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Instrumentação Industrial
Fundamentos de Instrumentação Industrial:
Conceitos Básicos e Definições
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2
Instrumentação Industrial
De acordo com a organização norte-americana Instrument Society of America - ISA, um instrumento industrial é:
Todo dispositivo usado para direta ou indiretamente
medir e/ou controlar uma variável.
Nesta definição inclui-se, segundo a ISA, elementos/sensores primários, elementos finais de controle, dispositivos computacionais, dispositivos elétricos como alarmes, chaves e botoeiras. E o termo não se aplica a partes que são componentes internos do Instrumento (norma ANSI/ISA-S5.1-1984-R-1992).
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Instrumentação Industrial
Isto é, uma primeira classificação para os instrumentos é:
Instrumentos
Medição Atuação
Termômetros, manômetros, velocímetros, medidores de vazão, medidores de nível, etc.
Válvulas manuais e automáticas, motores de passo, inversores de freqüência, motores elétricos, bombas, aquecedores, etc.
Medição e Atuação
Termostatos, pressostatos, chaves de fim de curso, etc.
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Instrumentação Industrial: Um Exemplo
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Instrumentos Industriais : Usos
Monitoração do Processo: indicadores de pressão, temperatura, etc; sensores de vibração em máquinas, alarmes, etc.
Análise Experimental de Engenharia: em laboratórios de aferição, na verficação de desgastes e fadiga, etc.
Obs.: Usualmente tem-se instrumentos mais precisos e delicados, cuja resposta dinâmica muitas vezes fica em segundo plano.
Controle de Processo: sensores usados para medir variáveis de um processo controlado, enviando essas informações a um controlador que gera sinais de comando para atuadores.
Obs.: Usualmente busca-se instrumentos cuja resposta dinâmica deve ser rápida em relação ao processo a ser controlado.
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Instrumentos de Medição
Um Instrumento de Medição pode ser representado com um conjunto de sub-sistemas com funções específicas. Um possível Diagrama Funcional:
Sensor/Elemento PrimárioMeio
Conversão da Variável
Processamento de Sinais
ObservadorTransmissão
da InformaçãoApresentação da Medição
Armazenamento de dados
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Instrumentos de Atuação
Para um Instrumento de Atuação, um possível Diagrama Funcional:
Operador
Processamento de Sinais
Interface Homem-Máquina
Transmissão do Comando
Conversão da Variável
Elemento Final de ControleProcesso
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Classificação dos Instrumentos
Segundo o Tipo de Sinais produzidos ou manipulados:
Discretos: assumem somente 2 valores possíveis: zero/um, aceso/apagado, ligado/desligado, etc.
Chave de Nível (indica se o nível é superior ou inferior a um dado limiar); Chave de pressão ou pressostato; Chave de temperatura ou termostato; Chave fim de curso; Alarmes; Válvulas solenóides (que se abrem ou se fecham completamente, e em condição normal indica-se NA – normalmente aberta, ou NF – normalmente fechada.)
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Classificação dos Instrumentos: Instrumentos Discretos
Termostatos/Chave de Temperatura
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Classificação dos Instrumentos: Instrumentos Discretos
Pressostato/Chave de Pressão
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Classificação dos Instrumentos: Instrumentos Discretos
Válvula Solenóide
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Classificação dos Instrumentos
Segundo o Tipo de Sinais produzidos ou manipulados:
Digitais: assumem ou indicam valores em um conjunto finito enumerável de possibilidades.
Instrumentos eletrônicos de medição com mostradores digitais; Instrumentos de medição ligados em uma rede digital dedicada (field bus, sensor bus, etc); Motor de passo; Encoder (medição de posição via contabilização de pulsos gerados);
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Classificação dos Instrumentos: Instrumentos Digitais
Multímetro Digital
Dígitos no mostrador - exemplos:
3½ Dígitos = 3 casas com números de 0 a 9, e 1 dígito de 0 a 1 = 0000 a 1999 = 2000 contagens.
5¾ Dígitos = 5 dígitos de 0 a 9, e 1 dígito de 0 a 3 = 00000 a 39999 = 40000 contagens.
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Classificação dos Instrumentos: Instrumentos Digitais
Encoder Relativo ou Incremental
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Classificação dos Instrumentos: Instrumentos Digitais
Motor de Passo
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Classificação dos Instrumentos
Segundo o Tipo de Sinais produzidos ou manipulados:
Analógicos: assumem ou indicam valores em um conjunto finito não-enumerável de possibilidades (faixa contínua de valores em um intervalo finito).
Termômetro de mercúrio; Amperímetro com bobina móvel; Manômetro de tubo em U; Régua milimetrada; Válvula pneumática com acionamento contínuo; Aquecedor elétrico com tensão de acionamento contínua.
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Padrões de Transmissão de Sinais em Instrumentação Industrial
É comum encontrar-se os seguintes padrões de envio de medições/comandos em Instrumentação Industrial:
Sinais de pressão de 3 psi a 15 psi (libras por polegada
quadrada); Sinais de corrente de 4 mA a 20 mA; Sinais de tensão de 1 V a 5 V.
O valor mínimo enviado diferente de zero possibilita testar se o instrumento está funcionando, mesmo que o valor da medição ou do comando seja nulo.
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Classificação dos Instrumentos
Segundo a Utilização de Fontes de Energia:
Passivos: utilizam a energia do próprio meio, ou energia humana/animal para funcionarem.
Instrumentos de medição deste tipo devem ser adequadamente dimensionados para minimizar a interferência sobre a variável a ser medida, devido ao fato de absorverem energia do próprio meio para funcionarem.
Termômetro de mercúrio; Manômetro de tubo em U; Régua milimetrada; Válvula manual (e.g. torneira); Hidrômetro doméstico.
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Classificação dos Instrumentos: Instrumentos Passivos
Hidrômetro residencial
Princípio: medidor de disco nutante.
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Classificação dos Instrumentos: Instrumentos Passivos
Válvula Manual
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Classificação dos Instrumentos
Segundo a Utilização de Fontes de Energia:
Ativos: utilizam outra fonte de energia para o seu funcionamento.
Instrumentos Eletrônicos usados para medir grandezas mecânicas, hidráulicas e térmicas; Válvulas pneumáticas; Bombas centrífugas.
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Classificação dos Instrumentos
Segundo a Forma de Medição:
Por Deflexão: uma variação do mensurando conduz a uma variação correspondente na indicação.
Ex.: Balança Dinamométrica
Usualmente, em comparação com o método por detecção de nulo:
● São mais rápidos;● São menos precisos;● A qualidade do processo de medição está associada a qualidade construtiva do instrumento.
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Classificação dos Instrumentos
Segundo a Forma de Medição:
Por Detecção de Nulo: o resultado da medição é obtido quando o instrumento indica estar em equilíbrio.
Usualmente, em comparação com o método por deflexão:
● São mais lentos;● São mais precisos (basta detectar o desvio da condição de equilíbrio);● A qualidade do processo de medição está associada a qualidade do padrão de medição empregado.
Ex.: Balança de Pratos.
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Grandezas de Influência
O Instrumento de Medição é afetado:
Pela grandeza desejada, ou Mensurando.
Por grandezas indesejadas, ou Grandezas de Influência, que podem ser divididas em:
1. Interferentes;
2. Modificantes.
InstrumentoGrandezas de influência
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Grandezas de Influência
Processo de Medição Perfeito:
Instrumento
A indicação do Instrumento só é afetada pelo mensurando (grandeza desejada):
Ex.: Balança. Variável indicada: Variável desejada/mensurando:
y=hud
xM
x=gk M⇒ y=gk ud
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Grandezas de Influência
Grandezas de Influência Interferentes (aditivas):
Ex.: Balança. Influência do peso próprio da mola sobre a indicação.
ud
ui
h1ud
h2ui
y
kx=Mgmg⇒ x=gk Mgk m⇒ y=gk udgk ui
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Grandezas de Influência
Grandezas de Influência Modificantes (multiplicativas):
Ex.: Balança. Variação da constante elástica com a temperatura ambiente.
ud
ui
um
yh1ud ,um
h2ud ,um
x= gk T M g
k T m⇒ y= gk um ud g
k um ui
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Grandezas de Influência
Pode haver várias grandezas de influência, tanto interferentes, quanto modificantes, alterando o processo de medição:
Ex.: Balança. Variação da constante elástica com a temperatura ambiente, peso próprio da mola e aceleração vertical para baixo.
Mav=Mg−mg−k T x⇒ x=g−av
k T Mg−av
k T my=g−u1
k u2 u3g−u1
k u2 u3 ⇒ y=h ud ,u1 ,u2 ,u3
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Grandezas de Influência
Outro Exemplo: manômetro de tubo em U.
Ok! Inclinação indesejada
Manômetro acelerado
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Métodos para Minimizar a Influência de Entradas Espúrias
Método da Insensibilidade Inerente
Construir o instrumento com materiais especialmente escolhidos que sofram pouco ou nenhuma influência de entradas indesejadas.
Ex.: construir uma balança usando uma mola com uma constante elástica pouco sensível à variação de Temperatura.
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Métodos para Minimizar a Influência de Entradas Espúrias
Método das Entradas em OposiçãoIncluir no instrumento um sub-sistema ou elemento que sofra variação contrária àquela exercida pela grandeza de influência sobre a saída do mesmo, cancelando assim o seu efeito.
Ex.: Amperímetro com resistência com coeficiente de variação negativo com a Temperatura, propositadamente inserida no circuito do medidor.
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Métodos para Minimizar a Influência de Entradas Espúrias
Resistência metálica da bobina móvel do amperímetro aumenta com a temperatura.
Resistência semicondutora em série, colocada propositadamente, diminui com a temperatura.
Exemplo: Método das Entradas em Oposição
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Métodos para Minimizar a Influência de Entradas Espúrias
Método das Correções Calculadas
Medir a grandeza de influência usando outro sensor e compensar o seu efeito através do cálculo da correção necessária usando, por exemplo, um hardware microprocessado. Ou simplesmente fornecer ao observador o valor da grandeza de influência, juntamente com o mensurando, para que ele possa usar uma tabela de correção adequada, fornecida previamente.
Ex.: construir uma balança digital, com sensor de temperatura, com cálculo de compensação realizado em microprocessador interno.
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Métodos para Minimizar a Influência de Entradas Espúrias
Método da Filtragem Seletiva
Minimizar/eliminar a influência de uma entrada indesejada, quando ela apresenta conteúdo espectral diverso daquele apresentado pela entrada de interesse. Neste caso, usa-se um sub-sistema (filtro) que responde somente às freqüências presentes no mensurando.
Ex.: Eliminar os ruídos elétricos em 60Hz presentes em um sinal de temperatura de variações lentas (baixa freq.).
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Métodos para Minimizar a Influência de Entradas Espúrias
Método do Alto Ganho de Realimentação
No caso em que se dispõe de um transdutor que, a partir do sinal de saída do instrumento é capaz de produzir uma variação na grandeza de mesma natureza do mensurando, é possível usar o conceito de realimentação e transferir as exigências de desempenho do instrumento original, para esse transdutor.
Ex.: Voltímetro baseado em indicar cujo ponteiro é movido por um motor de corrente contínua.