um facho da luz colimado e ela é chamada de lente colimadora .

• Se raios de luz paralelos incidirem perpendicularmente sobre um espelho plano, isto é, com ângulo de incidência zero, então os raios refletidos retornarão ao longo da mesma trajetória dos raios incidentes. Se, entretanto, os raios paralelos não atingirem o espelho com ângulo de incidência zero, então os raios refletidos não retornarão pela mesma trajetória. (figura 3.65).

• Quando os raios retornam, ao longo da mesma trajetória, através de uma lente convexa, então a imagem é formada na mesma posição da fonte da qual os raios emergiram inicialmente. Quando não retornam ao longo da mesma trajetória, a imagem se forma numa posição diferente da posição da fonte inicial

Funcionamento: (figura 3.65) Um raio de luz que incida sobre um espelho com um ângulo de incidência (i) será refletido com um ângulo da reflexão igual. Se o espelho girar um ângulo (θ), então o ângulo de incidência mudará para (i + θ). O ângulo de reflexão também deverá tornar-se (i + θ) . Antes da rotação do espelho, o ângulo entre os raios incidente e refletido era (2i) e,

162

depois da rotação, é 2. (i + θ ). Assim, o ângulo entre os raios incidente e refletido variou (2θ) , como resultado de uma rotação (θ).

Fig. 3.65 - Princípio de funcionamento do pirômetro óptico.

Características

Uma ampliação maior é conseguida com lentes de maiores distâncias focais. A distância entre o refletor, isto é, o espelho, e a lente não tem efeito sobre a ampliação; somente a distância focal determina a ampliação. Ângulo que gira não deve ser muito grande, caso contrário o facho de luz refletida se desviará inteiramente da lente. Esse fator limita a distância entre o espelho e a lente.

Os pirômetros de radiação podem medir uma temperatura à distância e sem contato, baseiam-se na lei de Stefan-Boltzmann , cujo enunciado é:

A intensidade de energia radiante emitida por uma s uperfície de um corpo, aumenta proporcionalmente à quarta potência de temp eratura absoluta do corpo ( = KT4).

Pirômetros de radiação total são os que medem a temperatura, captando parte da energia de radiação emitida pelo corpo.

Fig. 3.66 - Termômetro de radiação

Fig. 3.67 - Pirômetro de radiação total.

3.4.9 Termoresistência

Nesse instrumento a medição da temperatura depende das características de resistência em função da temperatura do elemento sensor.

163

AUT

O elemento sensor consiste normalmente em um enrolamento de fio , de um condutor adequado (níquel, cobre, platina), bobinado entre capas de material isolante e protegido por revestimento de vidro ou cerâmica.

O material que forma o condutor caracteriza-se pelo chamado “coeficiente de temperatura de resistência ” que expressa, a uma temperatura específica, a variação da resistência em ohms por grau de alteração da temperatura.

A platina é o material mais adequado do ponto de vista de precisão e estabilidade. Tem, porém, o inconveniente do custo. Em geral, um medidor de resistência de platina utilizado na indústria tem uma resistência de 100 ohms a 0 °C. A variação da resistência das sondas pode, por exemplo, ser medida com uma ponte de Wheatstone.

Com sensores de resistência pode-se medir temperaturas entre –200°C e 950°C com uma precisão de 0,01°C.

Fig. 3.68 - Sensor de temperatura tipo resistência elétrica.

Fig. 3.69 - Termoresistência

com capa protetora.

3.5 MEDIDORES DE NÍVEL


- Compreender o funcionamento dos medidores de nível;

- Entender os fundamentos técnicos da instrumentação de controle de nível; e

- Reconhecer as características dos instrumentos indi cadores e sensores de nível.

A bordo dos navios a medição do nível de um líquido, pasta fluida ou de grãos, contidos em tanques ou mesmo nos porões de carga à primeira vista parece fácil, porém pode se tornar relativamente difícil, se o material é corrosivo, abrasivo, mantido sob alta pressão ou é radiativo, devido ás intempéries do mar, principalmente o balanço do navio.

Quando a carga é grão (trigo, milho, soja, aveia, centeio, cevada, arroz, semente e derivados beneficiados, de comportamento similar a grãos em estado natural), os cuidados são rigorosos e deve-se atender as recomendações contidas na SOLAS Capítulo VI , o que obriga a um controle adequado tanto no carregamento como no descarregamento, de forma a não comprometer a estabilidade do navio.

164

Quando a carga é de combustíveis, líquido ou gás, os cuidados são ainda mais rigorosos, tanto que os navios que fazem este tipo de transporte ou servem de local de armazenagem devem satisfazer as prescrições dos manuais internacionais, para navios-tanques transportadores de produtos químicos, gás e granéis, conforme está estabelecido pela SOLAS Capítulo VII .

Na maioria das indústrias e mesmo nos portos, além das dificuldades citadas acima, a capacidade de estocagem cada vez é menor, principalmente nos processos contínuos. Porém, com medidas apropriadas de nível e com controles corretamente aplicados, às dimensões dos reservatórios e os estoques podem ser reduzidos sem que cause prejuízos ao funcionamento normal.

Portanto, vamos estudar nesta subunidade os principais métodos de controle de nível utilizados tanto na indústria como nas embarcações, de modo que você possa tirar melhor proveito quando estiver trabalhando com eles.

Conceito:

Nível é a altura de um líquido ou de um sólido, contidos em um recipiente.

Importância.

O objetivo da medição do nível é permitir o cálculo do volume ou do peso .

A determinação do nível e o seu controle a bordo doas embarcações é importante para:

a) manter o controle da capacidade dos tanques que tenham um fluxo constante durante um processo;

b) determinar constantemente o conteúdo de tanques de armazenamento visando controle operacional ou de custo.

Aplicação.

Em terra, é aplicado para:

a) indústrias químicas; b) de petróleo, de papel; c) de alimentação; d) têxtil; e) de tratamento de água; e f) nas usinas de força elétrica.

A bordo é aplicado para:

a) água potável, água de serviços; b) óleos lubrificantes; c) óleos combustíveis para as máquinas; d) carga líquida; e) carga de gás; e f) carga de granel, etc.

Unidades de Nível

A unidade de nível é expressa diretamente em:

a) altura, em centímetro (cm) ou metro (m);

b) volume, em litro (l) ou metro cúbico (m3); e

c) peso, em quilograma (kg) ou tonelada (T).

OBS.: Para converter litros em galões divide-se o volume em litros por 3,788533.

165

AUT

Fig. 3.70 - Tanque

cilíndrico vertical.

Fig. 3.71 - Tanque cilíndrico horizontal.

Obs.: Os tanques cilíndricos horizontais não têm volume uniforme a variação do nível na altura de 2 m representa uma variação maior que a variação na altura de 1 m.

ATENÇÃO! Não devemos esquecer que:

- A forma do recipiente freqüentemente determina o tipo de instrumento necessário para se fazer a indicação do nível.

- Um recipiente alto e estreito dá uma indicação mais precisa com relação ao volume que um recipiente baixo e largo.

- Já uma pequena variação no nível de um recipiente baixo e largo representa maior variação de volume em um sistema controlado (ver capacitância).

- Em um tanque cilíndrico vertical a variação do nível é proporcional à variação do volume, pois o volume é uniforme, (figura 3.70 ).

- E que num tanque cilíndrico horizontal o volume não é uniforme, (figura 3.71 ).

Classificação

Os dispositivos de medida de nível medem ou a posição da superfície do líquido sobre um ponto de referência ou a altura hidrostática criada pelo líquido cuja superfície se deseja conhecer. Baseando-se nesses princípios, os medidores de nível são classificados como em seguida:

a) Medição direta

- Sonda; - Visores; - Flutuadores (Bóias).

- Baseado na pressão hidrostática.

- Borbulhamento - Manômetro em U - Caixa de diafragma

b) Medição indireta - Por meio de pressão diferencial - d/p cell - Manômetro em U

- Por meio de medição de empuxo - - Corpo imerso c) Medidores

baseados na característica elétrica dos líquidos.

- Contatos de eletrodos - Capacitância - Radioatividade - Ultra–som - Fotoelétrico - Termistor

166

3.5.1 Medidores Diretos

Usa a variação do nível do material (fluido ou sólido granular) como meio de obter a medição. Os medidores direto são os que normalmente envolvem os instrumentos mecânicos de indicação de nível. Os principais são:

3 . 5 .1 . 1 So nd a

Normalmente é feita de uma vara, haste ou fita métrica metálica (trena) graduadas em centímetro ou outra unidade apropriada, que pode ser inserida no tanque ou reservatório; a verdadeira profundidade (altura) do material é dada pela porção molhada na sonda.

Este método é bastante utilizado nos navios para medir a altura do fluido nos tanques de água, de óleo lubrificante, armazenamento de óleo combustível e dalas dos porões de carga

Nos tanques de óleos, principalmente os de combustíveis, utiliza-se uma haste especial ou uma pasta especial que se passa na fita métrica metálica para indicar o nível de água existente, originado pela condensação. Esta técnica também é empregada para medição de nível de interface.

Tal medição é simples e eficiente, porém não é muito prática quando o material é tóxico ou corrosivo, além de que o indivíduo tem de permanecer sobre a abertura e manejar a sonda de medição quando esta é retirada do reservatório.

Este método não oferece meios de controlar o nível visualmente e requer um cálculo para se saber a quantidade do produto estocado

3 . 5 .1 . 2 V i s o r

O visor é um método empregado em recipientes abertos ou fechados para os quais é apropriada a indicação local (visual) do nível do material.

Este método exige que haja uma pessoa de serviço controlando manualmente o nível do líquido dentro dos limites escolhidos. Dois são os principais tipos:

1 -Tubo de Vidro - Normalmente é um tubo de vidro simples ou raramente de plástico especial, com as duas extremidades ligadas por meio de válvulas de bloqueio ao recipiente que contém o líquido. Podendo-se proteger os tubos de vidro indicadores de nível com um revestimento de metal ou com protetores de mica. A leitura é feita em uma escala graduada que está presa ao tubo. São empregados em tanques pressurizados até 7 kg/Cm.

Fig. 3.72 - Visor de nível simples.

2 - Visor de vidro refletivo - Este consiste em duas placas de vidro de alta resistência protegidas por armaduras metálicas. A superfície de vidro que fica em contato com o líquido é provida de ranhuras que atuam como prismas de reflexão, indicando a zona de líquido onde a cor for mais escura. Em alguns casos utiliza-se uma luz especial atrás do visor ou lâminas

167

AUT

coloridas, de tal forma que, para níveis diferentes, são vistas cores diferentes (ver figuras a seguir).

São apropriados para suportarem pressões de vapor de até 220 atm. e temperaturas de até 5.300ºC. Variações especiais são empregadas para aplicações a baixas temperaturas e para líquidos viscosos ou corrosivos.

Para maior segurança as válvulas de bloqueio incorporam uma esfera que atua como se fosse uma válvula de retenção, no caso de ruptura do vidro.

Fig. 3.73 - Visor de nível refletivo simples.

Fig. 3.74 - Visor de nível refletivo duplo.

Fig. 3.75 - Visor de nível magnético.

Quais são os problemas que apresentam ?

168

Apresentam os mesmos problemas dos manômetros de coluna liquida. Deve-se tomar cuidado em manter o diâmetro interno do vidro tão grande quanto possível, pois se for muito pequeno ocorrerá ação capilar e o nível indicado poderá estar acima do real.

Um outro problema comum nos indicadores de nível tipo visor é o escurecimento do vidro com o passar do tempo, o que leva a necessidade de uma manutenção de vez enquanto. No caso do tipo reflexivo (aplicado a caldeira), é importante que todos os parafusos do visor sejam apertados uniformemente, para evitar a quebra do vidro por causa das vibrações e da temperatura de trabalho.

Um visor de vidro indica variações de nível com uma precisão de 0,4mm nas melhores condições, mas não indica o volume real do líquido no reservatório. Portanto, se houver necessidade de estabelecer o volume de líquido no recipiente é necessário fazer uma conta que leva em consideração a área do reservatório, variação da carga hidrostática e a densidade do líquido.

Para controle automático do nível pode-se acrescentar aos visores, sensores fotoelétricos em conjunto com relês, que enviam sinais para acionar bombas ou válvulas. Leituras remotas podem ser feitas com auxilio de espelho ou da televisão.

3 . 5 .1 . 3 Bó i as

O método de medição direta de nível com bóia é empregado para determinar ou indicar a posição da superfície do liquido (o nível) em tanques abertos, poços, e reservatórios e para controlar a vazão de entrada ou saída destes, em faixas restritas. A bóia, juntos com um dispositivo especial, pode ser empregada em tanques pressurizados.

Seu princípio de funcionamento baseia-se na mudança de altura de um flutuador à superfície de um líquido

Fig. 3.76 - Flutuador cilíndrico com transmissor pneumático.

O flutuador pode ser um cilindro oco (figura 3.76) ou uma esfera oca de metal (figura 3.77 e 3.78) ligada a extremidade de um sistema mecânico (alavanca). Variações no nível do líquido fazem a bóia se mover e, portanto, forçam o movimento da alavanca. A própria alavanca pode acionar um simples indicador analógico local, ou transmissores pneumáticos ou elétricos para indicação remota, analógica ou digital. Serve ainda, para acionar controladores do tipo tudo ou nada (on off), assim como alarmes.

Em tanques regulares com área constante, a medição com bóia permite o cálculo preciso do volume contido no tanque. Para tanto se aplica a fórmula:

169

AUT

A faixa de indicação de nível independe do formato e das dimensões do recipiente, ou seja, depende apenas do comprimento da haste de ligação. Assim como, o movimento da bóia independe da densidade do líquido. Porém, turbulência ou existência de espuma na superfície do líquido pode causar erro na medição.

A vantagem da bóia é ser praticamente isenta do efeito de variação de densidade do líquido e ser adequada para medir grandes variações de nível (até 30m). Uma das desvantagem da bóia é ser muito sensível à agitação do líquido.

Por esse motivo a bóia não deve ser aplicada para indicação de nível ou para comandar válvula de controle em tanques com líquidos em ebulição, pois estes provocam ondulações na superfície a ser medida.

A bóia deve ser construída de tal forma que flutue no material, isto significa que a densidade da bóia deve ser menor que a do material onde se imerge. O material da bóia deve ser escolhido de modo a não ser corroído ou desgastado pelo produto no qual ela flutua, caso contrário a sua densidade será desgastada.

Os principais elementos operados pelo movimento da bóia são:

a) polias e cabos, fitas ou correntes;

b) válvulas de controle;

c) chave elétrica magnética;

d) transdutor/transmissor pneumático; e

e) transmissores elétricos.

Os níveis podem variar de 0 a 3 metros para os tipos flutuadores e polias, e de 0 a 30 metros, ou mais, para os tipos com fita calibrada. Exatidões são de mais ou menos 3mm.

A) Medidor de nível de bóia com fita calibrada .

A bóia pode acionar mecanicamente uma fita calibrada com contrapeso, que passa por um ponto de referência fixo, em um visor de vidro ou em uma escala devidamente graduada Ou ainda pode movimentar um contador, calibrado em unidades de altura. A indicação remota pode ser feita por um sistema de transmissão pneumática ou elétrica. O medidor de nível de líquido do tipo fita-calibrada é usado mais freqüentemente em grandes tanques de estocagem a granel e em sistemas automáticos de medição de nível em tanques.

Fig. 3.77 - Medidor de nível de bóia

tipo bola com escala/fita calibrada.

B) Medidor de nível de bóia com polias e cabos com contrapeso

Uma bóia metálica encontra-se na superfície de um líquido, em um tanque aberto ou num poço e é ligada a um cabo de aço inoxidável, que passa por uma polia e termina por um contrapeso na outra extremidade do cabo.

170

Fig. 3.78 - Medidor de nível de indicação direta com registrador tipo bóia.

Fig. 3.79 - Nomenclatura.

Um comando do mesmo eixo da polia também gira com o movimento de rotação da polia, provocado pelo movimento vertical do flutuador. Um dispositivo nesse comando movimenta o ponteiro indicador de nível numa determinada escala ou a pena de um registrador. A polia, o comando e seu dispositivo, encontram-se dentro de uma caixa na parte de trás do instrumento.

C) Mecanismo de Bóia com Válvula de Controle

Uma bóia com um sistema de alavanca pode ser usado para acionar uma válvula que controla o nível de recipiente.

Das aplicações mais comuns desse mecanismo é controlar o nível do líquido nas caixas de descarga de sanitários. O dispositivo pode ser ajustado para fechar a válvula de controle de entrada de água em qualquer nível desejado. Pode ser usado tanto em reservatórios abertos quanto em fechados onde há uma variação de nível limitada.

Fig. 3.80 - Mecanismo de bóia acionando válvula de controle.

D) Medidor de nível de bóia ou chave magnética

Nos sistemas magnéticos de indicação de nível, a bóia flutua livremente e qualquer coisa que restrinja seu movimento ou faça mudar a densidade produz um erro na medição do nível. Este tipo pode ser encontrado abordo dos navios para controle da água de alimentação das caldeiras, ligando e desligando a bomba de água de alimentação.

Funcionamento - Consiste em acoplar um imã a um braço de bóia e fazer o imã acionar uma chave. Quando o imã é levantado pela bóia, coloca a chave na posição desligada e, quando a bóia desce o imã abaixo da posição da chave, coloca esta última na posição ligada.

Fig. 3.81 - Bóia magnética

É uma outra forma de controle on-off para variações de nível relativamente pequenas (de alguns centímetros).

171

AUT

3.5.2 Medidores Indiretos Baseados na Pressão Hidro stática

Sensores de pressão de fluido são utilizados para medir o nível de líquido em tanques aberto ou fechados, colocando o sensor no fundo de um tanque que contenha líquido, como mostra as figura 3.82 e 3.83

Eles medem a pressão hidrostática exercida pela altura (h) do líquido sobre o sensor, compreendida entre o nível do tanque e o eixo do medidor. A indicação, porém, será de acordo com o peso específico (Y) desse líquido.

Baseiam-se no princípio de que “a pressão é diretamente proporcional ao nível (altura) do líquido no recipiente aberto

Nesses medidores, o líquido em recipiente aberto e ao nível mínimo de operação, atua em qualquer dos elementos elásticos de medição de pressão estática.

O elemento sensor deve possuir uma faixa de trabalho equivalente à pressão estática do líquido no recipiente, deve ser instalado no mesmo nível horizontal do mínimo nível de operação e poderá está ligado mecanicamente a um ponteiro indicador, a um registrador, a um transmissor ou diretamente a um controlador. A pressão detectada é convertida em unidades de nível por meio de uma escala ou de um gráfico devidamente calibrados em unidades de nível. Faixas de nível de 0 a 2,5 mm até um máximo ilimitado, podem ser determinadas com elementos de pressão estática mecânicos ou elétricos.

Esse método pode ser empregado para líquidos límpidos, devido sua simplicidade é baixo custo. Porém, para líquidos com impurezas, ou viscosos e corrosivos, exigem separação ou sistemas de purga que são de difícil manutenção e aumenta em muito os custos.

3 . 5 .2 . 1 T i po Ca i x a d e D i a f r agm a

Estas caixas de bronze com diafragmas, ao serem colocadas em tanques abertos e ligadas ao um instrumento determinam o nível do líquido.

Fig. 3.82 - Foto do sensor

Fig. 3.83 - Medidor de nível baseado na pressão hidrostática, tipo diafragma.

Um diafragma de Neoprene flexível separa o líquido do ar, em um tubo ligado ao elemento sensor do instrumento. Variações na pressão estática, exercidas pelas diferentes alturas do líquido, produzem correspondentes variações da pressão no diafragma, que por sua vez movimenta o LVTD, produzindo uma tensão elétrica indicada no instrumento em uma escala de nível.

172

As principais características são:

a) não exigem que o instrumento indicador de pressão seja colocado na mesma linha horizontal do mínimo nível do tanque;

b) baixo custo;

c) facilidade de limpeza;

d) construção simples;

e) limitação da faixa de nível; e

f) limitação na temperatura do líquido que deve ser inferior a 65ºC.

3 . 5 .2 . 2 T i po Pr es sã o D i f e r en c ia l

É empregado para medir nível em tanques fechados. Neste caso, a pressão acima do líquido deve ser compensada..

O instrumento diferencial de pressão é conectado em pontos de níveis máximos e mínimos no tanque. No espaço entre o instrumento e o ponto de tomada de nível máximo, encontra-se um tubo de referência constante e que é cheio com o líquido, até que a sua altura seja equivalente a altura do líquido no tanque em seu nível máximo.

O instrumento mede a diferença de pressão entre as duas conexões ao tanque. Sendo que a pressão total detectada em cada cone-xão corresponde a pressão de altura do líquido e mais a pressão acima do líquido. Como a pressão acima do líquido é a mesma, seu valor fica cancelado.

Portanto, a pressão diferencial medida pelo instrumento é aquela produzida apenas pela altura do líquido no tanque e independente de pressão ou vácuo existente dentro do tanque.

Fig. 3.84 - Medidor de nível de pressão

diferencial com controlador pneumático.

3 . 5 .2 . 3 T i po DP- Ce l l

Empregado para controle de nível de água em caldeiras. As derivações (saídas) são feitas nos lados do tubulão de vapor e do tubulão de água, e são controladas por válvulas de interrupção do tipo gaveta. O lado do vapor é ligado a um pequeno condensador contendo um vertedoro no qual à queda constante da água é aplicada no lado da célula de alta pressão (DP Cell). O lado da água é ligado no outro lado da célula de baixa pressão em que a variação do nível de água é balanceada contra uma queda constante. A variação do nível de operação da célula produz um sinal pneumático ou elétrico.

173

AUT

Fig. 3.85 - Medidor diferencial de pressão – Célula DP Cell.

No exemplo da figura um arranjo de fole com um eixo esta sendo usado. O movimento de saída do eixo pode operar uma palheta (flap) que através de um bocal de sinal pneumático atua em um transdutor elétrico. Prevendo a ocorrência de uma excessiva diferença de pressão sobre a célula, no caso de uma das válvulas se fechar um contrapeso é incorporado de forma ajustar o sistema.

3 . 5 .2 . 4 T i po M an omét r i co c om S i s t ema Pn eu mát i c o ( Bo r bu l hame nt o )

É empregado para medição em tanques abertos quando a densidade do líquido for constante. A faixa utilizável é de 0 até 40 metros, no máximo, dependendo da pressão disponível do ar ou gás de borbulhamento.

Exemplo: A figura a seguir mostra um sistema que pode ser encontrado em um navio tanque. Consta de um instrumento indicador de nível, que pode ser um manômetro com escala correspondente de nível ligado a uma tubulação imersa no líquido que termina na altura de nível mínimo e é alimentada por ar de controle com pressão constante suficiente para vencer a contra pressão do líquido contido no tanque.

Fig. 3.86 - Medidor de nível tipo

borbulhamento.

Funcionamento - A pressão do ar necessária para realizar esse trabalho é função da altura da água no tanque. Então a pressão do ar corresponde ao nível da água no tanque e, é transmitida ao instrumento.

O ar comprimido, controlado por um Rotâmetro, borbulha lentamente pela ponta livre ao nível mínimo em que não haja contrapressão. Para cada centímetro de nível acrescido desenvolve-se uma pressão.

Como a pressão desenvolvida depende da altura do líquido e do seu peso específico, então a pressão na linha de ar detectada pelo medidor é a pressão de retorno exercida pela altura do líquido, a qual é indicada em unidade de nível

A extremidade submersa do tubo de ar é fechada e o ar borbulha através de uma série de furos cuidadosamente calculados , circulares ou cortados em forma de "V" ao redor da parede do tubo.

Esse tipo de instrumento, normalmente é empregado com transmissores de pressão pneumáticos e requer atenção aos seguintes pontos:

a) o tubo de interligação deve ter diâmetro apropriado para não dar perda de carga;

174

b) é importante manter a vazão do ar ou do gás constante, especialmente quando o nível varia amplamente, para evitar o entupimento da extremidade do tubo mergulhado;

c) a extremidade inferior do tubo mergulhado deve ter uma forma dentada para fazer borbulhamentos suaves.

Agora temos um desafio: Com auxilio de um dicionári o técnico traduza os termos técnicos apresentado em inglês na figura a c ima.

3 . 5 .2 . 5 Me d id o re s d e N í ve l Ba se ad os no Des l oc ame nto

Mede o empuxo que esta submetido um flutuador parcialmente mergulhado e unido através um tubo de torção a um transmissor exterior ao tanque. O funcionamento desses medidores baseia-se no princípio de Arquimedes. Ou seja há uma mudança da altura de um flutuador colocado na superfície de um líquido, com as modificações de nível do líquido.

O princípio de AQUÍMEDES estabelece que “um corpo total ou parcialmente mergulhado em um líquido, sofre um empuxo, cuja for ça é igual ao peso do líquido deslocado pelo corpo ”.

A ação desses medidores é similar aos medidores de bóia só que o seu movimento é mais restrito. Pode ser empregado para indicação do nível em tanques de fermentação ou que tenha muita agitação e borbulhamento. O deslocador tem a vantagem sobre a bóia flutuante simples por ser mais sensível a pequenas variações de nível e estar menos sujeito a atrito mecânico. Os deslocadores e os recipientes são construídos em aço, monel e aço inoxidável. O comprimento dos deslocadores variam de 35cm até 4,5 metros.

Exemplo: A figura 3.87 nos mostra um medidor desse tipo, quando varia o nível do líquido, também varia a camada submersa do deslocador.

A força de impulsão que atua no deslocador é cada vez maior quanto mais submerso ele estiver. Esta força é transmitida a um sistema pneumático através de um tubo torque ou de um eixo fletor. Para cada nível de líquido haverá uma força diferente atuando no eixo. Isto fará com que o eixo assuma nova posição. O sistema pneumático é concebido de tal forma que para cada posição do eixo haverá uma pressão de ar diferente.

Funcionamento: O recipiente com o deslocador acha-se ligado com o fundo e o topo do tanque. Uma haste com suporte é presa em um dos lados do flutuador e a outra é sustentada por ponto de apoio fixado a um tubo-torque que fica a 90 graus da haste.

Fig. 3.87 - Medidor de nível tipo flutuador tubular de deslocamento.

O tubo-torque possui no seu interior uma conexão que prende uma extremidade do eixo giratório. Esse se projeta para o exterior por meio de um flange de vedação, aparafusado, a prova de pressão. A outra extremidade do eixo giratório pode ser ligada a um ponteiro, se for indicador local de nível, mas em geral acha-se conectada a um transmissor pneumático. Não havendo líquido no recipiente do deslocador, o seu peso total exerce uma força na extremidade livre da haste de suporte, o que provoca um movimento de giro no tubo-torque e no eixo giratório em seu interior.

175

AUT

Entrando líquido no recipiente do flutuador, provoca um empuxo no deslocador, cuja força é igual ao peso do líquido deslocado. Esta ação diminui o movimento giratório do tubo-torque e do eixo giratório, proporcional ao nível. O movimento é convertido em um sinal pneumático, por meio de um conversor pneumático (conjunto bico-palheta) ou por um transmissor de equilíbrio de forças, para um controlador.

Quais são as vantagens e as desvantagens ?

Esses medidor de nível possuem a faixa de medida é muito ampliada; a exatidão e a sensibilidade são excelentes; suportam pressões mais elevadas e temperaturas mais altas do que os demais tipos com bóias. Contudo, o deslocador deve ser limpo com muita freqüência, para remover sólidos que se depositam ou para impedir corrosão. O medidor deve possuir um ajuste para peso específico.

3.5.3 Medidores de Nível Elétricos

Estes medidores de nível são de dois tipos:

a) Condutivos; e

b) capacitivo.

3 . 5 .3 . 1 Me d id o re s d e n í ve l p o r co nd u t i v i da de e lé t r i c a

Este sistema de medição baseia-se na propriedade da condutividade elétrica de alguns líquidos. O circuito é formado pelo líquido, por um relé controlador, pelo eletrodo metálico e pela ligação com a parede metálica do recipiente.

Fig. 3.88 - Medidor de nível por condutividade elétrica.

Fig. 3.89 - Eletrodos de nível.

Como funciona o medidor de nível tipo eletrodo?

O Permanecendo o líquido em contato com o eletrodo, passa uma corrente elétrica pelo circuito. Baixando o nível, o circuito se desliga no instante em que o liquido não alcança mais o eletrodo. Como o relé controlador faz distinção entre estas duas condições, ele liga ou desliga a operação de uma válvula de controle, atuando como um controlador on-off, acende um sinal luminoso ou soa um alarme

Basta um só eletrodo para líquido que não tenha espuma. Em líquidos com turbulência ou com espuma são necessários dois eletrodos, colocados aproximadamente no mesmo nível. Um eletrodo atua abrindo a válvula e o outro fechando a válvula.

176

Suas principais vantagens são:

a) custo relativamente baixo; b) flexibilidade; e c) faixa de nível sem limite.

As limitações são de não serem empregados com líquidos:

a) não condutores; b) condutores mais viscosos, pois que formam depósitos nos eletrodos, dando curto-

circuito com as paredes do tanque; e c) corrosivos ao aço inoxidável.

3 . 5 .3 . 2 Me d id o re s d e N í ve l Ca pa c i t i vos

Esse tipo de medidor detecta variações de nível, pelas variações de capacitância. A capacitância de saída depende da altura do dielétrico (ou líquido) entre as placas. Maior altura corresponde a maior capacitância e vice-versa. Portanto, a capacitância é diretamente proporcional ao nível de líquido do tanque.

Como funciona o medidor de nível capacitivo ?

A variação de capacitância causa uma variação correspondente na freqüência de um oscilador , que produz um sinal por meio do circuito eletrônico, o qual indica a condição de nível; máximo ou mínimo, ou ativa e desativa o dispositivo de controle.

Este sistema é capaz de medir nível tanto de líquidos como de materiais secos ou medir interface de líquidos e pode fornecer um sinal de saída para indicação remota e/ou registro bem como para um controlador.

O sensor de nível de líquido capacitivo mostrado na figura 3.90 é um sistema que consiste em um eletrodo de metal com isolante, fixado próximo e paralelo à parede de metal do tanque. Se o líquido não é condutivo, o eletrodo de metal e a parede do tanque formam as placas de um capacitor, e o líquido entre eles atua como um dielétrico.

Fig. 3.90 - Medidor de nível capacitivo.

3.5.4 Medidor de Nível Radioativo

Medidores radioativos podem ser usados para medição de níveis contínuos e para indicação de simples pontos. Eles são primordialmente usados quando o material a ser medido é também corrosivo ou a temperatura no ponto do processo é muito alta ou em geral quando a situação se mostra inadequada instalar o elemento primário dentro do tanque de armazenamento.

177

AUT

Princípio de funcionamento

A absorção dos Raios Gama é proporcional ao produto da densidade e da espessura do material colocado entre a fonte radioativa e o detector, o qual pode ser um contato Geiger, uma câmara de ionização ou de cintilação. Portanto, se colocar a fonte no fundo do tanque e o contador no seu topo, a intensidade detectada por ele é proporcional à espessura ou, nesse caso, ao nível do material estocado no tanque.

Fig. 3.91 - Medidor de nível radioativo.

Funcionamento para detecção do ponto de nível - Para essa aplicação, o material radioativo é montado num lado do tanque de armazenamento e o detetor é montado no lado oposto, como mostra a figura 3.91 A, B, C. O sistema é instalado para o nível requerido pelo processo. Quando o material no tanque de armazenamento sobe ao nível dos raios radioativos, ou acima, intercepta os raios ao detetor. O relé no detetor fecha o contato interrompendo o fornecimento de material para o tanque. Um ou mais pontos de sensores radioativos são usados quando se requer medição de nível continuo.

3.5.5 Medição de Nível de Sólidos

É necessário medir o nível dos sólidos, geralmente em forma de pó ou grãos, nos porões de carga dos navios graneleiros, em silos, em alto-fornos, etc., pelos mesmos motivos da medição de nível dos líquidos.

Esta medição comumente é feita por um dos seguintes métodos ou dispositivos:

a) eletromecânicos; b) radioatividade (Raios gama); e c) pressão diferencial.

Fig. 3.92 - Medidor de granel em silos

178

3.6 MEDIDORES DE VAZÃO


- Compreender o funcionamento dos medidores de vazão; e

- Reconhecer as características e os fundamentos técn icos da instrumentação de controle de vazão.

As grandezas importantes dos fluidos estudadas até aqui foram a medição da temperatura , da pressão e do nível . Agora vamos estudar a medição da vazão . Porém, devemos lembrar que outras grandezas, tais como velocidade , ondas de choque , gradiente de massa específica , turbulência , viscosidade etc. também são determinadas mas, neste curso não iremos estudá-las.

Nos navios a medição da vazão tem sua aplicação nos processo de controle da água potável, do consumo de combustível dos motores e das caldeiras, e no carregamento e descarregamento da carga em navios tanques. Em geral a bordo do navio, essa medição torna-se difícil porque o meio de trabalho que se controla pode ter diferentes temperatura e pressão. E isto influencia sobremaneira na escolha do método e do tipo de aparelho.

Você sabia que a Vazão? � é a quantidade (volumétrica ou gravimétrica) do fluido em relação ao tempo. � é um fluído ( líquidos, ar, gases e vapor de água) em movimento. � também é denominada de fluxo , e é expressa em unidades, tais como, m3/h ou

l/min .

Para uma boa compreensão da medição da vazão, devemos começar o nosso estudo analisando alguns pontos da mecânica dos fluidos , visto que são importantes para compreensão dos princípios de funcionamento dos instrumentos medidores de vazão.

A medida da quantidade (vazão) de um fluido, para fins contábeis e para verificação do rendimento do processo, é um fator tão importante a bordo dos navios e nas industrias, quanto ao consumo de energia elétrica. Ela nos permite estabelecer relações corretas de materiais em processos, para o controle de qualidade da produção, controle de custo e controle de estoque.

3.6.1 Grandezas Físicas e Características dos Líqu idos

As grandezas físicas representam propriedades dos corpos ou características dos fenômenos que podem ser divididos num certo número de partes iguais, isto é, que são susceptíveis de uma medida. Tal é, por exemplo, a medida da quantidade de escoamento (fluxo ou vazão) de um fluido no controle de processos industriais, a bordo dos navios e até nos nossos lares.

Duas grandezas da mesma classe define-se como sendo da mesma espécie ou homogênea .

Exemplo: Dois comprimentos são duas grandezas da mesma espécie, mas já um comprimento e uma superfície são duas grandezas de espécies diferentes.

179

AUT

Experiência 1:

Se, na figura ao lado, compararmos o comprimento do segmento “a” com o comprimento do segmento “b”, verificaremos que o comprimento do segmento “b” contém 3 vezes o do segmento “a”

Fig. 3.93 - Segmentos de reta

Forma e Volume dos Líquidos

Um líquido não têm forma própria, toma a forma do vaso que o contem, mas o seu volume é invariável.

Experiência 2 :

a) Coloquemos água em uma proveta graduada e façamos uma verificação do seu volume;

b) Depois derramamos essa água em um copo graduado. Observamos que a água que tinha a forma da proveta, tomou naturalmente a forma do copo e que o volume não variou.

Fig. 3.94 - Forma e volume dos líquidos 1.

c) A gora derramamos a água do copo graduado em dois vasos graduados. Verificamos que a forma do líquido se modifica mas, o volume permanece o mesmo, igual a soma do volume dos dois vasos graduados.

Fig. 3.95 - Forma e volume dos líquidos 2.

Superfície Livre de um Líquido

A superfície livre de um líquido em repouso é plana e horizontal, porque é perpendicular à vertical dada pelo fio de prumo.

Experiência 3 .

a) Tomemos um recipiente com água, colocado na posição inclinado conforme a figura 3.95 e encostarmos um dos catetos de um esquadro a um fio de prumo, observaremos que o outro cateto se ajusta perfeitamente à superfície livre do líquido, seja qual for a direção que se ponha.

Obs. Quando a superfície livre tiver uma grande extensão, como é o caso das águas dos mares, deixa de ser plana e horizontal, em virtude de acompanhar a curvatura da terra.

Fig. 3.96 - Superfície livre de um líquido.

180

Superfície de Separação de Líquidos Não Miscíveis .

Experiência 4. Derramamos num mesmo três

líquidos não miscíveis de densidade diferente (por

exemplo: óleo, água e mercúrio) figura ao lado.

Como são as superfícies de separação desses líquidos

Como estão dispostos os líquidos por ordem das suas densidades.

Fig. 3.97 - Superfície de separação de líquidos não miscíveis.

A superfície de separação de líquidos não miscíveis são planas e horizontais e os líquidos sobrepõem-se por ordem decrescente das suas densidades, a partir do fundo.

Os líquidos não miscíveis sobrepõem-se por ordem decrescente das suas densidades.

Quando um mesmo líquido se encontra distribuído em um sistema de vasos comunicantes, as superfícies livres estão todas no mesmo plano horizontal.

Exemplo : Chafariz, poço artesianos, distribuição de água encanada, indicadores de níveis e comportas.

Fig. 3.98 - Vasos comunicantes com

um só líquido.

Pressão no interior dos líquidos:

Quando ligamos uma bomba ou abrimos uma válvula para escoar um liquido qualquer que esteja num nível superior ao seu plano horizontal, estamos modificando o estado de energia desse líquido da condição estática para condição de movimento, e isto resulta no escoamento do líquido. Portanto, sempre é necessário uma força para modificar o estado de energia de um fluido.

A força, devido à pressão sobre a superfície do líquido, é igual à pressão multiplicada pela área superficial.

A medição de vazão é a única que deve ser feita com fluido em movimento , ao passo que todas as outras medições podem ser feitas em fluidos no estado estático.

Os líquidos exercem forças de pressão sobre as paredes dos vasos que os contêm.

181

AUT

F = P x A

Onde: F = força P = pressão A = área

Fig. 3.99 - Relação da força nos fluidos.

Fig. 3.100 - Pressão do líquido sobre o dedo.

Fig. 3.101 - direção da força de pressão exercida pelo líquido.

A direção da força de pressão exercida pelo líquido é perpendicular à superfície da parede do vaso que o contém (ver figura ao lado).

Um líquido exerce sobre toda a superfície em contato com ele uma força de pressão normal a esta superfície (ver figura a seguir).

Exemplo - Para demonstrar essa propriedade tomemos um tubo largo de vidro aberto nas duas extremidades com um obturador (tampa), leve, preso por um fio na parte inferior (fig. A) e coloquemos em um recipiente com água nas posições mostrada pelas figuras “B”, “C” e “D ”.

Da experiência podemos tirar as seguintes conclusões:

- Em “A” o tubo esta fora da água, então a tampa da extremidade inferior cai sob a ação do seu peso.

- Em “B” o tubo mergulha no líquido e a tampa não cai por estar submetido a uma força normal “F” que o mantém aplicado contra o tubo que não tem líquido.

- Em “C”, o tubo esta inclinado e a tampa não sofre qualquer deslocamento, pois a força “F” ainda é normal à superfície.

- Em “D” a força de pressão da água atua sobre as duas faces da tampa, visto que essa esta fica submetida ao seu peso, então ela cai.

Fig. 3.102 - Força de pressão

normal a superfície em contato.

A força de pressão , exercida de baixo para cima sobre uma parede horizontal por um líquido em equilíbrio, é igual ao peso duma coluna desse líquido que tem por base a superfície considerada e por altura a distância dela à superfície livre do líquido. Fig. 3.103 - Força de pressão de um

líquido de baixo para cima sobre uma superfície horizontal.

182

Em um líquido em repouso, todos os pontos de um mesmo plano horizontal estão submetidos a uma mesma pressão.

Fig. 3.104 - Pressão de um líquido num mesmo plano horizontal.

3.6.2 Princípios Físicos

A velocidade de um líquido escoando de uma abertura no fundo de um tanque pode ser expressa pelo teorema de TORRICELLI, em que:

“a velocidade é igual a raiz quadrada do produtos de duas vezes a constante gravitacional, vezes a altura do líquido, vezes a sua densidade.”

Onde: v = velocidade g = constante gravitacional. h = altura do líquido. ρ = densidade do líquido

De acordo com a Lei da Continuidade , a vazão (as vezes chamada de fluxo ) de um fluido em movimento, dentro de uma tubulação, é igual em todos os seus pontos . Quando se diminui a seção transversal em um dos pontos da tubulação, a velocidade de escoamento naquele ponto aumenta

O princípio de BERNOULLI estabelece que “a pressão em um fluido escoando é menor quando a velocidade de escoamento for maior e será maior quando a velocidade for menor.”

A equação fundamental de escoamento foi desenvolvida a partir desses conceitos básicos e estabelece que:

“a vazão é igual a uma constante multiplicada pela raiz quadrada da perda de pressão na restrição feita na linha de escoamento.”

Número de Reynolds - Ocorrem dois tipos de escoamento do fluido em tubos:

a) Escoamento laminar oferece pouca resistência e ocorre em baixa velocidade (escoamento viscoso).

b) Escoamento turbulento - quando o movimento do fluído for irregular e desordenado (característica de alta velocidade).

Com o aumento da temperatura os líquidos escoam mais facilmente, porém os gases tendem a escoar mais vagarosamente. Esta característica da facilidade de escoamento é chamada viscosidade .

183

AUT

A natureza da vazão de um fluído depende:

a) do diâmetro do tubo (D) b) da densidade (ρ)

c) da viscosidade (µ ) d) da velocidade de escoamento (v)

O valor numérico destas quatro variáveis é conhecida como número de Reynolds (R). Este é um numero não dimensional e dado pela expressão:

O escoamento laminar ocorre com o numero de Reynolds inferior a 2000 e o escoamento turbulento apresenta um numero de Reynolds acima de 4000.

Fluídos escoando em tubulações apresentam uma queda de pressão ao longo do tubo na direção do fluxo. A queda de pressão é devido a fricção entre as partículas do fluido e as paredes do tubo.

A fim de se aplicar inteligentemente os medidores de vazão é necessário fazer uso da equação de BERNOULLI e do conhecimento adicional das características e coeficientes de cada medidor.

Coeficiente de Descarga (c) - é a relação entre a descarga (vazão) real através do medidor e a descarga (vazão) ideal. Este coeficiente pode ser expresso como:

O coeficiente de descarga também pode ser definido em torno do coeficiente de velocidade e do coeficiente de contração.

O coeficiente de descarga não é constante. Para um dado medidor, ele varia com o número de Reynolds.

Coeficiente de velocidade (Cv) - é a razão entre velocidade média real na seção reta de um fluxo e a velocidade média ideal que ocorreria se não houvesse atrito. Assim temos:

Coeficiente de contração (Cc) - é a relação entre a área da seção contraída de um fluxo e a área da abertura através da qual o fluido se escoa. Assim temos:

A perda de carga - em orifícios, tubos, bocais e medidores Venturi é expressa como:

184

Quando esta expressão é aplicada a um medidor tubo Venturi, temos que:

Vf = velocidade na garganta, e Cv = coeficiente de descarga

Equação da Energia - Em muitos dispositivos empregados para determinar a velocidade de um fluxo de fluido ou a vazão, é necessário medir a pressão, devido a relação que existe entre a pressão e a velocidade expressa na equação de energia .

A pressão estática medida em um fluido em movimento é igual a sua pressão, sempre que a sua velocidade não seja afetada pela mesma medição.

Pressão diferencial - A restrição provoca um aumento na velocidade, resultando em uma queda de pressão e produzindo uma pressão diferencial. O que nos permite dizer que:

a vazão na linha de escoamento é proporcional à raiz quadrada da pressão diferencial.

Basicamente há duas maneiras de medir a vazão (fluxo) , que são:

1 Pela quantidade em volume de líquido num determinado período de tempo, ou

2 Pela medição do vazão do líquido na unidade de tempo.

3 . 6 .2 . 1 Qu an t i da de em vo lum e de l í q u id o nu m d e te rm i n ad o pe r ío do de t emp o

A quantidade em volume (ou peso total) de líquido num determinado período de tempo é determinada de duas maneiras:

a) - Determinando o volume por tempo , que é expresso em unidade de volume, tais como:

� metro cúbico por minutos (m3/min), adequado para medições de ar e gases.

� litros por minutos (lit./min.), adequado para medições de líquidos.

� Barril por hora (Barril/h), utilizado na medição dos produtos derivados do petróleo.

b) - Determinando o peso total por tempo , que é expresso em unidade de massa, tais como:

� Quilograma por hora (kg/h), aplicado na medição de vapor de água.

� Toneladas por horas (t/h), utilizada na medição de líquidos.

Cada uma dessas medidas é feita na suposição de que permanecem constantes certos fatores como:

- o peso específico.

- a densidade.

185

AUT

- a viscosidade.

- a temperatura.

- a pressão barométrica, e

- a super-compressibilidade.

Para passarmos de uma unidade para outra, usamos a expressão

Q = V. ρ

Onde: Q = vazão de massa em kg/s V = vazão volumétrica em m3/s ρ = densidade em kg/m3

3 . 6 .2 . 2 Me d i ç ão da va zã o d o l í q u id o n a u n ida de de t emp o

Na medição da vazão do líquido na unidade de tempo os valores medidos são expressos em unidades de volume e de massa. Na prática, numerosos dispositivos são usados para medição dessas grandezas e empregam diversos métodos tais como:

a) - método direto.

b) - método indireto.

c) - gravimétrico.

d) - volumétrico.

e) - eletrônico.

f) - eletromagnético, e

g) - óptico.

O método direto da medição da vazão consiste na determinação do volume ou peso do fluido que atravessa uma seção num dado intervalo de tempo.

Os principais medidores de vazão baseados no método direto são:

a) de deslocamento positivo do fluido: b) disco nutante; c) pistão flutuante; d) rodas ovais; e

e) roots.

O método indireto da medição do vazão exige a determinação da carga, diferença da pressão ou velocidade em diversos pontos numa seção transversal.

Os principais medidores de vazão baseados no método indireto são:

a) por perda de carga variável (área constante).

- Tubo de Pitot

- Placa de Orifício

- Tubo de Venturi

- Tubo Dall

b) por área variável (perda de carga constante)

- Rotâmetro

186

c) por velocidade de impacto do fluido

- Tipo hélice;

- Tipo turbina; e

d) medidores especiais.

- Eletromagnético;

- Ultra Sônico;

- Mass Flow; e

- Fio Quente;

Os métodos de determinação gravimétricas ou volumétricas são os mais precisos, neles o peso ou o volume é medido por balança ou por tanque calibrado num intervalo de tempo que é contado por um cronômetro.

Os medidores de vazão são estudados com mais aprofu ndamentos nas disciplinas Mecânica dos Fluidos e Instrumentação d e Controle de Processo nos cursos superiores. Aqui nos dedicaremos as suas características, aos princípios físicos ou as leis estabelecidas sobre e les nos fluidos.

É pelo conhecimento apurado desses princípios que compreendemos o comportamento dos líquidos, tanto na condição estática como dinâmica e, entendemos o funcionamento dos medidores de vazão.

3.6.3 Medidores de Vazão do Tipo Pressão Diferencia l

Os medidores de pressão diferencial caracterizam-se por possuir uma restrição na linha de fluxo. Junto à restrição haverá um aumento da velocidade do fluido e em conseqüência uma queda de pressão, produzindo assim a pressão diferencial, que varia com a quantidade que escoa pelo tubo. O que nos permite dizer que:

A quantidade de fluxo na linha de escoamento é proporcional à raiz quadrada da pressão diferencial

Devido à relação que existe entre a pressão e a velocidade expressa na equação de energia, nesses instrumentos basta medir a pressão diferencial para se ter a vazão.

A pressão estática medida em um fluido em movimento é igual a sua pressão, sempre que a sua velocidade não seja afetada pela mesma medição.

Nesse tipo, o sistema de medida possui um elemento primário que é a restrição na linha de fluxo, e um elemento secundário , que é um manômetro, ligado ao elemento primário por uma tubulação.

O elemento secundário é quem mede a pressão diferencial, a qual determina o escoamento volumétrico, pode ser conectado diretamente a um indicador, um registrador, um transmissor, ou um controlador.

O elemento primário que produz a depressão e gera a diferença de pressão, pode ser um dos seguintes instrumento:

a) tomada piezométrica (bocal de fluxo);

187

AUT

b) tubo estático (tubo pitot);

c) tubo venturi; e

d) placa de orifício.

3 . 6 .3 . 1 To ma da P i ezom ét r i c a

Empregado para fazer medição da pressão estática de um fluido em movimento, quando o fluxo é paralelo, (figura a seguir).

A variação da pressão normal as linhas de corrente é hidrostática , por essa razão, ao medir a pressão junto a parede da tubulação pode-se determinar a pressão em qualquer outro ponto da mesma seção transversal.

A tomada piezométrica deve ser pequena com o seu comprimento pelo menos o dobro do diâmetro e deve ser perpendicular (normal) à superfície, sem rebarbas (rugosidade) nas extremidade, pois estas formam pequenos vértices que distorcem a medida. Um pequeno arredondamento da abertura é permitido. Qualquer desalinhamento ou rugosidade na tomada pode provocar erros na medida. A tomada piezométrica pode ser conectada a um manômetro de Bourdon, para uma indicação local ou a um transdutor eletrônico.

Fig. 3.105 - Tomada piezométrica.

3 . 6 .3 . 2 Tu b o P i t o t

Mede a pressão estática de um fluido em movimento quando o fluxo é turbulento . Isto é segundo a fórmula de Bernoulli . Um tubo Pitot possui duas tomadas para medir as pressões:

1 uma delas, com abertura frontal , montada em direção do fluxo (a montante ), e fornecendo o ponto de impacto ou de alta velocidade que reage à pressão total (estática ou cinética).

2 a outra com aberturas radiais na parte cilíndrica (a jusante do nariz), ou seja, perpendicular ao eixo do fluxo reagindo apenas à baixa pressão, ou pressão estática.

Aberturas radiais

abertura frontal

Fig. 3.106 - Tubo Pitot.

O tubo Pitot penetra na linha de escoamento do fluido através de uma conexão à prova de pressão e que permite mover o tubo ao redor da seção. As pressões em cada uma das aberturas são transmitidas a um elemento secundário por meio de uma tubulação comum. Parte-se da hipótese que o escoamento passe pelas aberturas como se não fosse perturbado.

188

Entretanto, existem perturbações devidas ao ramo vertical, que é perpendicular a vazão (fluxo).

O tubo estático de Pitot mede apenas a velocidade do ponto de impacto e não a velocidade média da vazão (fluxo).

Para a indicação da vazão ser correta o tubo de impacto deverá ficar no ponto onde se encontra a velocidade média do fluxo. Devem ser calibrados, pois podem apresentar medidas muito altas ou muito baixas. O alinhamento com o escoamento não é crítico, de modo que o erro esperado será de alguns por cento para um desalinhamento de 15 %.

Tais tubos são relativamente insensíveis ao número de Reynolds e ao número de Mach menores que a unidade, ou seja, o tubo de Pitot é usado para grandes vazões de fluidos sem sólidos em suspensão , onde a precisão de medida não é exigida e a confecção de outros dispositivos é antieconômica.

Material estranho como poeira, sedimentos ou sólidos, pode obstruir o tubo e causar leituras falsas. Dadas essas limitações, ele não encontra grande aplicação industrial, mas é bastante utilizado em odômetros de navios e aviões. Os tubos Pitot são construídos em latão ou aço inoxidável.

3 . 6 .3 . 3 Tu b o Ve n tu r i

O tubo Venturi é um outro tipo de elemento primário que produz uma pressão diferencial empregada para medir a vazão em tubulações. São usados nas medições de escoamento de polpa de papel, de líquidos com cristais, de esgotos e de água.

Um tubo Venturi é montado entre as flanges da tubulação e consiste em três partes, em uma ou mais seções cilíndrica, a saber:

1) um cone de entrada com convergência angular fixa, que se acopla ao diâmetro interno da tubulação do sistema;

2) uma seção em garganta usinada com precisão; e

3) um cone de saída que possui uma divergência angular fixa até se acoplar ao ao diâmetro interno da tubulação do sistema.

Fig. 3.107 - Tubo Venturi.

O diâmetro dos cones é igual ou próximo ao diâmetro interno da tubulação ligada a ele. O cone da entrada e o estrangulamento possuem, aproximadamente, as mesmas características de um bocal de vazão. O cone de saída recupera uma grande parte da perda de carga.

O cilindro do tubo Venturi é equipado com tomadas piezométrica em um anel de pressão para calcular a média da pressão à montante, e neste ponto se faz a ligação do manômetro de alta pressão. Um anel similar é projetado para a garganta onde se faz a ligação de baixa pressão. A pressão diferencial é o resultado da diferença de pressão entre o cilindro e a garganta.

189

AUT

3 . 6 .3 . 4 Bo ca l ou Tu bo de Vaz ão

Os bocais de vazão são instrumentos com funcionamento semelhante ao tubo Venturi, exceto que não possui o cone de recuperação e que provocam uma maior perda de carga que o tubo Venturi, entretanto menor perda em relação as placas de orifícios. São três os tipos:

a) tubo de vazão;

b) bocal de vazão Gentile; e

c) tubo de vazão Dall.

Os tubos e os bocais de vazão são ambos empregados para medir fluxos de alta velocidade (usualmente água e vapor) além da capacidade de uma placa de orifício, e necessitam de uma menor extensão reta de tubo. O bocal de vazão opera bem em fluidos com quantidades moderadas de sólidos em suspensão.

Os tubos Gentile e Dall são melhores para fluidos límpidos, gases e líquidos com sólidos e para as mais baixas perdas de pressão. Pelo fato de apresentarem uma menor obstrução ao escoamento, os sólidos não se acumulam na seção de estrangulamento. Os tubos de vazão são construídos de aço, aço inoxidável e Monel. A seção de estrangulamento é feita de bronze ou aço inoxidável.

Os tubos Dall conduzem a uma perda permanente de pressão de cerca de 15%, porém têm formas especialmente concebidas para que o fluido possa escoar suavemente pela tubulação, numa velocidade muito maior, sem a turbulência inerente a uma placa de orifício. No entanto, essa técnica acarreta altos custos, maior tamanho e inflexibilidade. Por conseguinte, são empregados quando resultam em menores dispêndios de investimento em equipamento de bombeamento ou quando a economia em energia justifique o elevado custo inicial.

Fig. 3.108 - Tubo de Fluxo Gentile.

Fig. 3.109 - Tubo de Fluxo tipo Bocal.

3 . 6 .3 . 5 P la ca de Or i f í c i os

Fig. 3.110 - Placa de orifício.

Fig. 3.111 - Aplicação da placa de orifício.

A placa de orifício é o dispositivo de medição de fluxo mais largamente utilizado, devido à sua simplicidade, baixo custo de fabricação e instalação. Também produz a mais elevada

190

perda de carga, mas na maioria das medições de vazão esta perda não tem muita importância

As placas de orifício, quando bem fabricadas e instaladas adequadamente fornecem leituras precisas e, se usadas com coeficiente de correção, podem ser tão precisas quanto a maioria dos medidores de vazão. O tipo mais comum é uma chapa fina do tipo orifício concêntrico de bordas vivas. São ainda usados os orifícios excêntricos ou segmentos de orifício.

Quando se deseja obter a pressão diferencial máxima, usam-se tomadas de seção contraída. A localização dessas depende do diâmetro da tubulação e da razão entre o orifício e esse diâmetro. A distância varia em cada aplicação. Assim a tomada de jusante tem que ser perfurada na seção contraída e a tomada de montante feita num ponto que forneça a pressão estática real da linha de fluxo.

3.6.4 Medidores de Vazão de Área Variável

São medidores utilizam o mesmo princípio dos medidores de pressão diferencial, isto é, a relação entre energia cinética e energia de pressão, sendo que:

No medidor de área variável, a área da restrição se modifica à medida em que muda a vazão e o diferencial de pressão permanece constante . A quantidade de fluido (vazão) é uma proporção linear da área do orifício.

Ou seja, nestes medidores, a vazão é deduzida da modificação da área de um orifício na linha de escoamento e com uma pressão diferencial constante. Os medidores mais comuns que obedecem a esse princípio são os:

a) rotâmetros; e

b) tipos de cilindro e pistão.

3 . 6 .4 . 1 Ro t âmet r os

Um rotâmetro é um medidor que possui um flutuador colocado dentro de um tubo de diâmetro variável. Este tubo é rosqueado ou provido de flanges para montagem em posição vertical, diretamente na linha de escoamento do fluido. A extremidade de diâmetro menor está na parte inferior e é a entrada do fluido. A folga ou o espaço anular, que fica entre o diâmetro interno do tubo e o flutuador e que aumenta na extensão do tubo, forma um orifício de área variável.

O flutuador alcança uma posição de equilíbrio que é proporcional ao escoamento quando a força ascendente do fluido , passando pelo espaço anular , torna-se igual à força descendente do flutuador .

Fig. 3.112 - Rotâmetro

A vazão pode ser lida diretamente da posição do flutuador no fluido, em uma escala graduada regularmente no próprio tubo, ou ao lado dele. O movimento do flutuador pode

191

AUT

também ser transferido por meio de uma extensão a um sistema que atua em um ponteiro indicador, um registrador ou um transmissor pneumático ou elétrico.

Os tubos dos rotâmetros são de vidro boro-silicato ou de vários metais como aço inoxidável. Os flutuadores são de metais duros e resistentes a corrosão, como aço inoxidável, liga hastelloy, ou monel e níquel e apresentam vários formatos e características de vazão.

Os rotâmetros podem medir vazões de água extremamente pequenas como 0,08 mm/min. até enormes quantidades, como 23 m3/min. Tubos de vidro de paredes grossas e de pequenas dimensões podem suportar pressões de 30 atm. e temperaturas de 95oC. A exatidão é de mais ou menos de 1 a 2% da leitura instantânea de vazão para uma faixa de 10 para 1. A perda de pressão é constante e pequena.

3.6.5 Medidores Volumétricos

Estes medidores baseiam-se na medição do volume no meio em que se consome. Podemos dizer que dividem-se em dois grupo, a saber:

Grupo 1 , que engloba os tanques medidores e aparelhos especiais de medição.

Grupo 2 , que são os contadores volumétricos, também conhecidos como medidores de vazão de deslocamento positivo.

3 . 6 .5 . 1 Ta n qu e Me d id o r

Esses medidores são simples e dependem da aplicação da equação abaixo para definir a quantidade da vazão.

a . h Q = -------- . ρ 2

- a = Valor de uma divisão da escala do indicador de nível (Kg/Cm). - h = Número de divisões do vidro indicador no qual muda o nível do

líquido. - ρ = Densidade do líquido.

3 . 6 .5 . 2 D i s co Nu t an t e

Nesse tipo de medidor certo volume predeterminado é deslocado continuamente pelo movimento rotativo do disco, cujo centro é uma esfera, como mostra a figura a seguir.

Fig. 3.113 - Medidor de vazão volumétrico tipo disco nutante.

O número de rotações do disco é contado por meio de uma série de engrenagens e indica a quantidade de líquido deslocada de montante para jusante.

192

Trata-se, pois, de um integrador de vazão, sendo apropriado para medir vazões não muito grandes de líquidos limpos. Emprega-se com tubulações de ½” até 4”, para vazões de 0,2 até

100m3/h, com a precisão de ± 1%. 3 . 6 .5 . 3 Mo v ime n to Al t e rna t i vo

É um tipo de bomba de êmbolo de movimento retilíneo alternativo. Consiste em 4 ou 5 êmbolos acionados pelo próprio impacto do fluido progressivamente. Emprega-se com tubulações de 1” a 3”, para vazões de 101 até 75m3/h, com a

precisão de ± 0,25%.

Fig. 3.114 - Medidor de vazão do tipo movimento alternativo com pistão.

3 . 6 .5 . 4 Mo v ime n to r o t a t i vo os c i l a n te

Esse consiste em um corpo especial e de um êmbolo oco, dotado de um eixo central (A) que lhe é solidário. O êmbolo tem um rasgo axial que desliza sobre uma guia enquanto o eixo A varia em torno de outro eixo (B) do corpo, deslocando um volume predeterminado do fluido da entrada para a saída. Emprega se com tubulações de 1 ½” até 6”, para vazões de 2 a 150m3/h, com precisão de 0,25%.

Fig. 3.115 - Medidor de vazão do tipo movimento rotativo oscilante.

3.6.6 Deslocamento Positivo do Fluido

Os medidores de deslocamento positivo funcionam separando um volume conhecido de fluido que é transportado da entrada para a saída e contando o número de “pacotes” de fluido que assim escoam. Um eixo de saída impele, mediante transmissão por engrenagem, um contador de mostrador local; com a seleção de engrenagens adequadas, obtém-se a leitura em unidades volumétricas. Um gerador de impulsos, ótico ou eletromagnético, também pode ser incorporado para transmissão remota.

Em virtude das tolerâncias de produção, os medidores devem ser calibrados individualmente, a fim de estabelecer o verdadeiro volume por rotação. Também é possível, por meio de jogo de engrenagens apropriado, um ajuste fino de indicação do medidor, a fim de compensar variações de tolerância de fabricação e o desgaste mecânico.

Um medidor por deslocamento positivo (DP) é extremamente exato e passível de repetição, contanto que seja mantido adequadamente. De fato, nos líquidos de alta viscosidade, um medidor DP oferece precisão e faixa de vazão inigualáveis. Na medida em que aumenta a viscosidade o escorregamento e, portanto, o erro, se reduz e o medidor pode ser operado em vazões mais reduzidas.

193

AUT

Em razão de seu alto desempenho, os medidores DP são muito usados na medição de vazão de óleo combustível e outros produtos à base de hidrocarbonetos em tubos de pequenos diâmetros. Ademais, por ser um medidor auto-operado e dispensar a energia auxiliar, é ele adequado idealmente para aplicações em veículos tanque.

A limitação básica de um medidor de deslocamento positivo é que o mesmo tem peças móveis com folgas restritas, limitando seu uso aos líquidos limpos e necessitando manutenção constante.

Também é limitada a escolha de materiais adequados, restringindo a sua resistência à corrosão. Temperaturas e pressões altas podem resultar também em problemas de distorção, a menos que seja utilizado um medidor dotado de carcaça dupla, o que aumenta mais ainda seu custo já elevado.

Algumas vantagens:

a) boa precisão e ampla faixa de medição;

b) repetibilidade boa;

c) adequado para fluidos de alta viscosidade;

d) aceita grande variação de viscosidade;

e) não requer energia auxiliar;

f) possibilidade de alta resolução de impulso;

g) ampla faixa de vazão.

Algumas desvantagens:

a) componentes móveis com tolerância estritas sujeitos a desgaste;

b) exige manutenção e atendimento regular;

c) não adequado a líquidos abrasivos sujos ou não lubrificantes;

d) grande e volumoso quando para diâmetros grandes;

e) capacidade limitada para um dado tamanho;

f) peças de reposição dispendiosas;

g) instalação difícil; e

h) alta perda de pressão.

3 . 6 .6 . 1 Me d id o re s d e t u rb in a

Um medidor de vazão de turbina consiste, basicamente, em um rotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo à direção do fluxo.

O rotor é acionado pela passagem dos fluidos sobre as palhetas em ângulo; a velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluido que, por sua vez, é proporcional à vazão do volume .

Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor, detecta o movimento do rotor. Esta bobina tem um imã formando um campo magnético. Como as palhetas do rotor são feitas de material ferroso, à medida que cada palheta passa em frente à bobina corta o campo magnético e produz um impulso. O sinal de saída é um fluxo de impulsos de tensão em onda

194

sinusoidal contínua, em que cada impulso representa um pequeno volume discreto de líquido. Unidades eletrônicas associadas permitem indicar a vazão unitária ou volume totalizado, podendo efetuar a correção automática da temperatura e/ou pressão e outras funções.

Embora a teoria básica de um medidor a turbina seja muito simples, o projeto detalhado é muito trabalhoso e complexo; o desempenho final depende de numerosos fatores, tais como o ângulo da palheta, o tipo dos mancais, o número de palhetas, bem como a usinagem e montagem dentro de tolerâncias rígidas.

Um medidor de turbina corretamente projetado e fabricado tem uma elevada precisão numa faixa de vazão superior a 10:1 e excelente repetibilidade. Ademais, é pequeno e leve (relativamente ao tubo) e tem alta capacidade de vazão para um dado tamanho de medidor.

A instalação de um medidor de turbina é uma operação simples. Por conseguinte, os medidores de turbina são amplamente usados em medições de transferência com fins de faturamento para produtos tais como óleo cru ou petróleo bruto.

Uma limitação potencial do medidor de turbina é o fato de ter um componente móvel (o rotor) e um mancal sujeito a desgaste. Usando mancais de carboneto de tungstênio e stellite, a sua vida útil pode chegar a vários anos sem exigir manutenção, mesmo no caso de aplicações em líquidos não-lubrificantes.

Fig. 3.116 - Medidor de vazão tipo turbina.

Algumas vantagens:

a) alta precisão; b) repetibilidade muito boa; c) faixa de vazão de 10:1; d) versátil e adequado para funcionamento sob condições severas; e) adequado a pressões virtualmente limitadas e faixa de temperatura muito ampla; f) alta confiabilidade; g) saída digital linear; h) resposta rápida; i) dimensão e pesos reduzidos; e j) fácil instalação.

195

AUT

Algumas desvantagens:

a) inadequado a viscosidade elevada; b) requer aferição; c) pode ser danificado por velocidade excessiva ou formação de gases; d) relativamente dispendioso; e) requisitos grandes quanto a contrapressão; f) componente móvel sujeito a desgaste; g) exige indicador separado; e h) requer instalação de filtro.

3.6.7 Medidores Eletromagnético

Esses medidores são os únicos que não têm obstruções de qualquer espécie no percurso do líquido. Portanto, a perda de carga é quase nula. Por este motivo constituem os elementos primários ideais para medidas de vazões de líquidos viscosos ou com sólidos em suspensão. A única condição é que o líquido tenha uma condutividade elétrica acima de um certo mínimo.

O funcionamento destes medidores baseia-se no fenômeno da indução eletromagnética . Um condutor elétrico, movendo-se com a velocidade V, perpendicularmente a um campo magnético de indução B, produz uma f.e.m.

O condutor em movimento é o próprio líquido o qual circula num tubo de medida isolado interiormente e não-magnético, com o mesmo diâmetro da tubulação externa. O tubo de medida é normalmente constituído por aço inoxidável. Os materiais do forro interior e os eletrodos são escolhidos em função do fluido a medir.

Fig. 3.117 - Medidor de vazão eletromagnético.

Há dois eletrodos implantados no tubo de medida que fazem contato com o líquido. Perpendicularmente à linha dos eletrodos, é aplicado um campo magnético produzido por duas bobinas exteriores ao tubo de medida. As bobinas são alternadas com a tensão da rede. Sendo o campo alternativo, a f.e.m. induzida entre os eletrodos é também alternativa.

A f.e.m. induzida que é proporcional à vazão do líquido é amplificada por componentes eletrônicos. Uma das dificuldades nesta medida reside no baixo valor da f.e.m. induzidas pelos campos magnéticos existentes nos meios fabris. Outra dificuldade está relacionada com as variações de tensão da rede as quais originam variações da indução magnética. Também as alterações na condutividade do líquido podem introduzir erros.

196

Circuitos de compensação e artifícios vários permitem que este método conduza a uma precisão à volta de 1%. É muito útil na medida de vazão de líquidos com sólidos em suspensão, pastosos ou corrosivos. Há atualmente primários eletromagnéticos cujos eletrodos não tem contato ôhmico com o líquido mas somente capacitivo.

Algumas vantagens :

a) sem componentes móveis; b) passagem completamente desobstruída; c) quimicamente compatível com virtualmente todos os líquidos; d) não é afetado pela viscosidade, pressão, temperatura, densidade ou

condutividade; e) saída analógica/digital linear; f) aumento do custo com o tamanho não é tão violento como em muitos outros

medidores; e g) possibilidade de fluxo bidirecional.

Algumas desvantagens :

a) líquido deve ser eletricamente condutor; b) não adequado para gás; c) exige energia auxiliar; d) difícil adaptação para áreas perigosas; e) pode ser sensível ao perfil de fluxo assimétrico; e f) requer calibragem.

3.6.8 Medidor de Vazão Ultra-Sônico

Um feixe de ondas sonoras estreito (na faixa acústica ou na ultra-sônica) lançado através de um fluido em movimento sofre um efeito de arrastamento. Na forma mais simples, é constituído por um transdutor transmissor de ultra-sons (TT) e por um transdutor receptor (TR).

Fig. 3.118 - Medidor de vazão ultra-sônico.

Funcionamento: A onda ultra-sônica , enviada em pulsações , atravessa o fluido duas vezes , após reflexão na parede oposta. Como a onda é arrastada pelo movi-mento do líquido, o percurso total e a atenuação da onda dependem da velocidade do fluido.

Este tipo de medidor tem uma precisão melhor que a placa de orifícios e não introduz qualquer obstrução, identicamente ao medidor eletromagnético. Serve, pois, para líquidos

197

AUT

viscosos e pastosos ou perigosos (alta pressão, corrosivos, radioativos). Necessita de uma correção automática de temperatura por meio de um termistor porque a velocidade do som é alterada em função da temperatura.

3.7 ELEMENTO FINAL DE CONTROLE


- Compreender o funcionamento das válvulas de control e; e - Reconhecer as características e os fundamentos técn icos dos elementos

finais de controle.

O Elemento Final de Controle é um dispositivo que modifica o valor da variável manipulada em resposta ao sinal da unidade de controle. É tão importante quanto o sensor (elemento primário), o transmissor e o controlador. De uma forma geral o elemento final de controle é uma válvula de controle , que podemos defini-la como sendo:

Elemento final de controle é um dispositivo capaz de regular a vazão de um fluido (líquido, gás ou vapor) que escoa através de uma tubulação, por meio do posicionamento relativo de uma peça móvel que altera a área livre de passagem do fluido e que por sua vez modifica o valor da variável controlada.

Fig. 3.119 - Válvula de controle com atuador

e posicionador pneumático

Ao depender do processo, esses dispositivos as vezes funcionam em condições de temperatura e pressões extremas, precisam ser resistentes a ação química, responder rapidamente aos sinais do controlador e exigem uma manutenção periódica.

O acionamento da válvula de controle depende do sinal do controlador que são de natureza pneumática, elétrica, eletrônica ou hidráulica. A figura ao lado nos mostra uma válvula de controle típica e as suas principais partes.

Funcionamento : um sinal externo de controle é emitido pelo controlador e atua no servo motor da válvula, deslocando a peça móvel, de modo a abrir ou fechar totalmente a válvula ou mantê-la em qualquer posição do seu curso, proporcionalmente ao sinal de comando.

Classificação das Válvulas de Controle

Classificam-se em duas categorias, conforme o tipo de deslocamento do obturador:

a) Válvula de Deslocamento Linear; e

b) Válvula de Deslocamento Rotativo.

198

3.7.1 Válvula de Deslocamento Linear

Construção em que o obturador descreve um movimento retilíneo, acionado por uma haste deslizante. Construções típicas são as válvulas: globo, diafragma, gaveta, angular, misturadora, diversora, etc. Este tipo de válvula segundo a sua ação podem ser de:

a) Ação direta : São as que se fecham por aplicar ar pressurizado sobre o diafragma e se abre por ação da mola ao cessar a ação do ar. Nas comandadas por servomotor elétrico com o motor sem excitação a válvula é aberta pela ação da mola.

b) Ação inversa : São as que se abrem ao aplicar ar pressurizado sobre o diafragma e se fecham por ação da mola ao cessar a ação do ar. Nas comandadas por servomotor elétrico com o motor sem excitação a válvula é fechada pela ação da mola.

a) V. GLOBO SEDE SIMPLE

b) V. GLOBO SEDE DUPLA

c) V. GLOBO ANGULAR

d) V. OBTURADOR EQUILIBRADO

f) VÁLVULA DE GAIOLA

G) VÁLVULA DE CORPO

PARTIDO

H) VÁLVULA EM “Y “ I) VÁLVULA DE

DIAFRAGMA

j) V. GLOBO MISTURADORA DE TRÊS

VIAS

k) V. MISTURADORA

l) V. GLOBO DISTRIBUIDORA DE

TRÊS VIAS

m) V. DISTRIBUIDORA

Fig. 3.120 - Tipos de corpo de válvulas de deslocamento linear

199

AUT

3.7.2 Válvula de Deslocamento Rotativo

Construção em que a peça móvel descreve um movimento de rotação, acionada por um eixo girante. Construções típicas são as válvulas: de esfera (bola), borboleta, excêntrica , de macho, etc.

a) V. BORBOLETA

B) V. DE ESFÉRA

C) V. DE MACHO

d) V. DE OBTURADOR EXCÊNTRICO ROTATIVO

(CAMFLEX)

e) V. DE OBTURADOR CILÍNDRICO EXCÊNTRICO

Fig. 3.121 - Tipos de corpo de válvulas de deslocamento rotativo

3.7.3 Componentes da Válvula de Controle

A válvula de controle é composta por dois conjuntos básicos : conjunto do corpo , que contém a peça móvel e o conjunto do atuador , que promove o deslocamento da peça móvel. Acessórios diversos podem ser incorporados para executar funções auxiliares específicas: posicionador, limitador de curso, bloqueio de segurança etc.

3 . 7 .3 . 1 Co n ju n to de Co rpo

É o conjunto formado pelo corpo propriamente dito, conjunto dos internos e o conjunto do castelo. As figuras 3.119 e 3.120 nos mostram os diversos tipos de corpo de válvula de controle, podemos defini-los da seguinte maneira:

a) Corpo de Sede Simples - Construção em que o corpo é dotado de um orifício de passagem e um elemento de vedação (obturador) simples.

b) Corpo de Sede Dupla - Construção em que o corpo é dotado de dois orifício de passagem e um elemento vedante duplo.

200

c) Corpo de Duas Vias - Construção em que o corpo é dotado de duas conexões de fluxo, uma de entrada e outra de saída; as conexões podem estar em planos paralelos, fornecendo fluxo de passagem retas, ou em planos ortogonais, fornecendo fluxo de passagem angular.

d) Corpo de Três Vias - Construção em que o corpo é dotado de três conexões de fluxo, sendo duas em planos paralelos e a terceira em plano ortogonal, podendo ser duas conexões de entrada e uma de saída (fluxos convergentes: válvula misturadora), ou uma conexão de entrada e duas de saída (fluxos divergentes: válvula distribuidora).

e) Conjunto dos internos - É o conjunto dos elementos montados internamente ao corpo da válvula, que fazem contato direto com o fluido do processo, constituídos por uma combinação dos seguintes componentes:

- Obturador.

- Anel da sede.

- Haste do obturador.

- Guia do obturador.

- Gaiola.

- Bucha de guia.

Fig. 3.122 - Válvulas de controle, acionadas por ar comprimido e seus componentes principais.

3 . 7 .3 . 2 Se de s d e Vá l vu la s

A geometria da sede da válvula é da máxima importância para a determinação da característica que relaciona a vazão com a abertura da válvula. De uma forma geral podemos considerar válvulas de sede simples e válvulas de sede dupla.

201

AUT

a) Sede Simples - Para fluidos com pressões não flutuantes e onde a queda de pressão através da válvula é pequena. O sentido do fluxo deve ser para forçar a válvula a abrir para que não exista trepidação (figura 3.119a).

b) Sede dupla - Para os outros casos onde a pressão do fluido não provoca o deslocamento da haste (Figura 3.119b, i).

3 . 7 .3 . 3 Ob t u ra do r

O obturador da válvula determina a característica do fluxo, ou seja, a relação que existe entre a posição do obturador (abertura da válvula) e a vazão permitida.

A característica do fluxo refere-se a um fluido em condições de pressão diferencial constante e é geralmente plotado como porcentagem do fluxo máximo e a elevação do obturador como porcentagem do percurso (abertura) máximo.

Suas curvas características mais significativas são tipicamente três, mostradas no gráfico da figura a seguir.

Fig. 3.123 - Tipos de obturador de válvulas

a) Sensibilidade Decrescente : é por exemplo a válvula de abertura rápida, ver figuras 3.122 (a, b e c) . A partir de uma certa abertura existe saturação, quer dizer, a vazão (fluxo) não aumentará sensivelmente com a abertura. (dQ/dL ) diminui com a abertura. São válvulas usadas em sistemas de grande inércia, ou como controladores tudo-ou-nada(on-off).

Fig. 3.124 - Gráfico de características das

válvulas.

b) Sensibilidade Constante : (dQ/dL ) é constante ou seja o fluxo é diretamente proporcional ao percurso; o obturador destas válvulas são de característica linear, como exemplo os mostrados na figuras 3.122 (e, f e g) . São válvulas adequadas para um controlador de banda proporcional até 25% e quando as condições nominais do processo não variam muito.

202

c) Sensibilidade Crescente : é por exemplo uma válvula de igual percentagem (figuras 3.122 h, i e j). Para cada unidade de abertura a vazão é proporcional a vazão que já existia ou seja a característica de porcentagem igual é logarítmica; por exemplo: 50% de deslocamento permite a vazão de 20% . Pela escolha de vários pontos do gráfico, podemos concluir que, quando a vazão é pequena, a mudança da vazão é pequena e quando a vazão é grande, a mudança da vazão é grande. São válvulas adequadas para processos de pequena inércia, com banda proporcional elevadas e onde a carga do processo é muito variável.

A existência de tubulações e acessórios de tubulação, colocados em série com a válvula provocam variações sensíveis nas características Q e L aqui referidas.

3 . 7 .3 . 4 Co n ju n to do At u ad or

Conjunto formado pelo atuador propriamente dito e o sistema de acoplamento mecânico, que une o atuador e o corpo da válvula. Sua finalidade é ajustar automaticamente a válvula para fazer variar o fluxo do agente de controle. Isto é feito em resposta a um sinal recebido do controlador.

Conforme o meio de motorização, o atuador pode ser do tipo mecânico, pneumático, elétrico e hidráulico.

a) Atuador Mecânico (figura 3.125 ) - É um sistema de alavanca e bóia ligada a uma válvula de haste deslizante. são largamente empregados no controle de nível de líquidos já que não exige uma fonte externa para ativá-los, uma vez que a articulação é ajustada para manter o líquido no nível desejado.

Fig. 3.125 - Atuador mecânico.

b) Atuador Pneumático (figuras 3.126) – Os atuadores pneumáticos são projetados para ação direta ou inversa. A área do diafragma é importante pois é função da tensão necessária para acionar a haste.

Fig. 3.126 - Atuador pneumático de ação direta e de ação inversa.

O atuador é acionado pela pressão de ar ou de outro fluido gasoso, geralmente com uma pressão de trabalho entre 0,2 - 1,0 Kg/cm2, aplicado sobre um diafragma flexível ou rolante, ou sobre um sistema de cilindro e pistão, podendo ou não ser dotado de mola, conforme a construção particular.

203

AUT

Os diafragmas podem ser de Neoprene ou Buna N, reforçado com tecido de algodão ou Nylon por dentro, como o Neoprene é mais resistente ao óleo é o mais usado.

Há atuadores com mola e sem mola. Os sem molas tem dois sinais de pressão que servem para controlar a válvula de forma diferente, tem vantagem de nos casos de emergência atuar com maior rapidez, porém precisam de posicionadores pneumático para posicionar a válvula num controle proporcional.

Uma aplicação do atuador pneumático é mostrado na figura ao lado, onde ele opera uma válvula de esfera sob o comando de válvulas de controle direcional (VCD)

Fig. 3.127 - Válvula com atuador pneumático.

c) Atuador Elétrico - Atuador acionado por um motor elétrico acoplado a haste da válvula e que se caracteriza fundamentalmente por ser reversível e pelo tempo requerido (usualmente 1 minuto) para fazer passar a válvula da posição aberta para posição fechada ou vice-versa. Existe basicamente três tipos de servomotor elétrico de controle: tudo ou nada, flutuante e proporcional, as figuras 3.127a e 3.127b ilustra um tipo.

Fig. 3.128 - Atuador elétrico.

204

d) Controlador Digital de Válvulas (DVC), Modelo FIELDVUE®.

Desenvolvido pela EMERSON, este modelo é um dos primeiros com comunicação digital que emprega tanto protocolo HART ou FOUNDATION FIELDBUS.

Posiciona a válvula com máxima precisão em resposta a pequenas variações do sinal de controle. Monitora e documenta a performance do conjunto válvula-atuador. Permite diagnóstico “on-line”, o que possibilita prever problemas antes de sua ocorrência. É aplicado a qualquer tipo de válvula,

Fig. 3.129 - Controlador digital


ATENÇÃO! Esse é um momento importante no seu aprend izado. Resolva as questões proposta a seguir, caso tenha duvidas volt e a estudar o conteúdo não entendido.

18) Quais são os componentes básicos de um sistema de medição?

19) Defina range (alcance) com relação ao instrumento de medida.

20) Defina precisão de um instrumento.

21) Cite três aplicações de medição de pressão a bordo de navios.

22) Diferencie pressão atmosférica de pressão absoluta.

205

AUT

23) Como é denominado o instrumento que mede a pressão negativa?

24) Cite quatro especificações que são importantes para a escolha do sensor ou indicador de pressão.

25) Qual é o enunciado do princípio físico que esta baseado o funcionamento dos medidores de pressão do tipo coluna líquida?

26) “As deformações são diretamente proporcionais às tensões que as produzem”, ou seja, que a deflexão do elemento elástico e o movimento resultante são proporcionais à pressão aplicada”. Esse princípio é aplicado ao instrumento de medição de pressão tipo:

27) Um “medidor de pressão de coluna líquida” se diferencia de um medidor “Burdon formato C”, porque seu princípio físico de funcionamento está baseado na diferença de pressão a montante e a jusante do ponto de estrangulamento. Concordando ou não com essa afirmação, justifique sua posição.

28) O funcionamento do medidor de temperatura denominado de bimetálico está baseado no princípio de que:

(A) a resistência de um condutor elétrico é diretamente proporcional à área de sua seção.

(B) uma corrente elétrica, circulando no mesmo sentido, ao passar pela junção quente, absorve calor e na junção fria libera o calor absorvido, proporcionalmente à quantidade de corrente que atravessa a junção.

(C) a alteração da resistência de um condutor elétrico sob carga mecânica depende da alteração geométrica do condutor.

(D) a uma diferença de coeficiente de dilatação térmica dos metais suficiente para provocar um movimento.

29) O princípio físico em que esta baseado o funcionamento do medidor de temperatura denominado de termopar é:

206

(A) de que as substâncias minerais contraem-se e expandem-se a um montante definido com mudança de cada grau de temperatura.

(B) de que uma corrente elétrica, circulando no mesmo sentido, ao passar pela junção quente, absorve calor e na junção fria libera o calor absorvido, proporcionalmente à quantidade de corrente que atravessa a junção.

(C) da resistência de um condutor elétrico ser diretamente proporcional à área de sua seção.

(D) da capilaridade.

30) Explique como funciona um instrumento de medição do tipo “placa de orifício” e indique qual a sua aplicação mais comum nos sistemas de controle de processo.

31) Quais são os tipos de acionamento das válvulas de controle?

32) Cite as características principais dos seguintes corpos de válvulas:

a) de sede simples -

b) de sede dupla -

c) de duas vias -

d) de três vias -

33) Cite quatro (4) partes do atuador pneumático.

207

AUT

UNIDADE DE ENSINO 4

44 CONTROLADORES

208

4.1 CONTROLADOR PNEUMÁTICO

Nesta unidade de ensino, você deve adquirir as segu intes competências:

- Entender como ocorre o aproveitamento das qualidade s do ar como fonte de energia.

- Reconhecer os elementos do sistema de controle pneu mático.

- Compreender o funcionamento e atuação dos controlad ores pneumáticos de processos industriais.

Para um melhor entendimento dessa unidade é bom fazer uma nova leitura dos assuntos pertinentes exposto nas unidades 1.0 e 2.0.

O controlador pneumático foi o primeiro a ser empregado em malhas de controle de processos e de funcionamento de máquinas e equipamentos de dentro da sala de controle , como ainda podem ser encontrados nos navios da Marinha Mercante.

O controlador pneumático funciona como um computador analógico fazendo a simulação da malha de controle baseado no tempo de resposta. Normalmente oferece a possibilidade de transferência entre ambos os modos de operação “Automático ” e “Manua l”, sem choques em ambas as direções, obviamente, depois do balanceamento da pressão de saída do controlador e da pressão do controle manual, e também, se necessário desligar o elemento final de controle (válvulas).

Seu emprego foi acentuado após a padronização, por normas técnicas, do emprego da energia pneumática . A qual possibilitou o desenvolvimento do controlador e dos instrumentos de controle pneumáticos do tipo: regulador de pressão , foles, relés, transmissor, atuadores, amplificadores de sinal e etc., assim como o aperfeiçoamento do emprego de funções matemáticas como: extração de raiz quadrada , multiplicação , integral, derivada , etc. em instrumentos instalados em consoles de controle de máquinas (CCM).

Para uma compreensão adequada do seu funcionamento, vamos estudar as características do ar de controle e os componentes principais. Mas, antes vamos fazer uma análise das relações análogas dos componentes pneumáticos e os dos sistemas elétricos ou eletrônicos.

Na tabela a baixo citamos essa relação e a seguir passaremos a analisá-los.

SISTEMAS ELÉTRICOS SISTEMAS PNEUMÁTICOS

Voltagem Pressão

Corrente Vazão

Capacitor Capacidade (Câmara)

Resistor Resistência (Restrição)

Carga Volume de ar

Indutância Inércia (Massa do ar)

209

AUT

Quais são as analogias que existem entre os dois si stemas?

A figura a seguir ilustra essa analogia.

Fig. 4.1 - Analogia entre os sistemas pneumáticos e elétricos

- A fonte de alimentação elétrica seria no sistema pneumático a pressão de

alimentação do ar comprimido e mantido constante por meio de válvula reguladora de pressão;

- Uma chave elétrica simples seria uma válvula de bloqueio manual instalada na saída do fole transmissor;

- Um resistor em série no circuito elétrico desempenha o papel do tubo de cobre que oferece resistência no circuito pneumático; e

- Um capacitor no circuito elétrico age como o fole receptor , pois existe uma capacitância, em termos pneumáticos, no referido fole. Sabe-se, ainda, que existe o fenômeno transitório quanto ao carregamento de um capacitor elétrico, cujo potencial aumentará com a velocidade de acordo com os valores de resistência (R) e de capacitância (C).

Fig. 4.2 - Gráfico de relação entre pressão e potencial elétrico em função do tempo

Analisando a figura ao lado, percebemos que quanto maiores forem os valores da restrição e do voluma do sistema, tanto maior será o tempo necessário para atingir o valor final do sinal transmitido

210

4.1.1 Ar de Controle

Aprendemos, na unidade 1, que as fontes de energia eólica e a hidráulica foram as primeiras a serem aproveitadas para comandar e/ou controlar máquinas, processos e outros na atividade industrial. Observamos que conforme foram sendo descobertas novas fontes de energia, também se renovou os métodos de controle automático, ao ponto de nos dias de hoje se empregar a energia elétrica de baixíssima tensão com componentes da microeletrônica.

Assim o controle evoluiu do manual, passando pelo hidráulico, pneumático, elétrico, eletrônico analógico, eletrônico digital (simples, dedicado, otimizado, lógico programável, lógica Fuzzy) até a lógica neural ou controle inteligente.

Conforme sabemos, a “energia pneumática ” foi a primeira forma de processamento de sinal a ser empregada na automatização de processo industrial e junto com ela surgiu a estratégia e/ou a filosofia de Controle Distribuído .

Os órgãos e associações (SAMA, ISA, IEC, etc.) que regulamentam os padrões técnicos definiram, por Normas Técnicas, antes do início da Primeira Guerra Mundial os padrões para a automatização pneumática. Mas os primeiros controladores pneumáticos de conexão direta ao processo só foram empregados por volta de 1930.

O primeiro protocolo de comunicação para atuação do controlador pneumático padronizou a utilização do ar de controle nas seguintes faixas: - de alimentação (20 a 22 PSI); - de transmissão de sinal (3 a 15 PSI),

Com o estabelecimento dessa padronização, houve por parte da indústria e usuários uma grande aceitação e possibilitou a expansão dos sistemas de controle centralizados , os quais são encontrados até os dias atuais controlando plantas industriais, principalmente as que exigem segurança intrínsecas , como é o caso das caldeiras em refinarias e navios.

A bordo dos navios o ar comprimido é utilizado em três sistemas:

1. Sistema de ar de partida (30 kg de pressão máxima), para dar partida no motor principal e nos motores auxiliares;

2. Sistema de ar de serviço (aproximadamente 8 kg de pressão máxima), para fazer limpezas e para acionar máquinas pneumáticas; e

3. Sistema de ar de controle (em torno de 6 kg d pressão máxima), como meio de energia nos sistemas de controle automático.

4 . 1 .1 . 1 F un dam en tos F í s i c os do Ar

A superfície terrestre é totalmente cercada por uma camada de ar. Este ar, que é de interesse vital, é uma mistura gasosa da seguinte composição:

Nitrogênio + Oxigênio + (dióxido de carbono, ar-gônio, hidrogênio, neô nio, hélio, criptônio e xenônio.

com aproximadamente 78% do volume;

com aproximadamente 21% do volume, e

Outros componentes químicos

211

AUT

Como todos os gases, o ar de controle não tem uma forma definida, ou seja, ele se adapta á forma do ambiente em que foi confinado. O ar se deixa comprimir , mas tende sempre a se expandir .

O comportamento físico dos gases, na concepção que temos hoje, é o resultado das investigações iniciadas em 1787, pelo francês Jacques Alexandre Cesar Charles e formalizadas, em 1802, por outro francês, Joseph-Luis Gay-Lussac , que resumiu em uma única expressão, conhecida como equação geral dos gases.

A pressão de uma amostra gasosa é diretamente proporcional à temperatura na escala absoluta.

O volume de uma amostra gasosa é diretamente proporcional à temperatura na escala absoluta.

Equação geral dos gases.

4 . 1 .1 . 2 P ro p r i e da de s d o Ar d e Co n t ro l e

As mais importantes propriedades do ar de controle são:

A - Positivas

a.1 - Quantidade – O ar esta disponível em quantidades ilimitadas, em quase todos os lugares;

a.2 - Transporte – O ar de controle é facilmente transportável por tubulações, mesmo para grandes distâncias. Não há necessidade de preocupação com o retorno do ar;

a.3 - Armazenamento – O ar pode ser armazenado em reservatório e, posteriormente, tirado de lá, por meio de tubulações ou transportando no reservatório;

a.4 - Temperatura – O trabalho realizado com o ar de controle é insensível às oscilações da temperatura . Isto garante um funcionamento seguro em situações térmicas extremas;

a.5 - Segurança – Não existe o perigo de explosão ou incêndio. Portanto, não são necessárias custosas proteções contra explosões.

a.6 - Limpeza – O ar de controle é limpo. O ar que eventualmente escapa da instalação não polui o ambiente. Essa limpeza é uma exigência, por exemplo, nas indústrias alimentícias, têxteis e químicas;

a.7 - Construção dos elementos - Os elementos de trabalho são de construções simples, o que implica um custo vantajoso;

a.8 - Velocidade - O ar de controle é um meio de trabalho rápido, permitindo que os elementos de trabalho alcance altas velocidades. Por exemplo, a velocidade de trabalho dos cilindros pneumáticos oscila entre 1 – 2 m/s;

a.9 - Regulagem – As velocidades e forças de trabalho dos elementos que trabalham com ar de controle são reguláveis sem escala, e;

a.10 - Seguro contra sobrecarga – Elementos e ferramentas a ar comprimido são carregáveis até a parada total e, portanto, seguro contra sobrecarga.

212

B - Negativas

b.1 - Preparação - O ar de controle requer uma boa preparação. Impurezas e umidade devem ser evitadas, pois provocam desgaste nos elementos pneumáticos.

b.2 - Compressibilidade – Não é possível manter uniformes e constantes as velocidades dos pistões mediante ar de controle.

b.3 - Forças – O ar de controle é econômico somente até uma determinada força, limitado pela pressão normal de trabalho de 700 KPa. (7 bar), e também pelo curso e velocidade. O limite está fixado entre 20,00 a 30,00 N (2000 a 3000 Pa.).

b.4 - Escape de ar – O escape de ar é ruidoso. Com o desenvolvimento de silenciadores, este problema foi solucionado.

b.5 - Custo - As instalações de ar de controle tornam esse tipo de energia muito cara. Porém, o alto custo de energia é compensado pela grande rentabilidade do ciclo de trabalho.

4 . 1 .1 . 3 P ro du çã o d o Ar Co mpr im i do

É quase impossível manter a tubulação de ar comprimido livre de sujeira, umidade ou condensação. Assim, para se ter um ar comprimido de boa qualidade, para ser utilizado em automação pneumática, as instalações devem possuir no mínimo os componentes mostrado na figura a seguir e em seguida definidos.

Fig. 4.3 - Esquema simples do sistema de produção e tratamento de ar comprimido.

a) FILTRO - Um filtro apropriado colocado no lado da aspiração do compressor evita a entrada de impurezas.

b) COMPRESSOR - O compressor comprime o ar para permitir sua utilização. Uma vez atingida a pressão prevista, o compressor se desliga automaticamente, entrando em funcionamento novamente quando a pressão no reservatório atinge níveis abaixo dos desejados. A figura a seguir mostra um compressor de ar de um navio mercante.

c) RESFRIADOR - Tem a função de resfriar o ar aquecido pela compressão e, ao mesmo tempo, eliminar boa parte da umidade (condensado) por condensação. O resfriador posterior serve para eliminar partículas estranhas de água, evitar acidentes causados pela explosão de mistura ar/óleo e, também, eliminar a maior quantidade de óleo queimado.

d) PURGADOR (Separador) - É dotado de defletores que fazem o ar percorrer um caminho sinuoso a fim de eliminar a umidade, que escorre para uma câmara inferior a fim de ser drenada, manual ou automaticamente.

e) RESERVATÓRIO - Armazena o ar e compensa as flutuações de pressão na rede, evitando pulsações. Tem a função também de retirar a umidade através de um dreno inferior.

213

AUT

f) SECADOR - É um subsistema com finalidade específica de retirar a umidade do ar de controle. Por este processo é possível reduzir o percentual de água até 0,001 g/m³.

g) VÁLVULA REGULADORA DE PRESSÃO – Regula a pressão de ar na linha de distribuição

Fig. 4.4 - Compressor de ar e reservatórios do navio Leblon da CIA. Aliança

4 . 1 .1 . 4 Mé t od os de T ra t ame nt o de Ar Compr im i do

Na sua composição, além do oxigênio, nitrogênio e um pequeno percentual de outros gases, o ar contém partículas sólidas, vapores de hidrocarbonetos variados e vapor de água.

Quando o compressor aspira, e comprimi o ar atmosférico, faz aparecer umidade em forma de vapores de água ( o condensado ).

O condensado , se não for eliminado, pode causar alguns inconvenientes, tais como: corrosão nas tubulações, nos elementos de controle e comando, nas máquinas, entupimento dos orifícios e mau funcionamento do sistema, dentre outros.

No caso de o condensado atingir os elementos pneumáticos , não se pode garantir o perfeito funcionamento desses elementos, pois:

a) Partículas estranhas sólidas como: sais, poeiras, ferrugem e outros resíduos, influenciam negativamente no funcionamento das instalações pneumáticas.

b) Resíduos de óleo do compressor , em contato com o ar de controle, formam uma mistura gasosa de ar e óleo que pode provocar explosões à temperatura acima de 80 °C.

Portanto, é muito importante um controle crítico da umidade contida no ar comprimido. A quantidade de umidade depende, em primeiro lugar, da umidade relativa do ar, que por sua vez depende da temperatura e condições atmosféricas. Por essa razão é importante sabermos utilizar o diagrama de ponto de orvalho .

214

Para uma utilização simples e prática é necessário definirmos as expressões técnicas a seguir:

a) Umidade absoluta – é quantidade de água contida em 1 m³ de ar.

b) A quantidade de saturação – é a quantidade máxima de água admitida em 1 m³ de ar a uma temperatura determinada.

c) Umidade relativa (ponto de orvalho ) – é a relação entre a umidade relativa e a quantidade de saturação.

Exemplos: De acordo com a curva do ponto de orvalho, com uma temperatura de 20°C a quantidade de água em 1 m³ de ar é de 17,3 gramas.

Fig. 4.5 - Curva do ponto de orvalho.

4 . 1 .1 . 5 Re s f r i am en t o d o Ar

Fig. 4.6 - Resfriador de ar.

Características que envolve o resfriamento:

- A água livre em um sistema de ar é extremamente indesejável, pois pode causar aríete hidráulico, ferrugem e estrangulamento de válvulas .

- Já o óleo atua como um isolante térmico eficiente.

- As paredes em contato com o ar devem ser mantidas limpas para que o resfriamento seja eficiente.

- A quantidade de umidade que o ar pode absorver depende apenas do volume e da temperatura, e não tem nenhuma relação com a pressão.

- O resfriamento entre estágios se destina à aumentar a eficiência.

- A razão principal do resfriamento posterior à compressão é remover o máximo de umidade quanto possível antes que o ar passe a rede de distribuição.

Exemplos: Quando o ar a 50% de umidade é comprimido a, digamos, um oitavo do seu volume original, ele satura (chega a 100% de umidade) a duas atmosferas, desde que a temperatura permaneça constante, e, depois deste ponto, o excesso de água é depositado na

215

AUT

forma líquida, de modo que, no final, foram depositados três quartos do conteúdo original de umidade.

- Se o ar de controle for resfriado logo que deixa o compressor, a maior parte da umidade pode ser eliminada antes que o ar passe a tubulação;

- se ele ainda estiver morno, a umidade formará uma névoa nas paredes do tubo e será arrastada pela corrente de ar.

Para compressores pequenos, em geral se considera suficiente o resfriamento natural, como, por exemplo, circulação de ar envolta de uma serpentina com aletas ou fazer o ar de controle circular por uma tubulação instalada pelo lado de fora de uma parede voltada para o norte.

Na prática, é claro, o ar se aquece ao ser comprimido , e, assim, é capaz de absorver mais água do que quando se resfria.

Instalações maiores geralmente justificam a utilização de um resfriador final, que é um trocador de calor tubular onde a água passa entre tubos, no sentido ascendente, e o ar flui para baixo. No fundo, um purgador de flutuação elimina a água e o óleo depositados.

4 . 1 .1 . 6 Re ser va t ó r i o de Ar

O reservatório de ar de controle (ampola de ar) serve para armazenar e melhorar a qualidade do ar de controle nos seguintes aspectos:

- estabilizar e nivelar as oscilações da rede durante o consumo de ar;

- esfriar o ar de controle, graças às notáveis superfícies do reservatório; e

- separar a umidade em forma de água.

Fig. 4.7 - Sistema de ar do Navio Leblon da CIA Aliança

Nos navios o reservatório de ar de controle é instalado próximo a ampola (reservatório) principal de ar e normalmente recebe o ar dessa ampola, mantendo-o numa pressão aproximadamente de 6 kg/cm².

Após o reservatório, o ar de controle flui através das tubulações até alcançar os outros componentes de tratamento de ar comprimido ou o elemento utilitário. Antes de entrar em cada circuito pneumático, o ar de controle deverá ser tratado mais uma vez. Uma pré-filtragem separa do ar de controle as gotas maiores de água e óleo.

4 . 1 .1 . 7 Se ca gem do Ar

Para certas aplicações, é essencial que o ar esteja mais seco do que o que se pode conseguir com filtragem mecânica, e é então necessário reduzir o ponto de orvalho ao valor

216

estipulado. A redução do conteúdo de umidade abaixo de 100% é relativamente cara. Um método é resfriar o ar até uma temperatura comparável com o conteúdo de umidade requerido, mas isso raramente é feito hoje em dia.

Absorver significa fixar, na sua massa sólida ou líquida, uma substância gasosa. O processo mais popular é usar um absorvente, como silício na forma de gel .

Em uma instalação de ar de controle, geralmente há dois absorvedores de umidade. Ambos são equipados com aquecedores, e o que não está sendo usado é mantido aquecido, com um pequeno fluxo de ar que retira a umidade e descarrega na atmosfera.

O calor (J) necessário para reativar o gel é a soma do calor latente da água evaporada (j1) e as perdas de calor para a atmosfera (j2) na temperatura de cerca de 300ºF (J = j1 + j2) .

Na entrada do secador, o ar de controle assume um movimento de rotação. A fim de evitar que as paredes internas dos secadores fiquem sujas e oleosas, deve-se instalar um pré-filtro para separar partículas maiores de impurezas e óleo.

Os principais processos de secagem são:

a) secagem por absorção;

b) secagem por adsorsão (regeneração);

c) secagem a frio.

4.1.1.7.1 Secagem por Absorção

É um procedimento químico , no qual uma massa secante, colocada no recipiente de secagem, mistura-se com as gotas de água existentes no ar e deposita-se no fundo do recipiente.

Para manter um consumo mínimo do elemento, deverá ser mantida uma temperatura do ar na entrada em torno de 293º K (20º C).

O processo de absorção oferece as seguintes vantagens:

a) instalações simples;

b) desgastes mecânicos reduzidos (não há partes móveis); e

c) nenhum consumo de energia extra.

Fig. 4.8 - Secador para o processo de absorção.

4.1.1.7.2 Secagem por Adsorção ou Regeneração

É um processo físico , baseado na propriedade que alguns corpos sólidos possuem de fixar substâncias em sua superfície. O material secante, que tem a propriedade de adsorver umidade do ar de controle, mais conhecido é a “silicagel ”. Ela tem forma granulada e é composta por quase 100% de dióxido de silício .

217

AUT

O processo de regeneração da silicagel é bastante simples, soprando ar quente em sentido contrário ao da secagem, consegue-se dele tirar a umidade do mesmo. Na maior parte dos casos, colocam-se dois secadores em paralelo e, enquanto um está em processo de secagem, o outro está em fase de regeneração e vice-versa.

A capacidade de adsorção da silicagel é limitada, e em condições normais deve ser substituída a cada 2 ou 3 anos .

Fig. 4.9 - Secagem do ar por adsorção.

4.1.1.7.3 Secagem a Frio

Este Processo baseia-se na propriedade de o ar de controle esfriado a uma temperatura abaixo do ponto de orvalho produzir condensação.

Funcionamento: o ar comprimido vindo do compressor e, por isso, quente flui primei-ramente por um trocador de calor ar-ar , onde é pré-esfriado pelo ar seco e frio, pro-veniente do sistema de refrigeração e, em conseqüência, a água e partículas de óleo que existam no ar são separadas;

ar de controle pré-esfriado entra no segundo trocador de calor , que possui uma serpentina por onde circula um fluido refrigerante. Neste ponto, o ar é refrigerado a uma temperatura de aproximadamente 274,7ºK ou 1,7ºC. e novamente são separadas água e partículas de óleo; e

ar de controle seco retorna à primeira parte do secador, entra pelo lado secundário e assume a tarefa de pré-esfriar o ar de controle que flui pelo lado primário.

Fig. 4.10 - Sistema de secagem a frio

4.1.1.7.4 Pré-aquecimento do Ar

O motivo principal do pré-aquecimento em instalações fixas é evitar temperaturas excessivamente baixas devido ao resfriamento por expansão, que poderiam levar à formação de gelo. Quando se dispõe do calor residual, pode-se usá-lo com vantagem para o aquecimento do ar, desde que o aquecedor esteja imediatamente antes do ponto de consumo.

A forma mais adequada de aquecimento do ar é utilizar um trocador de calor tubular a vapor.

4 . 1 .1 . 8 F i l t r o s d e Ar de Co n t r o l e

218

Nos sistemas atuais, o ar encontra-se geralmente à temperatura ambiente e à pressão de linha, enquanto que a água a ser removida é uma fina suspensão no ar. Para alcançar o máximo de eficácia é comum usar um filtro para cada sistema de comando/controle pneumático, o qual deve ser montado imediatamente após a conexão à linha de alimentação.

O filtro pode ser montado como componente simples (figura 4.11), em conjunto com o regulador de pressão (figura 4.12), ou ainda em conjunto com o regulador de pressão e um lubrificador por borrifo de óleo, ou seja, unidade de conservação (figura 4.14).

Depois de deixar o filtro, o ar não deve conter água excedente, mas ainda estará a 100% de umidade, e as condições de fluxo inevitavelmente farão cair a pressão , de modo que a umidade relativa pode cair a algo menos que 100% no ponto de utilização.

Se houver uma válvula redutora, a umidade cairá ain da mais, e, se houver presença de água, o ar será capaz de reabsorver a á gua presente.

Um filtro de ar convencional é essencialmente um separador de água e opera segundo um princípio completamente diferente do de um filtro, digamos, de óleo hidráulico. Sua eficiência depende do posicionamento das vias de fluxo e do elemento filtrante .

Funcionamento do filtro (figura 4.11): O ar penetra pelo topo, entrada (1) dirigindo-se para baixo, acompanhando as laterais do recipiente, passando por placas defletoras (4), adquirindo um movimento circular. A idéia é fazer com que as partículas de água e de materiais sólidos se dirijam à parede do recipiente (5) pelo efeito centrífugo;

Quando a direção do fluxo de ar se inverte, essas partículas ficam depositadas no fundo, enquanto o ar flui para cima em direção a saída (2);

Quaisquer partículas de água remanescentes são retiradas pelo elemento filtrante (6) localizado no centro. Este elemento é normalmente feito de material poroso sintetizado, cuja porosidade varia de 30 a 70 µm . Esses poros, em forma de labirinto, separam a água enquanto o ar passa, e a água escorre para o fundo do recipiente; e

Observa-se que o ar ainda está a 100% de umidade, e só pode recolher ou absorver mais água se estiver se deslocando a uma velocidade suficiente para mantê-la contra a força de gravidade.

Num filtro de óleo, o elemento filtrante é projetado para impedir a passagem de partículas indesejáveis, desde que os poros do elemento sejam suficientemente pequenos.

Fig. 4.11 - Filtro de ar comprimido

Periodicamente, deve-se fazer uma limpeza dos elementos filtrantes para retirar as impurezas que ficam retidas. Em caso contrário, a vazão de ar será seriamente comprometida.

O funcionamento do filtro de ar se baseia nas diferenças em viscosidade e densidade entre ar e água , e não é de forma alguma impermeável à água .

219

AUT

Filtro de Ar e Regulador de Pressão Juntos

Neste componente (figura 4.12 ), o ar de controle flui da mesma forma como foi descrito para o filtro anterior e, ao passar pelo elemento filtrante, encontra o regulador de pressão.

Funcionamento A regulagem da pressão ocorre da seguinte maneira: A membrana (8), forçada por um lado pela pressão de ar secundária e pelo outro lado pela força da mola (9) ajustada pelo parafuso (10), produz uma força que equilibra o sistema;

Se a pressão de ar primária for superior à força de equilíbrio, a junta (6) é pressionada contra a sede da válvula, impedindo admissão de ar de controle para o lado secundário;

Se a pressão secundária diminuir abaixo do valor do equilíbrio, a força da mola (9) provoca um afastamento da junta (6) do assento, e o ar de controle pode passar livremente até que restabeleça o equilíbrio; e

Para evitar vibração na válvula, é prevista uma mola de amortização (5). Os orifícios de escape devem estar sempre livres

Fig. 4.12 - Filtro de ar comprimido com

regulador de pressão

4 . 1 .1 . 9 D re no Au t om át i c o d o Co nd en sa do

É empregado para evitar freqüentes intervenções manuais, quando no sistema de ar de controle ocorre com freqüência acúmulo de impurezas e excesso de condensado.

Funcionamento: O condensado passa do copo (10) por meio do orifício (9) até a sede do êmbolo entre duas juntas de vedação (8) e (8a). Com o acúmulo do condensado, o flutuador (2) se eleva, até que seja alcançado um determinado nível de condensado, que provoca a abertura do no assento (1). Com essa abertura, o ar de controle flui e alcança o tubo (3), deslocando para direita o êmbolo (4) e com ele a junta (8), deixando escoar livremente o condensado (7). Com o nível do condensado baixando, o flutuador (2) desce e o assento (1) é fechado. Através do orifício (6), o ar de controle sai livremente, a mola de pressão (5) recoloca o êmbolo (4) na posição inicial, e a junta (8) fecha o dreno do condensado.

Fig. 4.13 - Purgador (dreno) automático de condensado.

4 . 1 .1 . 10 Un i da de de Co ns er va çã o

220

Fig. 4.14 - Unidade de conservação.

A unidade de conservação é formada por um filtro de ar, um regulador de pressão com manômetro e um lubrificador (ver figura ao lado).

Uma grande vantagem de adicionar o óleo neste ponto é que ele não pode formar uma emulsão com a água depositada, como tende a acontecer com o óleo proveniente do compressor. A colocação do filtro local garante que a umidade livre, presente no ar que penetra na ferramenta, seja desprezível.

Funcionamento : O ar comprimido atravessa o filtro, chegando ao regulador de pressão, onde é regulado para a pressão constante de trabalho desejada. Do regulador, o ar alcança o lubrificador e arrastando as partículas de óleo lubrificante encaminha-se para o utilizador.

Por que deve haver lubrificação do ar comprimido?

Para que as peças móveis dos elementos pneumáticos sejam suficiente e continuamente lubrificadas.

Como é feita essa lubrificação?

Por intermédio de um lubrificador adiciona-se na corrente de ar comprimido uma certa quantidade de óleo lubrificante. O próprio ar comprimido, já lubrificado , se encarrega de fazer a lubrificação das peças internas dos equipamentos pneumáticos.

O lubrificado de ar trabalha segundo o princípio de Venturi: A diferença de pressão ∆P entre a pressão antes do bocal nebulizador e a pressão no ponto de estrangulamento do bocal, será aproveitada para sugar óleo de um reservatório e, misturá-lo com o ar em forma de neblina.

Fig. 4.15 - Princípio de Venturi aplicado ao lubrificador de ar de controle.

221

AUT

4 . 1 .1 . 11 Vá l vu l as Re gu l ado ra de Pre ss ão

Em todas as instalações de ar comprimido são observadas as seguintes características:

a) existe uma pressão de trabalho ideal e uma pressão mínima de funcionamento;

b) há constante oscilações da pressão;

c) pressão muito elevada, que produz grandes perdas de energia e um desgaste antecipado dos componentes internos dos elementos pneumático; e

d) pressão baixa, que é economicamente desvantajosa, visto que diminui o rendimento do trabalho.

Por esses motivos, é necessário que existam válvulas reguladoras de pressão de ar para cada tipo de aplicação pneumática, as quais podem ser:

1. válvula reguladora de pressão;

2. válvula limitadora de pressão; e

3. válvula de seqüência.

Neste momento vamos estudar apenas a válvula reguladora de pressão. As outras serão estudadas na unidade de ensino 5.0.

Essa válvula tem a tarefa de manter a pressão de trabalho sem que haja variações, mesmo com a pressão oscilante da rede de alimentação. A pressão de entrada mínima deve ser maior que a pressão de saída. Elas podem ser encontradas com compensação de vazão, também denominada com orifício de escape (fig. 4.16) e sem compensação de vazão ou sem orifício de escape (fig. 4.17).

Válvula Reguladora de Pressão (VRP) com compensaçã o de vazão (figura 4.16 ) -

Neste tipo é possível compensar uma sobre pressão secundária. O excesso de pressão no lado secundário, além da pressão pré-ajustada, é eliminado através do orifício de escape.

Obs. Os orifícios de escape não devem ser fechados, por nenhum motivo.

Funcionamento : O diafragma (1), preso a haste da válvula (4), sofre por um lado a pressão primária do ar de controle que flui pela entrada do regulador e atua no O’ring (5), e pelo outro lado atua a força de a ação de uma mola (2) ajustada manualmente pelo volante (3). A força resultante desse sistema deve alcançar um estado de equilíbrio. Se a pressão secundária supera o valor previsto, por exemplo, por causa do efeito de forças externas sobre os elementos de trabalho, ou por uma regulagem mais baixa da mola de pressão (2), a haste da válvula (4) será deslocada do assento da válvula (8) e o ar de controle do lado

Fig. 4.16 - Válv. reguladora de pressão com compensação de vazão.

222

secundário fluirá através do orifício de escape (9) para o exterior, até restabelecer a pressão prevista. Em casos de grandes vazões na saída, para evitar uma queda na pressão secundária, o orifício de compensação (7) reduz a pressão que age no diafragma (1), garantindo uma grande passagem de fluxo. Para evitar vibrações, é previsto um amortecedor (6).

Válvula Reguladora de Pressão (VRP) sem compensação de vazão (figura 4.17) - A desvantagem desta válvula é que na parte central da membrana não existe o orifício de escape e, portanto, o ar em excesso na saída não pode escapar para a atmosfera.

Funcionamento: Por meio do parafuso de ajuste (2) é tensionada a mola (8) juntamente com o diafragma (3), que atua no pino do obturador (6), encostado no outro lado do diafragma, que por sua vez, atua no obturador (5), regulando uma maior ou menor passagem de ar do lado primário para o secundário.

Se do lado secundário não houver passagem de ar, a pressão cresce e força o diafragma (3) contra a mola (8). Desta forma, a mola (7) pressiona o conjunto pino do obturador (5) e obturador (6) para baixo, e a passagem de ar é fechada.

Somente quando houver demanda de ar pelo lado secundário é que o ar comprimido do lado primário voltará a fluir.

Fig. 4.17 - VRP sem orifício de escape.

4 . 1 .1 . 12 D i s t r i bu i çã o d e Ar d e Co n t ro l e em Na v io

A figura a seguir nos dar uma idéia de como é distribuído o ar de controle a bordo dos navios mercantes. O ar tanto é empregado para comandar as VCDs do sistema de partida do MCP e MCAs, como também para os controladores pneumáticos dos sistemas de controle de caldeiras, caso exista.

Observa-se na figura que também há um sistema de comando e controle hidráulico interagindo com o sistema de ar de controle.

TAREFA! De acordo com o que foi estudado até o momento, analise a instalação de ar comprimido apresentada na figura a seguir ou do navio que estiver embarcado, dando atenção especial ao sistema de ar de controle .

Obs.Tome como exemplo a análise do sistema de desumidificador de ar do navio Nilza, descrito a seguir.

223

AUT

Fig. 4.18 - Sistema de ar de controle para partida do MCP de um navio mercante

Exemplo de um Sistema Desumidificador de Ar de Cont role de Navio :

224

A unidade desumidificadora da figura 4.19, compõe-se basicamente de um sistema de refrigeração, que opera com Freon R-12, e de um trocador de calor. Remove a umidade , poeira e o óleo do ar de controle. As partículas são eliminadas por filtragem. A umidade é removida, resfriando-se o ar até o ponto de orvalho. O condensad o é drenado.

Fig. 4.19 - Sistema desumidificador de ar de controle do navio Dilza.

1. Preparação da Unidade

a) Verificar se óleo do cárter do seu compressor está em nível de serviço.

b) Verificar se as correias de acionamento do compressor estão tencionadas corretamente.

As válvulas 32V070 e 32V071 deverão ser totalmente abertas e depois fechadas ½ volta a fim de permitir a operação do manômetro e do manovacuômetro. Para operação normal a válvula 32V072 deverá ser totalmente aberta, a fim de fechar a conexão de recarga de freon.

2. Operação da Unidade

a) No grupo demarrador n.º 1, fechar o disjuntor.

b) No painel de controle local, fechar o disjuntor, a luz indicadora da energia acenderá, e a operação será controlada automaticamente.

3. Verificações Durante a Operação da Unidade

a) Verificar se a pressão de descarga do compressor está dentro da faixa normal de operação 6,0 a 11 Kg/cm2.

225

AUT

b) Verificar se a pressão de aspiração do compressor está no intervalo compreendido entre 0,1 e 2,0 Kg/cm2.

c) Verificar a válvula 32V070 de aspiração do compressor. Em operação normal, essa válvula deverá ficar úmida; se estiver coberta de gelo, será necessário um ajuste na válvula de expansão 32V073.

d) Verificar o nível do óleo do compressor.

e) Verificar se há ruídos anormais.

f) Observar se as correias de acionamento do compressor não estão deslizando.

g) Verificar o estado de limpeza da colméia do condensador.

h) Observar o período de troca da sílica-gel do secador.

4. Parada da Unidade

a) Fechar a válvula CA068V de entrada de ar no desumidificador.

b) No painel local, pressionar o botão de parada e abrir o disjuntor.

5. Dispositivo de Segurança

Os seguintes dispositivos foram instalados no sistema a fim de proteger a unidade desumidificadora de ar:

a) um termostato pára o compressor, quando a temperatura de saída do ar do evaporador cai para 5ºC e parte o mesmo quando alcança 7ºC;

b) um pressostato pára o compressor, quando a pressão de aspiração cai par 0,1 Kg/cm2 e parte o mesmo quando alcança 1,5 Kg/cm2;

c) um pressostato pára o compressor quando a pressão de descarga atinge 14,0 Kg/cm2. A partida do compressor deverá ser feita manualmente, rearmando-se o disjuntor e pressionando-se o botão de partida;

d) um termostato com alarme de temperatura alta na saída do ar de controle do desumidificador.

4.1.2 Bico Palheta

O conjunto bico palheta é o principal elemento dos instrumentos pneumáticos, como os controladores, transmissores, extrator de raiz quadrada, etc..

Constituição : O bico-palheta é composto por uma tubulação de pequenos diâmetros. Sendo um tubo principal (A) de diâmetro (D) com uma derivação (C) no meio, de diâmetro menor, denominada de “pressão de saída ” (ps). Uma extremidade do tubo principal serve de entrada do ar de alimentação, identificada como “pressão de entrada” (pe), que de acordo com a Norma técnica é igual a 1,2 bar. Na outra extremidade há um bico restritivo (bocal) de diâmetro menor que o da entrada (D) do tubo (A), no nosso caso 2 a 3 mm, por onde escapa o ar de alimentação para atmosfera. Próximo ao bico restritivo em contra posição ao fluxo de ar temos a palheta . Antes do tubo de derivação (C) há uma restrição, cujo diâmetro é menor que o diâmetro do bico restritivo na razão de (D/2) e por um difusor formado por palhetas convergentes.

226

O bico palheta converte uma variação de movimento mecânico em uma variação de pressão pneumática. O funcionamento do bico palheta é baseado no princípio do Tubo Venturi.

Funcionamento : A palheta é uma pequena chapa metálica fixada em uma de suas extremidades (parte inferior) e posicionada na frente do bico, a uma pequena distância dele. Na outra extremidade (parte superior) a variável controlada (pz) vinda do processo atua na palheta, por meio de um dispositivo mecânico (fole), aproximando-a ou afastando-a do bico, ou seja, fazendo variar a pressão de saída na derivação (ps ), da seguinte forma:

Fig. 4.20 - Conjunto bico-palheta simples

a ) quando a palheta se aproxima do bico, passa a restringir o escape de ar para atmosfera e faz com que a pressão no interior do bico, entre a restrição e a extremidade, aumente

b ) quando a palheta estiver em contato com o bico: pressão de saída igual à pressão de entrada (ps = pe); e

c ) quando a palheta se afasta do bico o escape do ar fica mais livre e a pressão diminui no interior do bico, conseqüentemente a pressão de saída ira diminuir.

Assim podemos concluir que a atuação da palheta é função da variável controlada .

Você poderá ter um entendimento mais apurado sobre bico palheta assistindo o filme “bico palheta” e executando experiência no laboratório do CIAGA.

4.1.3 Transmissor Pneumático

Fig. 4.21 - Exemplo de transmissor pneumático – SIEMENS

227

AUT

Nos transmissores pneumáticos os valores das variáveis de processos são convertidas em sinais pneumáticos padronizados (3 a 15 PSI.) e transmitidos para as salas de controle, onde são manipulados pelo controlador, e o resultado amplificado e enviado até os atuadores dos elementos finais de controle dos processos.

O sensor ou uma tomada de impulso (de sinal) pode estar diretamente ligada ao controlador, mas é bem freqüente encontrar um transmissor entre ambos.O transmissor não é um elemento indispensável num sistema de controle, apesar de constituir muitas vezes uma grande melhoria.

Na figura 4.21 temos um exemplo do transmissor pneumático da SIEMENS. O mesmo é utilizado nas aulas práticas no laboratório de automação do CIAGA, fazendo parte do sistema de treinamento de controle de nível.

Os transmissores pneumáticos baseiam-se em dois princípios básicos:

1 Na força exercida de um elemento de medição; e

2 No movimento de um elemento de medição.

Para entender o funcionamento dos transmissores pneumáticos empregados nos navios mercantes, vamos estudar o tipo D/P CELL (ver figuras a seguir)

Ele é composto de duas câmaras separadas por uma membrana. A câmara (H) é a de alta pressão é recebe o sinal a montante da placa de orifício e a câmara (L) de baixa pressão e recebe o sinal a jusante da placa de orifício. É diretamente aplicado no processo controlado, recebendo dois sinais da variável controlada, um de cada lado da tomada de impulso de vazão (placa de orifício, Tubo Venturi, etc.).

Fig. 4.22 - Aplicação do D/P Cell na medição de vazão

Fig. 4.23 - Aplicação do D/P Cell na medição de nível – O nível h do tanque é proporcional a diferença de pressão entre H e L.

Funcionamento : o D/P Cell recebe suprimento de ar comprimido de 20 PSI e libera um sinal pneumático de 3 a 15 PSI para um receptor. Como já estudado, na unidade de instrumentação, o elemento primário provocará uma perda de carga, causando uma diferença de pressão entre os lados (H) e (L), o que fará deslocar a membrana (diafragma) do D/P CELL. Pelo deslocamento do diafragma, a palheta solidária ao mesmo se movimentará, fazendo com que o transmissor envie um sinal pneumático ao controlador.

São duas as principais vantagens desses transmissores:

228

1ª – usando-se um transmissor pneumático entre a tomada de impulso e o controlador evita-se que haja no controlador o líquido ou gás da variável que se quer medir. A razão é que muitas vezes esses fluidos são explosivos e o centelhamento dos contatos elétricos existentes no console da sala de controle (ECR) poderá causar sérias explosões, pois com transmissores pneumáticos isto não deve ocorrer visto que estaremos utilizado o ar comprimido nos equipamentos da sala de controle.

2ª – usando-se os transmissores pneumáticos, qualquer que seja a variável a controlar (vazão, temperatura, nível, pressão, etc), sempre obter-se-á um sinal pneumático de 3 a 15 PSI, correspondente à medida da variável em questão. Essa condição é que permiti a padronização dos controladores pneumáticos no controle das mais diversas variáveis.

4.1.4 Amortecedor de Oscilação

Nos controles pneumáticos quando o sinal transmitido é passível de oscilações, utilizamos os amortecedores de oscilação. Tal dispositivo poderá ser uma simples restrição ou restrições combinadas com capacitância, conforme ilustrado na figura (a) a seguir. O amortecedor de oscilação poderá ser comparado com um sistema elétrico equivalente, como mostra a figura (b) ao lado.

Fig. 4.24 - Amortecedores de oscilações

4.1.5 Ampli ficador de Sinal Pneumático

É um dispositivo empregado nos sistemas pneumáticos, quando há necessidade de resposta rápida do sinal no receptor ou quando a distância entre transmissor e receptor é muito grande. Este dispositivo é mais conhecido como Booster.

Seu princípio físico de funcionamento é o momento de uma mola conforme a lei de Hook . O Booster recebe um sinal de entrada fraco e o transforma num sinal de saída amplificado.

Com base na relação de pressão entre o sinal de entrada (P1) e o de saída (P2), são construídos amplificadores dos seguintes tipos: (P1 : P2) = 1 : 1; 1 : 3 ou 2 : 1.

Fig. 4.25 - Amplificador pneumático tipo foles

Exemplo: Na figura ao lado, temos um amplificador da SIEMENS que emprega dois foles para executar o trabalho.

Ele é composto por três partes principais:

229

AUT

1. um controlador, que é a parte inferior (base), onde se localiza três orifícios: um pequeno (Px) para entrada do sinal pneumático de alimentação ou de suprimento igual a 1,2 bar (pressão de trabalho), um orifício médio (Pe) para entrada de sinal pneumático da variável controlada e um orifício grande centralizado (Ps) para saída do sinal amplificado;

2. um corpo superior que é formado por dois foles, um maior e outro menor e uma mola que se localiza sobre o fole maior e envolve o fole menor; e

3. uma cobertura com um parafuso de calibragem e dois parafusos de fixação na base.

Funcionamento: Para cada entrada no controlador existe um orifício por onde o ar caminha no seu interior até chegar aos foles O fole menor recebe o sinal de pressão de trabalho (1,2 bar) do processo e atua na mola, que oferece uma resistência controlada pelo ajuste do parafuso de calibragem. A variação dada pela mola é quem proporciona ao fole maior transmitir o sinal de saída já amplificado (Ps) por meio orifício central. O fole maior tem que vencer a resistência da mola, para fazer a mola variar. Essa ação é conseguida por meio de uma equação do sinal de entrada (Px) que com a pressão de trabalho (Pe).

Manutenção - Os problemas mais freqüentes entre os amplificadores aparecem nos foles e nas restrições internas. No fole pode aparecer furos. Para retificar este problema aplica-se um bico de solda de estanho no furo ou fixa-se uma massa qualquer que suporte a pressão interna. Outro problema dos foles são oxidações. Na restrição interna pode aparecer um entupimento das vias. Para isto aplica-se benzina no interior e um jato de ar comprimido.

4.1.6 Extrator de Raiz Quadrada

A medição de vazão (fluxo) em uma tubulação é feita criando-se uma pressão diferencial, mediante uma restrição chamada de elemento primário, exemplo a placa de orifício. Como a vazão é proporcional a raiz quadrada da pressão dif erencial e necessitamos de uma indicação do valor da vazão linear, será necessário incluir um dispositivo que extraia a raiz quadrada do sinal de vazão.

Esse instrumento também é conhecido como gerador de função devido ser um condicionador de sinal. O instrumento emprega um mecanismo de retroalimentação de balanço de momento para converter o sinal de pressão diferencial de 3 – 15 psi em uma unidade de vazão de 3 – 15 psi linear. Para um melhor entendimento do funcionamento do extrator de raiz quadrado, vamos nos basear no da FOXBORO, ver figura a seguir.

230

1 – Diafragma B;

2 – Braço de força;

3 – Fole A;

4 – Bico Palheta;

5 – Ponto de flexão;

6 - Braço de flexão;

7 – Fole C;

8 – A lamina de retenção permite ao braço de flexão mover-se somente em arco.

Fig. 4.26 - Extrator de raiz quadrada FOXBORO serie 557

Funcionamento do trajeto de pré-alimentação : Um sinal de entrada ascendente sobre o fole (3) se converte em uma força aplicada no braço de força (2). Esta força atua longitudinalmente sobre o braço de força entre o ponto de contacto do fole e o pivô, que é o ponto em que o braço de força se conecta com o diafragma B (1), criando o momento de entrada. A força de entrada move o braço de força para a esquerda. Isto reduz a abertura entre a palheta e o bico, produzindo um aumento de contrapressão no bico, acionando o relé e ocasionando um aumento da pressão de saída do relé, e por conseguinte do extrator de raiz quadrada.

Fig. 4.27 - Esquema simplificado do extrator de raiz quadrada

Fig. 4.28 - Esquema de forças do extrator de raiz quadrada

Funcionamento do trajeto de realimentação : Os mecanismos de retroalimentação são o fole C que aciona o braço de flexão e o diafragma B que aciona o braço de força e são eles os componentes responsáveis pela geração de função. O sinal de saída ascendente é simultaneamente detectado pelo diafragma B e pelo fole C. O fole C se expande movendo o braço de flexão a esquerda e aumentando o ângulo como mostra as figuras a seguir. Ao mesmo tempo que o fole aciona o braço de flexão o diafragma B é movimentado par cima acionando o braço de força que aplica uma força ao braço flexor.

O braço flexor não pode se mover nem para cima nem para baixo, por conseguinte, o braço flexor produz uma força de retenção para equilibrar a força aplicada pelo braço de força. Não obstante esta força de retenção se aplica ao braço de força em um ângulo tal fazendo com que a força de retenção criada pelo braço flexor ao braço de força separa-se em dois componentes vetoriais: um componente vertical e um componente horizontal.

O componente vertical de retenção equilibra a força vertical aplicada ao braço de força pelo diafragma B . O componente horizontal da força de retenção aplicada longitudinalmente ao braço de força entre o diafragma B e o ponto de flexão produz um momento que equilibra o

231

AUT

momento de entrada. Este momento de balanço afasta o braço de força do bico restabelecendo o equilíbrio.

O estudo aqui se limitou ao funcionamento mecânico da extração da raiz quadrada . No entanto é preciso continuar, para sabermos como o instrumento produz um sinal de saída igual à raiz quadrada do sinal de entrada. Por se tratar de um estudo que envolve conhecimento de resoluções matemáticas avançadas, ficará para a fase presencial.

4.1.7 Controlador Pneumático

Na unidade de ensino 2.3 estudamos a teoria do controle e vimos que as principais ações de controle podem ser: duas posições, proporcional (P), proporcional + integral (PI) e proporcional + integral + derivativo (PID). Agora vamos estudar como se comporta um controlador pneumático com essas ações de controle.

Os controladores pneumáticos são constituídos dos mesmos componentes dos transmissores de sinais das variáveis de processos, por conseguinte se classificam da mesma maneira que os transmissores: pré-alimentação e retroalimentação. A diferença principal entre eles é que os transmissores respondem a uma mudança de uma única entrada , que é a da variável controlada , como se fosse um controlador de duas posições ( on-off ). Já o controlador proporcional depende da relação entre duas entradas: o ponto de ajuste (set-point ) e da variável controlada .

Os controladores de retroalimentação se dividem em: de balanço de momento; balanço de força real; de balanço de movimento angular e balanço de movimento linear.

4 . 1 .7 . 1 De t ec t o r d e E r ro

O detector de erros (Force balance), também é conhecido como “somador ”. Em um sistema de controle on–off ele é o próprio controlador.

Em um controlador do tipo PID o somador é composto por quatro foles (A,B,C e D), um conjunto bico palheta, um rele um ponto de apoio que com a palheta formam uma balança de forças.

Nesse caso, conforme for a utilização dos foles, o detector de erro pode funcionar com 16 arranjos diferentes, podendo ser 8 positivos e 8 negativos.

Fig. 4.29 - Detector de erro (esquema 1) do controlador pneumático SIEMENS.

4 . 1 .7 . 2 Co n t ro l ad or Pn eumá t i co de Dua s Po s i ç õe s ( o n-o f f )

Muito empregado nos primeiros navios automatizados, porém ainda encontrado em alguns navios controlando a água de alimentação de caldeira. É um método de controle

232

econômico, simples e de fácil manutenção.

Fig. 4.30 - Automatização do controle do nível de uma cisterna por controlador pneumático

Exemplo : controle do nível de uma cisterna por controlador pneumático ilustrado na figura anterior .

Funcionamento : Quando aparecer uma alteração de nível, o controlador aumentará ou diminuirá o valor do sinal para o atuador da válvula de controle, fazendo com que ela abra ou feche a para compensar a variação do nível.

Para uma melhor compreensão do funcionamento desse tipo de controlador vamos estudar o modelo de pré-alimentação, ilustrado na figura a seguir.

Considerações: No controlador o ponto de ajuste (set-point) se determina pela força aplicada na parte superior da palheta (balanço de forças) mediante um botão de graduação que atua por meio de uma mola de ajuste.

Fig. 4.31 - Arranjo do controlador pneumático de duas posição

Funcionamento: O sinal medido da variável controlada atua no fole de medição (A). A pressão exercida produz uma força que se aplica no lado inferior da palheta. A palheta (balanço de força)s é uma alavanca de primeira ordem. O braço da força de esforço desta alavanca na palheta é a distância desde o apoio ao ponto de contacto do fole de medição, já o braço da força de resistência é a distância desde o apoio até o bico. Como pode ser observado na figura, o braço da força de esforço da alavanca é muito curto e o braço da força de resistência muito grande . Uma alavanca disposta dessa maneira produz um ganho de movimento muito grande. Por conseguinte, um pequeno movimento no extremo do braço da força de esforço produz um grande movimento no extremo do braço da força de resistência.

Quando a variável controlada excede o set-point, o braço de forças se movimenta no sentido anti-horário envolta do ponto de apoio aproximando a palheta do bico. Devido o ganho alto do balanço, uma pequena diferença entre a força aplicada ao balanço pela mola e a força aplicada

233

AUT

ao fole de medição faz com que a palheta feche completamente o bico. A contra-pressão do bico aumenta ao máximo e posiciona o relé para que deixe passar a pressão de alimentação máxima da válvula de 20 psi Quando a saída do controlador aumenta a 20 psi o elemento de controle final passa a posição de abertura máxima.

Quando a variável controlada desce em relação ao set-point a palheta gira no sentido horário afastando-se completamente do bico. Continuando a contrapressão do bico desce a 0 psi, fazendo com que o sinal de saída do controlador desça a 0 psi. Esta pressão de saída permite que o elemento final de controle passe para a posição de totalmente fechado. Por tanto, como resultado da ação deste controlador o elemento final de controle encontra-se completamente aberto ou completamente fechado, ou seja, ligado (on) ou desligado (off).

Para manter a variável controlada dentro de uma faixa de valores muito estreita em redor do set-point o controlador efetua um ciclo entre ligado e desligado. No meio pneumático não há um controle on-off puro porque cada vez que a variável controlada se aproxima do set-point o acionador mecânico (exemplo: mola ajustada) que controla a posição (folga) da palheta em relação ao bico, move a palheta para manter a distância definida. Enquanto a palheta estiver a uma distância de detecção do bico, a saída do controlador será proporcional a variável controlada, por conseguinte o elemento final de controle (exemplo: válvula de controle) será bloqueado e não chegará a sua posição extrema.

Basicamente um controlador pneumático on-off é uma banda proporcional não ajustável

Nesse tipo de controlador, o set-point pode ser ajustado variando a pressão de ar aplicada a um fole como é mostrado na figura ao lado. Desta forma comporta-se como um controlador proporcional.

Fig. 4.32 - Arranjo do controlador pneumático on-off com fole para ajuste do set-point

4 . 1 .7 . 3 Co n t ro l ad or Pn eumá t i co Pr op orc i ona l

Para entendermos como atua esse tipo de controlador, ou melhor, essa ação de controle vamos analisar o funcionamento do controlador ilustrado na figura a seguir.

Exemplo : sistema de controle de vazão, com base na realimentação por controlador pneumático CP4150 do fabricante FISHER.

234

Fig. 4.33 - Controle automático da vazão de água com controlador pneumático de ação proporcional

Características: Possui uma alimentação de ar de controle de 30 PSI, que passa pelo controlador e distribui-se para válvula de controle e para o conjunto bico palheta conforme determina a atuação de controle. A vazão do fluido (água) que circula pela tubulação é regulada pela válvula de controle, conforme o sinal de (L). O valor desejado (set-point) é estabelecido por meio de ajuste das pressões que agem nos foles (E) e (B), que por sua vez mantém a palheta (C) numa determinada posição em relação ao bico (D).

Funcionamento: Qualquer variação da vazão produz uma mudança no valor da pressão que é detectada pelo sensor de pressão (T) do tipo Bourdon formato C. Essa variação atua na palheta (C), aproximando-a ou afastando-a do bico (D), proporcionalmente. A resultante desse equilíbrio de força é a pressão que atua na válvula de controle. Como o controle é do tipo de ação proporcional, acumula-se um erro de regime que necessita de tempo em tempo ser eliminado pela atuação do botão de “reset manual” (M).

4 . 1 .7 . 4 Co n t ro l ad or Pn eumá t i co Pr op orc i ona l e I n t eg ra l ( P I )

Como já estudado, um controlador com ação proporcional devido a mudanças de carga no processo, apresenta um erro de desvio (offset ) entre a variável controlada e o ponto de ajuste (set-point) para que ocorra a correção. Em muitos processos esse desvio não pode ser tolerado, por conseguinte é necessário corrigi-lo, para tanto é utilizado uma ação de controle chamada de ação integral .

Um controlador PI básico é composto dos mesmos elementos do controlador proporcional: um mecanismo compara-dor, um detector, um me-canismo de retroalimen-tação e um mecanismo de ganho (ver figura a seguir).

Fig. 4.34 - Controlador pneumático PI

O comparador faz a comparação entre as forças geradas pelo fole de medição e o fole do set-point. Essas forças são geradas pelo sinal de pressão que atua sobre a área interna dos foles. A pressão sobre o fole de medição vem do transmissor de sinal da variável controlada e a pressão sobre o fole do set-point se origina num regulador de pressão manual.

235

AUT

O detector é constituído pela palheta e o bico, e o mecanismo de ganho é o balancim com apoio móvel. Já o mecanismo de retroalimentação é similar ao controlador proporcional, tem um fole proporcional e um fole de ganho.

Assim como no controlador proporcional há uma reposição efetuada por uma mola que se opõe a força gerada pelo fole proporcional. No controlador PI a reposição é efetuada por outro fole. Este segundo fole, chamado fole integral (de reposição), se conecta a pressão de saída mediante uma restrição de reposição (válvula). A restrição de reposição e o fole formam uma rede de capacitância e resistência .

Devido a esta rede de capacitância e resistência , quando a pressão de saída muda, a força resultante aplicada ao balancim pelo fole integral se atrasa em relação a força aplicada ao balancim pelo fole proporcional.

O controlador mostrado na figura anterior está instalado para funcionar no modo de acionamento inverso, ou seja, à medida que o sinal de erro aumenta o sinal de saída diminui. Se encontra em uma condição de equilíbrio com um sinal de erro de zero, uma pressão de saída de 9 psi e a restrição de reposição aberta pela metade (50%).

Quando a pressão do sinal de medição da variável controlada aumenta 10%, a pressão de saída diminui 10% devido a ação proporcional do controlador. Existe então uma pressão diferencial na restrição de reposição, fazendo com que a pressão dentro do fole integral diminua, diminuindo também a força aplicada pelo dito fole ao balancim, A diminuição desta força faz com que a abertura (folga) entre a palheta e o bico aumente, fazendo com que a pressão de saída siga diminuindo. Este ciclo continua até que a pressão de saída alcance zero.

Os instrumentos de um sistema de automatização pneumática são de grande durabilidade; porém realizam apenas uma função, tem um tempo de resposta lento, não são precisos, ocupam grandes espaços, dificilmente podem ser substituído por um de outro fabricante e tem um custo alto tanto para aquisição como de manutenção. Por essas desvantagens se comparadas com as novas tecnologias, fazem com que a automatização pneumática, para novos projetos, sejam preteridas.

4.2 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO (SDCD)

O advento de novas tecnologias, tais como “chips ” para implementar protocolos de comunicação padronizados , vídeos coloridos , técnicas de programação estruturadas , pacotes de programas modulares e conceitos de autodiagnósticos em linha , permitiu lançar comercialmente, em 1975, o Distributed Control System (DCS ), traduzido para o português como Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD).

4.2.1 Origem do SDCD

O SDCD foi concebido para substituir os controladores analógicos dedicados ao controle de variáveis analógicas de processos industriais e permitir ao operador uma melhor visualização da operação da unidade. Conforme foi se desenvolvendo a tecnologia esse sistema foi expandido sua atuação até abranger todas as aplicações de controle usuais.

236

Esse sistema originou-se de um estudo desenvolvido pelo pessoal da Divisão de Sistemas de Gerenciamento da Honeywell. Os autores basearam seu invento em observação das rotinas de uso das salas de controle centralizado (CCM - Central Control Room), conversaram com operadores, observaram suas ações em condições normais e anormais de operação, estudaram o volume de informações que um operador poderia receber, entender, processar e agir em conseqüência delas.

Para efetuar um controle eficiente, o operador deve poder observar continuamente um número de variáveis chaves, detectar qualquer desvio entre elas e o valor desejado, e tomar medidas corretivas rapidamente, podendo partir, parar e controlar o processo manualmente quando necessário.

As principais anotações foram:

a) O número de informações a serem avaliadas era maior do que um operador humano podia manter sob estreita vigilância por muitas horas seguidas;

b) Por mais que todas as variáveis fossem mostradas simultaneamente no painel, o operador apenas conseguia vê-las seqüencialmente;

c) As informações deveriam chegar ao operador de uma forma agrupada e lógica afim de que ele pudesse facilmente correlacioná-las;

d) A leitura de um número digital era mais simples do que a analógica (leitura de um valor de escala próximo a um ponteiro de indicação);

e) O uso de figuras, barras, ícones, mudanças de cores ou forma era de mais rápido entendimento do que mensagens escritas;

f) Se o alarme viesse associado ao grupo de instrumentos em que a variável alarmada estivesse contida, o reconhecimento e a atuação do operador seriam bem mais rápidos;

g) Que se disponibilizado para fácil consulta um registro histórico, que permitisse ao operador ver o comportamento da variável nos últimos minutos, horas e dias, seria uma ferramenta muito útil para controle mais apurado do processo; e

h) Que uma interface por telas gráficas, com os principais dados das variáveis do processo, seria mais fácil se interpretada e visualizada, permitindo uma operação mais ágil e eficaz.

O SDCD basicamente compõe-se de: Interface-Humano-Máquina – IHM- (estação de operação, estação de controle), interface com o processo (integrando os controladores e unidades de aquisição de dados) e via de comunicação de dados (data highway).

O protocolo de comunicação, baseado no modelo analógico de 4-20mA, era tipicamente um sistema proprietário , mas atualmente adota a norma que estabelece o conceito de “open system” (sistema aberto), permitindo a uma ampla utilização de instrumentação eletrônica digital acoplada a computadores digitais, formando um sistema híbrido com grande poder de controle.

237

AUT

4.2.2 Configuração do SDCD

Há dois tipos de configuração aplicada ao SDCD: a configuração de Hardware e a de Software. A configuração de Hardware é na verdade uma lista de hardwares necessários a instalação de todas as malhas de controle envolvendo as funções de controle e aquisição de dados. Já a configuração de softwares é fazer o programa para controlar as variáveis, definindo os seus tags, características de controle (ganho proporcional, integral, derivativo), aquisição de dados e níveis de alarmes para cada uma delas.

Normalmente um SDCD já vem de fábrica configurado, conforme as necessidades do cliente, com uma série de instruções pré-programadas envolvendo algoritmos de controle, de aquisição de dados, de montagem de telas de visão geral, de grupos de malha, de malhas individuais, de alarmes, de registro etc. Todas as informações são armazenadas em um banco de dados na estação de controle .

Há também, a necessidade da configuração do sistema, normalmente efetivada por um profissional definido pelo usuário. Nesse caso o programador define, dentro de muitas opções existentes (alarmes, registro, controle, telas gráficas, etc.), o que será usado para cada malha de controle pela estação de operação . Para estabelece os parâmetros de configuração de cada malha de controle o programador preenche formulários que aparecem nas telas de configuração do sistema ou no caso de SDCD modernos, utiliza-se configuração gráfica onde são interligando blocos de funções semelhante ao fluxograma de engenharia. Nestes blocos são inseridos os parâmetros desejados para as variáveis da malha.

Fig. 4.35 - Arquitetura de um sistema digital de controle distribuído (SDCD).

238

4.2.3 Comunicação de um SDCD

O que define um sistema como sendo um SDCD é a finalidade principal da sua via de dados, a qual estabelece a comunicação dos seus dois tipos de dispositivos: os controladores e a estação de operação.

Os controladores são conjuntos de microprocessadores responsáveis pela interface entre o SDCD e a instrumentação ligada diretamente ao processo. São capazes de gerenciar, conforme um programa, o controle das malhas a eles associadas independentemente de suas comunicações com os demais elementos. Podem ser localizados próximos ao operador ou em estações remotas (afastado da sala de controle).

As estações de operação mostram ao mesmo tempo os valores das variáveis controladas e o monitoramento efetuado pelos controladores. Geralmente ficam localizadas na sala central de controle, a partir da qual os operadores podem comandar as ações de controle executadas pelos controladores.

Se uma das estações sair da linha , sua falha não interfere com o funcionamento das demais . É esta arquitetura distribuída que faz com que um SDCD seja muito mais confiável do que um sistema de controle computadorizado centralizado.

4.2.4 Controladores Autônomos Interl igados ao SDCD

Algumas instalações utilizam controladores autônomos com displays digitais locais e elementares como unidade não ligada a vias de dados, para fazer um controle “local”, sem supervisão. São capazes de controlara diversas malhas, usando processamento em tempo compartilhado, que pode ser configurado para controle e aquisição de dados, e em alguns casos para malhas analógicas e discretas.

Como esses controladores podem ter portas de comunicação, podem também ser ligados a uma via de dados. Quando são ligados em uma via de dados de um SDCD passam a integrar um SDCD.

Esses controladores autônomos são estudados em cursos avançados. Nas aulas de laboratório no CIAGA é possível ver o funcionamento de um controlador desse tipo (CD6600plus da SMAR).

4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP)

Compreender o funcionamento e atuação do Controlado r Lógico Programável (CLP) de processos industriais.

O CLP é um computador dedicado à aplicação de automação, são implantados combinados com computadores do tipo PC, por meio de um sistema supervisório o que os torna flexíveis e econômicos, podendo adaptar-se aos procedimentos de controle das mais diversas variáveis, bastando pequenas mudanças no programa elaborado pelo software respectivo. Por essa razão, o estudo de automação deve ser feito também em associação com a informática.

239

AUT

É necessário um programa que estabeleça as ações que o equipamento irá executar. Toma por base um decurso do tempo (temporização) ou uma seqüência lógica ou, ainda, um sinal de realimentação da variável física controlada para fazer modificações eventuais em variáveis externas ao sistema.

Fig. 4.36 - CLP SIEMENS

Os programas, nos dias atuais, são desenvolvidos em computadores, por meio de software específico para atuação de CLPs.

A ABNT define como sendo um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicação industrial.

O desenvolvimento dos controladores lógicos ocorreu nos tipos das entradas e saídas, no aumento da velocidade de processamento, na inclusão de blocos lógicos complexos para tratamento das entradas e saídas, no modo de programação e na interface com o usuário.

Nos dias atuais o CLP pode ser autosintonisável , ou seja:Podem fazer o seu próprio ajuste de parâmetro PID, durante a operação normal em malha fechada, sem que sinais adicionais de perturbação sejam necessários, de modo a obter continuamente um desempenho ótimo de controle.

A evolução histórica dos CLPs toma por base o sistema de programação por ele utilizado, assim temos:

1a. Geração: Os CLPs de primeira geração se caracterizam pela programação intimamente ligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava de acordo com o processador utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder programar era necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP. Assim a tarefa de programação era desenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando-se o programa em memória EPROM, sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção do CLP.

2a. Geração : Nesses CLPs, a programação não depende exclusivamente do hardware do equipamento, são introduzidos terminais de programação (ou Maletas, como eram conhecidas) e as primeiras linguagens de programação . Os Terminais de Programação eram programadores de memória EPROM, que permitiam gravar um “Programa Monitor“ no CLP, para que o programa do usuário fosse executado. Esse converte ou “compila ”, as instruções do programa, verifica o estado das entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estado das saídas.

3a. Geração: Os CLPs passam a ter uma entrada de programação , onde um teclado ou programador portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar o programa do usuário, além de realizar testes (Debug) no equipamento e no programa. A estrutura física também sofre alterações sendo a tendência para os sistemas modulares com bastidores ou racks.

240

Fig. 4.37 - Placa do controlador SIMOS 31

4a. Geração: Os CLPs passaram a ter uma entrada para a comunicação serial, de forma que a programação fosse executada por microcompu-tadores. As vantagens são de utilização de várias representações das linguagens, possibilidade de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software de programação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc.

5a. Geração : É baseada na padronização dos protocolos de comunicação para os CLPs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento de outro fabricante, proporcionando uma integração.

Esse protocolo é estendido aos Controladores de Processos, Sistema supervisório, Redes Internas de Comunicação e etc., a fim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas.

4.3.1 Benefícios do Uso de CLPs

A instalação do CLP para controlar máquinas e processos, além de reduzir os custos de consumo de energia, materiais, mão-de-obra, instalação, tempo de localização de falhas, necessidade de fiação e de erros associados, oferece outros benefícios, tais como:

a) Flexibilidade. Graças às características das linguagens de programação empregada, qualquer mudança necessária no programa é feita com o mínimo de modificações.

b) Comunicações. A instalação de diversos CLPs em uma planta industrial, permite que os mesmos comuniquem-se mutuamente e sejam interligados a um CLP mestre e este a um computador (PC), o qual monitora, por meio de um Software de Sistema Supervisório, os diversos processos e máquinas da planta;

241

AUT

c) Velocidade. São capazes de fazer contagem de eventos rápidos, como a passagem de grande número de peças por unidade de tempo, graças as suas características de rapidez em contar e responder pulsos (2000 a 6000 pulsos por segundo);

d) Funções Avançadas. São capazes de realizar uma grande variedade de tarefas de controle, desde simples e repetitivas até a manipulação de dados complexos;

e) Confiabilidade. Depois de escrito e depurado o programa, dificilmente ocorrerá erro lógico por conta de fiação, pois a única necessidade será a de fornecimento de energia para as entradas e saídas do equipamento. Esse mesmo programa poderá ser transferido e armazenado em outro CLP, reduzindo o tempo de programação, minimizando a depuração e aumentando a confiabilidade; e

f) Manutenção. Mais fácil e rápida.

4.3.2 Operação do CLP

Quando o CLP é ligado, ocorre o “Ciclo de varredura ”, ou seja, é executada uma série de operações pré-programadas, que estão gravadas no seu Programa Monitor.

O fluxograma a seguir mostra a rotina dessa varredura.

Fig. 4.38 - Rotina de varredura de um CLP

As operações pré-programadas são:

a) Verifica o funcionamento eletrônico da C.P.U., memórias e circuitos auxiliares;

b) Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados;

c) Verifica o estado das chaves principais (RUN / STOP, PROG, etc.);

d) Desativa todas as saídas;

e) Verifica a existência de um programa de usuário; e

f) Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.

Etapas da varredura:

1) Verificar (ler) estado das entradas - O CLP lê o estado de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. O tempo entre os processos de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura (Scan ) e normalmente é de alguns milissegundos (scan time).

2) Transferir para a memória - Após o Ciclo de Varredura, o CLP armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas e saídas. Esta memória será consultada pelo CLP no decorrer do processamento do programa do usuário.

242

3) Comparar com o programa do usuário - O CLP ao executar o programa do usuário, linha a linha, consulta a Memória Imagem das Entradas e atualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu programa.

4) Atualizar (escrever) o estado das saídas - O CLP escreve o valor contido na Memória das Saídas, atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia-se então, um novo ciclo de varredura.

4.3.3 Componentes do CLP

Para entendermos o funcionamento dos CLPs, devemos primeiramente conhecer os seus componentes e as suas respectivas funções. A figura a seguir mostra em forma esquemática esses componentes e suas características principais são em seguida definidas.

Fig. 4.39 - Componentes ou estrutura interna do CLP

4 . 3 .3 . 1 F on te d e a l im en t aç ão

A Fonte de Alimentação fornece energia elétrica aos elementos eletrônicos internos do controlador. Como a maior parte das instalações elétricas sofre flutuações de tensão na linha de alimentação, as fontes de alimentação são projetadas para manter a operação normal, mesmo quando a tensão variar entre 10 a 15%. Quando as condições são instáveis é aconselhável instalar um estabilizador de tensão entre o CLP e a fonte primária de tensão. Normalmente a fonte de alimentação executa as seguintes funções básicas:

a) Converte a tensão 110 ou 220 VCA ou 24 VDC para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos, + 5 VCC para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 VCC para a comunicação com o terminal de programação ou computador;

b) Mantém a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do tipo RAM;

c) Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 VCC).

243

AUT

4 . 3 .3 . 2 Un i da de Ce n t ra l de Pr oc es sam ent o ( CPU)

Fig. 4.40 - Módulo da CPU de um CLP da Empresa Rockwell

Devido a origem da língua inglesa, é mais conhecida como CPU (Central Processing Unit). É responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos, ou seja, armazena e executa o programa aplicativo.

Ela recebe os dados de entrada (dados do usuário), realiza as operações aritméticas e lógicas baseadas no programa armazenado e atualiza as saídas.

A CPU Consta de um processador , memória de programa (não volátil), memória de dados, um relógio de tempo real e cão de guarda Em alguns tipos de CLPs, a CPU pode estar junto com a fonte de alimentação.

4 . 3 .3 . 3 Re l óg i o d e Temp o Re a l

É necessário para disparo de eventos em datas e horários determinados e o cão de guarda (Watch-dog time), reinicializa o processador no caso do programa “pendurar”.

4 . 3 .3 . 4 Ba t e r i a

As baterias são usadas nos CLPs para manter o circuito do relógio em tempo real, reter parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM), mesmo em caso de corte de energia, guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni-Ca ou Li. Nestes casos, incorporam se circuitos carregadores.

4 . 3 .3 . 5 Mem ór ia do Pr ogram a Mo n i t o r

O Programa Monitor é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM. Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o CLP, gerencia o estado da bateria do sistema, controlar os diversos sistemas, verificar a integridade das memórias, decodificar e executar o programa do usuário, etc.

4 . 3 .3 . 6 Mem ór ia do us uá r i o

É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário. Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM (cujo programa é mantido pelo uso de baterias), EEPROM e FLASH-EPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca

244

do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP.

4 . 3 .3 . 7 Mem ór ia de da do s

É a região de memória destinada a armazenar os dados resultantes da execução do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, resultado de um conta matemática, resultado da execução lógica, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do CLP. São estes valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns CLPs, utiliza-se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia.

4 . 3 .3 . 8 Mem ór ia im ag em d os m ód u lo s d e en t ra da s

Sempre que a CPU inicia um scan, ela executa a leitura das entradas (módulos de entrada) e armazena o estados da cada uma das entradas na região de memória denominada Memória Imagem das Entradas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “tabela” onde a CPU irá obter informações das entradas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário.

4 . 3 .3 . 9 Mem ór ia im ag em d as en t ra da s e sa íd as

Sempre que a CPU termina um scan, ela escreve nas saídas (módulos de saída) os mesmos dados que estão armazenados na Memória Imagem das Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “tabela” onde a CPU irá obter informações das saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário.

4 . 3 .3 . 10 C i r c u i t o s a ux i l i a re s

São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do CLP. Alguns deles são :

•••• Power on reset : Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída, que pode causar um acidente, existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito é desabilitado, e as saídas poderão assumir o estado correto.

•••• Power down : O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado. O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré-determinado, o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil.

•••• Watch dog timer : Para garantir que o programa não entre em “loop” em caso de falha do microprocessador ou erro no programa do usuário, o que seria um desastre. Existe um circuito de supervisão denominado “Cão de Guarda“, que deve ser acionado em intervalos de tempo pré-determinados, que é menor que o tempo de

245

AUT

um scan (varedura). Caso não seja acionado, ele assume o controle do circuito paralisando o processamento e sinaliza falha geral.

4 . 3 .3 . 11 Mó du l os de En t rad a

São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela CPU (ou microprocessador) do CLP. Temos dois tipos básicos de entrada: as digitais e as analógicas.

Entradas digitais :

Fig. 4.41 - Exemplo de circuito de entrada digital 110 / 220 VCA

As entradas digitais são aquelas em que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado , e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são as botoeiras; chaves (ou micro) fim de curso; sensores de proximidade indutivos ou capacitivos; chaves comutadoras; termostatos; pressostatos; chave de nível; etc.

Fig. 4.42 - Exemplo de circuito de entrada digital 24 VCC

As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua (ex. 24 Vcc.) ou em corrente alternada (ex. 110 Vca.). Possuem circuito de isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU. Esta isolação é feita normalmente através de optoacopladores .

Entradas analógicas :

As entradas analógicas permitem que o CLP possa manipular grandezas analógicas, enviadas normalmente por transmissores eletrônicos de pressão; temperatura; nível ou sensores de pressão mecânica (strain-gauges); etc.

As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente de tensão e corrente . No caso de tensão as faixas de utilização são: 0 a 10 VCC, 0 a 5 VCC, 1 a 5 VCC, -5 a +5 VCC, -10 a +10 VCC; e no caso de corrente, as faixas utilizadas são: 0 a 20 mA, 4 a 20 mA.

� (Rockwell) Fig. 4.43 - Módulo de entradas de

sinais analógicos

246

Fig. 4.44 - Exemplo de um circuito de entrada analógico

Uma informação impor-tante a respeito das en-tradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente medida em Bits . Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representa-ção da grandeza analó-gica.

Exemplo 1: Uma entrada analógica na faixa de 0 a 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV, ou seja 8 bits permite 256 (2 elevado a 8) valores, e 10 V dividido por 255 é igual a 0,039216 V. Se esta entrada esta recebendo um valor de pressão

de 0 a 10 Kgf/cm².

Exemplo 2: Enquanto que a mesma faixa em uma resolução de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mV ou seja, 12 bits permite 1024 (2 elevado a 10) valores, e 10 V dividido por 1023 é igual a 0,009775 V; e

Exemplo 3: uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,15 mV ou seja, 16 bits permite 65536 (2 elevado a 16) valores, e 10 V dividido por 65535 é igual a 0,000153 V.

Módulos especiais de entrada :

Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são:

a) módulos contadores de pulso ou módulos de velocidade;

b) módulos para termopares (Tipo J, K, L, S, etc.);

c) módulos para termoresistências (PT-100, Ni-100, Cu-25,etc);

d) módulos para sensores de ponte balanceada do tipo strain-gauges; e

e) módulos para sinais de vibração; etc.

4 . 3 .3 . 12 Mó du l os ou i n te r f a ce s d e s a íd a

Os Módulos ou Interfaces de Saída adéquam eletricamente os sinais digitais vindos do microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados. Existem dois tipos básicos de interfaces de saída: as digitais e as analógicas.

Saídas digitais :

As saídas digitais admitem apenas dois estados ligado e desligado. Podemos com elas controlar dispositivos do tipo relés; contactores; válvulas solenóides; lâmpadas; etc.

As saídas digitais podem ser construídas de três formas básicas: Saída digital à Relé, Saída digital 24 Vcc e Saída digital à Triac . Nos três casos, também é de praxe, prover o circuito de um isolamento galvânico, normalmente opto-acoplado.

247

AUT

Fig. 4.45 - Exemplo de saída digital à relé

Fig. 4.46 - Saída digital à transistor

Fig. 4.47 - Exemplo de saída digital à Triac

Saídas analógicas :

Os módulos ou interfaces de saída analógica converte valores numéricos, em sinais de saída em tensão ou corrente.

No caso de tensão normalmente 0 a 10 VCC ou 0 a 5 VCC, e no caso de corrente de 0 a 20 mA ou 4 a 20 mA.

Estes sinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo posicionadores eletro-hidráulico ou eletro-pneumático; válvulas proporcionais; servo motores CC; etc.

Fig. 4.48 - Exemplo de circuito de saída analógico

Módulos especiais de saída :

Alguns exemplos são:

a) módulos P.W.M. para controle de motores CC;

b) módulos para controle de Servomotores;

c) módulos para controle de Motores de passo (step motor);

d) módulos para IHM (Interface Humano Máquina); etc.

4.3.4 Capacidade do CLP

Podemos ressaltar que, com a popularização dos microcontroladores e a redução dos custos de desenvolvimento e produção houve uma avalanche no mercado de tipos e modelos de CLPs, os quais podemos dividir em :

1) Nano e Micro CLPs: São CLPs pouca capacidade de E/S (máximo 16 Entradas e 16 Saídas), normalmente só digitais, podendo apresentar 1 a 2 entradas analógicas,

248

composto de um só módulo (ou placa), baixo custo e reduzida capacidade de memória.

2) CLPs de Médio Porte: São CLPs com capacidade de entrada e saída de até 256 pontos, digitais e analógicas, podendo ser formado por um módulo básico, que pode ser expandido.

3) CLPs de Grande Porte: Os CLPs de grande porte se caracterizam por uma construção modular, constituída por uma fonte de alimentação, CPU principal, Módulos de E/S digitais e analógicos, Módulos de E/S especializados, Módulos de Redes Locais ou Remotas, etc., que são agrupados de acordo com a necessidade e complexidade da automação. Permitem a utilização de até 4.096 pontos de E/S. São montados em um bastidor (ou rack) que permite um cabeamento estruturado.

4.3.5 Linguagens de Programação Para CLP

Para facilitar a programação dos CLPs, foram sendo desenvolvidas ao longo do tempo, diversas Linguagens de Programação. Essas linguagens de programação se constituíram em um conjunto de símbolos , comandos, blocos, figuras , etc., com regras de sintaxe e semântica .

Cada fabricante de CLP tem a sua própria linguagem, porém são semelhantes forma de programação. Foram desenvolvidas levando-se em conta os conhecimentos da área de automação.

As mais utilizadas linguagens de programação de CLP são:

1 Diagrama de Contatos (LADDER - DIC);

2 Diagrama Lógico (DIL); e

3 Lista de Instruções (LIS).

Isso facilita o manejo da linguagem a um amplo círculo de usuários, na confecção e modificação de programas. Elas tem se mostrado bastante eficiente e algumas são consideradas linguagens de alto nível.

Entendendo-se por alto nível aquela que se aproxima muito da linguagem humana . Ela foi.

Uma biblioteca dos denominados Blocos Funcionais Estandardizados , posta à disposição dos usuários, é um passo a mais na confecção racional de programas e redução dos custos de software.

4 . 3 .5 . 1 I n t e r cam b ia l i da de En t r e Rep re se n taç õe s

Cada um dos métodos de representação DIC, LIS e DIL têm suas propriedades e limitações em termos de programação, ou seja:

249

AUT

um programa escrito em LIS nem sempre pode ser escrito em DIC ou DIL, isso em face da característica da própria representação; é o caso por exemplo, de querer se representar em DIC uma instrução de entrada de dados ou de um salto condicional de programação, embora alguns compiladores o faça, porém está instrução é facilmente representada em LIS.

Fig. 4.49 - Intercambialidade entre as representações

4 . 3 .5 . 2 Es t r u tu ra d a L i ngu ag em e Repr es en t açõ es

O tratamento matemático dado à solução de um certo problema, para um número reduzido de variáveis, é a Álgebra de Boole , formando assim, através de seus teoremas, expressões representativas da solução do problema ou do comando de um sistema.

Tais expressões podem ser executadas por um conjunto de circuitos, denominados em eletrônica digital, de portas lógicas .

4.3.5.2.1 Álgebra de Boole

A álgebra booleana é um conceito desenvolvido por George Simom Boole , por volta de 1854, para formalizar matematicamente o pensamento lógico.

Boole Baseou-se no princípio de que dois fatos só admitiam dois tipos de interpretação ou seja opera com variáveis que só podem assumir dois valores lógicos (com tensão - sem tensão; liga – desliga; verdadeiro ou falso; etc.) utilizando para isso os números binários.

A lógica booleana é um sistema algébrico que consiste do conjunto (0, 1), duas operações binárias chamadas or (operador +) e and (operador x) e uma operação unitária not . Estas operações são representadas por portas lógicas e facilitam a programação e transformação para linguagem que o homem possa entender e se comunicar com a máquina.

Portanto a álgebra de Boole é um sistema para análise matemática da lógica que opera com variáveis que só podem assumir dois valores lógicos, usando para isso os números binários .

A adaptação da álgebra booleana para sistemas digitais foi introduzida em 1938 por Claude Shannom do Bell Laboratories . Atualmente é uma ferramenta indispensável para implementação e análise dos circuitos digitais.

Álgebra de Boole é estudada com bastante ênfase na disciplina de eletrônica, aqui vamos apenas relembrar alguns conceitos import antes.

Em lógica, uma proposição é caracterizada sempre como verdadeira ou falsa. Cada uma dessas possibilidades é um estado lógico .

Exemplo : Seja a proposição: “A lâmpada está acesa”.

- Haverá duas possibilidades lógicas : ser verdadeira ou ser falsa. Associando essa

250

proposição a uma variável Y, teremos:

Y = a lâmpada acesa

- Desta forma, Y será verdadeira quando a lâmpada estiver acesa; Y será falsa quando a lâmpada estiver apagada

- Se associarmos um dos estados lógicos ao valor binário 1, e o outro estado possível ao valor binário 0, podemos operar matematicamente dentro dos princípios da álgebra booleana.

4.3.5.2.2 Portas lógicas

As portas lógicas são a tradução dos postulados de Boole. A representação dos estados lógicos numa programação LADDER de CLP é feita da seguinte forma:

- as entradas em sua maioria são representadas por contatos normalmente abertos cujo símbolo é –| |– , e pelos contatos normalmente fechados cujo símbolo é –|/|–, estes elementos refletem, na lógica, o comportamento real do contato elétrico de um relé no programa;

- já as saídas são representadas por bobinas, cujo símbolo é –( )– . Essas bobinas modificam o estado lógico da memória imagem do controlador lógico programável, conforme o estado da linha de acionamento das mesmas.

Por lidarem com objetos booleanos, todo diagrama LADDER pode ser traduzido para

um diagrama lógico e vice-versa.

Exemplo: Um circuito série simples , composto de dois interruptores e uma lâmpada , pode ser representado, logicamente, de diversas maneiras como mostrado nas figuras a seguir:

Fig. 4.50 - Representação de um circuito série em linguagens de programação de CLP

251

AUT

4.3.5.2.3 Instruções Básicas

As instruções básicas ou fundamentais nas linguagens de programação são: os Contatos NA e NF (normal fechado) e Bobinas Normal , Bobina Latch e Unlatch , combinados em circuitos séries e paralelo como exemplificados a seguir:

Contato NA (normalmente aberto) :

Tabela Verdade

X0 Y0

0 0

1 1

Fig. 4.51 - Representações de contato NA.

Contato NF (normalmente fechado) :

Tabela Verdade

X0 Y0

1 0

0 1

Fig. 4.52 - Representações de contato NF.

Circuito SÉRIE (Função E) :

Tabela Verdade

X0 X1 Y0

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 1

Fig. 4.53 - Representação de circuito série – Função E

Circuito PARALELO (Função OU) :

Tabela Verdade

X0 X1 Y0

0 0 0

1 0 1

0 1 1

1 1 1

Fig. 4.54 - Representação de circuito paralelo – Função OU.

252

Bloco SÉRIE (NA – NF) :

Tabela Verdade

LD X0

ANI X1

OUT Y0

Fig. 4.55 - Representação de Bloco circuito série – NA - NF.

Bloco PARALELO (NA – NF) :

Tabela Verdade

LD X0

ORI X1

OUT Y0

Fig. 4.56 - Representação de Bloco circuito paralelo – NA - NF.

4.3.5.2.4 Instruções e Blocos Especiais

Bloco ou Instrução - SET (SETAR) : Esta instrução força o estado de uma saída ou memória a ficar ativada.

Tabela Verdade

LD X0

SET M0 LD M0 OUT Y0

Fig. 4.57 - Representação de bloco ou instrução SET (SETAR)

Bloco ou Instrução - RESET - RST (RESETAR) : Esta instrução força o estado de uma saída ou memória a ficar desativada.

Tabela Verdade

LD X0

RST M0 LD M0 OUT Y0

Fig. 4.58 - Representação de bloco ou instrução RESET - (RESETAR)

Bloco ou Instrução - TIMER - T (TEMPORIZADOR) : Esta instrução serve para ativar uma saída ou memória após um certo período de tempo.

253

AUT

Tabela Verdade

LD X0

K5 OUT T0 LD T0

OUT Y0

Fig. 4.59 - Representação de instrução TIMER (TEMPORIZADOR)

Bloco ou Instrução COUNTER - C (CONTADOR) : Esta instrução serve para ativar uma saída ou memória, após uma certo número de eventos.

Tabela Verdade

LD X0

K3 OUT C0 LD C0

OUT Y0

Fig. 4.60 - Representação de instrução COUNTER (CONTADOR)

Bloco ou Instrução END (FIM) : Esta instrução serve para avisar o Programa Monitor o final do Programa do Usuário, caso contrário, o Programa Monitor irá varrer toda a memória, mesmo que o Programa do usuário não a ocupe totalmente. A sua omissão causa um desperdício de tempo de processamento.

Fig. 4.61 - Instrução END

Bloco ou Instrução - ORB (OR BLOCK) : A instrução ORB não tem parâmetro físico de contato, é uma seqüência de lógicas AND, em paralelo com várias outras seqüências de lógica AND. A função ORB é uma ferramenta de programação para a criação de funções OR complexas.

Bloco ou Instrução Comparação - CMP : É utilizada para comparar valores de contadores, registradores e temporizadores.

Fig. 4.62 - Instrução CMP

Quando acionada X0 a função está habilitada a comparar o valor K100 com o contador C20, o controlador fará a seguinte comparação:

Quando C20 < K100, M0 = On ;

254

Quando C20 = K100, M1 = On ; Quando C20 > K100, M2 = On.

Bloco ou Instrução ANB (AND BLOCK) : A instrução ANB não tem um parâmetro físico de contato, é uma união de múltiplas seqüências de lógicas OR /ORI em série. Ë uma ferramenta para criação de funções AND complexas.

Fig. 4.63 - Instrução ANB

Bloco ou Instrução MOVER - MOV : É utilizada para movimentar dados entre registradores, contadores e temporizadores. Quando a entrada X0 for acionada habilitará a função a mover dados de K100 para o registrador D10.

Fig. 4.64 - Instrução MOV

Bloco ou Instrução Renovação (Refresh) - REF : É utilizada para gerar a imagem das entradas ou saídas no bloco de memória antes da instrução END. Quando ativada X0 é feita uma renovação dos dados de X0 a X15 (ou Y0 a Y11) em sua memória imagem

Fig. 4.65 - Instrução REF

Bloco ou Instrução Rrenovação e Filtro - REFF : É utilizada para filtrar o sinal de entrada, ou seja, evitar que ruídos ativem a entrada (0 à 60 milissegundos). Quando ativada X0, o filtro de entrada passa a ser de 1 milissegundo.

Fig. 4.66 - Instrução REFF

255

AUT

Bloco ou Função Alternar (ALT) : É utilizada para configurar uma saída em FLIP-FLOP .

Fig. 4.67 - Representação da função ALT

Um circuito de comando em mais de uma representação é ilustrado a seguir:

Fig. 4.68 - Representação de um circuito de comando em diversas linguagem de programação

4.3.6 Passos para a Automação de um Processo com CL P

256



34) Quais são as principais qualidades que o ar de controle deve apresentar?

35) Cite 4 componentes de um sistema de ar de controle?

36) Quais são os protocolos de comunicação definidos para os sistemas de controle eletrônico analógico e pneumático ?

37) Cite quatro elementos do sistema de controle pneumático?

38) A seguir são feitas colocações a respeito do controle automático pneumático , leias com atenção e depois escreva dentro dos parênteses, colocados a frente delas, a letra C se forem CERTAS e F se forem FALSAS .

( ) Em controle pneumático, o padrão de sinal de comunicação entre os elementos é definido por normas internacionais e deve ser de 20 psi.

( ) No conjunto bico palheta, quando o sinal da variável controlada é menor do que a pressão de ar de referência, a palheta se aproxima do bico.

( ) No somador o que produz a variação na palheta é o sinal da variável controlada enviado pelo controlador.

( ) O elemento primário, o amplificador e a palheta, são componentes essenciais em um transmissor pneumático.

( ) a presença de umidade no ar de controle, causa perturbações no controle do processo.

39) Tomando por referência as figuras nº 1, nº 2, nº 3 e nº 4, sobre controle automático pneumático mostradas abaixo, analise as colocações a seguir e assinale (C) se forem VERDADEIRAS e (E) se forem FALSAS.

( C ) ( E ) No transmissor do tipo bico-palheta, PS representa o sinal da variável controlada.

( C ) ( E ) O elemento número 8 da FIGURA 3 detecta a pressão diferencial entre a pressão atmosférica e a pressão da coluna líquida.

( C ) ( E ) O valor de Pe na FIGURA 1 será o sinal de erro e igual a 0,3 bar. ( C ) ( E ) O valor de Ps na FIGURA 1 será o sinal da variável controlada e igual a 0,3

257

AUT

bar. ( C ) ( E ) Na FIGURA nº 3 o elemento identificado com o número 8 serve para

amplificar o sinal da variável manipulada. ( C ) ( E ) Na FIGURA nº 3 o elemento identificado com o número 5 é um dos elementos

utilizados para atenuar a sensibilidade do instrumento.

FIGURA Nº 1

FIGURA Nº 2

FIGURA Nº 3

FIGURA Nº 4

40) Cite 3 etapas do ciclo de varredura de um CLP

41) Cite 2 tipos de linguagem de programação de um CLP

42) Quais os tipos de memórias que podem ser encontradas em um CLP?

258

UNIDADE 5

55 COMANDO E CONTROLE PNEUMÁTICO

259

AUT


Conhecer o funcionamento e o emprego dos comandos p neumáticos e eletropneumáticos na indústria marítima e afins.

Nos primeiros sistemas de comando automatizado, empregavam-se as válvulas pneumáticas, as quais eram controladas manualmente pelo operador, que agia como detector , controlador e elo de realimentação .

Neste caso, o homem verificava a necessidade de ação, executava a necessária correção e, tendo observado o resultado de suas ações, manipulava os controles adequadamente.

Em seguida, veio o uso de controladores pneumáticos de processo, e se descobriu que um controlador acionado a ar, em conjunto, com uma válvula moduladora que se abria em proporção à pressão aplicada , constituía uma forma adequada de controlar temperatura, pressão e vazão em sistemas complexos.

Com a evolução tecnológica surgiu a aplicação de comando e controle pneumático baseado nas funções lógicas, semelhante à atuação atual do computador, em máquinas e instalações industriais, geralmente executando movimentos físicos definidos.

Com controle programado , cada operação é executada de acordo com um plano predeterminado, que estabelece a posição exata em que cada operação deve começar e terminar. Os comandos podem ser armazenados num eixo com ressaltos (cames), num tambor rotativo, em cartões perfurados e na memória de computador por meio de programas específicos (softwares). Há, entretanto, muitas aplicações nas quais é impossível prever exatamente quando ocorrerá cada operação e quanto tempo durará.

Por isso, o controle pneumático de máquinas e instalações indus triais é geralmente feito de forma seqüencial , em que o fim de cada passo fornece um comando para o início do passo seguinte.

5.1 CARACTERÍSTICAS DOS CIRCUITOS PNEUMÁTICOS

Os circuitos pneumáticos empregam energia do ar comprimido para executar o trabalho e são constituídos por elementos interligados, de forma adequada, por meio de tubos.

Na Unidade 4, estudamos as características do ar comprimido e nesta Unidade muitas delas serão importantes para a compreensão adequada do funcionamento dos circuitos pneumáticos. A seguir citaremos algumas limitações desses circuitos em função das propriedades do ar.

Limitações:

a) Para realizar o trabalho proposto é de vital importância que o ar comprimido seja tratado. Esse tratamento implica em: remoção de impurezas, eliminação de umidade e adicionar gotículas de lubrificante, para evitar corrosão nos equipamentos, engates ou travamentos e maiores desgastes nas partes móveis do sistema.

260

b) Os componentes pneumáticos são normalmente projetados e utilizados a uma pressão máxima de 1723,6 kPa. Portanto, as forças envolvidas são pequenas se comparadas a outros sistemas. Assim, não é conveniente o uso de controles pneumáticos em operação que requer muita força.

c) Velocidades muito baixas são difíceis de ser obtidas com o ar comprimido devido às suas propriedades físicas. O ar comprimido em condições normais permite alcançar velocidades de 1 e 2m/s, no caso de cilindros especiais pode alcançar 10m/s e nas turbinas pneumáticas até 500.000 rpm. Para baixas velocidades, emprega-se sistemas mistos (hidráulicos e pneumáticos).

d) O ar como todos os gases é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível se obter paradas intermediárias e velocidades uniformes. A pneumática não se aplica em trabalhos que requer controle de velocidade preciso e constante durante vários ciclos seguidos.

e) O ar comprimido é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a atmosfera. Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos orifícios de escape e amenizado com direcionamento do ar por meio de tubulações específicas.

Em um circuito de comando pneumático, os elementos atuantes geralmente são cilindros, válvulas de controle direcional (VCD) e válvulas-piloto. Um grupo de elementos fornece o sinal de comando pneumático a partir do ponto de operação e, em sistemas complexos, um outro grupo interpreta os comandos e fornece a energia para ação de trabalho do(s) cilindro(s).

Nos dias atuais, o sinal de partida , parada e de realimentação do sistema de comando/controle pneumático pode ser pneumática, elétrica ou eletrônica por meio de controlador lógico programável (CLP). Essa prática emprega componentes padronizados de grande confiabilidade.

Fig. 5.1 - Estrutura dos elementos dos circuitos pneumáticos.

Os componentes dos circuitos pneumáticos são classificados como elemento:

a) emissor de sinal;

b) de comando; e

c) de trabalho.

Eles se destinam a assegurar que a distribuição de ar ao cilindro ou aos cilindros seja feita no momento exato. A figura 5.1 ilustra esses elementos.

261

AUT

O elemento de trabalho, em sua maioria, é um cilindro com êmbolo , o qual executa um movimento de translação quando se introduz alternadamente, nas câmaras, ar comprimido.

Os elementos emissores de sinais e os de comando são denominados válvula de controle direcional (VCD ). A denominação simples de “válvula” é a linguagem empregada internacionalmente para esse tipo de construção.

5.1.1 Identificação dos Elementos dos Circuitos Pne umáticos

O conhecimento dos principais símbolos empregados para os elementos dos circuitos pneumáticos, eletropneumáticos, hidráulicos e eletro-hidráulicos é muito importante para que todos os profissionais que lidam com esses circuitos demonstrem segurança na leitura e interpretação dos mesmos. E a forma mais fácil de adquirir esse conhecimento é familiarizar-se com a simbologia empregada.

Os símbolos indicam somente a função desempenhada pelos elementos , e não a sua construção interna. A simbologia empregada segue a Norma Técnica DIN (DEUTSCHE NORMEN) e ISO 1929 de agosto de 1978.

Num projeto de circuito pneumático existem as mais diversas possibilidades, por essa razão deve-se levar em conta a diversidade de estrutura dos elementos, tais como:

- propriedades construtivas das válvulas, como as de esfera e de assento; e

- propriedades resultantes, como o comportamento de comutação (gradativo ou por impulsos), comportamento de vazão (um único sentido ou ambos), força de acionamento, etc.

Um fato, entretanto, é comum a todos: podem ser compostos a partir de determinados circuitos fundamentais fixos . Isto significa que o conhecimento destes circuitos fundamentais é indispensável.

Todos os equipamentos devem ser representados nos esquemas dos circuitos na posição inicial de comando . Caso isto não seja possível ou caso não se proceda desta maneira, é necessário fazer uma observação.

Quando válvulas com posição normal forem desenhadas em estado acionado, isto deve ser indicado, por exemplo, por meio de seta ou, em caso de chave fim de curso, desenho do ressalto.

A literatura técnica emprega dois termos: identificação ou designação dos elementos pneumáticos. Nós iremos empregar somente o termo identificação.

Para identificar uma ligação correta entre os elementos pneumáticos, faz-se uso de um dos seguintes métodos:

a) Identificação por algarismos; e

b) Identificação por letras.

262

5 . 1 .1 . 1 I d en t i f i ca çã o p o r A l g a r i sm o

A Norma ISO 5.599 recomenda que as numerações sejam feitas conforme demonstrado nas tabelas , a seguir. Mas existem várias possibilidades de representação através de algarismos, que são encontrados nos circuitos pneumáticos e eletropneumáticos.

Um tipo de identificação muito empregada consiste em designar o elemento por um número de grupo e de um sistema de numeração corrente no interior do grupo.

Exemplo: Elemento número 12, grupo 4

Tabela 5.1 - Identificação por número de grupo:

Para todos os elementos do abastecimento de energia. (Grupo) 0:

Para identificação das diversas cadeias de comando (normalmente um número de grupo por cilindro).

1, 2, 3....:

Fig. 5.2 - Identificação por número.

Tabela 5.2 - Identificação por numeração corrente:

Identificação dos elementos de trabalho. 0

Identificação dos elementos de comando. 1

Todos os elementos que influenciam o avanço do elemento de trabalho (números pares ).

2, 4, ....

Todos os elementos que influenciam o retorno (números impares ). 3, 5, ....

Identificação dos elementos que ficam entre o elemento de comando e o elemento de trabalho, p. ex. válvulas de controle de fluxo.

01, 02...:

As figuras 5.2 e 5.3 ilustram a correspondência das designações com os elementos.

Entretanto, ressalta-se, que esta correspondência unívoca a cada grupo ou ao avanço ou retorno de um elemento de trabalho não pode ocorrer sempre. Em comandos mais complexos, existem, na maioria das vezes, sobreposições, ou seja, o sinais de um elemento agem sobre diversos grupos

263

AUT

5 . 1 .1 . 2 I d en t i f i ca çã o p o r L e t r as

Este tipo de identificação é aplicado principalmente no desenvolvimento metódico de esquemas, onde há necessidade de operações de cálculo ou onde as relações podem ser efetuadas de modo mais simples e de fácil supervisão através de letras.

Elementos de trabalhos são identificados por letras maiúsculas , elementos de sinais ou chaves fim de curso com letras minúsculas .

Observação - As chaves fim de curso são atuadas pela haste do cilindro que os aciona. As figuras 5.2 (1.21 e 1.22) e 5.3 (V1) mostra esta correspondência.

Fig. 5.3 - Identificação por letra.

Tabela 5.3 – identificação por letras

Identificação dos elementos de trabalho (cilindros). A,B,C,.

Identificação das chaves fim de curso acionadas na posição final traseira dos cilindros A, B, C,...

a, b, c,

Identificação das chaves fim de curso acionadas na posições final dianteira dos cilindros A, B, C, ...

a1,b1,c1,

Atenção ! existe a possibilidade, analogamente à eletricidade , de utilizar uma combinação de algarismos e letras para a designação dos elementos.

Nas ligações das válvulas, as vias são identificadas com letras maiúsculas conforme Norma DIN 24300, Blatt 3 , Seite 2 , Nr. 0.4. de março de 1966, ou por números conforme Norma ISO 1290 . A tabela a seguir demonstra essa forma de identificação.

Tabela 5.4 – identificação dos orifícios

TIPO DE LIGAÇÃO DIN ISO

Conexão de pressão ou de alimentação (entrada) P 1

Vias para utilização (trabalho, saídas) A, B, C, D 2, 4, 6

Vias de escape ao exterior do ar comprimido utilizado pelos equipamentos pneumáticos (escapes, exaustão)

R, S, T 3, 5, 7

Vias para transmissão da energia de comando (linhas de pilotagem): de comando (pilotagem)

Z, Y, X 12,14, 17

264

5.2 VÁLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL (VCD)

Válvulas de Controle Direcional (VCDs ) têm por função orientar a direção que o fluxo de ar deve seguir, a fim de realizar um trabalho proposto.

Seu funcionamento é semelhante ao das válvulas de distribuição de vapor das antigas máquinas alternativas a vapor, ou seja, uma VCD comunica alternadamente a fonte de ar de controle a cada uma das câmaras do cilindro e, ao mesmo tempo, assegura um escape do ar contido na outra câmara. Por essa razão também são conhecidas como distribuidores de ar .

De acordo com a Norma DIN/ISO1219 e conforme a recomendações da Comissão Européia de Transmissões Oleo-Hidráulicas e Pneumát icas (CETOP), as válvulas são definidas como:

Elementos de comando para partida, parada e direção ou regulagem do fluido .

As válvulas em geral regulam também a pressão ou vazão do fluido armazenado em um reservatório ou movimentado por uma bomba.Segundo suas funções elas se subdividem em 5 grupos:

1. Válvulas de Controle Direcionais (VCD);

2. Válvulas de Bloqueio;

3. Válvulas de Controle de Pressão;

4. Válvulas de Controle de Fluxo (vazão); e

5. Válvulas de Fechamento.

Fig. 5.4 - Foto de uma VCD eletropneumática da FESTO

5.2.1 Normalização da Simbologia das VCDs Segundo D IN 24300

Definição das posições das VCDs

a) Posição normal : posição de comando ocupada pelas partes móveis das válvulas, quando esta não estiver ligada ( para válvulas com existência de reposicionamento).

b) Posição inicial: posição que as partes móveis das válvulas ocupam após a sua montagem em uma instalação e ligação da pressão da rede e com a qual o programa de comutação previsto inicia.

265

AUT

As posições das válvulas são representadas por meio de quadrados . O número de quadrados unidos indica o número de posições que uma válvula pode assumir.

Fig. 5.5a

Válvula com duas posições .

Fig. 5.5b

Válvula com três posições de comando.

(Posição central = posição de repouso) Fig. 5.5c

Fig. 5.5 - Representação das posições das válvulas

O funcionamento é representado simbolicamente dentro dos quadros (figuras 5.6); e

O triângulo é o símbolo que representa a via de escape (exaustão) (figuras 5.6/e/f).

As linhas indicam as vias de passagem. As setas indicam o sentido do fluxo. Fig. 5.6a

Os bloqueios são indicados dentro dos quadrados com traços transversais. Fig. 5.6b

A união de via dentro de uma válvula é simbolizada por um ponto. Fig. 5.6c

As conexões (entrada e saída) serão caracterizadas por traços externos e o número de traços indica o número de vias.

Fig. 5.6d

Escape livre sem tubulação (sem conexão).

Fig. 5.6e

Escape dirigido com tubulação (com conexão).

Fig. 5.6f

Fig. 5.6 - Representação do funcionamento das válvulas

As VCDs são identificadas em função do número de vias (conexões, orifícios) e do número das posições de comando.

Uma regra prática para a determinação do número de vias consiste em separar um dos quadrados (posição) e verificar quantas vezes o(s) símbolo(s) interno(s) toca(m) os lados do quadro, obtendo-se, assim, o número de orifícios e em correspondência o número de vias.

Preferencialmente, os pontos de conexão deverão ser contados no quadro da posição inicial

O primeiro número indica a quantidade de vias e o segundo número indica a quantidade das posições de comando da válvula. As conexões de pilotagem não são consideradas como vias.

A simbologia empregada é demonstrada nas figuras 5.7(a) até 5.7(l).

266

Denominação Posição Símbolo

VCD de 2 vias e 2 posições (2/2). Fechada.

Fig. 5.7a

VCD de 2 vias e 2 posições (2/2). Aberta.

Fig. 5.7b

VCD de 3 vias e 2 posições (3/2). Fechada.

Fig. 5.7c

VCD de 3 vias e 2 posições (3/2). Aberta.

Fig. 5.7d

VCD de 3 vias e 3 posições (3/3). Centro fechado.

Fig. 5.7f

VCD de 4 vias e 2 posições (4/2). Uma via em pressão.

Uma via em exaustão. Fig. 5.7g

VCD de 4 vias e 3 posições (4/3). Centro fechado.

Fig. 5.7h

VCD de 4 vias e 3 posições (4/3). Centro aberto para exaustão.

Fig. 5.7i

VCD de 5 vias e 2 posições (5/2). Uma via de pressão.

Dois orifícios de escape.

Fig. 5.7j

VCD de 5 vias e 3 posições (5/3). Três posições de fluxo.

Fig. 5.7k

VCD de 5 vias e 4 posições (5/4). Quatro posições de fluxo.

Fig. 5.7l

Fig. 5.7 - Simbologia do número de vias e posição das VCD

267

AUT

5.2.2 Elementos de Acionamento ou de Comando

As válvulas exigem um agente externo ou interno que desloque suas partes internas de uma posição para outra, ou seja, que altere as direções do fluxo, efetue os bloqueios e liberação de escapes. Os elementos responsáveis por tais alterações são os acionamentos, que podem ser classificados em:

- Comando Direto - quando a força de acionamento atua diretamente sobre qualquer mecanismo que cause a inversão da válvula.

- Comando Indireto - quando a força de acionamento atua sobre qualquer dispositivo intermediário, o qual libera o comando principal que, por sua vez, é responsável pela inversão da válvula. são também chamados de combinados, servo etc.

Os tipos de acionamentos são diversificados e podem ser: Musculares - Mecânicos - Pneumáticos – Elétricos e Combinados

O acionamento das válvulas, dependendo da necessidade do projeto, pode ser feito como demonstrado na simbologia da figura a seguir.

TIPO DE ACIONAMENTO

S I M B O L O S

MUSCULAR

Geral

Botão

Alavanca

Pedal

MECÂNICO

Carne Mola

Rolete

Rolete escamoteável (gatilho)

PNEUMÁTICO

Por acréscimo de pressão (positivo)

Por decréscimo de pressão (negativo)

Por pressão diferencial

Por acréscimo de pressão na válvula de pré-comando (servopiloto positivo)

Por decréscimo de pressão na válvula de pré-comando (servopiloto-negativo)

ELÉTRICO

Eletroímã (bobina solenóide) com um enrolamentos ativos

Solenóide com dois enrola-mentos ativos no mesmo sentido

Solenóide com dois enrolamentos ativos em sentido contrário

COMBINADO

Por solenóide e válvula de pré-comando pneumático

Por solenóide ou válvula de pré-comando

Fig. 5.8 - Simbologia para representar tipos de acionamentos das VCD.

268

De acordo com as normas técnicas, os símbolos dos elementos de acionamento são desenhados horizontalmente no lado dos retângulos. Normalmente no retângulo da esquerda , representa-se o avanço e no retângulo da direita o retorno .

Exemplo 1 :

Válvula de controle direcional de 3 vias, 2 posições, acionada por alavanca, retorno por mola e escape dirigido.

Fig. 5.9 -

Exemplo 2 :

Válvula de controle direcional de 4 vias, 2 posições, comandada por servopiloto-positivo e escape livre.

Fig. 5.10 -

Simbologia das válvulas de bloqueio

Válvula de retenção sem mola

Fig. 5.11a

Válvula de retenção com mola Fig. 5.11b

Válvula de retenção comandada

Fig. 5.11c

Válvula alternadora (elemento lógico OU)

Fig. 5.11d

Válvula de escape rápido

Fig. 5.11e

Válvula de simultaneidade (elemento E)

Fig. 5.11f

Fig. 5.11 - Simbologia para representar válvulas de bloqueio

Válvula limitadora de pressão regulável (alívio)

Fig. 5.12a

Válvula de seqüência regulável com escape

Fig. 5.12b

Válvula reguladora de pressão sem orifício de escape

Fig. 5.12c

269

AUT

Válvula reguladora de pressão com orifício de escape

Fig. 5.12d

Fig. 5.12 - Simbologia das Válvulas de Pressão

Válvula de fluxo com estrangulamento constante

Fig. 5.13a

Válvula de diafragma com estrangulamento constante

Fig. 5.13b

Válvula reguladora de fluxo com estrangulamento regulável nos dois sentidos Fig. 5.13c

Válvula reguladora de fluxo com acionamento manual

Fig. 5.13d

Válvula reguladora de fluxo com acionamento por rolete e retorno por mola

Fig. 5.13e

Válvula reguladora de fluxo unidirecional com retorno livre

Fig. 5.13f

Válvula reguladora de fluxo unidirecional com diafragma e retorno livre

Fig. 5.13g

Fig. 5.13 - Simbologia das Válvulas de Fluxo

Válvula de fechamento. Fig. 5.14a

Silenciador.

Fig. 5.14b

Reservatório pneumático (acumulador). Fig. 5.14c

Filtro.

Fig. 5.14d

Separador de água com dreno manual.

Fig. 5.14e

Separador de água com dreno automático.

Fig. 5.14f

270

Filtro com separador de água com dreno automático.

Fig. 5.214g

Secador de ar.

Fig. 5.14h

Lubrificador.

Fig. 5.146i

Resfriador (refrigerador).

Fig. 5.14j

Unidade de conservação. Fig. 5.14k

Fig. 5.14 - Simbologia de Elementos de Transmissão de Energia

5.2.3 Características de Construção

O conhecimento sobre uma VCD, implicar em saber os seguintes dados:

- Característica de construção;

- Posição inicial;

- Número de posições;

- Número de vias;

- Tipo de acionamento (Comando);

- Tipo de retorno; e

- Vazão. As características de construção das VCDs determinam sua vida útil, força de

acionamento, possibilidade de ligação e tamanho. Os fabricantes divergem na hora de denominar os tipos de válvulas.

A FESTO classifica-as em dois grupos: Válvulas de sede e válvulas corrediças . A PARKER denomina-as de: válvulas distribuidor axial ou spool, válvulas poppet e válvulas poppet-spool.

De maneira geral elas segundo a construção são encontradas nos seguintes tipos:

a) válvulas de carretel deslizante (movimento de tr anslação); e

b) válvulas de centro rotativo (movimento de rotaçã o).

Nesse livro adotaremos a nomenclatura da FESTO, por ser o tipo que empregamos para aulas práticas no laboratório.

Os tipos mais comuns de VCDs empregada nos circuitos pneumáticos são do tipo carretel deslizante e possuem saídas binárias, isto é, ou um ou zero. São válvulas de duas posições que permanecem em uma posição até que seja aplicado um sinal na direção oposta (de comutação).

271

AUT

Quando a válvula estiver na sua posição de repouso normalmente fechada , dizemos que ela é NF e quando estiver normalmente aberta , dizemos que é NA. Em inglês NF é igual a NC e NA é igual a NO.

5.2.4 Válvulas de Sede

As válvulas de sede também são denominadas de válvulas de assento. Destacam-se as seguintes características:

a) São de construção simples;

b) para vedação dos orifícios (vias), geralmente emprega-se um elastômero (borracha) como elemento vedante;

c) possuem poucas peças de desgaste;

d) tem uma longa vida útil;

e) são robustas e insensíveis a sujeiras;

f) a força de acionamento é relativamente alta, pois é necessário vencer a força da mola de retorno e a pressão do ar comprimido que age sobre a área do elemento de vedação.

Em função do elemento vedante as válvulas de sede, classificam-se em:

1. válvulas de esfera;

2. válvula de prato ou disco; e

3. válvula de cone.

5 . 2 .4 . 1 Vá l vu l as d e Se de T i po Es fe r a .

As válvulas de sede esférica se caracterizam por suas reduzidas dimensões e por sua simplicidade. E o acionamento pode ser realizado por meio manual ou mecânico.

Como se identifica uma válvula de controle direcion al?

Fig. 5.15 - VCD 2/2 vias de sede esférica.

Identificação: VCD de 2 posições (aberta e fechada), 2 vias, pois há um orifício de entrada e um de saída (P e A), normalmente fechada (NF), acionamento por cames e retorno por mola.

SÍMBOLO

Funcionamento: Neste tipo de válvula uma mola força a esfera contra a sede evitando que o ar comprimido passe da via de pressão (P) para a via de trabalho (A). Acionando-se a válvula, afasta-se a esfera da sede. Para isto, é necessário vencer a força da mola e a força do ar comprimindo.

272

Se for construído um canal de exaustão passando pela haste de acionamento, as válvulas de esfera podem ser empregadas também como válvulas direcionais de 3/2 vias .

Fig. 5.16 - VCD 3/2 vias de sede esférica.

SÍMBOLO

Identificação: VCD de 3 vias, pois há um orifício de entrada, um de saída e um de escape (P, A e R), 2 posições (aberta e fechada), NF acionamento mecânico por cames e retorno por mola.

5 . 2 .4 . 2 Vá l vu l a de Sed e T ip o Pra t o

O princípio estabelecido para a sede de prato é de que um pequeno movimento do prato libera uma grande área para o fluxo do ar.

SÍMBOLO

SÍMBOLO

Fig. 5.17 - VCD 3/2 vias, NA de sede tipo prato único

Fig. 5.18 - VCD 3/2 vias, NF de sede tipo prato duplo

As válvulas de sede de prato possuem um tempo de comutação curto e podem ser de prato único ou de prato duplo. A figura anterior ilustra uma válvula desse tipo da FESTO.

Um outro exemplo, mostrado na figura a seguir, é a válvula da PARKER, que denomina o elemento de vedação de “disco” em vez de prato.

273

AUT

Posição de repouso

SÍMBOLO

Posição acionada

Fig. 5.19 - VCD 2/2 acionada por rolete, retorno por mola, N.F, tipo assento com disco

Funcionamento : Na posição de repouso, uma haste com disco na extremidade é mantida contra um assento de material sintético, evitando a passagem do ar comprimido. Na posição acionada, o disco é forçado contra o assento por uma mola, auxiliada posteriormente pela entrada do ar. Efetuando-se o acionamento, a haste e o disco são deslocados, permitindo o fluxo de ar de trabalho. Cessado o acionamento, ocorre bloqueio do fluxo pela ação da mola de retorno.

Exaustão cruzada

A “exaustão cruzada ” pode ocorrer em algumas válvulas que possuem movimento lento quando acionadas, pois, num campo limitado, as três vias (orifícios) P (1), A (2) e R (3) são interligados, provocando um escape livre de um grande volume de ar, sem que seja aproveitado para o trabalho. A válvula da fig. 5.18 é um exemplo.

Para evitar exaustão cruzada são construídas válvulas de sede de prato único . Segundo este princípio não existe perda de ar quando de uma comutação lenta. As figura 5.20 e 5.21, a seguir ilustram esse tipo de VCD.

a) Posição Repouso

SÍMBOLO Identificação: VCD de 3 vias, pois tem uma via de entrada (P), uma via de saída (A) e uma via de escape (R), 2 posições de comando (fechada e aberta), normalmente fechada (NF), acionamento mecânico por cames e o retorno é por mola.

b) Posição Acionada.

Fig. 5.20 - Válvula de sede tipo prato 3/2 vias NF, sem exaustão cruzada

Funcionamento : Na posição de repouso, a via P está bloqueada pelo prato e a via A comunicando-se com a via R. Dizemos então que esta em escape ou exaustão. Havendo um pequeno acionamento do cames é fechado primeiro a passagem de A para R (escape), pois essa via é vedada pela haste do cames. Empurrado ainda mais o cames, o prato afasta-se da sede, abrindo a passagem P para A; o retorno se dá por meio da mola.

As válvulas direcionais de 3/2 vias são utilizadas para comandar cilindros de ação simples ou como emissores de sinal para pilotar válvulas de comando.

Exemplo – Válvula sem exaustão cruzada normalmente aberta (NA), (figura 5.21).

274

a) Posição Repouso.

SÍMBOLO

Identificação: VCD de sede tipo prato, 3/2 vias, NA, acionamento mecânico por cames, retorno por mola e escape livre.


Fig. 5.21 - VCD 3/2 vias, NA de sede tipo prato Funcionamento: Nesta, na posição de repouso há comunicação da via P com a via A, por esta razão dizemos que esta aberta. Ao ser acionada, é fechada primeiramente a ligação P � A, com um prato e posteriormente é ligada as vias A � R através de um segundo prato. Uma mola retorna o cames com os dois pratos para posição inicial.

Combinando duas válvulas de 3/2 vias , construídas com sede de prato , obtemos uma VCD de 4/2 vias. Sendo uma válvula em posição inicial fechada e a outra em posição inicial aberta Esta válvula é livre de exaustão cruzada . As VCD 4/2 vias (ver figura a seguir ) são usadas em comando de cilindro de dupla ação.

a) Posição Repouso.

SÍMBOLO

Identificação: VCD 4/2 vias, NA, acionamento por cames, retorno por mola e escape livre, tipo sede de prato.


Fig. 5.22 - VCD 4/2 vias, NA de sede tipo prato

Funcionamento : Na posição de repouso, estão abertas as vias de 1 para 4 e de 2 para 3. Ao serem acionados simultaneamente os dois cames, serão fechadas as vias de 1 para 4 e de 2 para 3. Empurrando-se ainda mais os cames até que os pratos desloquem a mola de retorno, serão comutadas as vias de 1 para 2 e de 4 para 3.

Uma outra variante de válvula de sede tipo prato de 3/2 vias é mostrada no exemplo da figura 5.23. Na verdade o que muda, em relação à da figura 5.21 é o tipo de acionamento que passa a ser por ar de controle.

275

AUT

Posição Repouso.

SÍMBOLO

Identificação: VCD 3/2 vias, NF, acionamento por ar de comando, retorno por mola e escape livre, tipo prato.

Posição Acionada.

Fig. 5.23 - VCD de sede tipo prato com acionamento por ar

Funcionamento: Neste exemplo, na posição de repouso, não há pressão de ar de comando na via Z, então a via P esta bloqueada e a via A comunica-se com a via R. Na posição acionada, haverá pressão de ar de comando na via Z, que desloca o pistão de comando, o qual fecha a via R e aciona o prato, que libera a comunicação da via P com a via R. Cessada a ação do ar de comando, uma mola empurra o conjunto para posição de repouso.

Outra válvula de controle direcional com princípio de sede de prato pilotada por ar é ilustrada na figura 5.24 . Diferencia-se da anterior por possuir um diafragma preso ao pistão, controlando melhor o movimento de acionamento. A pressão mínima de acionamento é de 1,2 bar; a pressão de trabalho é de 6 bar. A faixa de pressão de trabalho está entre 1,2 a 8 bar. A vazão nominal Qn. é de 100 l/min.

a) Posição de repouso.

SIMBOLO

Identificação: VCD de 3 posição e 2 vias, normalmente fechada (NF), acionamento por ar e retorno por mola, tipo sede prato com membrana

b) Posição acionada.

Fig. 5.24 - VCD de sede tipo prato com membrana, acionada por ar

Funcionamento: A pressão de ar de comando na conexão Z aciona uma membrana ligada ao pistão de comutação que por sua vez afasta o prato de sua sede, permitindo que ocorra a comunicação da via P com A e feche a via R. Cessada a pressão de ar na conexão Z, uma mola empurra o pistão para a posição inicial, fechando a via P e comunicando as vias A com R.

5 . 2 .4 . 3 Se de Pra t o ( As s e n t o ) F lu tu an t e

As válvulas baseadas no princípio de assento flutuante são do tipo biestável, ou seja, são comutadas por impulsos alternados, ou melhor, mantêm a posição de comando até receber um novo impulso. A figura a seguir exemplifica uma VCD 5/2 vias baseada nesse princípio.

276

a) Posição repouso.


SIMBOLO SIMBOLO (explicativo)

Fig. 5.25 - VCD 5/2 vias, pilotada por ar, NA, tipo assento flutuante

Funcionamento - O pistão de comando desloca-se como no sistema de corrediça, ao ser submetido à pressão. No centro do pistão de comando encontra-se um prato com anel vedante, o qual seleciona as vias de trabalho A e B, com a via de entrada P de pressão. A exaustão é feita através das vias R e S.

5 . 2 .4 . 4 Se de de Pra t o Servo c oma nd ad a

O sistema de servocomando é empregado para reduzir a força de atuação em válvulas direcionais com comando mecânico. Seu emprego depende da força de acionamento requerida para a válvula. Em válvulas de 1/8” a pressão de serviço fica em torno de 6 bar e força de acionamento resulta num valor de 1,8N.

Funcionamento : A válvula piloto é alimentada por meio de uma pequena passagem com o canal de alimentação P. Acionando a alavanca do rolete, abre-se a válvula de servocomando. O ar comprimido flui para a membrana e movimenta o prato da válvula principal para baixo.

A comutação da válvula é feita da seguinte forma : primeiro, fecha-se a via de A para R, depois, abre-se a via de P para A. O retorno é feito após soltar-se a alavanca do rolete. Isto provoca o fechamento da passagem do ar para a membrana, e posterior exaustão. Uma mola repõe o pistão de comando da válvula principal na posição inicial.

Este tipo de válvula pode ser utilizada como válvula normalmente fechada (figura 5-26 ) ou aberta (figura 5-27 ). É necessário apenas intercambiar as vias P e R e deslocando em 180° o cabeçote de acionamento.

SÍMBOLO

Identificação: VCD de 3 vias, 2 posições, acionamento por rolete, normalmente fechada (NF), retorno por mola e do

277

AUT

a) Posição de repouso. tipo prato servocomandada, b) Posição acionada.

Fig. 5.26 - VCD 3/2 vias de sede de prato, normalmente fechada com servocomando,

Funcionamento: Na posição de repouso haverá a comunicação da via P com a A e a via R estará bloqueada. Quando o rolete for acionado, será liberada a passagem de ar para atuar no servocomando de membrana o qual se movimenta e bloqueia a passagem de ar para a via A. Então e comunicada a via A com a via R.


SÍMBOLO

Identificação: VCD de 2 posição, 3 vias, acionada por rolete, servocomandada, NA e tipo sede de prato.

b) Posição acionada

Fig. 5.27 - VCD 3/2 vias, sede de prato, normalmente aberta com servocomando

Outra versão de VCD servocomandada é a de 2 posições e 4 vias ilustrada nas figuras a seguir. Esse tipo de válvula é comandado por ar, que atua simultaneamente em duas membranas e dois pistões de comando, os quais comunicam as vias de ligação. A força de acionamento não se altera, é de 1,8 N.

a) - Posição de repouso.

SÍMBOLO

Identificação: VCD tipo prato de 4 vias 2 posições, acionamento por rolete, NA, servocomandada, retorno por mola.

b)Posição acionada.

Fig. 5.28 - VCD 4/2 vias de sede de prato, com servocomando,

Funcionamento : Na posição de repouso haverá a comunicação da via P com B e a via A com R. Quando o rolete for acionado, será liberada a passagem de ar para atuar no servocomando das membranas que atuam simultaneamente nos pistões comutando a comunicação das vias. Na posição de acionada haverá a comunicação da via P com A e a via B com R.

5.2.5 Válvulas Corrediças

As diversas vias ou pontos de ligação das válvulas corrediças podem ser interligados e fechados por três modos, a saber: pistões corrediços, comutadores corrediços ou discos giratórios. Os quais servem também para classificá-las.

278

5 . 2 .5 . 1 Vá l vu l a Cor r ed i ça L on g i t u d in a l

Este tipo de válvula tem como elemento de comando um pistão que seleciona as vias mediante seu movimento longitudinal. As suas principais características são:

a) A força de acionamento é pequena, pois não é necessário vencer a pressão do ar ou da mola, ambas inexistentes (como nos princípios de sede esférica e de prato);

b) o acionamento e o retorno a posição inicial podem ser feitos pelos seguintes tipos: manual, mecânico, elétrico e pneumático;

c) o curso é relativamente mais longo do que as válvulas de assento assim como os tempos de comutação; e

d) A vedação neste tipo de válvula corrediça é a conhecida vedação “metal sobre metal”, da hidráulica.

É bastante problemática; por isso, requer um perfeito ajuste da corrediça no corpo da válvula. A folga admitida não deve ser maior do que 0.002 a 0,004 mm. Uma folga maior provocaria grandes vazamentos internos.


Posição acionada.

Identificação: VCD de 5 vias, 2 posições, pilotada por ar, normalmente aberta na posição de repouso.

SÍMBOLO

Fig. 5.29 - VCD 5/2 vias, tipo corrediça longitudinal com vedação por anéis O-Ring.

As aberturas das vias para passagem de ar podem ser distribuídas na circunferência da bucha do pistão, evitando assim danificações dos elementos vedantes. Para maior eficiência empregam-se três tipos de vedação, conforme mostradas nas figuras 5.30, 5.31 e 5.32 :

Fig. 5.30 - Vedação com guarnições duplas tipo copo montadas no pistão

(dinâmico).

Fig. 5.31 - Vedação com anéis O-Ring montadas no corpo da válvula

(estático).

279

AUT

Um outro tipo de válvula corrediça é ilustrada na figura a seguir. É uma VCD, de construção simples, utilizada como válvula de fechamento (alimentação geral) antes da máquina ou do dispositivo pneumático.

Posição de repouso.


Identificação : VCD de 3 vias, 2 posições, acionamento e retorno manual, normalmente fechada, tipo corrediça.

Funcionamento: Por deslocamento da bucha, serão comunicadas as vias de P para A ou de A para R.

SÍMBOLO

Fig. 5.32 - VCD corrediça com anéis O-Ring montadas no corpo da válvula (estático).

5 . 2 .5 . 2 Vá l vu l a Cor r ed i ça P la na Lo ng i t ud ina l

Esta VCD tem para comutação um pistão de comando. A seleção das ligações é feita por uma corrediça plana adicional. A corrediça se ajusta automaticamente pela pressão do ar e pela mola montada. As câmaras de ar são vedadas por anéis O-Ring montados no pistão de comando e não existem furos na camisa do pistão, que poderiam provocar danificação na vedação.

Elas podem ser de dois tipos: impulso biestável positivo (pressão) e impulso biestável negativo (alívio).

VCD de Impulso Biestável Positivo (Comando Bilateral de Pressão)


SÍMBOLO

b) Posição de acionada.

Fig. 5.33 - VCD tipo corrediça plana longitudinal pilotada por ar, impulso positivo.

Funcionamento: A comutação é feita por impulso pneumático. Mediante um breve sinal na ligação de comando Y, a corrediça une P com B e A com R. Outro sinal do lado Z liga P com A e B com R. Não havendo ar para comando, a válvula permanece em posição estável até que seja dado outro sinal do lado oposto (comportamento biestável positivo).

VCD de Impulso Biestável Negativo (Comando Bilatera l Alívio)

280

Uma outra forma de comandar uma válvula corrediça plana longitudinal é por alívio de pressão (impulso negativo ). Neste tipo de válvula existe equilíbrio de forças, visto que, havendo ar comprimido na via P, ambos os lados do pistão de comando também ficam sob pressão. Para isso, existem em ambos os lados do pistão de comando pequenos orifícios, os quais estão ligados com o canal P.

A instalação de um circuito pneumático com estas válvulas fica simples e econômica, porém não é muito seguro , porque, no caso de rompimento de uma tubulação da válvula, ela será automaticamente invertida .

Em tubulação de comando de diferentes comprimentos (volume), pode suceder, ao ligar a energia, uma comutação falsa. Para garantir uma comutação perfeita, é necessário manter o volume da câmara tão pequeno quanto possível A figura anterior ilustra este tipo.

Funcionamento: Não havendo ar de comando no canal Y, a pressão cai deste lado e, existindo ar de comando no canal Z, haverá uma pressão maior, que empurra o pistão de comando para o lado despressurizado. Desta forma, a via P será ligada com a via B, e a via de trabalho A com o escape R. Após fechar o canal de comando Y, a pressão aumenta outra vez nesta câmara, e o pistão permanece em sua posição até que, por abertura do canal de comando Z, ocorra uma comutação em direção contrária. Isto resulta numa comunicação da segunda via de trabalho A com a via P e da via B com a via R.


SÍMBOLO

Identificação: VCD 2 posição, 4 vias, NA, pilotada por ar impulso negativo e tipo corrediça


Fig. 5.34 - VCD tipo corrediça plana longitudinal, comando por alívio bilateral de pressão.

5 . 2 .5 . 3 Vá l vu l a Cor r ed i ça G i ra t ó r i a

Estas válvulas são geralmente de acionamento manual ou por pedal, visto que é difícil adaptar outro tipo de acionamento a elas. São fabricadas geralmente como válvulas direcionais de 3/3 vias ou 4/3 vias. Mediante o deslocamento rotativo de duas corrediças, pode ser feita a comunicação dos canais entre si.

281

AUT

SÍMBOLO

Identificação: VCD tipo corrediça giratória de 4 posições e 3 vias, comandada por alavanca. Posição central fechada.

Fig. 5.35 - VCD tipo corrediça giratória de 4/3 vias

Funcionamento: Observando-se as figuras 5.35 (a, b, c e d), verifica-se que, na posição central (fig.c), todos os canais estão bloqueados. Por essa razão o êmbolo do cilindro pode parar em qualquer posição do seu curso, porém essas posições intermediárias não podem ser fixadas com exatidão. Devido à compressibilidade do ar comprimido, ao variar a carga, a haste também varia sua posição.

Prolongando os canais das corrediças, consegue-se um outro tipo de posição central (posição central em exaustão), como é demonstrado na figura a seguir

SÍMBOLO

Funcionamento: na posição central (fig. b), as vias A e B são conectadas com escape (R). Nesta posição, o êmbolo do cilindro pode ser movido por força externa, até a posição de ajuste.

Exemplo de aplicação desta válvula pode ser visto na figura 5.65.

Fig. 5.36 - VCD tipo corrediça giratória de 4/3 vias, posição em exaustão

5.2.6 Valores de Vazão nas Válvulas

A queda de pressão e vazão em válvulas pneumáticas são fatores importantes para o

282

usuário. Por esta razão os elementos pneumáticos trazem o valor da vazão nominal (Qn). A escolha do elemento adequado depende de:

• volume e velocidade de cilindro;

• números de comandos necessários;

• queda de pressão admissível.

5.3 VÁLVULAS DE BLOQUEIO

São elementos que bloqueiam a passagem de ar, preferencialmente em um só sentido e permitindo a passagem livre em direção contrária. A pressão do lado de entrada atua sobre o elemento vedante e permite, com isso, uma vedação perfeita da válvula.

Os principais tipos são: de bloqueio, alternadora, reguladora de fluxo unidirecional

5.3.1 Válvula de Retenção

Esta válvula impede completamente a passagem em uma direção; em direção contrária, o ar flui com a mínima queda de pressão. O fechamento em um sentido pode ser feito por esfera, placa ou membrana.

a) Sentido de fluxo bloqueado.

SÍMBOLO

b) Sentido de fluxo livre.

Fig. 5.37 - Válvula de retenção.

5.3.2 Válvula Alternadora (OU)

Também chamada válvula de comando duplo , ou dupla retenção, ou elemento lógico OU (em inglês igual a OR).

Esta válvula seleciona sinais emitidos por válvulas de “sinais” provenientes de diversos pontos e impede o escape de ar por uma segunda válvula.

Se um cilindro ou uma válvula de comando devem ser acionados de dois ou mais lugares, é necessária a utilização desta válvula (alternadora).

Funcionamento: Esta válvula possui duas entradas 12 e 14, e uma saída 2. Quando o ar comprimido entra em 12, a esfera bloqueia a entrada 14, e o ar circula de 12 para 2. Em sentido contrário, quando o ar circula de 14 para 2, a entrada 12 fica bloqueada. Quando um dos lados de um cilindro ou de uma válvula entra em exaustão, a esfera permanece na posição em que se encontrava antes do retorno do ar.

283

AUT

a) Fluxo pela entrada 14.

SÍMBOLO

b) Fluxo pela entrada 12.

Fig. 5.38 - Válvula Alternadora ou elemento lógico OU.

5.3.3 Válvula Reguladora de Fluxo Unidirecional (VR U)

Também é conhecida como “válvula reguladora de velocidade”, pois é utilizada para a regulagem da velocidade de trabalho nos cilindros pneumáticos. Nesta válvula, a regulagem do fluxo é feita somente em uma direção. Uma válvula de retenção fecha a passagem numa direção, e o ar pode fluir somente através da secção regulável. Em sentido contrário, o ar passa livre através da válvula de retenção aberta.

a) Fluxo bloqueado

SÍMBOLO

b) Fluxo regulado.

Fig. 5.39 - Válvula reguladora de fluxo unidirecional.

Para os cilindros de dupla ação , podem ser empregadas para regular a velocidade de avanço e a de retorno do êmbolo.

As válvulas reguladoras de fluxo unidirecional devem ficar o mais próximo possível dos cilindros. Ela pode ser montada diretamente no cilindro. Neste caso, utiliza como obturador um elemento semi-esférico que executa a mesma função da membrana (diafragma), do modelo anterior. A figura a seguir ilustra essa outra opção.

284

a) Saída de ar. b) entrada de ar.

Regulagem da entrada de ar (regulagem primária) : Neste caso, as válvulas reguladoras de fluxo unidirecional são montadas de modo que o estrangulamento seja feito na entrada do ar para o cilindro. O ar de retorno pode fluir para atmosfera pela válvula de retenção. Ligeiras variações de carga na haste do pistão, provocadas, por exemplo, ao passar pela chave fim de curso, resultam em grandes diferenças de velocidade do avanço. Por esta razão, a regulagem na entrada é utilizada unicamente para cilindros de simples ação ou de pequeno volume.

Fig. 5.40 - Regulagem da entrada e saída de ar no atuador (cilindro)

Regulagem da saída de ar (regulagem secundária): Neste caso, o ar de alimentação entra livremente no cilindro, sendo estrangulado o ar de saída. Com isso, o êmbolo fica submetido a duas pressões de ar. Esta montagem da válvula reguladora de fluxo unidirecional melhora muito a conduta do avanço, razão pela qual a regulagem em cilindros de dupla ação deve ser efetuada na saída do ar da câmara do cilindro.

Em cilindros de pequeno diâmetro (pequeno volume) ou de pequeno curso, a pressão no lado da exaustão não pode aumentar com suficiente rapidez, sendo eventualmente obrigatório o emprego conjunto de válvulas reguladoras de fluxo unidirecional para a entrada e para a saída do ar das câmaras dos cilindros, a fim de se conseguir a velocidade desejada.

5 . 3 .3 . 1 VRU com Ac i on ame nt o Mec ân i co

São utilizadas quando houver necessidade de alterar a velocidade do êmbolo de um cilindro, de simples ação ou dupla ação, durante o seu trajeto.

A regulagem da velocidade inicial é conseguida por meio de um parafuso. Um cames, que força o rolete para baixo, regula a secção transversal de passagem.

a) VRU em repouso.

SÍMBOLO

b) VRU acionada.

Fig. 5.41 - VRU com acionamento mecânico regulável tipo rolete

Para os cilindros de dupla ação, podem ser utilizadas como amortecimento de fim de curso. Antes do avanço ou recuo se completar, a massa de ar é sustentada por um fechamento ou redução da secção transversal da exaustão. Esta aplicação se faz quando for recomendável

285

AUT

um esforço no amortecimento de fim de curso. Em sentido contrário, o ar desloca uma vedação do seu assento e passa livremente.

5.3.4 Válvula de Escape Rápido

Esta válvula é usada para aumentar a velocidade de retorno dos êmbolos dos cilindros, principalmente em cilindros de simples ação.

Ela evita que o ar de escape seja obrigado a passar por uma canalização longa e de diâmetro pequeno até a válvula de comando. O mais recomendável é colocar o escape rápido diretamente no cilindro ou então o mais próximo possível do mesmo.

Funcionamento: Na posição de trabalho o ar flui da entrada (conexão) P até a saída A. Quando a pressão em P deixa de existir, o ar, que agora retorna pela conexão A, movimenta a membrana de vedação contra a conexão P, provocando seu bloqueio. Dessa forma, o ar pode escapar por R rapidamente para a atmosfera. A figura anterior a e b ilustra esta válvula e a c mostra sua simbologia.

a) Posição de trabalho.

SÍMBOLO

Posição de exaustão.

Fig. 5.42 - Válvula de escape rápido

5.3.5 Válvulas de Simultaneidade

Esta válvula é também chamada de elemento lógico E (em inglês é AND). É utilizada como elemento de segurança em circuitos pneumáticos com comandos de bloqueio, em funções de controle e operações lógicas.

SÍMBOLO

Funcionamento : Ela possui duas entradas X e Y e uma de saída A. O ar comprimido pode passar unicamente quando houver pressão em ambas as entradas. Um sinal de entrada em X ou Y impede o fluxo para A, em virtude do desequilíbrio das forças que atuam sobre a peça móvel.

Fig. 5.43 - Válvula de simultaneidade ou elemento lógico E.

Quando existe uma diferença de tempo dos sinais de pressão, o último sinal é a que chega à saída. Se os sinais de entrada são de pressões diferentes, a maior pressão bloqueia um lado da válvula, e a pressão menor chega até a saída A.

286

Fig. 5.44 - Elemento lógico E - Sinal de pressão em X.

Fig. 5.45 - Elemento lógico E - Sinal de pressão em Y.

5.3.6 Válvula Limitadora de Pressão

Estas válvulas são utilizadas, sobretudo, como válvula de segurança (válvula de alívio). Não permitem um aumento da pressão no sistema, acima da pressão máxima ajustada. Alcançada na entrada da válvula o valor máximo da pressão, abre-se a saída e o ar escapa para atmosfera. A válvula permanece aberta até que a mola, após a pressão ter caído abaixo do valor ajustado, volte a fechá-la.

5.3.7 Válvula de Seqüência

Funcionamento: é muito similar ao da válvula limitadora de pressão. Abre-se a passagem quando é alcançada uma pressão superior à ajustada pela mola. Quando no comando Z é atingida uma certa pressão pré-ajustada, o êmbolo aciona uma válvula 3/2 vias, de maneira a estabelecer um sinal de saída A

SÍMBOLO

5.3.8 Válvulas Reguladoras de Fluxo

Estas válvulas tem influência sobre a quantidade (vazão) de ar comprimido que flui por uma tubulação; a vazão será regulada em ambas as direções do fluxo.

Os principais tipos são:

a) válvula reguladora de vazão com estrangulamento regulável; b) válvula reguladora de vazão com estrangulamento constante. Nesta válvula, o

comprimento do estrangulamento é maior do que o diâmetro; e c) válvula reguladora de fluxo com acionamento mecânico e retorno por mola.

Estrangulamento manual

SÍMBOLO

Fig. 5.46 - Válvula reguladora de vazão com estrangulamento regulável.

287

AUT

5.4 COMBINAÇÕES DE VÁLVULAS

Há no mercado diversos tipos de válvulas reunidas em um único bloco.

5.4.1 Bloco de Comando Pneumático

No bloco de comando estão ligadas duas válvulas reguladoras de fluxo. Com elas pode-se regular o fluxo do ar nas saídas R e S.

Funcionamento : As duas válvulas distribuídas 3/2 vias (válvulas 1 e 2) são ligadas ao orifício de alimentação P. Ao acionar a válvula 2, o ar piloto chega até a câmara do comando Y, deslocando o pistão, comunicando as vias P com A e B com S. Se for acionada a válvula 1, ocorrerá o inverso. A via P comunica-se com B e a via A com R.

Fig. 5.47 - Bloco de comando.

Caso essa válvula seja atuada à distância, o sinal é dado em Z ou em Y através das válvulas alternadoras. O processo dentro da válvula é o mesmo da atuação direta.

Exemplo: Usando este bloco de comando em um cilindro de ação dupla, podem ser executados movimentos individuais ou oscilantes.

A figura a seguir ilustra a aplicação.

Fig. 5.48 - Bloco de comando pneumático

TAREFA! Identifique, conforme a norma técnica, as válvulas que fazem parte do bloco de comando da figura acima. Depois descreva a ação de trabalho.

5.4.2 Bloco Temporizador NF (comutação retardada)

Esta unidade, na prática denominada de bloco temporizador, consiste em uma VCD de 2 posições, 3 vias, NF, com acionamento pneumático, de uma válvula reguladora de fluxo e um reservatório de ar.

288


Posição acionada

SIMBOLO

Fig. 5.49 - Bloco temporizado normalmente fechado

Funcionamento: O ar de alimentação entra na válvula pelo orifício P. O ar de comando entra na válvula pelo orifício Z e passa através de uma reguladora de fluxo unidirecional. Conforme o ajuste dessa válvula, passa uma quantidade maior ou menor de ar por unidade de tempo para o depósito de ar, incorporado. Alcançada a pressão necessária de comutação, o êmbolo de comando afasta o prato do assento da válvula dando passagem de ar de P para A. O tempo de formação da pressão no reservatório corresponde ao retardo da válvula. Para que a válvula temporizadora retorne à sua posição inicial, é necessário exaurir o ar do orifício Z. O ar do reservatório escapa através da válvula reguladora de fluxo; o piloto da válvula direcional fica sem pressão, permitindo que a mola feche a válvula, conectando a saída A com o escape R.

5.4.3 Bloco Temporizado Normalmente Aberto

Esta válvula também é uma combinação de válvulas, composta por uma VCD de 2 posições, 3 vias, NA, com acionamento pneumático, de uma válvula reguladora de fluxo unidirecional e um reservatório de ar.


SÍMBOLO

Posição acionada

Fig. 5.50 - Bloco Temporizado normalmente aberto

Funcionamento: Também neste caso, o ar de comando entra em Z; uma vez estabelecida no reservatório a pressão necessária para o comando, é atuada a válvula de 3/2 vias. Devido a isso, a válvula fecha a passagem P para A . Nesse instante o orifício A entra em exaustão com R. O tempo de retardo corresponde também ao tempo necessário para estabelecer a pressão no reservatório. Caso seja retirado o ar de Z, a válvula de 3/2 vias voltará à sua posição inicial.

289

AUT

Em ambos os temporizadores, o tempo de retardo normal é de 0 a 30 segundos . Este tempo pode ser prolongado com depósito adicional. Se o ar é limpo e a pressão constante, podem ser obtidas temporizações exatas.

5.5 COMANDO E CONTROLE ELETROPNEUMÁTICO

O comando e controle elétrico de válvulas pneumáticas, graças aos controladores lógicos programáveis (CLP), é hoje em dia, a técnica predominante, principalmente nos navios da Marinha Mercante. Em relação aos outros meio de comando tem as seguintes vantagens:

- É mais fácil usar fiação elétrica do que tubulação;

- se as distâncias forem apreciáveis, a operação pode ser mais rápida; e

- é possível executar esquemas muito mais elaborados ou complexos.

O conhecimento da área elétrica necessária para o entendimento dos circuitos eletropneumáticos são estudados no Módulo de Eletrotécnica. A seguir vamos listar os conteúdos elétricos mais importantes que se deve dar a atenção devida.

5.5.1 Conhecimentos Elétricos Necessários

- Tensão Contínua - É aquela que não varia sua intensidade e sentido em função do tempo. (Exemplo: pilha) . Para indicar que a tensão é contínua utilizamos o símbolo "VCC". Exemplo: 24 VCC

- Tensão Alternada - É aquela que varia sua intensidade e sentido periodicamente em função do tempo. (Exemplo: energia elétrica vinda de usinas hidroelétricas, gerador de áudio etc.)

- Corrente Elétrica - É o movimento ordenado de cargas elétricas em um circuito fechado onde exista a ação de um campo elétrico (fonte de alimentação).

- Corrente Contínua - É aquela que não varia sua intensidade e sentido em função do tempo, devido à tensão aplicada ao condutor ser também contínua.

- Corrente Alternada - É aquela que varia sua intensidade e sentido em função do tempo, devido à tensão aplicada ser tensão alternada.

- Resistência Elétrica – É resistência que certos materiais oferecem à passagem da corrente elétrica. Essa resistência nada mais é do que o choque dos átomos livres como os átomos do material.

- Isolantes: são materiais em que o núcleo do átomo exerce forte atração sobre os elétrons. Por isso eles não tendem a entrar em movimento. (Exemplo: vidro, borracha, madeira etc.).

- Condutores: ao contrário dos isolantes possuem baixa energia entre o núcleo e elétrons. Portanto estes entram facilmente em movimento. (Exemplo: cobre, prata, alumínio etc.).

- Semicondutores: estão no meio termo; no estado puro e a uma temperatura de 20°C são isolantes. Quando em estado puro e a uma temperatura de 20°C são maus condutores. Se combinados a outros materiais sua conectividade aumenta. Os materiais condutores mais utilizados são: cobre, alumínio, prata, chumbo, platina, mercúrio e ferro.

290

- Associação de Resistência em Série - Neste tipo de ligação um dos terminais de um resistor é ligado a um terminal de um segundo resistor, o outro terminal deste segundo é ligado a um terminal de um terceiro e assim por diante. Ou seja, os resistores são ligados um em seguida do outro.

- Associação em Paralelo - Neste tipos de ligação o primeiro terminal de uma resistência é ligado ao primeiro terminal da segunda resistência. O segundo terminal da primeira resistência no segundo terminal da segunda resistência, e assim por diante para quantos resistores tivermos. Temos portanto um divisor de corrente.

- Lei de Ohm - é assim expressa: V = R . I onde: V: tensão em volt R: resistência em ohm I: corrente em ampère.

- Potência Elétrica - pode ser definida como a transformação de uma energia, no trabalho realizado num intervalo de tempo ou a energia elétrica consumida num intervalo de tempo. Seria portanto a "rapidez" com que a tensão realiza o trabalho de deslocar os elétrons pelo circuito elétrico. De modo que a potência para cargas puramente resistivas é igual ao produto da tensão pela corrente (P=V.I). onde: P: potência em watt V: tensão em volts I: corrente em ampère.

- Efeito Joule – É o fenômeno de transformação de energia elétrica em energia térmica é denominado. Este efeito é decorrente do choque dos elétrons livres com os átomos do condutor.

- Instrumentos de Medida - são aparelhos destinados a medir tensões, correntes e resistências.

- Ohmimetro - Aparelho destinado a medir o valor em ohms () da resistência elétrica dos componentes. Para ohmimetros do tipo analógico, faz-se necessária a zeragem da escala, além da faixa de valores.

- Amperímetro - Instrumento empregado para a medição da intensidade de corrente num circuito, cuja escala está graduada em ampères.

- Voltímetro - Instrumento destinado a medir diferença de potencial (ddp) em qualquer ponto de um circuito, tendo sua escala graduada em volts (V).

5.5.2 Principais componentes de comando eletropneum áticos

Os componentes elétricos utilizados nos circuitos são agrupados em três categorias:

1ª. Os elementos de entrada de sinais elétricos;

2ª. os elementos de processamento de sinais; e

3ª. e os elementos de saída de sinais elétricos.

Os componentes de entrada de sinais elétricos são os que emitem informações ao circuito por meio de uma ação muscular, mecânica, elétrica, eletrônica ou combinação entre elas. Entre os elementos de entrada de sinais podemos citar as botoeiras , as chaves fim de curso , os sensores de proximidade e os pressostatos , entre outros, todos destinados à emitir sinais para energização ou desenergização do circuito ou parte dele.

Na verdade essa classificação depende da função que o componente estiver exercendo no circuito. A seguir, com base no catálogo do fabricante PARKER Hannifir Ind . Com. Ltda ., vamos ilustrar e citar as características dos principais componentes empregados.

291

AUT

- Botoeiras - São chaves elétricas acionadas manualmente que apresentam, geralmente, um contato aberto e outro fechado. De acordo com o tipo de sinal a ser enviado ao comando elétrico, as botoeiras são caracterizadas como pulsadoras ou com trava .

Fig. 5.51 - Partes da Botoeira

Fig. 5.52 - Botoeira tipo pulsador

Fig. 5.53 - Botoeira tipo cogumelo com trava (Botão de Emergência)

- Chaves Fim de Curso - São, geralmente, posicionadas no decorrer do percurso de cabeçotes móveis de máquinas e equipamentos industriais, bem como das hastes de cilindros hidráulicos e ou pneumáticos.

Fig. 5.54 - Chave fim de curso

- Sensores de proximidade - Apresentam as mesmas características de funcionamento. Possuem dois cabos de alimentação elétrica, sendo um positivo e outro negativo, e um cabo de saída de sinal. Estando energizados e ao se aproximarem do material a ser detectado, os sensores emitem um sinal de saída que, devido principalmente à baixa corrente desse sinal, não podem ser utilizados para energizar diretamente bobinas de solenóides ou outros componentes elétricos que exigem maior potência. Por essa razão, é necessária a utilização de relés auxiliares com o objetivo de amplificar o sinal de saída dos sensores, garantindo a correta aplicação do sinal e a integridade do equipamento.

- Sensor Capacitivo - registram a presença de qualquer tipo de material. A distância de detecção varia de 0 a 20 mm, dependendo da massa do material a ser detectado e das características determinadas pelo fabricante.

292

- Sensor Indutivo - são capazes de detectar apenas materiais metálicos, a uma distância que oscila de 0 a 2 mm, dependendo também do tamanho do material a ser detectado e das características especificadas pelos diferentes fabricantes.

Fig. 5.55 - Sensor capacitivo

Fig. 5.56 - Sensor indutivo

- Sensores Ópticos - detectam a aproximação de qualquer tipo de objeto, desde que este não seja transparente. A distância de detecção varia de 0 a 100 mm, dependendo da luminosidade do ambiente. Normalmente, os sensores ópticos são construídos em dois corpos distintos, sendo um emissor de luz e outro receptor. Quando um objeto se coloca entre os dois, interrompendo a propagação da luz entre eles, um sinal de saída é então enviado ao circuito elétrico de comando.

Fig. 5.57 - Sensor ótico

- Pressostatos - Também conhecidos como sensores de pressão, são chaves elétricas acionadas por um piloto hidráulico ou pneumático. Os pressostatos são montados em linhas de pressão hidráulica e/ou pneumática e registram tanto o acréscimo como a queda de pressão nessas linhas, invertendo seus contatos toda vez em que a pressão do óleo ou do ar comprimido ultrapassar o valor ajustado na mola de reposição.

Fig. 5.58 - Pressostato

Os componentes de processamento de sinais elétricos são aqueles que analisam as informações emitidas ao circuito pelos elementos de entrada, combinando-as entre si para que o comando elétrico apresente o comportamento final desejado diante dessas informações.

Entre os elementos de processamento de sinais podemos citar os relés auxiliares , os contatores de potência, os relés temporizadores e os contadores , entre outros, todos destinados a combinar os sinais para energização ou desenergização dos elementos de saída.

- Relés auxiliares - são chaves elétricas de quatro ou mais contatos, acionadas por bobinas eletromagnéticas, que interpretam os sinais em todos os circuitos, com exceção dos mais simples, e controlam os solenóides. Há no mercado uma grande diversidade de tipos de

293

AUT

relés auxiliares que, basicamente, embora construtivamente sejam diferentes, apresentam as mesmas características de funcionamento.

Fig. 5.59 - Relé auxiliar

Fig. 5.60 - Simbologia Relé auxiliar

- Contatores de Potência - apresentam as mesmas características construtivas e de funcionamento dos relés auxiliares, sendo dimensionados para suportar correntes elétricas mais elevadas, empregadas na energização de dispositivos elétricos que exigem maiores potências de trabalho.

- interruptores de limite, ou microcomutadores MAS, que servem para detectar o movimento do êmbolo do cilindro, sem que haja o contato físico com a peça em movimento; e

- outros componentes, como intervaladores e comutadores de pressão.

- Válvulas solenóides , também denominadas válvulas eletromagnéticas, as quais constituem a base de todos os circuitos;

No circuito elétrico, a tensão de alimentação é retirada através de um interruptor de isolamento, de um transformador de redução, que fornece uma voltagem segura para as solenóides e comutadores. A lâmpada-piloto indica quando o circuito está ligado.

As Válvulas Solenóides são utilizadas quando há necessidade do sinal de comando partir de um timer elétrico, de uma chave fim de curso elétrica, de um pressostato ou de controladores eletrônicos como o CLP, em virtude, principalmente, da distância entre a central de controle (CCM) e o elemento atuador ser relativamente grande e o tempo de comutação da válvula direcional ser curto.

As válvulas solenóides dividem-se em válvulas de comando direto e indireto (servocomando). As de comando direto são usadas apenas para pequenas secções de passagem. Para passagens maiores são usadas as válvulas de comando indireto.

5.5.3 Válvulas Solenóides de Comando Direto

As válvulas solenóides possuem um enrolamento que circunda uma capa de material magnético , contendo em seu interior um induzido , confeccionado de um material especial, para evitar magnetismo remanescente. O conjunto (capa + induzido) é roscado a uma haste (corpo), constituindo a válvula.

O induzido possui vedações de material sintético em ambas as extremidades, no caso da válvula de 3 vias, e em uma extremidade, quando de 2 vias. É mantido contra uma sede pela ação de uma mola. Sendo a válvula N.F, a pressão de alimentação fica retida pelo induzido no orifício de entrada e tende a deslocá-lo. Por este motivo, há uma relação entre o tamanho do orifício interno de passagem e a pressão de alimentação.

A bobina é energizada pelo campo magnético criado e o induzido é deslocado para cima, ligando a pressão com o ponto de utilização, vedando o escape. Se a bobina for

294

desenergizada, o induzido retoma à posição inicial e o ar emitido para a utilização tem condições de ser expulso para a atmosfera.

Caso se use somente uma válvula solenóide o retorno será por mola ou pressão de ar , e neste caso a solenóide deverá ser energizada continuamente, a menos que se possa providenciar um pulso de ar de retorno.

a) Posição de repouso

SÍMBOLO


Fig. 5.61 - VCD 3/2 vias, de acionamento por solenóide de comando direto.

Funcionamento: Quando energizada a bobina, o induzido é puxado para cima contra a mola. O resultado é a interligação das vias P e A e o fechamento da via R pela extremidade superior do induzido. Cessando o acionamento da bobina, a mola pressiona o induzido contra a sede inferior da válvula e interrompe a ligação de P para A e comunica a via A com R, permitindo o ar de trabalho escapar. Esta válvula tem cruzamento de ar de exaustão e o tempo de atuação é curto.

5.5.4 Válvulas Solenóides com Servocomando

Caracterizam-se pela construção do conjunto eletromagnético ser de tamanho reduzido. Elas são formadas de duas válvulas: a válvula solenóide com servo, de medidas reduzidas, e a válvula principal, acionada pelo ar do servo.

a) Posição de repouso


SÍMBOLO

Identificação: VCD de 4 vias 2 posições, acionamento por solenóide servocomando e retorno por mola.

Fig. 5.62 - VCD 4/2 vias, de acionamento por solenóide de comando direto.

295

AUT

Funcionamento: Na posição de repouso o núcleo da bobina está pressionado por uma mola contra a sede da válvula piloto e da alimentação de ar (P), na válvula principal deriva uma passagem para a sede da válvula de servocomando. Quando acionada ocorre a excitação da bobina, o induzido se ergue e o ar flui para o pistão de comando da válvula principal, afastando o prato da sede. Havendo a mudança de posição, o ar comprimido pode fluir de P para A, sem que ocorra cruzamento de exaustão, pois a via de exaustão R foi fechada no mesmo instante da mudança de posição.

Em válvulas direcionais de 4/2 vias, ocorre, simultaneamente, uma inversão. O lado fechado se abre e o lado aberto se fecha. Ao desenergizar a bobina, uma mola pressiona o induzido sobre a sede e fecha a via do ar piloto. O pistão de comando da válvula principal será recuado por uma mola na posição inicial.

5.6 ATUADORES PNEUMÁTICOS

Os atuadores também são denominados de conversores de energia eles são os dispositivos que converta em trabalho a energia contida no ar comprimido

Num circuito qualquer, o conversor é ligado mecanicamente à carga. Assim, ao ser acionado pelo ar comprimido, converte a energia cinética gerada pelo ar comprimido em força ou torque (energia mecânica), que é transferido para a carga, produzindo trabalho.

Fig. 5.63 - Foto cilindro pneumático

Os atuadores estão divididos em três grupos:

- Os que produzem movimentos lineares ;

- os que produzem movimentos rotativos ; e

- os que produzem movimentos oscilantes .

5.6.1 Simbologia dos Atuadores

A representação simbólica dos atuadores é normalizada, de acordo com a norma DIN/ISSO 1929 de agosto de 1978, nas figuras a seguir são mostrados esses símbolos.

Cilindro de simples ação com retorno por força externa.

Fig. 5.64a

Cilindro de simples ação com retorno por mola.

Fig. 5.64b

Cilindro de dupla ação com haste de êmbolo unilateral.

Fig. 5.64c

296

Cilindro de dupla ação com haste de êmbolo passante.

Fig. 5.64d

Cilindro diferencial com haste de êmbolo reforçada.

Fig. 5.64e

Cilindro de dupla ação com amortecimento regulável em ambos os lados.

Fig. 5.64f

Fig. 5.64 - Simbologia dos Cilindros Pneumáticos

5.6.2 Atuadores Pneumáticos Lineares

São constituídos de componentes que convertem a energia pneumática em movimento linear ou angular. São comumente conhecidos como Cilindros Pneumáticos . Dependendo da natureza dos movimentos, velocidade, força, curso, haverá um mais adequado para o trabalho pretendido. Os cilindro são construído conforme as normas ISO 6431 e DIN 24335.

Eles se diferenciam entre si por detalhes construtivos, em função de suas características de funcionamento e utilização. Basicamente, classificam-se em duas famílias:

- Cilindros pneumáticos de simples efeito ou simples ação; e

- cilindros pneumáticos de duplo efeito ou dupla ação, com e sem amortecimento.

Atuadores pneumáticos lineares de simples efeito

São os que utilizam o ar comprimido para produzir trabalho em um único sentido de movimento, seja para avanço ou retorno.

1 – Entrada e saída de ar;

2 – êmbolo;

3 – vedação do êmbolo;

4 – elemento de fixação;

5 – camisa;

6 – mola; e

7 – haste.

SÍMBOLO

Fig. 5.65 - Cilindro pneumático simples ação

Este tipo de atuador possui somente um orifício por onde o ar entra e sai do seu interior, comandado por uma válvula. Na extremidade oposta à de entrada, é dotado de um pequeno orifício que serve de respiro, visando impedir a formação de contra-pressão internamente, causada pelo ar residual de montagem.

O retorno, em geral, é efetuado por ação de mola e força externa. Quando o ar é exaurido, o pistão (haste + êmbolo) volta para a posição inicial.

297

AUT

Pelo próprio princípio de funcionamento, limita sua construção a modelo cujos cursos não excedem a 75 mm, para diâmetro de 25 mm ou cursos de 125 mm, para diâmetro de 55 mm. Para cursos maiores, o retorno é propiciado pela gravidade ou força externa, porém o cilindro deve ser montado em posição vertical, conforme a, onde o ar comprimido realiza o avanço. A carga W sob a força da gravidade efetua o retorno.

Atuadores pneumáticos lineares de duplo efeito

São os que utilizam o ar comprimido para produzir trabalho nos dois sentidos de movimento, seja para avanço ou retorno. É o tipo mais comum de utilização. Para aplicação industrial são encontrados cobrindo uma faixa de diâmetros que vai, normalmente, de 32 a 320mm. Porém é fabricado cilindros especiais de tamanho reduzido.

Suas características principais são:

a) Poder utilizar tanto o avanço quanto o retorno para desenvolvimento de trabalho; e

b) as áreas efetivas de atuação da pressão são diferentes; a área da câmara traseira é maior que a da câmara dianteira, pois nesta há que se levar em conta o diâmetro da haste que impede a ação do ar sobre toda a área.

Funcionamento: O ar comprimido é admitido e liberado alternadamente por dois orifícios existentes nos cabeçotes, um no traseiro e outro no dianteiro que, agindo sobre o êmbolo, provoca os movimentos de avanço e retorno. Quando uma câmara está admitindo ar a outra está em comunicação com a atmosfera. Esta operação é mantida até o momento de inversão da válvula de comando; alternando a admissão do ar nas câmaras, o pistão se desloca em sentido contrário.

SÍMBOLO

1. Tampa traseira;

2. Conexão de ar de avanço;

3. Câmara traseira;

4. Vedação do êmbolo;

5. Êmbolo;

6. Camisa

7. Câmara frontal;

8. Conexão de ar de recuo.

9. Tampa frontal.

10. Haste.

Fig. 5.66 - Cilindro pneumático de dupla ação

5.7 CIRCUITOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS

O conhecimento adquirido até o momento, relativo às qualidades do ar comprimido, à simbologia dos elementos pneumáticos e às características das válvulas, permite nos dedicar ao estudo de diversos circuitos pneumáticos e eletropneumático.

298

Nos circuitos apresentados vamos identificar os componentes e descrever as a ação de comando ou de controle e citar as características principais.

Aspectos Importantes nos Circuitos Pneumáticos:

Na representação dos circuitos pneumáticos ou eletropneumáticos, para facilitar o entendimento da operação, devemos considerar as seguintes recomendações:

a ) As tubulações devem ser, sempre que possível, desenhadas de modo retilíneo e sem cruzamentos, observando que as de trabalho podem ser contínuas e as de comandos pontilhadas.

b ) No esquema acabado, podem ser representadas ainda designações de conexões, dados técnicos dos equipamentos, valores de ajuste e outros.

c ) Estrutura do esquema segundo a cadeira de comando.

d ) Fluxo de sinais de baixo para cima.

e ) Alimentação de energia de baixo para cima.

f ) A disposição física dos elementos não é considerada.

g ) Os cilindros e válvulas distribuidoras devem ser desenhados, se possível horizontalmente.

h ) A posição dos elementos de sinais deve ser indicada por meio de um traço de marcação.

i ) Em caso de emissão de sinal apenas em um sentido, dispor uma seta junto ao traço de marcação.

j ) Decompor o comando global em cadeias de comando individuais.

k ) Desenhar as cadeias, sempre que possível, na seqüência do transcurso do movimento lado a lado.

l ) Representar os equipamentos em posição inicial de comando.

5.7.1 Circuitos Pneumáticos de Comando Direto

Comando direto de um cilindro de simples ação - Existem várias maneiras de montar circuitos de comando direto para cilindro de simples ação. Na figura 5.57 e 5.58 demonstramos a solução para dois problemas.

Problema 1: A haste de um cilindro de simples ação deve executar um trabalho quando acionado o botão de uma válvula de comando pneumático. Caso o botão deixe de acionado, a haste do cilindro retorna para a posição de repouso.

Fig. 5.67 - Comando direto

Identificação - cilindro de simples ação, com VCD 3/2 vias, NA e acionamento por botoeira

Descrição da ação de comando: Ao acionar a botoeira da VCD 1.1, comunica-se a via P com a via A e o ar sob pressão atua no êmbolo do cilindro 1.0, fazendo com que o mesmo se desloque para executar o trabalho por meio de sua haste. Ao liberar a botoeira da VCD 1.1, por ação da mola, a válvula retorna à posição de repouso, bloqueando a passagem de ar e comunicando a via A com a via R. Desta forma por ação da mola do cilindro 1.0, o

299

AUT

êmbolo recua expulsando o ar da câmara do cilindro.

Problema 2: A haste de um cilindro de simples ação deve executar um trabalho quando receber um sinal de comando pneumático. Caso haja uma interrupção do sinal, a haste do cilindro deve parar em qualquer posição.


Identificação : cilindro de simples ação com VCD de 3/3 vias, posição central fechada, acionamento por alavanca

Descrição da ação de comando: Na posição central, P e A estão bloqueados. Ao acionar a alavanca para avante a via P comunica-se com a via A, e o pistão do cilindro 1.0 movimenta-se para executar o trabalho. Acionando a alavanca para ré, a via A comunica-se com a via R, e o ar de trabalho escapa para a atmosfera e o pistão retorna à posição de repouso..

Comando direto de cilindro de dupla ação

Problema 3: A haste de um cilindro de dupla ação deve retornar e avançar mediante sinal de comando pneumático alternado.

Descrição da ação de comando: Ao ser acionada a botoeira da VCD, ela muda de posição e comunica a via 1 (de pressão) com a via 2 de saída fazendo com que o pistão do cilindro se desloque executando o trabalho. Ao retirar a ação de sobre a botoeira a mola que estava comprimida se expande e muda a posição da válvula para repouso, ou seja comunica a via 2 com a via 3 (escape livre) e a via 1 (pressão) com a via 4 (saída) acionando o pistão no percurso de retorno.


Identificação : cilindro dupla ação, por VCD 4/2 vias, NA e acionamento por botoeira.

Neste caso pode-se utilizar tanto uma válvula de 4/2 vias como também uma de 5/2 vias. Na utilização de uma válvula de 5/2 vias, existe a possibilidade de serem utilizados os escapes para os cursos de avanço e de retorno separadamente, o que permitiria regular a velocidade de trabalho. Como uma VCD de 4/2 vias é composta de duas funções de 3 vias, podem também ser utilizadas duas válvulas de 3 vias para executar o mesmo comando. Neste tipo de comando, existe a possibilidade de obter sobreposições desejadas.

Problema 4: A haste de um cilindro deve avançar, ao ser acionada uma válvula com atuação manual, ou opcionalmente também através de um pedal.

300


Identificação : cilindro de dupla ação, por VCD de 4/3 vias, posição central fechada, acionamento por alavanca.

Descrição da ação de comando: Na posição central, as vias P, A e B estão bloqueadas. Ao acionar a alavanca para avante, a via P comunica-se com a via A; a via B com a via R; e o pistão do cilindro 1.0 movimenta-se para executar o trabalho. Acionando-se a alavanca para a posição intermediária, as vias P, A e B ficam bloqueadas, e o pistão para na posição em que estiver. Acionando-se a alavanca para ré, a via A comunica-se com a via R, o ar de trabalho escapa para a atmosfera, a via P comunica-se com a B e o pistão retorna à posição de repouso.

Problema 5: A haste de um cilindro deve avançar, ao ser acionada uma válvula com atuação manual, porém na posição central, deve ser permitindo a movimentação do pistão por força externa.


Identificação : cilindro de dupla ação por VCD de 4/3 vias, posição central comunicada com a via de escape, acionamento por alavanca.

Descrição da ação de comando: Ao ser acionada a alavanca para avante, a via P comunica-se com a via A, a via B com a via R e o pistão do cilindro 1.0 movimenta-se para executar o trabalho. Acionando-se a alavanca para a posição intermediária, a via A comunica-se com a via B e a R, o ar de trabalho escapa para a atmosfera, e o pistão pára na posição em que estiver, porém pode ser movimentado por força externa, pois as vias A e B estão em exaustão.

5.7.2 Circuitos Pneumáticos de Comando Indireto

Comando indireto de cilindro de simples ação.

Problema 6: Descreva a ação de comando indireto de um cilindro de simples ação, mostrado na figura 5.71

Descrição da ação de comando: Acionando-se a botoeira da VCD 1.2, comunicam-se as vias P com A, permitindo que o ar comprimido atue, pela conexão Z, no pistão de comando da VCD 1.1, deslocando o prato da válvula contra a mola de retorno. Os orifícios P e A serão interligados e o pistão do cilindro 1.0 executará o trabalho. Deixando de acionar a botoeira da VCD 1.2, ocorrerá a exaustão do sinal de comando Z, o pistão de comando será recolocado na posição inicial por intermédio da mola. O prato fecha a via de P para A e o ar da via de trabalho A escapa de forma dirigida através de R.

301

AUT

Comentário : Este tipo de comando, apresentado na figura a seguir , é vantajoso, principalmente para cilindros de grandes volumes e com longas tubulações de ar de comando. Visto que, ao colocar uma válvula distribuidora de ar para o cilindro, é necessário que suas características de construção sejam correspondentes às dimensões do cilindro. Desta maneira as tubulações entre esta válvula e o cilindro podem ser bastante curtas, diminuindo o espaço morto e, assim também, pode ser mantido pequeno o consumo de ar. Por outro lado o trajeto entre elemento de sinal e elemento de comando pode ser transposto por uma tubulação de comando de pequena secção transversal, fazendo com que haja um ganho de tempo de comutação.

Fig. 5.72 - Comando indireto.

Comando indireto de um cilindro de dupla ação .

O presente tipo de comando também é chamado de comando por impulsos , nele desaparece a possibilidade do comando direto. No exemplo mostrado no circuito da figura 5.72, observamos que as válvulas 1.2 e 1.3 estão em condições de mover o êmbolo para frente e para trás em conexão direta com o cilindro. Entretanto, em cada posição final o êmbolo estará sem pressão e desta maneira não fica fixo.

Convém ainda chamar atenção sobre o fato de que o elemento de comando, neste caso, é uma válvula que é comutada em ambos os lados por acréscimo de pressão. Basta um impulso para levar a válvula para uma outra posição de comando na qual é mantida por forças de retenção (por exemplo: atrito).

Denomina-se este tipo de válvula também de “válvula de impulso ” (válvula com comportamento de memória).

Problema 7: Descreva a ação de comando indireto de um cilindro de dupla ação, , por impulso positivo, conforme mostrado na figura 5.72

Fig. 5.73 - Comando por impulso positivo.

Descrição da ação de comando: Mantendo-se acionada a botoeira da VCD 1.2, comunica-se a via P com A, permitindo que o ar comprimido atue, pela conexão Z, no pistão de comando da VCD 1.1, deslocando a corrediça da válvula e interligando as vias P e A. Então, o ar de comando atua no pistão do cilindro 1.0 que se deslocará executando o trabalho.

Problema 8: Descreva a ação de comando indireto de um cilindro de dupla ação, por alívio bilateral de pressão (impulso negativo) conforme mostrado na figura 5.73

302

Fig. 5.74 - Comando por impulso negativo.

Descrição da ação de comando: Havendo pressão de ar, o pistão do cilindro 1.0 permanecerá parado, pois haverá um equilíbrio de pressão nas câmaras da VCD 1.1., mantendo comunicada a via P com B e A com R. Acionando-se a botoeira da VCD 1.3, comunica-se as vias A com R, permitindo que o ar comprimido da câmara da conexão Z da VCD 1.1 escape, criando uma pressão menor neste lado a qual permite a corrediça da válvula deslocar-se interligando as vias P com A e B com R. Então, o ar comprimido atua no pistão do cilindro 1.0, que se deslocará executando o trabalho.

5.7.3 Circuitos de Comando Eletropneumático

Para um bom entendimento desses tipos de comandos, vamos analisar primeiramente exemplos de circuitos básicos e depois um esquema de um sistema de comando do motor propulsor de uma embarcação mercante.

Comando de um cilindro de simples ação

Problema 9: Atuando uma botoeira elétrica um cilindro de ação simples com retorno por mola deve avançar e sua haste executar um trabalho. A haste deverá permanecer avançada até soltarmos o botão, quando então o cilindro deve retornar à sua posição inicial.

Fig. 5.75 - Comando eletropneumático de um cilindro de simples ação.

Identificação : 1.0 é um cilindro de simples ação com retorno por mola; 1.1 é uma VCD de 3/2 vias, normalmente fechada, acionada eletricamente (solenóide) e retornada por mola. O circuito elétrico de comando utiliza uma botoeira do tipo pulsador, com contato normalmente aberto, para comandar a solenóide.

Descrição da ação de comando: Acionando-se o botão pulsador S1, seu contato normalmente aberto fecha e energiza a bobina do solenóide Y1 da válvula direcional com o solenóide Y1 ligado, o carretel da válvula direcional é acionado para a direita, abrindo a passagem do ar comprimido da via P para a via A e bloqueando o escape direcionado para a atmosfera (via R). Dessa forma, o ar comprimido é dirigido para a câmara traseira do cilindro, fazendo com que sua haste avance comprimindo a mola. Enquanto o botão de comando S1 for mantido acionado, o solenóide Y1 permanece ligado e a haste do cilindro avançada. Soltando-se o botão pulsador S1, seu contato, que havia fechado, abre automaticamente e interrompe a passagem da corrente elétrica, desligando a bobina do solenóide Y1.

303

AUT

Descrição da ação de comando (continuação): Quando o solenóide Y1 é desativado, a mola da válvula direcional empurra o carretel para a esquerda, bloqueando a via P e interligando a via A com R. Dessa forma, o ar comprimido acumulado na câmara traseira do cilindro escapa para a atmosfera e a mola do cilindro retorna a haste para a sua posição inicial.

Comando de um cilindro de dupla ação

Problema 10: O comando de um cilindro de dupla ação deverá ser realizado de dois locais diferentes e distantes entre si.

É importante lembrar que não é a solenóide quem aciona diretamente o carretel da válvula direcional, ela apenas abre uma passagem interna do ar comprimido que alimenta a via P da válvula para que esse ar, chamado de piloto pneumático, acione o carretel e mude a posição de comando da válvula. O circuito elétrico possui duas botoeiras tipo com pulsadores de contatos normalmente abertos (S1 e S2), ligados em paralelo para comandar a solenóide.

Fig. 5.76 - Comando eletropneumático de um cilindro de dupla ação.

Identificação – 1.0 é um cilindro de dupla ação; 1.1 é uma VCD de 5/2 vias, com acionamento indireto por servocomando eletropneumático e retorno por mola.

Descrição da ação de comando: Acionando-se a botoeira S1 ou S2 o contato fecha, energizando a bobina da solenóide Y1, abrindo a pilotagem pneumática que empurra o carretel da VCD 1.1 para a direita, liberando a passagem do ar comprimido da via P para A e daí para a câmara traseira do cilindro, movimentando o pistão para avançar, ao mesmo tempo em que o ar acumulado na câmara dianteira escapa direcionado para a atmosfera tendo em vista a comunicação da via B com R. Soltando-se o botão que foi acionado, seu contato volta a abrir, interrompendo a passagem de corrente elétrica para a bobina e desligando o solenóide Y1. Quando o solenóide Y1 é desligado, a pilotagem pneumática interna é desativada e a mola da válvula direcional volta a empurrar o carretel para a esquerda. Nessa posição, o ar comprimido flui pela válvula por meio da via P para B, fazendo com que a haste do cilindro retorne, enquanto que o ar acumulado na câmara traseira descarrega direcionado para a atmosfera, através via A para S da válvula.

O mesmo circuito pode ser empregado para executar um trabalho somente quando duas botoeiras de comando forem acionadas simultaneamente (comando bi-manual ). Soltando-se qualquer um dos dois botões de comando, o cilindro deve voltar imediatamente à sua posição inicial. Para tal basta que as botoeiras sejam ligas em serie

Problema 11: Um cilindro de dupla ação deve ser comandado por duas botoeiras, uma para o pistão avançar e permanecer avançado mesmo que a botoeira seja desligada e outra para o pistão recuar.

304

Há quatro possibilidades de comando do cilindro, por meio de três VCDs diferentes. Pode-se utilizar uma VCD de 5/2 vias acionada por duas solenóides, ou uma VCD de 5/2 vias acionada por duplo servocomando (válvula de impulso), ou ainda uma VCD de 5/2 vias acionada por solenóide com reposicionamento por mola. Será apresentada apenas a primeira opção.

Fig. 5.77 - Comando eletropneumático de um cilindro de dupla ação por meio de duas botoeiras.

Identificação – 1.0 é um cilindro de dupla ação; 1.1 é uma VCD de 5/2 vias, pilotada por duas solenóides, sem mola de reposição e 0.1 unidade de conservação.

Descrição da ação de comando para avanço do pistão: Acionando-se o botão S1, seu contato normalmente aberto fecha, permitindo a passagem da corrente elétrica que energiza a bobina da solenóide Y1. Ao mesmo tempo, o contato fechado de S1, ligado em série com o contato aberto de S2, abre, impedindo que a solenóide Y2 seja energizada, enquanto Y1 estiver ligado. Com a solenóide Y1 em operação, o carretel da válvula direcional é acionado para a direita, fazendo com que o pistão do cilindro avance. Mesmo que o botão S1 seja acionado, desligando o solenóide Y1, como a válvula direcional não possui mola de reposição, o carretel se mantém na última posição acionada, neste caso para a direita, e o pistão permanece avançado.

Descrição da ação de comando para retorno do pistão : Acionando-se o botão S2, seu contato normalmente aberto fecha, permitindo a passagem da corrente elétrica que energiza a bobina da solenóide Y2. Ao mesmo tempo, o contato fechado de S2, ligado em série com o contato aberto de S1, abre, impedindo que o solenóide Y1 seja energizado, enquanto Y2 estiver ligado. Com o solenóide Y2 em operação, o carretel da válvula direcional é acionado para a esquerda, fazendo com que o pistão retorne. Mesmo que o botão S2 seja acionado, desligando a solenóide Y2, como a válvula direcional tem a característica de memorizar o último acionamento efetuado, neste caso para a esquerda, o pistão permanece retornado.

Portanto, para fazer com que a haste do cilindro avance, não é necessário manter o botão de comando S1 acionado, basta dar um pulso e soltar o botão , já que a válvula direcional memoriza o último acionamento efetuado. O mesmo comportamento ocorre no retorno do pistão.

Caso os dois botões S1 e S2 forem acionados simultaneamente, embora os dois contatos normalmente abertos fecham, os dois contatos normalmente fechados abrem e garantem que os dois solenóides Y1 e Y2 permaneçam desligados.

305

AUT



Obs . Na figura a seguir temos o esquema de comando e controle eletropneumático para inversão de marcha de um motor propulsor de uma embarcação mercante. Observe com bastante atenção a figura para responder as questões que se segue.

43) Descreva tecnicamente os componentes identificados com os números relacionados a seguir

a. - 301

b. - 340

c. - 369

d. - 336

e. - 307

f. - 306

g. - 354

h. - 313

i. - 321

j. - 349

k. - 365

44) Descreva a ação de comando para parar o motor.

307

AUT

UNIDADE 6

66 COMANDO E CONTROLE ELETRO-HIDRÁULICO

308


- Entender os fundamentos técnicos da hidráulica;

- Compreender a terminologia aplicada aos comandos e controles hidráulicos e eletro-hidráulicos; e

- Entender o funcionamento dos sistemas de comandos e controles hidráulicos e eletro-hidráulicos.

6.1 HIDRÁULICA

Do ponto de vista técnico, nesse estudo compreende-se hidráulica como sendo os movimentos , a transmissão e o controle de líquidos (nesse caso óleo hidráulico).

Justificamos seu estudo pelo fato de a cada dia, mais se aplica a força hidráulica no controle de execução de um trabalho. O acionamento hidráulico é parte integrante das modernas máquinas ferramentas, das prensas, dos automóveis, dos aviões, dos navios e diversos sistemas de fabricação. Os elementos hidráulicos tornam possível a racionalização e a automação do funcionamento dessas máquinas e dos diversos processos de fabricação.

No nosso caso particular, o navio mercante, a hidráulica é utilizada para a atuação da máquina do leme, no sistema do tubo telescópico do eixo propulsor, nos hélices de passo variáveis, nos guinchos, guindastes, etc..

O emprego da hidráulica esta baseado:

1) na simplicidade das formas de manuseio da energia hidráulica (produção, transmissão, armazenagem, controle e transformação);

2) na elevada relação entre energia/peso, com possibilidades de reduzir o peso do elemento hidráulico e limitar os momentos de inércia; na velocidade de trabalho, que se adaptar a cada necessidade e de forma contínua;

3) na proteção contra sobre carga;

4) na possibilidade de transforma os movimentos rotativos em alternativos, ou vice versa, sem pancadas bruscas no final do curso;

5) possibilidades de obter, por impulso ou por controle fino, a variação da pressão em um curso de trabalho; e

6) na combinação com a eletricidade formando os comandos eletro-hidráulicos.

No entanto, devemos lembrar que a hidráulica tem suas limitações práticas. Essas estão relacionadas com as propriedades dos óleos hidráulicos: “a reduzida rigidez da coluna de óleo e a influência da temperatura na viscosidad e” .

Por outro lado é quase impossível termos uma fórmula geral para todas as transmissões de movimento; é necessário muita experiência e o aproveitamento de todos os conhecimentos para se ter um sistema hidráulico funcionando corretamente.

309

AUT

6.1.1 Fundamentos Físicos da Hidráulica.

A base da fundamentação científica, do funcionamento dos sistemas hidráulicos é a mecânica dos fluídos, em especial, as leis físicas da hidrostática e da hidrodinâmica. Para uma perfeita compreensão das várias alternativas de utilização da hidráulica, recomendamos o estudo dessas leis.

A seguir, para relembrar, vamos citar as definições de algumas propriedades físicas importantes para o nosso estudo.

a) gravidade é a força que atrai todos os corpos para o centro da terra.

b) peso de um corpo é a força com que esse corpo é atraído pela terra.

c) massa de um corpo é diferente de peso de um corpo. No entanto dois corpos de mesma massa tem o mesmo peso no mesmo lugar.

d) um fluido é uma substância que pode escoar.

e) um fluido ocupa sempre o volume de qualquer recipiente.

f) um fluido embora possa exercer uma força normal à sua superfície, ele não pode sustentar nenhuma força tangencial (tensão de cisalhamento) a esta superfície.

g) a densidade de um fluido é a relação entre a massa e o volume num determinado ponto do elemento a medir.

MATERIAL DENSIDADE kg / m 3

Ar a 20°C e 1 atm. = 1,21 kg / m3

Ar a 20°C e 50 atm. = 60,5 kg / m3

Água a 20°C e 1 atm = 0,998 x 103 kg / m3

Água a 20°C e 50 atm = 1,000 x 103 kg / m3

Água do mar a 20°C e 1 atm = 1,024 x 103 kg / m3

Gelo = 0,917 x 103 kg / m3

Mercúrio = 13,6 x 103 kg / m3

h) para modificar o estado de energia ( estático para dinâmico) de um fluído é necessário uma força .

i) numa superfície líquida a força é igual a pressão multiplicada pela área superficial.

j) o princípio de Bernoulli estabelece que a pressão em um fluido escoando é menor quando a velocidade for maior e será maior quando a velocidade for menor .

F = P x A

310

6.1.2 Fluido Hidráulico

A seleção do fluido é importante no desempenho e na vida útil dos componentes hidráulicos. O fluido hidráulico tem quatro funções primárias:

1. transmitir energia;

Transmissão de Energia - Para transmitir energia, o fluido precisa circular livremente nas linhas e passagens dos componentes pois se houver muita resistência haverá perda de energia. o fluido tem que ser o menos compressível possível para que a ação seja instantânea

2. lubrificar peças moveis;

Lubrificação - Na maioria dos componentes hidráulicos o fluido fornece a lubrificação interna.

3. vedar folgas entre as peças; e

Vedação - Em muitos casos o fluido é a única vedação contra a pressão dentro dos componentes.

4. resfriar e dissipar calor. Resfriamento - A circulação do óleo ao redor das paredes do reservatório dissipa o calor gerado no sistema.

Fig. 6.1 - Lubrificação interna das VCDs

6 . 1 .2 . 1 P ro p r i e da de s d o F lu i do de Pr es sã o

As propriedades do “fluido de pressão ” são as mesmas que você estudou nas subunidades de lubrificação nas disciplinas de Máquinas . Portanto aqui vamos apenas relembrar alguns conceitos, porém é importante que, caso não esteja solidificado o conhecimento dessas propriedades, volte a estudá-los.

A qualidade de um fluído hidráulico (fluído de pressão) esta diretamente relacionado as seguintes características:

a) Proteger contra a oxidação.

b) Evitar a formação de lodo.

c) Evitar a formação de espuma.

d) Manter a estabilidade do óleo.

e) Manter o índice de viscosidade independente da variação da temperatua.

f) Proteger contra a corrosão.

g) Separar água.

h) Ser compatível com o material das gaxetas e vedadores.

311

AUT

Essas exigências de qualidade resultam de uma composição especial e nem sempre existem em todos os óleos hidráulicos, por tanto é mais indicado seguir a orientação do fabricante da máquina ou equipamento.

Viscosidade - E o fator mais importante na escolha do fluido, pois se a viscosidade for baixa poderá ocorrer certas condições indesejável como: vazamentos internos acima do tolerável, desgastes execessível, engripamentos, redução da eficiência da bomba, respostas mais lentas, aumento da temperatura.

Se a viscosidade do fluido for mais alta que a necessária ocorrerá condições desfavoráveis ao funcionamento.

a) alta resistência ao fluxo

b) aumento de consumo por perda de energia

c) alta temperatura de trabalho

d) maio queda de pressão

e) operações lentas

f) dificuldade de separar o ar do óleo dentro do reservatório

Tipos de Fluxo :

a) Fluxo laminar as moléculas do fluido movem-se em camadas laminar até determinada velocidade de uma forma mais ou menos ordenada. E o fluxo ideal para um funcionamento adequado.

Fig. 6.2 - Fluxo laminar perfil de velocidade

b) Fluxo turbulento - as moléculas se movem desordenadamente dentro dos tubos almentando o atrito , gerando calor e perdas de cargas, sendo assim uma condição indesejavel.

Fig. 6.3 - Fluxo turbulento perfil de velocidade

Densidade de uma determinada substância é a razão de sua massa específica e a massa específica de uma substância de referência em condições padrão.

Para substâncias na fase líquida ou sólida , a substância de referência é a água . Para substâncias na fase gasosa , a substância de referência é o ar.

Os valores padrão de temperatura , para a água como substância de referência são 3:

- 4º C – Temperatura em que a água apresenta maior peso específico.

- 15ºC (59ºF) – Temperatura usada como padrão pelo API (American Petroleum Institute); e

- 20ºC (68ºF) – Temperatura recomendada pela ISO (International Organization for Standardization).

Ponto de fluidez - também chamado de gota ou ponto de congelamento, vem a ser a temperatura mínima na qual o óleo ainda flui.

312

Ponto de fulgor - Por definição, é a temperatura na qual o lubrificante, nas condições específicas de teste, emite determinada quantidade de vapor, tal que, a presença de uma chama provoca um fulgor (flash) em razão da queima desses vapores.

6 . 1 .2 . 2 T i po s d e Ó le os H id rá u l i c os

Campo da Utilização Fluído de Pressão

Pressão Max. de Trabalho

Temperatura Ambiente

Localização da Aplicação

Construção de veículos 1.2.3 250 bar 4O até+ 60C Interna e externa

Máquina de trabalho mobil

1.2.3 315 bar -40 até+ 60C Interna e externa

Veículos especiais 1.2.3.4 250 bar -40 até +60C Interna e externa

Máquina para agricultura 1.2.3 250 bar -40 até +50C Interna e externa

Construção naval 1.2.3 315 bar -60 até +60C Interna e externa

Construção de aviões 1.2.5 210 bar -65 até ±60C Interna e externa

Tecnologia de transporte 1.2.3.4 315 bar -40 até ±60C Interna e externa

Máquinas operatrizes 1.2 200 bar +18 até +40C interna

Prensas 1.2.3 630 bar + 18 até +40C Preferência interna

Aciárias e siderúrgicas 1.2.4 315 bar + 10 até ???C Interna

Construção de estr.metáli 1.2.3 220 bar - 40 até ±60C Interna e externa

Construção de usinas 1.2.3.4 250 bar - 10 até ±60C Preferência interna

Construção de teatros 1.2.3.4 160 bar +18 até ±30C Preferência interna

Tecnologia de teste 1.2.3.4 1000 bar =18 até +1 50C Preferência interna

Mineração 1.2.3.4 1000 bar Até 60C Extere subterrânea

Tecnologias especiais 2.3.4.5 250 / 630 bar -65 até 150C Interna e externa

1 = óleos minerais;

2 = fluídos de pressão sintéticos;

3 = fluído de pressão biodegradáveis;

4 = água HFA,HFB; e

5 = fluidos especiais.

313

AUT

6.2 ELEMENTOS HIDRÁULICOS E ELETRO-HIDRÁULICOS


- Conhecer os elementos de comando e controle hidrául ico, eletro-hidráulico;

- Identificar a simbologia empregada.

Quais são os elementos que compõem um sistema de co mando hidráulico básico?

A figura a seguir ilustra esses elementos de acordo com o termo técnico que é denominado conforme se segue:

Reservatório de óleo (1); Filtro de óleo (2); Bomba de engrenagem (3); Válvula de retenção da bomba (4); Manômetro (5); Válvula de segurança (6); Válvula de controle direcional (7); Pistão de dupla ação (8).

Fig. 6.4 - Elementos de circuito hidráulico

Fig. 6.5 - Desenho de circuito hidráulico

6.2.1 Simbologia Gráfica de Hidrául ica Segundo DIN ISO 1219

A simbologia gráfica para instalações hidráulicas devem ser interpretadas funcionalmente. Consistem de um ou mais símbolos básicos, e em geral de um ou mais símbolos funcionais.

314

Os símbolos não são de tamanhos definidos, nem é definida nenhuma posição para o desenho.

6 . 2 .1 . 1 S ímb o lo s Bás i co s

Denominação/ Elucidação/Exemplos

Símbolos Denominação/ Elucidação/Exemplos

Símbolos

Linha

Sem limitação Linha de trabalho, Linha elétrica,

Tracejada Linha de comando, Linha de dreno, Posição de transição.

Traço-ponto Para enquadramento de dois ou mais componentes num grupo construtivo

Dupla

União mecânica (Eixo, Alavanca, Haste)

Círculo

Unidades de conversão de energia

Instrumentos de medição

Válvulas de retenção, Juntas rotativas, Articulações mecânicas, Rolos (sempre com o ponto central)

Semicirculo

Motor ou bomba com ângulo de rotação limitado (Atuadores rotativos)

Quadrado

Conexões perpendiculares aos lados. Elementos de comando, Unidades de acionamento (exceto Motor Elétrico)

Conexões nos vértices

Componentes de preparação (Filtros, Separadores, Lubrificadores, Trocadores)

Retângulo

Atenuação em elementos des-locadores, Peso no acumulador

Cilindros e Válvulas

Embolo no cilindro

Elementos de ajuste

Distâncias entre as linhas de tubulação

Retângulo aberto

Reservatório

Oval Reservatório de pressão, Acumulador, Garrafa de gás horizontal

Fig. 6.6 - Simbologia básica

315

AUT

6 . 2 .1 . 2 S ímb o lo s F un c io na i s



Símbolos

Triângulo : mostra o sentido da vazão e o fluido de trabalho

Escurecido, hidráulico.

Claro, pneumático.

Setas retas / Setas inclinadas:

Retas ou inclinadas, para movimento retilíneo

Passagem e sentido da vazão através de uma válvula.

Sentido do fluxo térmico

Arcada

Movimento de rotação,

Indicação do sentido de rotação visto sobre o eixo.

Variabilidade em bombas, Motores, molas, solenóides,

Eletricamente

Passagem ou conexão bloqueada

Elementos variadores com atuação elétrica linear oposta entre si.

Indicador ou comando de temperatura

Unidade de acionamento

Mola

Estrangulamento fixo

Sede de uma válvula de retenção

Linhas de vazão

União

União

Cruzamento Linha flexível

Interligações / Conexão de desaeração:

Contínua

Estrangulada ou

Bloqueada

Engate rápido:

Sem válvula de retenção para abrir mecanicamente

Com válvula de retenção para abrir mecanicamente

Junta angular e rotativa de 1 (uma) via

Haste, movimento linear

Eixo, movimento rotativo

Detente, mantém a posição especificada

Fig. 6.7 - Simbologia funcional

316

6 . 2 .1 . 3 T i po s d e At u aç ão



Símbolos

Símbolo geral

Botão de pressão

Botão de tração

Botão de pressão/tração

Alavanca

Pedal, 1 sentido e atuação

Pedal, 2 sentido e atuação

Pino ou apalpador

Pino ou apalpador com limitação de curso

Mola

Elétrica 2 bobinas que atuam oposta e que são variáveis continuamente

2 atuações paralelas

Rolete

Rolete escamoteável

Elétrica 1 bobina

Elétrica 2 bobinas com atuação oposta

Atuação por pressão ou alivio diretamente sobre o elemento deslocador

Através de duas áreas diferentes opostas de comando

Tomada de comando externo

Tomada de comando interno

Atuação pneumática

Atuação hidráulica

Atuação hidráulica de 2 estágio

Atuação eletro-hidráulica de 2 estágios, alimentação externa do óleo de comando

Atuação pneumática / hidráulica de 2 estágios, escoamento externo do óleo de comando

Realimentação externa da posição real do elemento de deslocamento

Atuação eletro-hidráulica de 2 estágios, retorno por mola para posição central alimentação e escoamento externo do óleo de comando

Atuação eletro-hidráulica de 2 estágios, centralização por pressão, alimentação e escoamento externo do óleo de comando

317

AUT

Realimentação externa da posição real do elemento de deslocamento

Fig. 6.8 - Simbologia para atuação

6 . 2 .1 . 4 Co n vers ão de En er g ia e Ar m az en ame nt o de Ene r g ia



Símbolos

Fontes de Energia

Hidráulica

Pneumática

Motor elétrico

Unidade de acionamento, exceto motor elétrico

Bombas e mot ores hidráulicos

Bomba constante, geral

Bomba constante 1 sentido de vazão 1 sentido de rotação

Bomba variável 2 sentidos de vazão 1 sentidos de rotação Conexão de dreno

Motor constante 2 sentidos de vazão 2 sentidos de rotação

Bomba-motor constante 1 sentidos de vazão 1 sentidos de rotação

Bomba-motor variável ajuste manual 2 sentidos de vazão 2 sentidos de rotação Conexão de dreno

Atuador hidráulico rotativo

Transmissão hidráulica compacta

Bomba variável com compensador pressão 2 sentidos de vazão 2 sentidos de rotação Conexão de dreno

Bomba-motor variável com compensador pressão 2 sentidos de vazão 2 sentidos de rotação Conexão de dreno

Cilindros hidráulicos

Cilindro hidráulico de ação simples, retorno através de pressão, lado do êmbolo interligado com reservatório

Cilindro hidráulico de ação dupla, haste de um lado, amortecimento ajustável nos dois lado

318

Cilindro hidráulico telescópico, de ação simples

Cilindro hidráulico telescópico, de ação dupla

Acumuladores hidráulicos

Acumulador hidráulico sem pré-carga

Acumulador hidráulico com pré-carga de gás

Garrafa de gás só na posição vertical

Fig. 6.9 - Simbologia para conversão e armazenamento de energia

6 . 2 .1 . 5 Com an do e Reg u la gem de Ener g ia

As posições das válvulas são representadas por meio de quadrados . O número de quadrados unidos indica o número de posições que uma válvula pode assumir.



Símbolos

Válvula de Controle Direcional (VCD)

VCD com 2 posições de comutação e 1 posição de transição

VCD com 2 posições finais e inúmeras posições de transição

VCD com 3 posições definidas e inúmeras posições de transição

VCD (2/2 NF) com 2 posições de comutação, 2 conexões, posição inicial fechada e 2 sentidos de vazão

VCD (2/2 NA) com 2 posições de comutação, 2 conexões, posição inicial aberta, 2 sentidos de vazão

VCD (2/3) com 2 posições de comutação, 3 conexões, posição inicial aberta, 2 sentidos de vazão

VCD (2/2) com 2 posições de comutação, 2 conexões, posição inicial aberta, 2 sentidos de vazão, acionamento

VCD (3/2), com 3 conexões, 2 posições de comutação, 1 posição de transição, Atuação por solenóide e Posição inicial definida por mola

319

AUT

VCD (4/3) (completa) Atuação eletro-hidráulica, Com 4 conexões, 3 po-sições de comutação, centralização por mola, emergência manual, escoamento externo do óleo de comando

(Representação simplificada)

VCD (4/3), (Representa-ção completa). Atuação eletro-hidráulica Com 4 conexões, 3 posições de comutação, centralização por pressão, emergência manual, escoamento ex-terno do óleo de comando

(Representação simplificada)

VCD (5/2), 5 conexões, 2 posições de comutação, Atuação por pressão nos dois sentidos

VCD de posição infinito, Transição negativa

VCD de posição infinito, Transição positiva

Servo-válvula direcional (4/3) (Exemplo típico)

Válvulas de retenção / Válvulas de bloqueio

Válvulas de retenção, sem mola

Válvula de retenção, com mola

Válvula de retenção, pilotada, sem mola

Válvula de retenção, pilotada com mola

Válvula alternadora

Válvula de escape rápido

Válvulas de pressão

Válvula limitadora de pressão, diretamente operada, alimentação interna do óleo de comando

Válvula limitadora de pressão, diretamente operada, escoamento externo do óleo de comando

320

Válvula limitadora de pressão, pré-operada, alimentação e escoamento interno do óleo de comando

Válvula limitadora de pressão, pré-operada, alívio com atuação elétrica, alimentação interna do óleo de comando, escoamento externo do óleo de comando

Válvula redutora de pressão de 2 vias, diretamente operada, alimentação interna do óleo de comando

Válvula redutora de pressão de 2 vias, pré-operada, alimentação interna do óleo de comando, escoamento externo do óleo de comando

Válvula redutora de pressão de 3 vias, diretamente operada, alimentação interna do óleo de comando

Válvula de vazão

Válvula estranguladora ajustável.

Válvula de fechamento

Válvula de desaceleração

Válvula estranguladora com retorno livre

Válvula reguladora de vazão de 2 vias, com pressão compensada

Válvula reguladora de vazão de 2 vias, com pressão e temperatura compensada

Válvula reguladora de vazão de 3 vias, com pressão e temperatura compensada

Divisor de vazão

Válvulas cartucho de 2 vias (Elementos lógicos) Válvula direcional, isenta de vazamento, várias áreas de atuação

Válvula reguladora de vazão

Válvula direcional, isenta de vazamentos num sentido, áreas iguais de atuação

Armazenagem e preparação do fluido

321

AUT

Reservatório aerado

Reservatório de pressão

Filtro

Filtro com indicador de contaminação

Separador

Unidade de preparação consistindo de: Filtro, Separador, Filtro com separador

Filtro com separador

Regulador de Temperatura

Aquecedor

Trocador

Instrumentos de medição e indicação

Indicação de pressão, geral:

Manômetro/vacuômetro

Manômetro diferencial

Indicador de nível do fluido

Termômetro

Indicador de vazão

Regulador de pressão, Manômetro e Lubrificador

Medidor de vazão (Rotâmetro)

Tacômetro

Medidor de Torque (Dinamômetro)

Pressostato

Fim de curso

Fig. 6.10 - Simbologia para representação elementos hidráulicos

6.2.2 Unidade Hidráulica / Reservatório

322

O Reservatório tem a função de armazenar o fluido até que seja solicitado pelo sistema.

O reservatório deve ter espaço suficiente para a separação do fluido com o ar, deve também permitir que as partículas em suspensão se assentem (decantem) e deve ter capacidade volumétrica suficiente para que seja dissipado o calor gerado pelo circuito no fluido.

Fig. 6.11 - Unidade Hidráulica

Os principais componentes do reservatório são:

1) Resfriador - utiliza-se um tampão para respiro com um filtro de ar para manter a pressão atmosférica no interior do reservatório, esteja ele cheio ou vazio. O respirador é utilizado ainda como bocal de enchimento equipado com um filtro tela que tem como finalidade reter impurezas ocasionais no momento do enchimento.

2) Chicana - é um componente do reservatório utilizado para separar a linha de sucção da linha de retorno, evitando a circulação contínua do mesmo fluido. Ela se estende longitudinalmente dividindo o reservatório em duas metades.

A chicana tem ainda a função de:

a) evitar turbulência no interior do reservatório.

b) Permitir o assentamento de partículas em suspensão no óleo.

c) Ajuda a separar o ar do fluido.

d) Ajuda a dissipar o calor do fluido

Fig. 6.12 - Reservatório de óleo

Fig. 6.13 - Fluxo do fluido no reservatório

3) Filtros - são utilizados dois tipos o filtro de sucção e o filtro de retomo que tem como finalidade manter o fluido limpo no sistema dentro dos padrões estabelecidos , que depende do tipo de sistema e dos elementos utilizados no circuito.

4) Plug magnético - é um elemento que tem como função atrair partículas de material ferroso

323

AUT

que se desprende dos componentes cujas peças em movimentos rotativos ou deslizante sofrem atrito.

5) Dimencionamento - Um reservatório deve ser dimensionado de forma que possa conter todo o fluido do sistema, e ainda manter um nível suficiente para que não haja o efeito roda moinho causado pelo baixo nível de fluido no interior do reservatório.

Para calcular o volume do reservatório deve-se levar em conta os seguintes fatores:

a) Dual.

b) Alterações do nivel devido a operaçao do sistema.

c) Área interna do reservatório exposta à condensação de vapor de água. regerado no sistema.

d) Tipo de circuito

e) Vazão da bomba: Utilizando um meio prático como regra geral:

volume do reservatório = (2 a 3) x vazão da bomba.

6.2.3 Bombas Hidráulicas

As bombas hidráulicas são estudas na disciplina Máquinas e Equipamentos Auxiliares. Agora vamos apenas relembra os aspectos principais das bombas ais empregadas.

Nos sistemas hidráulicos o principal objetivo das bombas é converter energia mecâ-nica (torque, rotação) em energia hidráulica (vazão, pressão).

Na prática, para alcançar esse objetivo é necessário superar algumas exigências na escolha da bomba. Assim sendo devem ser observados os seguintes pontos:

a) o fluido de pressão,

b) a faixa de pressão especificada,

c) a faixa de rotação esperada,

d) a temperatura máxima e mínima de operação,

e) compatibilidade com a maior e menor viscosidade,

f) a situação de montagem (tubulação, etc),

g) o tipo de acionamento (acoplamento, etc),

h) a vida útil esperada,

i) o máximo nível de ruído,

j) o favorecimento da assistência

k) - o preço máximo eventualmente especificado

Por essas exigências, não é qualquer bomba que pode ser empregada. Como já estudado, as bombas que reúne as qualidades adequadas a aplicação nos circuitos hidráulicos são as que têm o seu funcionamento baseado no princípio de débito constante .

Neste caso, a bomba é construída com câmaras vedadas mecanicamente . Nestas câmaras o fluido do lado da entrada (conexão de sucção) é transportado para o lado da saída (conexão da pressão).

324

Os tipos de bombas mais empregadas nos circuitos hidráulicos a bordo dos navios mercantes são: engrenagem, palhetas e pistões. Nas figuras a seguir elas são ilustradas.

6 . 2 .3 . 1 Bom ba s d e Engr en ag en s

Essas bombas são de dois tipos: as de engrenagem externa e de engrenagem interna

Bombas de engrenagem externa

Fig. 6.14 - Bomba de engrenagem externa

Consiste em duas engrenagens (7) e (8) fixadas a eixos montados sobre mancais (4 e 5), acopladas e ajustadas, com uma folga adequada, em um compartimento formado pela carcaça ou corpo da bomba (1). A engrenagem de comando tem o eixo (3) prolongado para o exterior, com a vedação (9) feita por retentores de óleo, o qual será ligado a um meio de acionamento (motor elétrico, motor diesel, etc.).

Esse tipo de bomba pode ser encontrada com engrenagens cilíndricas, helicoidais ou helicoidal dupla.

A formação do volume ocorre entre os flanges dos dentes e as paredes da carcaça.

O volume deslocado é calculado pela seguinte equação:

V = m tz•b•h•J

m = Módulo z = Número de dentes b = Largura dos dentes h = Altura dos dentes

A figura 6.15 mostra como o fluido é transportado pelas engrenagens ate encontrar o orifício de saída. São largamente empregadas devido as suas características construtivas:

- pressão relativamente alta com baixo peso,

- baixo custo,

- grande faixa de rotação

- grande faixa de temperatura / viscosidade.


(1) carcaça, (3) Eixo, (7 e 8) Engrenagens.


325

AUT

Funcionamento : As engrenagens giram em direções contrárias e se engrenam em um ponto do compartimento formado pelas câmaras entre os orifícios de entrada ou sucção (S) e de saída ou pressão (P). Nestas câmaras, quando a bomba é colocada em operação é transportado primeiro o ar do lado da sucção para o lado da pressão. Com isto forma-se uma sub-pressão na tubulação de sucção. Com o aumento da sub-pressão, o fluido sobe do reservatório pela tubulação de sucção até alcançar a bomba. Então o fluido é deslocado nas câmaras entre os dentes e a carcaça, e conduzido através da tubulação de pressão da bomba para o circuito hidráulico.

A condição para o funcionamento da bomba é que as câmaras dos dentes estejam estanques, de modo que, o ar ou o fluido possam ser transportados quase isentos de perda.

Nas bombas de engrenagens externa existem folgas nas superfícies de vedação. Com isto resultam perdas do lado da pressão de operação. Para evitar que com pressão ascendente não passe muito fluido do lado pressão para o lado sucção, o mancal (5) é comprimido contra as laterais da engrenagem, através de uma área submetida à pressão axial.

Na área submetida à pressão, existe o mesmo valor da pressão do sistema.

Características importantes :

1. Volume de deslocamento 0,2 até 200 cm3 ;

2. Pressão máxima até 300 bar (conforme TN); e

3. Faixa de rotação 500 até 6000 min"1.

Bomba de Engrenagem Interna

A única diferença marcante em relação a de engrenagem externa é que possui baixo ruído. Por isso elas são utilizadas sobretudo na hidráulica estacionária (prensas, máquinas injetoras de plásticos, máquinas operatrizes, etc.) e em veículos que trabalham em locais fechados (empilhadeiras elétricas, etc.).

Fig. 6.17 - Bomba de engrenagem interna

(1) Carcaça, (2) Tampa, (3) Rotor dentado ou engrenagem interna, (4) Engrenagem oca ou externa ou engrenagem envolvente, (5) Rotor.

Funcionamento: O rotor da engrenagem interna é acoplado à unidade de acionamento. Quando essa unidade se movimenta aciona a engrenagem interna que por sua vez movimenta a engrenagem externa, girando as duas no mesmo sentido. Os dentes de ambas engrenagens se tocam em apenas um ponto. Nesse movimento rotativo quando os dentes se separam é

326

"gerado vácuo", criado bolsões, entre os flancos dos dentes das engrenagens, ocorrendo a sucção do fluido.

Imediatamente após os dentes se engrenarem ocorre o aumento do volume. Este aumento de volume ocorre num ângulo de giro de 120° aproximadamente. Com isto a câmara de deslocamento não se preenche de uma vez, mas lentamente. Isto produz um movimento rotativo calmo e um bom comportamento na sucção.

Com o fluido confinado nos bolsões, a medida que as engrenagens giram vai diminuído o volume nesses bolsões, a alcançar a região do separador (5), o fluido é transportado sem alteração de volume. A câmara após o separador está ligada com a tubulação de descarga (conexão de pressão), nela o volume entre os flancos dos dentes, volta a diminuir então o fluido é expelido (forçado) para a descarga da bomba.

Características Importantes:

1. Volume de deslocamento 3 até 250 cm3;

2. Pressão de trabalho até 300 bar;

3. Faixa de rotação 500 até 3000 min"1.

6 . 2 .3 . 2 Bom ba s d e Pa lh e ta s

São usuais dois tipos construtivos de bombas de palhetas:

- de curso simples; e

- de curso duplo.

Os dois tipos possuem a mesma configuração principal, rotor e palhetas. As palhetas movem-se radialmente no rotor. A diferença está no anel, o qual limita o curso das palhetas.

O volume ocorre entre o estator circular, o rotor e as pa-lhetas.

V=2'7rb'e'D b = Largura da palheta

Bombas de Palhetas Curso Duplo

O anel ou estator tem uma superfície interna duplamente excêntrica. Com isto cada palheta realiza dois cursos por rotação do eixo. As câmaras de deslocamento são formadas pelo rotor, duas palhetas, a superfície interna do anel e os discos laterais de comando.

Fig. 6.18 - Bomba de palhetas curso duplo

Fig. 6.19 - Bomba de palheta menor volume da câmara

Fig. 6.20 - Bomba de palheta maior volume da câmara

327

AUT

Funcionamento: Na faixa com a menor distância entre o rotor e o anel (Figura 6.19), é menor o volume da câmara de deslocamento. Com o giro do rotor, aumenta o volume na câmara de deslocamento. Como as palhetas seguem o contorno do anel, ocorre uma vedação em cada câmara e forma-se uma sub-pressão.

A câmara de deslocamento é interligada com o lado da sucção através de fendas laterais de comando. Devido à sub-pressão o fluido escoa para a câmara de deslocamento. É atingido o volume máximo da câmara de deslocamento {Figura 6.20). A interligação para o lado da sucção, é interrompida.

Para garantir um bom apoio das palhetas sobre o anel, a câmara atrás da palheta precisa ser alimentada com óleo. Isto significa que na área atuante de pressão (atrás da palheta), existe o mesmo valor de pressão do sistema.

Portanto, a palheta é pressionada contra o anel com a força resultante da pressão multiplicada pela área da palheta. Acima de uma determinada pressão e dependendo das propriedades de lubrificação do fluido, poderá romper-se a película de óleo entre o anel e a palheta, oca-sionando o desgaste. Para reduzir a força de compressão, as bombas de palhetas acima de 150 bar, são equipadas com palhetas duplas. Continuando o giro se reduz o volume da câmara de deslocamento. Fendas laterais nos discos de comando conduzem o fluido através de um canal para a conexão de pressão da bomba. Este processo se realiza duas vezes por giro do eixo.

Bombas de palhetas, curso simples

O curso das palhetas é limitado por meio de um anel com pista interna circular. Através de uma posição deslocada do anel em relação ao rotor, resulta a alteração do volume das câmaras de deslocamento.

Fig. 6.21 - Bomba de palheta curso simples

Fig. 6.22 - Bombas de palhetas, curso simples em corte

O processo de preenchimento da câmara (sucção) e do deslocamento, é basicamente igual ao das bombas de palhetas com curso duplo.

Bombas de palhetas, variáveis

São bombas de palhetas diretamente operadas com volume de deslocamento variável. A posição do anel de curso pode ser ajustado nestas bombas em três dispositivos de ajuste:

1. Parafuso de ajuste p/ volume de deslocamento. A distância do anel para o rotor determina diretamente a vazão da bomba.

328

2. Parafuso de ajuste da altura (2). Aqui é alterada a posição vertical do anel (influência sobre o ruído e a dinâmica da bomba).

3. Parafuso de ajuste p/ pressão máxima de trabalho. A tensão da mola define a pressão máxima de operação.

Processo de deslocamento :Conforme a resistência no sistema hidráulico ocorre uma pressão. Esta pressão existe na bomba na área marcada em laranja, e atua sobre a área interna do anel.

6.2.4 Regulador de Pressão

A função do regulador de pressão é determinar a pressão máxima do sistema. Normalmente a pressão de operação da bomba é mais baixa que a pressão máxima ajustada no regulador.

Um regulador de pressão tem que ter as seguintes qualidades:

a ) Alta dinâmica - Isto é, processos de regulagem da pressão precisam ser rápidos (50 até 500 ms.). A dinâmica depende do tipo construtivo da bomba, do regulador e do sistema hidráulico.

b ) Estabilidade - Todos os sistemas hidráulicos com pressão regulada, tendem à oscilações. O regulador precisa representar um bom compromisso da dinâmica e estabilidade.

c ) Rendimento - Na posição de regulagem, uma determinada parte da vazão da bomba é conduzida ao reservatório através do regulador. Esta perda de potência deveria ser a menor possível, mas também deverá garantir a dinâmica e a estabilidade, na medida necessária.

Composição do regulador de pressão - O regulador de pressão consiste de: êmbolo regulador (1), carcaça (2), mola (3) e dispositivo de ajuste (4). Ver figura a seguir.

Como funciona o regulador de pressão ?

Fig. 6.23 - Atuação do regulador de pressão (a)

329

AUT

Funcionamento: Na posição inicial, a mola pressiona o êmbolo regulador , como representado, na carcaça. O fluido hidráulico chega ao êmbolo através da tubulação que vem da bomba. O êmbolo tem um furo longitudinal e dois transversais. Um giclê limita a vazão que deve passar pelo êmbolo. Na posição mostrada, na figura acima, o fluido que está sob a pressão do sistema (pressão da bomba) passa através do furo longitudinal e furo transversal para a área maior do êmbolo, atuando contra a sua lateral e mantendo-o na posição anterior, bloqueando assim a interligação para o reservatório. Enquanto a força (Fp) resultante da pressão for menor que a contra-força da mola (Ff), a bomba permanece na posição mostrada (figura acima ). Atrás dos dois êmbolos de deslocamento existe a mesma pressão.

Quando com pressão ascendente no sistema hidráulico, aumentar a força Fp o êmbolo regulador se deslocará contra a mola (ver figura a seguir ). No regulador é aberta a interligação ao reservatório. A vazão que escoa leva a uma redução da pressão atrás do êmbolo maior. O êmbolo menor continua com a mesma pressão do sistema, e empurra o anel contra o êmbolo maior com pressão reduzida, quase para a posição central. Ocorre um equilíbrio de forças: Área do êmbolo menor multiplicada pela pressão alta = Área do êmbolo maior multiplicada pela pressão baix a. Então a vazão retorna à zero, a pressão do sistema é mantida. Devido a este comportamento a perda de potência no sistema é pequena, quando atingida a pressão máxima ajustada. O aquecimento do fluido permanece baixo e o consumo de energia é mínimo. Se a pressão no sistema hidráulico cair novamente, a mola desloca o êmbolo no regulador de pressão. Com isto a interligação para o reservatório é bloqueada, passando a atuar a pressão total do sistema, atrás do êmbolo maior. O equilíbrio de forças do êmbolo menor é anulado, e o êmbolo maior empurra o anel para posição excêntrica. A bomba desloca óleo novamente para o sistema hidráulico.

Fig. 6.24 - Atuação do regulador de pressão (b)

Bombas de palhetas variáveis , que trabalham pelo princípio descrito, também podem ser equipadas com uma série de outros reguladores, como por exemplo:

- Regulador de vazão,

- Regulador de pressão/vazão ou

- Regulador de potência.

6.2.5 Regulador de Vazão

330

O objetivo aqui é ajustar a vazão do óleo enviada pela bomba em um valor pré-determinado.

Para alcançar isto, a vazão de óleo passa por uma restrição (estrangulador, válvulas direcional proporcional, etc.). Ver figura ao lado. A diferença de pressão na restri-ção é tomada como variável de regulação.

Fig. 6.25 - Regulador de vazão

Funcionamento - A pressão antes da restrição é conduzida sobre a área lateral do êmbolo regulador. Esta pressão também está atrás do êmbolo menor. A pressão de óleo após restrição (menor que antes da restrição), é desviada numa tubulação para a câmara da mola do regu-lador. No êmbolo regulador ocorre um equilíbrio de forças, da mesma forma que no êmbolo menor. Na posição mostrada, o diferencial de pressão na restrição é igual à força da mola no regulador . O anel está em uma posição estável. Através da aresta de comando (x) no regulador, flui constantemente o óleo de comando, de modo que atrás do êmbolo maior, a pressão é continuamente ajustada. Se (por exemplo) a área de passagem da restrição for au-mentada (ampliada) a queda de pressão será reduzida. Então a mola move o êmbolo de controle. A abertura da aresta de comando é reduzida e então a pressão aumenta atrás do êmbolo maior. O anel é movido na direção da excentricidade e o volume deslocado da bomba é aumentado. Alcançado o grande volume de deslocamento, o Ap na restrição é elevado até atingir novamente um valor estável. (Ap na restrição = força de mola no regulador).

Pressão e vazão podem ser reguladas e ajustadas de várias maneiras (mecanicamente, hidraulicamente, eletricamente). A combinação de vazão e pressão controlada permite uma grande economia de energia em acionamento hidráulico.

6.2.6 Filtros de Circuitos Hidráulicos

Faremos um estudo somente dos filtros aplicados nos circuitos hidráulicos fechados. Filtros de proteção, de trabalho e de linha.

Nos circuito fechado propriamente dito, o fluido só é filtrado na fase final de circulação, ou seja a filtração do fluido é feita no retorno do dreno, na linha de sucção ou na linha de pressão do circuito de alimentação.

Devido à utilização de sistemas de vedação sensíveis à pressão em motores e bombas hidráulicas, a filtração no retorno do dreno somente é possível com filtros de tela grossos, que possuem uma perda de pressão menor.

Uma filtração eficiente em instalações hidráulicas evita falhas e aumenta simultaneamente a vida útil de componentes importantes e caros. Por isso: Filtração não é um mal necessário, mas um a necessidade obrigatória.

A eficiência de um filtro é o mais importante, porém não o único fator de influência na análise de um conceito de filtração. Um filtro poderá ser sem efeito, se estiver no lugar errado e com função errada. Nos circuitos, podem ser previstos um ou mais filtros para a filtração.

331

AUT

Na elaboração do conceito de filtração, deve-se considerar as seguintes regras básicas:

a) Através da seleção de vedações apropriadas e a utilização de filtros de ar e preenchimento de alta eficiência, evita-se que a contaminação ingresse na instalação hidráulica.

b) A contaminação se possível, logo após o seu ingresso na instalação hidráulica, ou logo após a sua geração, deve ser eliminada

c) Filtros hidráulicos devem atuar no sentido de reduzir o desgaste, isto é, devem ser mais finos que as tolerâncias de folga dos componentes hidráulicos.

d) Para que os filtros possam realizar o maior trabalho possível, eles devem ser utilizados na maior vazão possível.

e) Precisa ser elaborado um caderno de especificações.

Destas regras básicas originaram-se os filtros de trabalho e filtros de proteção .

Filtros de trabalho realizam o trabalho da limpeza. O grau de filtração deverá ser selecionado, como eles reagem as tolerâncias das folgas dos componentes hidráulicos. Eles poderão ter uma válvula By-pass, e serem equipados com elementos filtrantes estáveis de baixo diferencial de pressão. É recomendado a instalação de um indicador diferencial de pressão.

Necessária segurança contra o bloqueio nos componentes hidráulicos, é garantida através da instalação de 1 filtro de proteção, isto é, estes filtros somente atuam no sentido de filtrar aquelas partículas que poderiam criar bloqueio repentino de componentes hidráulicos.

Filtros de proteção não evitam o desgaste de uso, por este motivo eles deveriam filtrar mais grosseiramente que os filtros de trabalho. Estes não devem ter válvula By-pass e precisam estar equipados com elementos filtrantes resistentes a altos diferenciais de pressão.

6.3 CIRCUITOS DE COMANDO/CONTROLE HIDRÁULICO


- Entender o funcionamento dos sistemas de comando/co ntrole hidráulico e eletro-hidráulico que simule operação de avanço, re torno e parada de um pistão, com segurança recomendada.

O especialista de hidráulica conhece três tipos de circuitos:

- Circuito aberto;

- Circuito fechado; e

- Circuito semi-fechado

À seguir vamos estudar com mais atenção o circuito aberto e o fechado.

O circuito semi-fechado é uma mistura dos dois anteriores, utilizado quando precisa ocorrer uma compensação de volume através de válvulas de sucção (por exemplo, na utilização de um cilindro diferencial).

332

6.3.1 Circuito Aberto

Aberto significa, que no caso normal, a sucção de uma bomba está abaixo do nível do fluido, cuja superfície é aberta e interligada com a pressão atmosférica. Um equilíbrio garantido de pressão entre o ar no reservatório hidráulico, e o ar do ambiente, garantem um comporta-mento de sucção sem falhas para a bomba. Resistências na linha de entrada, não podem permitir uma perda de carga, abaixo da chamada altura de sucção/limite de sucção.

No circuito aberto, o fluido hidráulico é conduzido ao consumidor através de válvulas direcionais e através das mesmas, de volta ao reservatório.

O circuito aberto é o padrão em muitas aplicações industriais e veiculares. Desde a máquina operatriz, o acionamento da prensa, até as transmissões dos guinchos e acionamentos veiculares. O circuito mostrado na figura a seguir ilustra esse tipo.

Características típicas do circuito aberto:

- Tubulações (Linhas) de sucção - diâmetros grandes, comprimentos pequenos;

- Válvulas direcionais - tamanhos nominais que dependem da vazão;

- Filtros/trocadores - secções/tamanhos que dependem da vazão;

- Tamanho do reservatório - um múltiplo em litros da vazão máxima da bomba

- Montagem da bomba - do lado ou abaixo do reservatório

- Rotações de trabalho - limitadas devido a altura de sucção

- Apoio da carga no retorno através de válvulas.

Fig. 6.26 - Circuito hidráulico aberto

Nomenclatura:

1 Reservatório.

2 Filtro.

3 Bomba hidráulica, débito constante. Rotação de acionamento n= constante.

4 Válvula de retenção.

5 Manômetro.

6 Válvula limitadora de pressão.

7 Válvula de controle direcional.

8 Cilindro hidráulico (pistão axial).

9 Trocador de calor

6.3.2 Circuito Fechado

Circuito fechado significa quando num sistema hidráulico, o fluido hidráulico que retorna de um consumidor, é conduzido diretamente para a bomba hidráulica.

Existe um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão, ele é alternado com o sentido da carga. A segurança do lado da alta pressão é feita por válvulas limitadoras de pressão, as quais fazem o alívio para o lado da baixa pressão. O fluido permanece no circuito.

333

AUT

Fig. 6.27 - Circuito fechado

1. Bomba hidráulica 2. Motor hidráulico 3. Vazão 0= variável 4. Válvulas limitadoras de pressão contra

sobrecarga (uma válvula cada lado da pressão)

Somente o fluxo de óleo de dreno da bomba hidráulica e do motor, precisam ser repostos (depende dos desgastes operacionais).

Isto acontece através de uma bomba auxiliar (geralmente flangeada diretamente), que aspira permanentemente de um pequeno reservatório um volume de fluido (volume de alimentação), recalcando-o através de uma válvula de retenção para o lado da baixa pressão do circuito fechado.

A vazão do fluido não utilizada da bomba auxiliar, que trabalha em circuito aberto, retorna ao reservatório através de uma válvula limitadora de pressão de alimentação. A alimentação no lado da baixa pressão possibilita à bomba, evitar danos operacionais maiores.

Características típicas para o circuito fechado:

- Válvulas direcionais - pequenos tamanhos nominais para a pilotagem;

- Filtro/trocador - secções e tamanhos pequenos de vazão;

- Tamanho do reservatório - pequeno, somente ajustado à vazão das bombas auxiliares e vazão do sistema;

- Rotações - altos valores, limitada pela alimentação do óleo;

- Montagem/posição de montagem livre, à vontade;

- Acionamento - totalmente reversível passando pela posição zero;

- Apoio da carga - através do motor de acionamento e

- Realimentação da energia de frenagem.

6.3.3 Exemplos de Circuitos Hidráulicos

Os exemplos de circuitos hidráulicos que serão mostrados a seguir poderão ser montados nas aulas práticas de laboratório.

334

Exemplo 1: Experiência executada para verificar a cavitação .

1. Fechar gradualmente a válvula n.º 3, na linha de sucção, observando simultaneamente a leitura do vacuômetro nº17 que deverá mostrar um aumento do vácuo à medida que se restringe a alimentação do óleo à bomba.

2. Com 5” Hg (mercúrio), máximo recomendado na maioria dos casos, não haverá nenhuma diferença perceptível no nível do ruído da bomba. Ao aumentar-se ainda mais a restrição da alimentação produz-se um ruído característico que se intensificará à medida que a intensidade do vácuo aumenta.

SEGURANÇA – a operação prolongada nestas condições não é recomendada. Contudo, alguns segundos necessários para esta demonstração não serão muito prejudiciais.

Fig. 6.28 - Comando hidráulico básico

AERAÇÃO

1. Com a bomba operando à pressão máxima regulada na válvula de segurança (500 psi), abre-se ligeiramente a válvula n.º 4, o que permitirá a entrada de ar na linha de sucção da bomba.

2. A presença de ar, em quantidade pequena, pode ser detectada pelo ruído característico semelhante ao de pequenas bolinhas de aço ou pedra dentro da bomba. Ar, em grande quantidade, produzirá um ruído análogo ao da cavitação.

3. No reservatório notar-se-á grande quantidade de espuma.

SEGURANÇA – a bomba não deve ser operada por muito tempo nestas condições afim de não ser sensivelmente danificada. Também a válvula n.º 4 não deve ser aberta demasiadamente, o que poderá provocar a perda de escorva da bomba.

Exemplo 2: Avanço e retorno do pistão de dupla ação.

Funcionamento : O sentido de ação do pistão é controlado pela posição da alavanca de comando manual da válvula de controle direcional (VCD) N° 7. Quando acionada à esquerda o óleo flui da bomba (1), através da VCD N° 7, da via “P” para “A” e dai para o lado de avanço do cilindro, fazendo o pistão se deslocar estendendo a haste. Pela outra via do cilindro, lado de retorno, o óleo fluirá de volta ao reservatório passando pela VCD da via “B” para “T”.

Quando a alavanca é acionada à direita há uma inversão do fluxo de óleo e a haste do cilindro se retrai. Quando o pistão alcança, qualquer uma de suas posições extremas, a pressão no sistema se elevará até atingir o valor para qual a válvula de segurança N° 2, esta regulada. Então esta abrirá, dando passagem à descarga do fluxo da bomba, diretamente ao reservatório, mantendo constante a pressão dentro do cilindro no valor máximo atingido.

335

AUT

Com a alavanca de comando na posição central ou neutra, as vias “A” e “B” da VCD N° 7 acham-se bloqueados e o fluxo de óleo passa da via “P” para “T” internamente à válvula saindo para o reservatório, sem comandar o pistão. Deste modo a bomba descarrega o seu fluxo para o reservatório com pressão mínima.

Fig. 6.29 - Sistema de comando

hidráulico básico


ATENÇÃO! Agora chegou aquele momento importante par a consolidar o conhecimento estudado, é hora de você avaliar o que estudou. Primeiro tente responder sem fazer nenhuma consulta ao livro . Depois, então releia os textos, sobre as questões que teve dúvida em res ponder.

45) Cite três vantagens do uso da hidráulica.

46) Qual a principal limitação prática da hidráulica?

47) Quais as funções primárias dos fluidos hidráulicos?

48) Cite três propriedade dos fluidos hidráulicos..

336

Obs . A figura a seguir representa uma seção do sistema de comando da máquina do leme de um navio. Observe com bastante atenção a figura para responder as questões que se segue.

49) Identifique tecnicamente os componentes numerados na figura a cima e listados abaixo.

1 -

2 -

3 -

4 -

5 -

8 -

11 -

337

AUT

12 -

50) Qual a função da chicana em um reservatório hidráulico?.

51) Qual o objetivo da bomba em um circuito hidráulico?

52) Qual a função do regulador de pressão em um circuito hidráulico?

338

AUT

77 BIBLIOGRAFIA

1. ARNSTEIN, George E. “A Nova Revolução Industrial” em Panorama da Automação . Rio de Janeiro: Fundo de Cultura S/A, 1965

2. BRAVERMAN, Harry. Trabalho e Capital Monopolista. 3ª ed. Rio de Janeiro: Zahar, 1974. Trad. de Nathanael C. Caixeiro.

3. CANÊDO, Letícia Bicalho. A Revolução Industrial. Rio de Janeiro: 1988

4. CASTRUCCI, Plinio. Controle Automático – Teoria e Projeto. São Paulo: Ed. Edgard Blücher Ltda.. 1969

5. GORDON PASK , Approach to Cybernetics. Londres: Hutchinson, 1961.

6. MARX, Karl. O Capital : Crítica da economia política. Volume I e II. Coleção os Economistas; apresentação de Jacob Gorender; coordenação e revisão de Paul Singer; tradução de Regis Barbosa e Flávio R. Kothe. 2ª ed. São Paulo: Nova Cultura, 1985.

7. SANTOS, José J. Horta. Automação Industrial. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1979

8. USHER, Abbott Payson. História das Invenções Mecânicas. vol. I. Lisboa: Edições Cosmos, 1973.

9. D’AUBUISSON de Voisins (J.F.) A treatise on hidraulics for the use of engineers (traduzido por J Bennett; Boston, 1852.

10. FIALHO , Arivelto Bustamante. Automação Pneumática: Projetos, Dimensionamento e Análise de Circuitos. São Paulo: Érica, 2003.

11. BONATTI Ivani e Madureira Marcos, Introdução à análise e síntese de circuitos lógicos,Editora UNICAMP,1990.

12. CAMPOS Mário Massa de; SAITO, Kaku. Sistemas Inteligentes em Controle e Automação de Processo. Rio de Janeiro: Editora Ciência Moderna Ltda., 2004

13. FRANCO, Lúcia Regina Horta Rodrigues, Modelos de Referência OSI e as Redes de Barramento de Campo, Revista INSTEC, Ano VIII, N° 82, outubro/94. McKla usen editora: São Paulo 1994.

14. NACIMENTO, José Guilherme Antloga do & MORAES, Cícero Machado. Automação de Centrais Hidrelétricas de Pequeno Porte. S. Paulo: CONAI-96

15. KIRK , F. W. e rimboi n. R. - Instrumentation - Editora American Tecnical publishers, ins - 1975.

16. ELONKA , S. M. e PARSONS, A. R. - Manual de Instrumentação - volume I - Editora Mc. Graw - Hill do Brasil, Ltda. - 1976.

17. SOISSON, Harold E. - Instrumentação Industrial - Editora Hemmus

18. EMBLETON , William O. B. E. & MORTON, Thomas D. - Reed's Engineerig Knowledge Instruments and Control Systems for Deck Officers - Fourth Edition - 1984 - Thomas Reed Publications Ltda. – London

19. SOLÉ, Antonio Creus - Instrumentos Industriales - Marcombo Boixareu Editores - Barcelona - 1982 - ISBN 84-267-0452-2

20. REVISTAS CONTROLE E INSTRUMENTAÇÃO - Editora TÉcnica Gruenwald Ltda. - Rua consórcio, N° 68, CEP 04535 - São Paulo - Brasil. -

339

AUT

88 RESPOSTAS DOS TESTES DE AUTOAVALIAÇÃO

UNIDADE 1

1) Questão.

Elemento final de controle ou Válvula de controle (CV);

Sensor (s); e

Controlador lógico programável (CLP)

2) Questão.

A automação industrial é um conjunto de tecnologias que envolve instrumentos, máquinas, ferramentas e processos de trabalho, capazes de executar ações mais apropriadas do que o ser humano na realização de um trabalho.

3) Questão.

Alavanca; roldana e eixo

4) Questão.

Produção de algodão na própria Inglaterra; Tear mecânico de fazer meias; Aperfeiçoamento do tear de fita com a introdução da lançadeira; uso da energia hidráulica; Gerência rudimentar

5) Questão.

Na estratégia de controle por realimentação o controlador age sobre o elemento final de controle (válvula de controle), baseando-se em informações da variável física controlada , detectadas na saída do processo, por instrumentos de medidas (sensor )

6) Questão.

Energia elétrica: 4 a 20 mA; Pneumática Transmissão de sinal 3 a 15 PSI

7) Questão.

7.1 - A técnica de reprodução “automática” de gravuras, papelão perfurados, criadas pelo francês Basile Bouchon é semelhante à linguagem de programação aplicada nas máquinas de controle numérico.

7.2 - Funções da gerência rudimentar tais como: ordenação das operações, escalonamento das prioridades e atribuições de funções contribuíram para o desenvolvimento da produção automatizada.

7.3 - A máquina alternativa a vapor foi o elemento propulsor da chamada primeira revolução industrial, desencadeada na França no século XVIII.

R) A máquina alternativa a vapor foi o elemento propulsor da chamada primeira revolução industrial, desencadeada na Inglaterra no século XVIII

7.4 - O funcionamento do sinfão empregado no Egito Antigo foi estudado por Herão e Filon.

340

7.5 - Galileu (1638), Torricelli (1644) e Blaise Pascal em seus estudos desenvolveram as teorias referentes aos líquidos e a massa de ar.

8) Questão.

1 - instalação de uma sala de controle nas máquinas, com ar condicionado

2 - introdução de um controle automático no sistema de purificação de óleo combustível e no sistema de óleo lubrificante das máquinas auxiliares;

3 - controle automático da temperatura de entrada de refrigeração da camisa;

4 - controle automático da temperatura de entrada de óleo combustível;

5 - controle automático da temperatura de entrada de óleo lubrificante

9) Questão.

1) um sistema de detenção e de extinção de incêndio para a praça de máquinas

2) um alarme para avisar sobre água em excesso no porão (dalas)

3) um meio de esgotar essa água

4) um sistema de controle das máquinas de propulsão pelo passadiço

5) um sistema de alarme para dar aviso de falhas nas máquinas

10) Questão.

O computador analógico opera diretamente com os números e utiliza no seu funcionamento a analogia entre os valores tomados no momento em que há uma variação no processo que esta controlando e certas variáveis.

O computador digital utiliza os números binários sob forma de sinais para processar números e símbolos.

UNIDADE 2

11) Questão.

A _________ Negative deviation é o valor emitido pelo elemento de ajuste do set-point para ajuste do controlador.

É o valor resultante da equação algébrica entre o valor desejado e o valor da variável controlada medido. Também denominado sinal de erro.

D _________ Variável de entrada, é o valor resultante da equação algébrica entre o valor desejado e o valor da variável controlada medido.

É o valor emitido pelo elemento de ajuste do setpoint para o comparador

C _________ Actuator, é a parte do elemento final de controle que recebe o sinal de acionamento do transdutor.

CERTO

12) Questão.

Sensor de nível do pocêto; sensor de temperatura e sensor de pressão do óleo lubrificante.

341

AUT

13) Questão.

É a válvula de controle quem atua na vazão da água de resfriamento fazendo-a passar por dentro e/ou por fora (by-pass) do resfriador em função de um sinal de controle emitido com base na temperatura da água na saída do MCP.

14) Questão.

Variável controlada - É o agente físico que se deve manter em um valor desejado.

Variável manipulada - É o agente físico que recebe a ação do controlador e altera o meio controlado.

15) Questão.

No sistema de Malha aberta , medimos o valor de entrada da variável controlada, para estabelecer o valor de saída desta variável, ou seja executamos uma ação de controle antecipativo

No sistema de Malha fechada , por meio de sensores, mede-se o valor da variável controlada, o qual é transmitido ao controlador, que compara o valor medido com o valor desejado (set-point). Se houver erro de desvio, é enviado um sinal de correção ao elemento final de controle , que, atuando na variável manipulada , busca corrigir esse erro.

16) Questão.

Precisam ser bem conhecidos os ganhos, as constantes de tempo e os tempos mortos que apresentam o processo.

É necessário fazer uma avaliação prévia da demanda do processo a ser controlado

17) Questão.

A automatização , emprega-se para classificar os processos que envolvem componentes e ações de controle automático relacionadas à mecanização.

A Automação, toma por base as técnicas da eletrônica digital aliada ao desenvolvimento da informática, para desenvolver programas para um tipo especial de controlador manter as variáveis de um processo dentro de valores desejados.

UNIDADE 3

18) Questão.

Elemento primário, detector (sensor), conversor (transdutor) e indicador

19) Questão.

É a região existente entre os limites superiores e inferiores da capacidade de medida do instrumento nos quais mostra o conjunto de valores da variável medida

20) Questão.

Precisão de referência é a tolerância da medida ou de transmissão do instrumento e define os limites que os erros não devem exceder, quando o instrumento é empregado em condições normais de serviço

21) Questão.

Medição da pressão de óleo lubrificante do MCP

Medição da pressão da água de resfriamento do MCA 1

Medição da pressão da caldeira auxiliar

342

22) Questão.

A pressão atmosférica é a pressão exercida por uma coluna de ar de altura igual à espessura da camada sobre a superfície de 1 cm² ao nível do mar.

A pressão absoluta é a pressão total ou efetiva de um fluido, ou seja, é a soma das pressões relativas e atmosféricas

23) Questão.

Vacuômetro

24) Questão.

• pressão de trabalho;

• fidelidade • alcance normal e valor máximo (span e range);

• resposta de frequência

25) Questão.

“a pressão hidrostática exercida por um líquido na parte inferior de uma coluna é diretamente proporcional à altura do líquido da coluna”.

26) Questão.

Manômetros por deformação elástica (diafragmar, fole e mola Bourdon)

27) Questão.

Discordo, pois esse princípio se aplica aos medidores de vazão de pressão diferencial.

28) Questão.

(E) a uma diferença de coeficiente de dilatação térmica dos metais suficiente para provocar um movimento.

29) Questão.

(E) de que uma corrente elétrica, circulando no mesmo sentido, ao passar pela junção quente, absorve calor e na junção fria libera o calor absorvido, proporcionalmente à quantidade de corrente que atravessa a junção.

30) Questão.

A placa de orifício é o elemento primário que provoca uma restrição ao fluxo do fluido, proporcional ao seu diâmetro. Portanto junto a ela haverá um aumento da velocidade do fluido e em conseqüência uma queda de pressão, produzindo assim a pressão diferencial, que varia com a quantidade que escoa pelo tubo, a qual será medida pelo elemento secundário: Manômetro. A quantidade de fluxo na linha de escoamento é proporcional à raiz quadrada da pressão diferencial.

31) Questão.

pneumático, elétrico, eletrôico e hidráulico

32) Questão.

e) de sede simples -

Construção em que o corpo é dotado de um orifício de passagem e um elemento de vedação (obturador) simples

343

AUT

f) de sede dupla -

Construção em que o corpo é dotado de dois orifício de passagem e um elemento vedante duplo.

g) de duas vias -

Construção em que o corpo é dotado de duas conexões de fluxo, uma de entrada e outra de saída; as conexões podem estar em planos paralelos, fornecendo fluxo de passagem retas, ou em planos ortogonais, fornecendo fluxo de passagem angular

h) de três vias -

Construção em que o corpo é dotado de três conexões de fluxo, sendo duas em planos paralelos e a terceira em plano ortogonal, podendo ser duas conexões de entrada e uma de saída (fluxos convergentes: válvula misturadora), ou uma conexão de entrada e duas de saída (fluxos divergentes: válvula distribuidora).

33) Questão.

Diafragma, Mola, Haste acionadora e parafuso de ajuste

UNIDADE 4

34) Questão.

Limpo de impurezas e umidades; pressão adequada; lubrificação suficiente e quantidade.

35) Questão.

Compressor, filtro de ar, válvula reguladora de pressão e secador

36) Questão.

Eletrônico 1 a 5 v; pneumático 3 a 15 PSI

37) Questão.

Controlador; transmissor; bico-palheta; extrator de raiz quadrada; amplificador

38) Questão. ...a letra C se forem CERTAS e F se forem FALSAS .

( F ) Em controle pneumático, o padrão de sinal de comunicação entre os elementos é definido por normas internacionais e deve ser de 20 psi.

( F ) No conjunto bico palheta, quando o sinal da variável controlada é menor do que a pressão de ar de referência, a palheta se aproxima do bico.

(F ) No somador o que produz a variação na palheta é o sinal da variável controlada enviado pelo controlador.

(C ) O elemento primário, o amplificador e a palheta, são componentes essenciais em um transmissor pneumático.

(C ) a presença de umidade no ar de controle, causa perturbações no controle do processo.

39) Questão. ...assinale (C) se forem VERDADEIRAS e (E) se forem FALSAS.

(C ) ( X ) No transmissor do tipo bico-palheta, PS representa o sinal da variável controlada.

( X ) ( E ) O elemento número 2 da FIGURA 3 detecta a pressão diferencial entre a pressão atmosférica e a pressão da coluna líquida.

(C ) ( X ) O valor de Pe na FIGURA 1 será o sinal de erro e igual a 0,3 bar.

344

(C ) ( X ) O valor de Ps na FIGURA 1 será o sinal da variável controlada e igual a 0,3 bar.

( X ) ( E ) Na FIGURA nº 3 o elemento identificado com o número 8 serve para amplificar o sinal da variável manipulada.

( X ) ( E ) Na FIGURA nº 3 o elemento identificado com o número 5 é um dos elementos utilizados para atenuar a sensibilidade do instrumento.

40) Questão.

Verificar (ler) estado das entradas

Transferir para a memória

Comparar com o programa do usuário

Atualizar (escrever) o estado das saídas

41) Questão.

Diagrama de Contatos (LADDER - DIC), Diagrama Lógico (DIL) e Lista de Instruções (LIS).

42) Questão.

Memórias do programa monitor, do usuário, de dados e de imagens

UNIDADE 5

43) Questão.

- 301 VCD de duas posição, três vias, normalmente fechada, acionamento por botoeiras e retorno por mola.

- 340 Válvula reguladora unidirecional.

- 369 Elemento lógico OU.

- 336 VCD de duas posição, três vias, normalmente fechada, acionamento por solenóide e retorno por mola.

- 307 Pressostato.

- 306 VCD de duas posição, cinco vias, normalmente aberta, pilotada por ar.

- 354 Unidade temporizadora.

- 313 Elemento lógico OU.

- 321 VCD de duas posição, três vias, normalmente fechada, acionamento por comando hidráulico e retorno por mola regulável.

- 349 Cilindro de dupla ação com haste de êmbolo unilateral.

- 365 Válvula reguladora de pressão com orifício de escape

44) Questão. Descreva a ação de comando para parar o motor.

Ao acionar a botoeira da VCD 302, haverá a comunicação da via 1 com a 2 e um sinal de comando pneumático é emitido para duas VCDs: na VCD 306 e bloqueada sua atuação ao mudar sua posição comunicando a via 1 com 3 e deixando de enviar sinal para a VCD 312 a qual por atuação da sua mola alivia o ar do cilindro de partida e desta forma corta a injeção de combustível; na VCD 351 muda a posição e comunica a via 1 com a via 4 aliviado a ação de comando da VCD 319 para unidade temporizada 354, ativando a

345

AUT

unidade de freio do eixo propulsor.

UNIDADE 6

45) Questão.

proteção contra sobre carga

elevada relação entre energia/peso

possibilidade de transforma os movimentos rotativos em alternativos

possibilidades de obter, por impulso ou por controle fino, a variação da pressão em um curso de trabalho

46) Questão.

a reduzida rigidez da coluna de óleo e a influência da temperatura na viscosidade

47) Questão.

Transmissão de energia, lubrificação, vedação e resfriamento.

48) Questão.

Viscosidade, densidade, ponto de fulgor e ponto de ignição

49) Questão.

1 – reservatório areado

2 – Válvula reguladora de pressão

3 - VCD (4/3) Atuação eletro-hidráulica, com 4 conexões, 3 posições de comutação, centralização por pressão hidráulica retorno para reservatório, emergência manual por botão de pressão.

4 – Válvula estranguladora com retorno livre

5 – Válvula reguladora de pressão com avanço livre e retorno regulável.

8 – chave de pressão (pressostato)

11 – VCD (4/2) atuação eletro-hidráulica, com 4 conexões, 2 posições de comutação, normalmente fechada, retorno por mola e pressão hidráulica.

12 – VCD (4/2) atuação hidráulica com reforço por mola para posição inicial, 4 conexões, 2 posição de comutação, normalmente aberta e retorno por pressão hidráulica.

50) Questão.

É utilizado para separar a linha de sucção da linha de retorno, evitando a circulação contínua do mesmo fluido.

51) Questão.

Converter energia mecânica (torque, rotação) em energia hidráulica (vazão, pressão).

52) Questão.

é determinar (estabelecer) a pressão máxima do sistema

auto macao dio celio

Documents