instrumentacao 13a - marco antonio ribeiro

Instrumentação

Marco Antônio Ribeiro

Instrumentação

Marco Antônio Ribeiro

Dedicado a Marcelina e Arthur, meus pais, sem os quais este trabalho não teria sido possível, em todos os sentidos.

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

claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão ou então, que tem razão para evitar falar claramente (Rosa Luxemburg)

© 2007, Marco Antonio Ribeiro Verão 2007

Prefácio

Qualquer planta nova, bem projetada para produzir determinado produto, sempre requer sistemas de instrumentação para fazer a medição, controle, monitoração e alarme das variáveis. A escolha correta dos sistemas pode ser a diferença entre sucesso e fracasso para uma unidade, planta ou toda a companhia. Também, como há uma rápida evolução das tecnologias e conseqüente obsolescência, periodicamente toda planta requer ampliações e modificações radicais que incluem a atualização dos seus instrumentos e seus sistemas de controle.

Assim, técnicos e engenheiros que trabalham com o projeto, especificação, operação e manutenção de plantas de processo devem estar atualizados com a instrumentação e as recentes tecnologias envolvidas. O presente trabalho foi escrito como suporte de um curso ministrado a engenheiros e técnicos ligados, de algum modo, a estas atividades. Este trabalho de Instrumentação e um outro de Controle de processo constituem um conjunto completo para estudo e consulta.

Neste trabalho, dá-se ênfase aos equipamentos e instrumentos e são apresentados três grandes temas: Fundamentos, Instrumentos e Medição das Variáveis.

Na primeira parte, de Fundamentos de Instrumentação, são apresentados os conceitos relacionados com Instrumentação e Petróleo, Símbolos e Identificação dos instrumentos analógicos e digitais; vistos os instrumentos sob a óptica de Sistemas; mostradas a evolução e as ondas da instrumentação.

Na parte de Funções de instrumentos, são estudados individualmente os instrumentos, tais como sensor, transmissor, condicionador de sinal, indicador, registrador, totalizador, controlador e válvula de controle. São apresentados os parâmetros para a Especificação correta do instrumento individual, considerando o processo, ambiente, risco e corrosão.

Finalmente na terceira parte, são mostradas as tecnologias empregadas para medir as principais Variáveis de Processo, como Pressão, Temperatura, Vazão e Nível, que são as variáveis mais encontradas nas indústrias químicas, petroquímicas e de petróleo.

Sugestões e críticas, principalmente as destrutivas são benvidas para o contínuo melhoramento do trabalho, no endereço: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230, Fone (071) 452-3195 e Fax (071) 452-4286 e no e-mail: [email protected] .

Marco Antônio Ribeiro Salvador, verão 2005

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

Eletrônica blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá.

Durante quase 14 anos foi Gerente Regional da Foxboro, em Salvador, BA, período da implantação do polo petroquímico de Camaçari blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá.

Fez vários cursos no exterior e possui dezenas de artigos publicados nas áreas de Instrumentação, Controle de Processo, Automação, Segurança, Vazão e Metrologia e Incerteza na Medição blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá.

Desde 1987, é diretor da Tek Treinamento & Consultoria Ltda. blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, firma que presta serviços nas áreas de Instrumentação e Controle de Processo.

i

Conteúdo

1. INSTRUMENTAÇÃO....................................... 1 Objetivos de Ensino .................................. 1

1. INSTRUMENTAÇÃO....................................... 1 1.1. Conceito e aplicações........................ 1 1.2. Disciplinas relacionadas .................... 2 1.3. Vantagens e Aplicações .................... 3

2. SÍMBOLOS E IDENTIFICAÇÃO...................... 5 OBJETIVOS DE ENSINO .................................... 5 1. INTRODUÇÃO............................................... 5 2. APLICAÇÕES ............................................... 5 3. ROTEIRO DA IDENTIFICAÇÃO......................... 5

3.1. Geral .................................................. 5 3.2. Tag completo típico............................ 5 3.3. Identificação funcional ....................... 5 3.4. Identificação da malha ....................... 6 TE-301 ...................................................... 6 TIC-301-E.................................................. 6 4.3. Linhas entre os Instrumentos............. 9 4.4. Balão do Instrumento......................... 9

4. SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTOS................. 13 4.1. Parâmetros do Símbolo ................... 13 4.2. Alimentação dos instrumentos......... 13

5. MALHA DE CONTROLE ................................ 13 6. SISTEMAS COMPLETOS .............................. 15

3. INSTRUMENTOS ......................................... 19 Objetivos de Ensino ................................ 19

1. CLASSES DE INSTRUMENTOS ..................... 19 2. MANUAL E AUTOMÁTICO ............................ 19 3. ALIMENTAÇÃO DOS INSTRUMENTOS............ 19 4. PNEUMÁTICO OU ELETRÔNICO ................... 20

4.1. Instrumento pneumático .................. 21 4.2. Instrumento eletrônico ..................... 21

5. ANALÓGICO OU DIGITAL............................. 22 5.1. Sinal ................................................. 22 5.2. Display ............................................. 23 5.3. Tecnologia........................................ 23 5.4. Função Matemática.......................... 23 5.5. Comparação Analógica Versus Digital................................................................ 24 5.6. Burro ou inteligente.......................... 25

7. CAMPO OU SALA DE CONTROLE .................. 25 7.1. Instrumento de campo ..................... 26 7.2. Instrumentos montados na sala de controle ................................................... 27

8. MODULAR OU INTEGRAL............................. 28 8.1. Painel de leitura ............................... 28 8.2. Armário de instrumentos cegos ....... 29

8.3. Dedicado ou compartilhado............. 30 8.4. Centralizado ou distribuído.............. 30

11. REAL OU VIRTUAL ................................... 31 11.1. Instrumento real............................. 31 11.2. Instrumento virtual ......................... 31 11.3. Real e virtual .................................. 32

4. SISTEMAS DIGITAIS .................................. 34 1. INTRODUÇÃO ............................................ 34 2. SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO (SDCD) ....................................................... 34

2.1. Introdução........................................ 34 2.2. Emerson........................................... 35 2.3. Foxboro............................................ 36 2.4. Yokogawa ........................................ 37

3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP).................................................................... 37

3.1. Conceito........................................... 37 3.2. Construção....................................... 38 3.3. Operação do CLP ............................ 38 3.4. Varredura do CLP............................ 39 3.5. Capacidade do CLP......................... 39 3.6. Configuração de CLP ...................... 39 3.7. Equipamentos associados............... 40 3.8. Dimensionamento do CLP............... 41 3.9. Comunicação de dados ................... 41 3.10. Terminal de programação.............. 41

4. CONTROLE SUPERVISÓRIO E AQUISIÇÃO DE DADOS (SCADA) ......................................... 42

4.1. Introdução........................................ 42 4.2. Coleta de dados............................... 42 4.3.Estação de Operação ....................... 43 4.3. Programa Aplicativo (Software) ....... 45

5. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ............... 46 5.1. Introdução........................................ 46 5.2. Protocolo HART............................... 47 5.3. Fieldbus Foundation ........................ 49

6. INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS........................ 51 6.1. Cenário da planta ............................ 51 6.2. Conceito de Integração.................... 51 6.3. Pirâmide da interoperabilidade........ 51 6.4. Parâmetros da integração ............... 52 6.5. Como integrar .................................. 54

OBJETIVOS DE ENSINO.................................. 55 1. INTRODUÇÃO ............................................ 55 2. MALHA DE MEDIÇÃO.................................. 55

2.1. Resultado da medição ..................... 55 2.2. Componentes da malha................... 55 2.3. Malha de medição de vazão............ 56

Introdução

2

ELEMENTO SENSOR ................................... 59 1. CONCEITO ................................................ 59 2. TERMINOLOGIA.......................................... 59 3. PRINCÍPIOS DE TRANSDUÇÃO ..................... 60 4. SENSORES MECÂNICOS............................. 60 5. SENSORES ELETRÔNICOS.......................... 60

5.1. Sensor capacitivo............................. 61 5.2. Sensor indutivo ................................ 61 5.3. Sensor relutante............................... 62 5.4. Sensor eletromagnético ................... 62 5.5. Sensor piezelétrico........................... 62 5.6. Sensor resistivo................................ 62 5.7. Sensor potenciométrico ................... 62 5.8. Sensor strain gauge......................... 63 5.9. Sensor fotocondutivo ....................... 63 5.10. Sensor fotovoltáico......................... 63 5.11. Sensor termoelétrico...................... 63 5.12. Sensor iônico ................................. 63

6. ESCOLHA DO SENSOR................................ 64 7. CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS DO SENSOR.................................................................... 64

CONDICIONADOR DE SINAL ....................... 65 1. CONCEITO ................................................ 65

2. Aplicações........................................... 65 3. Funções desenvolvidas ...................... 66

4. LINEARIZAÇÃO DA VAZÃO........................... 67 4.1. Introdução ........................................ 67 4.2. Medidores Lineares e Não-lineares . 68

5. COMPENSAÇÃO......................................... 69 5.1. Introdução ........................................ 69 5.2. Condições normal, padrão e real..... 70 5.3. Compensação da Temperatura de Líquidos................................................... 71 5.4. Tomadas de Pressão e Temperatura................................................................ 71

6. TOTALIZAÇÃO DA VAZÃO............................ 71 TRANSMISSOR ............................................. 73

1. CONCEITOS BÁSICOS................................. 73 1.1. Introdução ........................................ 73 1.2. Justificativas do Transmissor........... 73 1.3. Terminologia .................................... 74 1.4. Transmissão do sinal ....................... 75 1.5. Sinais padrão de transmissão.......... 76

2. NATUREZA DO TRANSMISSOR..................... 77 2.1. Transmissor pneumático.................. 77 2.2. Transmissor eletrônico..................... 78

3. TRANSMISSOR E MANUTENÇÃO .................. 81 3.1. Transmissor analógico descartável . 81 3.2. Transmissor analógico convencional82 3.3. Transmissor inteligente digital ......... 82 3.4. Transmissor híbrido analógico digital................................................................ 83

4. RECEPTORES ASSOCIADOS........................ 84 4.1. Instrumentos associados ................. 84 4.2. Alimentação ..................................... 84 4.3. Transmissor como controlador ........ 84

5. SERVIÇOS ASSOCIADOS............................. 84 5.1. Especificação................................... 84 5.2. Instalação......................................... 85 5.3. Configuração.................................... 85 5.4. Operação ......................................... 85 5.5. Calibração........................................ 85 5.6. Manutenção ..................................... 87

INDICADOR ................................................... 88 1. CONCEITO ................................................ 88 2. VARIÁVEL MEDIDA..................................... 88 3. LOCAL DE MONTAGEM............................... 89 4. TIPO DA INDICAÇÃO................................... 89 5. RANGEABILIDADE DA INDICAÇÃO ................ 90 6. ASSOCIAÇÃO A OUTRA FUNÇÃO................. 91 7. SERVIÇOS ASSOCIADOS ............................ 91

REGISTRADOR ............................................. 93 1. INTRODUÇÃO ............................................ 93 2. TOPOGRAFIA............................................. 93 3. ACIONAMENTO DO GRÁFICO ...................... 94 4. PENAS...................................................... 94 5. GRÁFICOS ................................................ 95 6. ASSOCIAÇÃO A OUTRA FUNÇÃO................. 96 7. SERVIÇOS ASSOCIADOS ............................ 96

COMPUTADOR DE VAZÃO .......................... 97 1. CONCEITO ................................................ 97 2. PROGRAMÁVEIS ........................................ 97 3. DEDICADO ................................................ 97 4. APLICAÇÕES CLÁSSICAS ........................... 98

4.1. Vazão de liquido .............................. 98 4.2. Vazão de gás com compensação ... 98 4.3. Sistema com 2 transmissores e uma placa ....................................................... 99 4.5. Vazão de massa de gás .................. 99

5. SELEÇÃO DO COMPUTADOR ...................... 99 6. PLANÍMETRO........................................... 100

6.1. Histórico ......................................... 100 6.2. Cálculo matemático ou aritmético.. 100 6.3. Método do corte e peso ................. 100 6.4. Método do planímetro.................... 100 6.5. Gráficos Circulares Uniformes....... 101 6.6. Seleção e Especificação do Planímetro............................................. 101

CONTROLADOR ......................................... 102 1. CONCEITO .............................................. 102 2. COMPONENTES BÁSICOS......................... 102

2.1. Medição ......................................... 102 2.2. Ponto de Ajuste ............................. 102 2.3. Estação Manual Integral ................ 103 2.4. Unidade de Balanço Automático ... 103 2.5. Malha Aberta ou Fechada ............. 103 2.6. Ação Direta ou Inversa .................. 103

3. ESPECIFICAÇÃO DO CONTROLADOR ......... 105 3.1. Controlador Liga-Desliga ............... 105 3.2. Controlador de Intervalo Diferencial.............................................................. 106 3.3. Controlador Proporcional............... 106

Introdução

3

3.4. Controlador Proporcional mais Integral.............................................................. 107 3.5. Controlador Proporcional mais Derivativo .............................................. 108 3.6. Proporcional + Integral + Derivativo.............................................................. 109 3.7. Controlador Tipo Batelada ............. 110 3.8. Controlador Analógico ................... 111 3.9. Controlador Digital ......................... 112

4. CONTROLADOR MICROPROCESSADO ........ 113 4.1. Conceito ......................................... 113 4.2. Características ............................... 113 4.3. Controladores comerciais .............. 113

5. ESTAÇÃO MANUAL DE CONTROLE ............ 114 5.1. Estação Manual ............................. 115 5.2. Estação de Chaveamento A/M ...... 115 5.3. Estação A/M e Polarização............ 116 5.4. Serviços Associados...................... 116

VÁLVULA DE CONTROLE .......................... 117 1. INTRODUÇÃO........................................... 117 2. ELEMENTO FINAL DE CONTROLE .............. 117 3. VÁLVULA DE CONTROLE .......................... 118 4. CORPO ................................................... 118

4.1. Conceito ......................................... 118 4.2. Sede............................................... 119 4.3. Plug ................................................ 119

5. CASTELO ................................................ 119 6. ATUADOR................................................ 120

6.1. Operação Manual ou Automática .. 120 6.2. Atuador Pneumático....................... 120 6.3. Ações do Atuador........................... 121 6.4. Escolha da Ação ............................ 122 6.5. Mudança da Ação .......................... 122 6.6. Dimensionamento do Atuador ....... 122 6.7. Atuador e outro Elemento Final ..... 122

7. ACESSÓRIOS........................................... 123 7.1. Volante ........................................... 123 7.2. Posicionador .................................. 123 7.3. Booster........................................... 124

8. CARACTERÍSTICA DA VÁLVULA ................. 124 8.1. Conceito ......................................... 124 8.2. Características da Válvula e do Processo ............................................... 125 8.3. Escolha de Características ............ 126

9. OPERAÇÃO DA VÁLVULA .......................... 127 9.1. Aplicação da Válvula...................... 127 9.2. Desempenho.................................. 127 9.3. Rangeabilidade .............................. 128

10. VEDAÇÃO E ESTANQUEIDADE................. 128 10.1. Classificação................................ 128 10.2. Fatores do Vazamento................. 129 10.3. Válvulas de Bloqueio ................... 129

11. DIMENSIONAMENTO............................... 129 11.1. Filosofia........................................ 129 11.2. Válvulas para Líquidos................. 130 11.3. Válvulas para Gases.................... 130 11.4. Queda de Pressão na Válvula ..... 130

12. INSTALAÇÃO ......................................... 131 12.1. Introdução.................................... 131 12.2. Localização da Válvula ................ 131 12.3. Cuidados Antes da Instalação..... 131 12.4. Tensões da Tabulação ................ 131 12.5. Redutores .................................... 132 12.6. Instalação da Válvula................... 132

13. PARÂMETROS DE SELEÇÃO ................... 132 13.1. Função da Válvula ....................... 133 13.2. Fluido do Processo ...................... 133 13.3. Perdas de Atrito do Fluido ........... 133 13.4. Condições de Operação.............. 133 13.5. Vedação....................................... 133 13.6. Materiais de Construção.............. 133 13.7. Elemento de Controle .................. 134

14. TIPOS DE VÁLVULAS.............................. 134 14.1. Válvula Gaveta ............................ 135 14.2. Válvula Esfera.............................. 136 14.3. Válvula Borboleta......................... 137 14.4. Válvula Globo .............................. 138 14.5. Válvula Auto-regulada ................. 140

15. VÁLVULAS ESPECIAIS ............................ 142 15.1. Válvula Retenção (Check Valve) . 142 15.2. Válvulas de Retenção Tipo Levantamento ....................................... 143 15.3. Válvulas de Retenção Esfera ...... 143 15.4. Válvulas de Retenção Borboleta . 143 15.5. Válvula de Retenção e Bloqueio . 143

16. VÁLVULA DE ALÍVIO DE PRESSÃO........... 143 16.1. Função do Equipamento.............. 143 16.2. Definições e Conceitos ................ 144 16.3. Sobrepressão .............................. 144 16.4. Válvula de Segurança.................. 144

17. VÁLVULAS SOLENÓIDES ........................ 146 17.1. Solenóide..................................... 146 17.2. Válvula Solenóide ........................ 147 17.3. Operação e Ação......................... 147

18. VÁLVULA REDUTORA DE PRESSÃO......... 148 18.1. Conceito....................................... 148 18.2. Precisão da Regulação................ 148 18.3. Sensibilidade ............................... 148 18.4. Seleção da Válvula Redutora de Pressão................................................. 148 18.5. Instalação..................................... 149

4. ESPECIFICAÇÕES.................................. 150 1. INFORMAÇÃO DO PRODUTO ..................... 150

1.1. Propriedade (feature)..................... 150 1.2. Especificação................................. 150 1.3. Característica................................. 150

2. PROPRIEDADES DO INSTRUMENTO ........... 151 2.1. Funcionalidade .............................. 151 2.2. Estabilidade ................................... 154 2.3. Integridade..................................... 154 2.4. Robustez........................................ 158 2.5. Confiabilidade ................................ 158 2.6. Disponibilidade .............................. 162 2.7. Calibração...................................... 163 2.8. Manutenção .................................. 163 2.9. Resposta dinâmica ........................ 164

Introdução

4

3. ESPECIFICAÇÕES DO INSTRUMENTO ......... 166 3.1. Especificações de Operação ......... 166 3.2. Especificação de desempenho ...... 166 3.3. Especificações funcionais.............. 174 3.4. Especificações físicas.................... 175 3.5. Especificação de segurança .......... 176 3.6. Corrosão dos Instrumentos............ 184 3.7. Processos Marginais...................... 187

7. VARIÁVEIS DO PROCESSO ....................... 189 OBJETIVOS DE ENSINO ................................ 189 1. INTRODUÇÃO........................................... 189 2. CONCEITO .............................................. 189 3. FAIXA DAS VARIÁVEIS .............................. 190

3.1. Faixa e Amplitude de Faixa ........... 190 3.2. Limites de Faixa ............................. 190 3.3. Faixa e Desempenho do Instrumento.............................................................. 190

4. PRESSÃO................................................ 191 4.1. Definição ........................................ 191 4.2. Unidades ........................................ 191 4.3. Tipos .............................................. 192 4.4. Medição da pressão....................... 193 4.5. Sensores Mecânicos...................... 193 4.6. Sensores Elétricos ......................... 195 4.7. Selo de pressão ............................. 196 4.8. Pressostato .................................... 196 4.9. Calibração da pressão ................... 197

5. TEMPERATURA........................................ 199 5.1. Definições ...................................... 199 5.2. Unidades ........................................ 199 5.3. Escalas........................................... 200 5.4. Escala Prática Internacional de Temperatura (EPIT) .............................. 200 # ............................................................ 201 5.5. Medição da Temperatura............... 202 5.6. Termopar........................................ 205 5.7. Resistência detectora de temperatura (RTD)..................................................... 208 5.8. Acessórios...................................... 210

6. ANÁLISE POR CROMATOGRAFIA ................ 212 6.1. Introdução e Histórico .................... 212 6.2. Tipos de Cromatografia ................. 212 6.3. Cromatografia Gás-Líquido............ 213 6.4. Cromatógrafo para gás natural ...... 213 6.5. Cromatógrafo em linha .................. 213

8. NÍVEL........................................................ 215 1. Introdução ......................................... 215

2. MEDIÇÃO MANUAL................................... 217 Introdução ............................................. 217 Geral...................................................... 217 Fita de imersão ..................................... 217 Peso de imersão ................................... 219 Régua Ullage ........................................ 220 Régua detectora de água ..................... 222

3. MEDIÇÃO AUTOMÁTICA............................ 223 3.1. Introdução ...................................... 223 3.2. Exigências metrológicas ................ 223 3.3. Exigências técnicas........................ 225

3.4. Exigências da instalação ............... 225 3.5. Exigências para medidor eletrônico225 3.6. Controle metrológico...................... 226 3.7. Procedimentos de teste ................. 227 3.8. Testes adicionais ........................... 229 3.9. Instalação e operação ................... 229 3.10. Seleção do medidor..................... 230

4. MEDIDORES DA ANP............................... 235 4.1. Medidores aprovados .................... 235 4.2. Medidor com Bóia.......................... 235 4.3. Medição com Deslocador .............. 235 4.4. Medição com Radar....................... 237

9. VAZÃO ...................................................... 239 1. INTRODUÇÃO .......................................... 239 2. CONCEITO DE VAZÃO .............................. 239 3. VAZÃO EM TUBULAÇÃO............................ 239 4. TIPOS DE VAZÃO..................................... 240

Vazão Ideal ou Real ............................. 241 Vazão Laminar ou Turbulenta .............. 241 Vazão Estável ou Instável .................... 242 Vazão Uniforme e Não Uniforme.......... 242 Vazão Volumétrica ou Mássica ............ 243 Vazão Incompressível e Compressível 243 Vazão Rotacional e Irrotacional............ 244 Vazão monofásica e bifásica ................ 244 Vazão Crítica ........................................ 245

5. PERFIL DA VELOCIDADE........................... 246 6. SELEÇÃO DO MEDIDOR............................ 247

6.1. Sistema de Medição ...................... 247 6.2. Tipos de Medidores ....................... 247 6.3. Parâmetros da Seleção ................. 249 6.4. Medidores aprovados pela ANP.... 252

PLACA DE ORIFÍCIO ..................................... 253 1. INTRODUÇÃO HISTÓRICA.......................... 253 2. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO E EQUAÇÕES.... 254 3. ELEMENTOS DOS SISTEMA....................... 255

3.1. Elemento Primário ......................... 256 3.2. Elemento Secundário .................... 256

4. PLACA DE ORIFÍCIO ................................. 256 4.1. Materiais da Placa ......................... 256 4.2. Geometria da Placa ....................... 256 4.3. Montagem da Placa....................... 258 4.4. Tomadas da Pressão Diferencial .. 259 4.5. Perda de Carga e Custo da Energia.............................................................. 260 4.6. Protusões e Cavidades.................. 261 4.7. Relações Matemáticas .................. 261 4.8. Fatores de Correção...................... 262 4.9. Dimensionamento do β da Placa... 263 4.10. Sensores da Pressão Diferencial 265

TURBINA....................................................... 267 1. INTRODUÇÃO .......................................... 267 2. TIPOS DE TURBINAS ................................ 267

Turbina mecânica ................................. 267 3. TURBINA CONVENCIONAL ........................ 268

Princípio de Funcionamento ................. 268 Partes Constituintes.............................. 268

Introdução

5

Detectores da Velocidade Angular ....... 270 Classificação Elétrica ............................ 271 Fluido Medido........................................ 271 Características ...................................... 272 Condicionamento do Sinal .................... 272 Desempenho......................................... 273 Fatores de Influência............................. 274 Seleção da turbina ................................ 275 Dimensionamento ................................. 276 Considerações Ambientais ................... 276 Instalação da Turbina............................ 277 Operação .............................................. 277 Manutenção .......................................... 278 Calibração e Rastreabilidade................ 278 Cuidados e procedimentos ................... 279 Folha de Especificação: Medidor de Vazão Tipo Turbina .......................................... 280

DESLOCAMENTO POSITIVO ......................... 281 1. INTRODUÇÃO........................................... 281 2. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO......................... 281 3. CARACTERÍSTICAS................................... 281 4. TIPOS DE MEDIDORES ............................. 283

Disco Nutante........................................ 283 Lâmina Rotatória................................... 283 Pistão Oscilatório .................................. 283 Pistão Reciprocante .............................. 284 Lóbulo Rotativo ..................................... 284 Medidor com Engrenagens Ovais......... 284

5. MEDIDORES PARA GASES ........................ 285 Aplicações............................................. 286 Calibração dos Medidores de Gases.... 286

6. VANTAGENS E DESVANTAGENS ................ 286 7. CONCLUSÃO ........................................... 287

CORIOLIS...................................................... 289 1. INTRODUÇÃO........................................... 289 2. EFEITO CORIOLIS .................................... 289 3. RELAÇÕES MATEMÁTICAS........................ 290 4. CALIBRAÇÃO ........................................... 290 5. MEDIDOR INDUSTRIAL.............................. 291 6. CARACTERÍSTICAS................................... 292 7. APLICAÇÕES ........................................... 292 8. CRITÉRIOS DE SELEÇÃO .......................... 292 9. LIMITAÇÕES ............................................ 292 10. CONCLUSÃO ......................................... 293

ULTRA-SÔNICO............................................. 295 17.1. INTRODUÇÃO...................................... 295 17.2. DIFERENÇA DE TEMPO........................ 295 17.2. DIFERENÇA DE FREQÜÊNCIA............... 296 17.3. EFEITO DOPPLER ............................... 296 17.4. RELAÇÃO MATEMÁTICA ...................... 296 17.5. REALIZAÇÃO DO MEDIDOR .................. 297 17.6. APLICAÇÕES ...................................... 297

Especificações ...................................... 298 Conclusão ............................................. 298

MAGNÉTICO ............................................... 299 8.1. Princípio de funcionamento ........... 299 8.2. Sistema de Medição ...................... 299 8.3. Tubo Medidor................................. 299 8.4. Transmissor de Vazão................... 300 8.5. Vantagens...................................... 300 8.6. Desvantagens e limitações............ 300

TERMINOLOGIA............................................ 302 2.1. INTRODUÇÃO ....................................... 302 2.2. DEFINIÇÕES E CONCEITOS ................... 302

Ação do Controlador............................. 302 Ação de Controle .................................. 302 Acessível............................................... 302 Ajuste .................................................... 302 Alarme................................................... 302 Amortecimento...................................... 303 Amplificador .......................................... 303 Analisador ............................................. 303 Análise .................................................. 303 Analógico .............................................. 303 Aquecimento (warm up)........................ 303 Área de ambiente.................................. 303 Armário (Rack)...................................... 303 Atenuador ............................................. 304 Atraso (delay)........................................ 304 Atuador ................................................. 304 Auto – aquecimento.............................. 304 Auto - regulação.................................... 304 Auto - sintonia ....................................... 304 Backlash ............................................... 304 Banda Proporcional .............................. 304 Bourdon C............................................. 304 Banda morta ......................................... 304 Base de numeração.............................. 304 Binário................................................... 304 Bico-Palheta.......................................... 305 Bocal ..................................................... 305 Bode, Diagrama de............................... 305 Bulbo..................................................... 305 Bypass .................................................. 305 Calibração............................................. 305 Campo .................................................. 305 Carga .................................................... 305 Cavitação .............................................. 305 Célula de carga..................................... 305 Centro de Controle ............................... 305 Chave.................................................... 305 Choque mecânico................................. 306 Cíclico ................................................... 306 Condições de Operação ....................... 306 Condutância.......................................... 306 Condutividade (elétrica)........................ 306 Confiabilidade ....................................... 306 Conhecimento (Acknowledgement)...... 306 Compartilhado....................................... 306 Compensação....................................... 306 Compensador ....................................... 306 Computador Analógico ......................... 306 Computador Digital ............................... 306

Introdução

6

Configuração......................................... 307 Conformidade........................................ 307 Constante de Tempo............................. 307 Consumo de ar...................................... 307 Controlador ........................................... 307 Controle Compartilhado ........................ 307 Controle Digital Direto........................... 307 Controle Liga-Desliga............................ 307 Controle Lógico Programável ............... 307 Controle Multivariável............................ 308 Controle Processo................................. 308 Controle Preditivo Antecipatório ........... 308 Controle Realimentação Negativa ........ 308 Controle Supervisório............................ 308 Conversor.............................................. 308 Coriolis .................................................. 308 Correção ............................................... 308 Corpo Negro.......................................... 308 Correlação............................................. 308 Corrosão ............................................... 309 Cristal piezoelétrico............................... 309 Característica, Curva ............................ 309 Característica de Válvula ...................... 309 Dedicado ............................................... 309 Default ................................................... 309 Densidade ............................................. 309 Desvio (drift) .......................................... 309 Detector................................................. 309 Dew Point.............................................. 309 Diafragma.............................................. 309 Diagrama ladder.................................... 309 Digital .................................................... 309 Display................................................... 310 Distúrbio ................................................ 310 dp Cell ................................................... 310 Driver..................................................... 310 Elemento Final ...................................... 310 Eletrônico .............................................. 310 Elo de Comunicação............................. 310 Equipamento ......................................... 310 Erro........................................................ 310 Espiral ................................................... 310 Estação Automático-Manual ................. 311 Estação Manual de Controle................. 311 Exatidão (accuracy) .............................. 311 Excitação............................................... 311 Faixa...................................................... 311 Falha ..................................................... 311 Fator de Escala ..................................... 311 Fibra óptica ........................................... 311 Fieldbus®.............................................. 312 Fio ......................................................... 312 Flacheamento (flashing)........................ 312 Fole ....................................................... 312 Foreground/background........................ 312 Freqüência ............................................ 312 Função .................................................. 312 Ganho.................................................... 312 Hardware (HD) ...................................... 312 HART®.................................................. 312

Hidrômetro ............................................ 312 Histerese............................................... 312 Hot Standby (Reserva a quente) .......... 313 Impedância ........................................... 313 Indicador ............................................... 313 Interface ................................................ 313 Interferência eletromagnética ............... 313 Intertravamento..................................... 313 Instrumentação ..................................... 313 Instrumento inteligente ......................... 313 Instrumento virtual ................................ 313 Invólucro ............................................... 313 IPTS 1990 ............................................. 313 Isolação................................................. 314 Junta ..................................................... 314 Lâmpada Piloto ..................................... 314 LASER .................................................. 314 Linear .................................................... 314 Linearidade ........................................... 314 Local de Risco (classificado) ................ 314 LVDT..................................................... 314 Malha .................................................... 314 Magnético, Medidor de Vazão.............. 314 Medição ................................................ 315 Microprocessador ................................. 315 Modulação ............................................ 315 Módulo .................................................. 315 Multiplexador......................................... 315 Não incenditivo ..................................... 315 Nível...................................................... 315 Normal .................................................. 315 Oscilação .............................................. 315 Otimização de Controle ........................ 315 Padrão .................................................. 315 Painel de Leitura (Display).................... 316 P & I ...................................................... 316 Peso...................................................... 316 Pirômetro .............................................. 316 Pitot....................................................... 316 pH ......................................................... 316 Placa de orifício .................................... 316 Pneumático ........................................... 316 Poço termal........................................... 316 Ponto de Ajuste..................................... 316 Posição ................................................. 316 Posicionador ......................................... 316 Pressão................................................. 317 Pressurização ....................................... 317 Procedimento........................................ 317 Processo ............................................... 317 Protocolo............................................... 317 Prova de explosão ................................ 317 Prover (lê-se prúver)............................. 317 Reação ao Processo ............................ 318 Regime permanente ............................. 318 Registrador ........................................... 318 Regulador ............................................. 318 Relé....................................................... 318 Repetitividade ....................................... 318 Reprodutitividade.................................. 318

Introdução

7

Reset ..................................................... 318 Resolução ............................................. 318 Resposta ............................................... 318 Ressonância ......................................... 318 Reynolds, número de............................ 318 RTD....................................................... 318 Rotâmetro ............................................. 319 Ruído..................................................... 319 Saturação.............................................. 319 SI ........................................................... 319 Sinal ...................................................... 319 Segurança intrínseca ............................ 319 Segurança aumentada.......................... 319 Sensitividade......................................... 319 Sensor................................................... 319 Servomecanismo .................................. 320 Sistema de Aquisição de Dados ........... 320 SCADA (Supervisory Control And Data Acquision) ............................................. 320 SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído)............................................ 320 Sistema de Controle.............................. 320 Software (SW)....................................... 320 Solenóide .............................................. 320 Strain gage............................................ 320 Tacômetro ............................................. 320 Telemetria ............................................. 320 Temperatura.......................................... 320 Tempo ................................................... 321 Termistor ............................................... 321 Termômetro........................................... 321 Termopar............................................... 321 Teste, Ponto de..................................... 321 Teste, Chave de.................................... 321 Torque................................................... 321 Transdutor............................................. 321 Transferível ........................................... 321 Transiente ............................................. 322 Transmissor .......................................... 322 Tubo de vazão (flow tube ou meter run) ..... 322 Turbina medidora de vazão .................. 322 Umidade................................................ 322 Válvula de Controle............................... 322 Válvula de segurança............................ 322 Vapor..................................................... 322 Variável de Processo ............................ 322 Vazão .................................................... 322 Venturi ................................................... 322 Vibração ................................................ 323 Viscosidade........................................... 323 Visor de nível ........................................ 323 Vortex.................................................... 323 Wheatstone, ponte de........................... 323

16. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............ 324

1

1. Instrumentação

Objetivos de Ensino 1. Conceituar instrumentação, distinguindo seus diferentes enfoques de fabricação, projeto,

especificação, instalação, operação e manutenção. 2. Identificar as variáveis analógicas envolvidas. 3. Listar os tipos de equipamentos que podem ser benficiados com a medição e controle de

suas variáveis. 4. Determinar qual tipo de indústria possui processo onde se pode aplicar a instrumentação. 5. Listar as principais vantagens de se usar instrumentos de medição e controle.

1. Instrumentação

1.1. Conceito e aplicações Instrumentação é o conjunto de

instrumentos e equipamento auxiliar usado em uma experiência, teste ou processo ou em uma planta, máquina ou veículo. Estes instrumentos são usados para detectar, observar, medir, controlar automaticamente, computar automaticamente, comunicar ou processar dados e sinais.

A instrumentação é o ramo da engenharia que trata de instrumentos industriais de medição. Os enfoques da instrumentação podem ser de

1. Fabricação: construção de componentes e instrumentos.

2. Projeto: detalhamento básico e específico de sistemas equipamentos e instrumentos.

3. Especificação: estabelecimento de características físicas, funcionais e de segurança dos instrumentos.

4. Vendas: comercialização, marketing e promoção de instrumentos

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

6. Operação: monitoração do desempenho dos instrumentos e atuação manual, quando necessário, para garantir segurança e eficiência do processo envolvido.

7. Manutenção dos instrumentos: reparo do instrumento quando inoperante, calibração e ajuste do instrumento quando o seu desempenho metrológico o exigir.

As principais funções dos instrumentos são:

1. Sensor: detecção da variável medida. 2. Indicação: apresentação do valor

instantâneo da variável. 3. Condicionamento do sinal: operação de

tornar mais amigável o sinal original. 4. Registro: apresentação do valor

histórico e em tempo real da variável. 5. Controle: garantia de que o valor de

uma variável permaneça igual, em torno ou próximo de um valor desejado.

6. Alarme e intertravamento: geração de sinais para chamar a atenção do operador para condições que exijam sua interferência ou para atuar automaticamente no processo para mantê-lo seguro.

As variáveis envolvidas incluem mas não se limitam a

1. Análise 2. Nível 3. Pressão 4. Temperatura 5. Vazão Os instrumentos estão associados e

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

vapor. 2. Reator: equipamento onde se realiza

uma reação química ordenada. 3. Compressor: equipamento para mover

gases. 4. Bomba: equipamento para mover

líquidos. 5. Coluna de destilação: equipamento

para separar diferentes produtos com diferentes pontos de ebulição.

6. Forno: equipamento para aquecer algum produto.

7. Refrigerador: equipamento para esfriar algum produto.

8. Condicionador de ar: equipamento para manter a temperatura e a umidade

Instrumentação

2

relativa do ar ambiente dentro de determinados limites estabelecidos.

As indústrias que utilizam os instrumentos de medição e de controle do processo, de modo intensivo e extensivo são:

1. Química 2. Petroquímica 3. Refinaria de petróleo 4. Gás e óleo 5. Dutos e Terminais 6. Têxtil 7. Fertilizante 8. Papel e celulose 9. Alimentícia 10. Farmacêutica 11. Cimento 12. Siderúrgica 13. Mineração 14. Nuclear 15. Hidrelétrica 16. Termelétrica 17. Tratamento d'água e de efluentes

1.2. Disciplinas relacionadas O projeto completo do sistema de controle

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

1. Mecânica dos fluidos, para a especificação de bombas, dimensionamento de tubulações, disposição de bandejas da coluna de destilação, dimensionamento de trocadores de calor, especificação de bombas e compressores.

2. Transferência de calor, para a determinação da remoção do calor dos reatores químicos, pré-aquecedores, caldeiras de recuperação e dimensionamento de condensadores.

3. Cinética das reações químicas, para o dimensionamento dos reatores, escolha das condições de operação (pressão, temperatura e nível) e de catalisadores,

4. Termodinâmica, para o calculo da transferência de massa, do número e da relação das placas de refluxo e das condições de equilíbrio do reator.

5. Informática para a operação de sistemas de controle que usam computadores digitais como interface humano-máquina.

6. Telecomunicação para aplicar em redes de comunicação que interligam sistemas digitais separados por pequenas e grandes distancias.

7. Estatística para a estimativa das incertezas associadas com as medições e o desenvolvimento de técnicas para determinar e minimizar

estas incertezas dos instrumentos e das medições em uso industrial, garantindo sua precisão e exatidão.

8. Aritmética para expressar corretamente os resultados da medição, com o número correto de algarismos significativos, havendo coerência e conformidade com as especificações metrológicas dos instrumentos da malha de medição.

9. Legislação, normas técnicas e boas práticas, para atender exigências legais e contratos comerciais entre comprador e vendedor de produtos em transferência de custódia.

Esses conhecimentos auxiliam na escolha e na aplicação do sistema de controle automático associado ao processo. Os modelos matemáticos, as analogias e a simulação do processo são desenvolvidos e dirigidos para o entendimento do processo e sua dinâmica e finalmente para a escolha do melhor sistema de controle.

A especificação dos instrumentos requer o conhecimento dos catálogos dos fabricantes e das funções a serem executadas, bem como das normas, leis e regulamentações aplicáveis.

A manutenção dos instrumentos exige o conhecimento dos circuitos mecânicos, pneumáticos e eletrônicos dos instrumentos, geralmente fornecidos pelos fabricantes dos instrumentos. Para a manutenção da instrumentação pneumática exige-se a habilidade manual e uma paciência bovina para os ajustes de elos, alinhamento de foles, estabelecimento de ângulos retos entre alavancas, colocação de parafusos em locais quase inacessíveis. A manutenção dos instrumentos eletrônicos requer o conhecimento da eletrônica básica, do funcionamento dos amplificadores operacionais e atualmente das técnicas digitais. O fabricante correto fornece os circuitos eletrônicos e os diagramas de bloco esquemáticos dos instrumentos.

Para a sintonia do controlador e o entendimento dos fenômenos relativos ao amortecimento, à oscilação e à saturação é útil o conhecimento rigoroso dos conceitos matemáticos da integral e da derivada. A analise teórica da estabilidade do processo requer uma matemática transcendental, envolvendo a função de transferência, os zeros e os pólos de diagramas, as equações diferenciais, a transformada de Laplace e os critérios de Routh-Hurwitz.

Instrumentação

3

Fig. 1.2. Vista da Sala de Controle

1.3. Vantagens e Aplicações Nem todas as vantagens da

instrumentação podem ser listadas aqui. As principais estão relacionadas com a qualidade e com a quantidade dos produtos, fabricados com segurança e sem subprodutos nocivos. Há muitas outras vantagens. O controle automático possibilita a existência de processos extremamente complexos, impossíveis de existirem apenas com o controle manual. Um processo industrial típico envolve centenas e até milhares de sensores e de elementos finais de controle que devem ser operados e coordenados continuamente.

Como vantagens, o instrumento de medição e controle 1. não fica aborrecido ou nervoso, 2. não reclama, 3. não fica distraído ou atraído por pessoas

bonitas, 4. não assiste a um jogo de futebol na

televisão nem o escuta pelo rádio, 5. não pára para almoçar ou ir ao banheiro, 6. não fica cansado de trabalhar, 7. não tem problemas emocionais, 8. não abusa seu corpos ou sua mente, 9. não tem sono, 10. não folga do fim de semana ou feriado, 11. não sai de férias, 12. não reivindica aumento de salário.

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

estiver nas condições previstas pelo fabricante,

3. requer calibrações e ajustes periódicos, para se manter exato

4. requer manutenção corretiva, preventiva ou preditiva, para que sua precisão se mantenha dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante e

5. é provável que algum dia ele falhe e pela lei de Murphy, esta falha geralmente acontecerá na pior hora possível e poderá acarretar grandes complicações.

Qualidade do Produto A maioria dos produtos industriais é

fabricada para satisfazer determinadas propriedades físicas e químicas. Quanto melhor a qualidade do produto, menores devem ser as tolerâncias de suas propriedades. Quanto menor a tolerância, maior a necessidade dos instrumentos para a medição e o controle automático.

Os fabricantes executam testes físicos e químicos em todos os produtos feitos ou, pelo menos, em amostras representativas tomadas aleatoriamente das linhas de produção, para verificar se as especificações estabelecidas foram atingidas pela produção. Para isso, são usados instrumentos tais como indicadores de densidade e viscosidade, espectrômetros de massa, analisadores de infravermelho, cromatógrafos e outros.

Os instrumentos possibilitam a verificação, a garantia e a repetitividade da qualidade dos produtos.

Atualmente, o conjunto de normas ISO 9000 exige que os instrumentos que impactam a qualidade do produto tenham um sistema de monitoração, onde estão incluídas a manutenção e calibração documentada deles.

Instrumentos analíticos são a base da obtenção de produtos dentro de suas especificações desejadas.

Quantidade do Produto As quantidades das matérias primas, dos

produtos finais e das utilidades devem ser medidas e controladas para fins de balanço do custo e do rendimento do processo. Também é freqüente a medição de produtos para venda e compra entre plantas diferentes.

Os instrumentos de indicação, registro e totalização da vazão e do nível fazem a aquisição confiável dos dados através das medições de modo continuo e preciso.

Os instrumentos asseguram a quantidade precisa e exata das substâncias transferidas, compradas e vendidas.

Fig. 1.4. Instrumentos de medição de nível

Instrumentação

4

Economia do Processo O controle automático economiza energia,

pois elimina o superaquecimento de fornos, de fornalhas e de secadores. O controle de calor está baseado geralmente na medição de temperatura e não existe nenhum operador humano que consiga sentir a temperatura com a precisão e a sensitividade do termopar ou da resistência.

Instrumentos também permitem a realização de reações químicas em quantidades estequiométricas e econômicas.

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

Fig. 1.5. Instrumentação aplicada à indústria

Ecologia Na maioria dos processos, os produtos que

não são aproveitáveis e devem ser jogados fora, são prejudiciais às vidas animal e vegetal. A fim de evitar este resultado nocivo, devem ser adicionados agentes corretivos para neutralizar estes efeitos. Pela medição do pH dos efluentes, pode se economizar a quantidade do agente corretivo a ser usado e pode se assegurar que o efluente esteja não agressivo.

Os instrumentos garantem efluentes limpos e inofensivos.

Segurança da Planta O processo deve ter alarme e proteção

associados ao sistema de medição e controle. O alarme é realizado através das mudanças de contatos elétricos, monitoradas pelos valores máximo e mínimo das variáveis do processo. Os contatos dos alarmes podem atuar (ligar ou

desligar) equipamentos elétricos, dispositivos sonoros e luminosos.

É útil o uso do sistema de desligamento automático ou de trip do processo. Deve-se proteger o processo, através de um sistema lógico e seqüencial que sinta as variáveis do processo e mantenha os seus valores dentro dos limites de segurança, ligando ou desligando os equipamentos e evitando qualquer seqüência indevida que produza condição perigosa.

Fig. 1.6. Planta industrial Muitas plantas possuem uma ou várias

áreas onde podem estar vários perigos, tais como o fogo, a explosão, a liberação de produtos tóxicos. Haverá problema, a não ser que sejam tomados cuidados especiais na observação e no controle destes fenômenos. Hoje são disponíveis instrumentos que podem detectar a presença de concentrações perigosas de gases e vapores e o aparecimento de chama em unidades de combustão.

Finalmente, todos os instrumentos que são instalados em áreas que contenham gases, pós ou fibras explosivas ou incendiárias devem ter proteções adicionais, para que sua presença no local não aumente o risco de explosão ou incêndio no local.

Os instrumentos protegem vidas humanas, meio ambiente e equipamentos

.

5

2. Símbolos e Identificação Objetivos de Ensino

1. Mostrar as normas, aplicações da simbologia e identificação dos instrumentos na indústria. 2. Apresentar os parâmetros para a identificação completa e correta dos instrumentos, quanto a

local, filosofia, variável, função e modificadores de instrumentos analógicos e digitais. 3. A partir de uma descrição, elaborar um diagrama P&I (Processo & Instrumentos). 4. A partir de um P&I, descrever de modo completo e correto os equipamentos e instrumentos

envolvidos.

1. Introdução A simbologia de instrumentação analógica

e digital, compartilhada e integral, distribuída e centralizada se baseia nas seguintes normas:

1. ABNT 03.004, NBR 8190, 1983: Simbologia de Instrumentação.

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

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

2. Aplicações Os símbolos de instrumentação são

encontrados principalmente em 1. Fluxogramas de processo e de engenharia, 2. Desenhos de detalhamento de

instrumentação instalação, diagramas de ligação, plantas de localização, diagramas lógicos de controle, listagem de instrumentos,

3. Painéis sinópticos e semigráficos na sala de controle,

4. Diagramas de telas de vídeo de estações de controle.

3. Roteiro da identificação

3.1. Geral Cada instrumento ou função a ser

identificada é designado por um conjunto alfanumérico, chamado de tag. A parte de identificação da malha correspondente ao número e é comum a todos os instrumentos da mesma malha. O tag pode ainda ter sufixo para completar a identificação. O número da malha

do instrumento pode incluir o código da informação da área .

Por exemplo, os tags TIC 500-103 e TIC 500-104 são de dois Controladores Indicadores de Temperatura, ambos da área 500 e os números seqüenciais são 103 e 104.

3.2. Tag completo típico

TIC 103 Identificação do instrumento ou tag do instrumento

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

...C Última letra: identificação funcional: Controlador

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

103 Número da malha de temperatura

3.3. Identificação funcional A identificação funcional do instrumento ou

seu equivalente funcional consiste de letras da Tab. 2.5 e inclui uma primeira letra, que é a variável do processo medida ou de inicialização. A primeira letra pode ter um modificador opcional. Por exemplo, PT é o transmissor de pressão e PDT é o transmissor de pressão diferencial.

A identificação funcional do instrumento é feita de acordo com sua função e não de sua construção. Assim, um transmissor de pressão diferencial para medir nível tem o tag LT (transmissor de nível) e não o de PDT, transmissor de pressão diferencial. Embora o transmissor seja construído e realmente meça a pressão diferencial, seu tag depende de sua aplicação e por isso pode ser LT, quando mede nível ou FT, quando mede vazão.

Outro exemplo, uma chave atuada por pressão ligada à saída de um transmissor

Símbolos e Identificação

6

pneumático de nível tem tag LS, chave de nível e não PS, chave de pressão.

O tag também não depende da variável manipulada, mas sempre da variável inicializada ou medida. Assim, uma válvula que manipula a vazão de saída de um tanque para controlar nível, tem tag de LV ou LCV e não de FV ou FCV.

Quando há somente duas letras, a segunda letra é a função do instrumento. FT é o tag de um transmissor (T) de vazão (F).

Também a segunda letra, que corresponde a função do instrumento, pode ter um ou mais modificadores. FIA é o tag de um indicador de vazão, com alarme. Alarme é o modificador da função indicação. Também pode se detalhar o tipo de alarme, p. ex., FIAL é o tag de um indicador de vazão com alarme de baixa.

O tag pode ter modificador da variável (primeira letra) e da função (segunda letra). Por exemplo, PDIAL é um indicador de pressão diferencial (modificador de pressão) com alarme (modificador do indicador) de baixa (modificador do alarme).

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

Todas as letras de identificação de instrumentos são maiúsculas. Por isso, deve-se evitar usar FrC para controlador de relação de vazões e usar FFC, controlador de fração de vazões.

As funções de condicionamento de sinal ou de computação matem[atica (+. -, x, ÷, √), seleção (<, >), lógica e covnersão (i/p, p/i) deve ter os símbolos ao lado do balão, para esclarecer a função executada.

3.4. Identificação da malha A identificação da malha geralmente é feita

por um número, colocado ao final da identificação funcional do instrumento associado a uma variável de processo. Esta numeração não está na norma, mas se baseia em bom senso ou códigos locais da empresa.

A numeração pode ser serial ou paralela. Numeração paralela começa de 0 ou 1 para cada variável, TIC-100, FIC-100, LIC-100 e AI-100. Numeração serial usa uma única seqüência de números, de modo que se tem TIC-100, FIC-101, LIC-102 e AI-103. A numeração pode começar de 0, 1 ou qualquer outro número conveniente, como 101, 1001, 1201.

Quando a malha tem mais de um instrumento com a mesma função, geralmente

a função de condicionamento, deve-se usar apêndice ou sufixo ao número. Por exemplo, se a mesma malha de vazão tem um extrator de raiz quadrada e um transdutor corrente para pneumático, o primeiro pode ser FY-101-A e o segundo, FY-101-B. Quando se tem um registrador multiponto, com n pontos, é comum numerar as malhas como TE-18-1, TE-18-2, TE-18-3 até TE-18-n.

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

Acessórios de instrumentos, como purgador, regulador de pressão, pote de selagem e poço de temperatura, que às vezes nem é mostrado explicitamente no diagrama, precisam ser identificados e ter um tag, de acordo com sua função e deve ter o mesmo número da malha onde é utilizado. Esta identificação não implica que o acessório deva ser representado no diagrama. Também pode usar o mesmo tag da malha e colocando-se a palavra de sua função, como selo, poço, flange, purga. Há acessório que possui letra correspondente na norma, como W para poço (well) termal.

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

TE-301 sensor de temperatura TT – 301 transmissor de temperatura TC-301 controlador de temperatura TCV-301 válvula controladora (ou de

controle) de temperatura Porém, há quem prefira e use:

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

controle) de temperatura

Também é possível encontrar em diagramas o tag de TIC ou TC para o controlador de temperatura. Como praticamente todo controlador é também indicador, é comum simplificar e usar TC.

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


7

Tab. 2.1. Válvulas de controle

Válvula de controle com atuador pneumático

Válvula atuada por cilindro (ação dupla)

Válvula auto regulada ou reguladora

Reguladora com tomada de pressão externa

Reguladora de vazão autocontida

Válvula solenóide com três vias com reset

Atuada por diafragma com pressão balanceada

Válvula com atuador a diafragma e posicionador

Ação da válvula FC – Falha fechada FO – Falha aberta

Válvula de controle com atuador manual

Tab. 2.2. Válvulas manuais

(*)

Válvula gaveta (*) Pode ser acoplado atuador ao corpo

(*)

Válvula globo

Válvula retenção

Válvula plug

Válvula controle manual

(*)

Válvula esfera

(*)

Válvula borboleta ou damper

Válvula de retenção e bloqueio

Válvula de blowdown

(*)

Válvula diafragma

(*)

Válvula ângulo

(*)

Válvula três vias

Válvula quatro vias

Corpo de válvula isolado

Válvula agulha

Outras válvulas com abreviatura sob o corpo

S R

FO ou FC

IhV

NV

TSO


8

Tab. 2.3. Miscelânea

Válvula de segurança de pressão, ajuste em 100 kPa

Válvula de segurança de vácuo, ajuste em 50 mm H2O vácuo

Disco de ruptura (pressão)

Disco de ruptura (vácuo)

C = selo químico P = amortecedor de

pulsação S = sifão

Plug

Mangueira

Filtro, tipo Y

Purgador de vapor

Dreno contínuo

Código item #1234

Funil de dreno (Ver abreviaturas)

Instrumento de nível tipo deslocador, montado externamente ao tanque

Filtro tipo T

Placa de orifício com flange

Totalizador indicador de vazão a DP

Indicador de vazão tipo área variável

Tubo venturi ou bocal medidor de vazão

Turbina medidora de vazão ou elemento propelente

Placa de orifício em porta placa

Tubo pitot ou Annubar®

Espetáculo cego instalado com anel em linha (passagem livre)

Espetáculo cego instalado com disco em linha (bloqueado)

Transmissor de nível a pressão diferencial

PSV

PSV

PSE

PSE

C

T

LSV

T

LSV

o

FQI

FI

FE

FE

FE

FE

LT

FE

LT


9

4.3. Linhas entre os Instrumentos As linhas de ligações entre os instrumentos devem ser mais finas que as linhas de processo e são

simbolizadas como mostrado a seguir.

Sinal indefinido: conexão com processo, elo mecânico ou alimentação do instrumento

Sinal pneumático, típico de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi) Sinal eletrônico, típico de 4 a 20 mA cc Sinal binário ou discreto (saída de chave) Sinal de ligação por programação ou elo de comunicação Elo mecânico ~ ~ ~ Sinal eletromagnético ou sônico (guiado) ~ ~ ~ Sinal eletromagnético ou sônico (não guiado) L L L Sinal hidráulico Tubo capilar Linha de processo

4.4. Balão do Instrumento O instrumento completo é simbolizado por um pequeno balão circular, com diâmetro aproximado

de 12 mm. Porém, os avanços nos sistemas de controle com instrumentação aplicando microprocessador, computador digital, que permitem funções compartilhadas em um único instrumento e que utilizam ligações por programação ou por elo de comunicação, fizeram surgir outros símbolos de instrumentos e de interligações.

Tab. 2.4. Representação dos instrumentos em Diagramas P&I

Sala de Controle Central Painel Auxiliar Campo Acessível ao

operador Atras do painel ou inacessível ao operador

Acessível ao operador

Atras do painel ou inacessível ao operador

Montado no campo

Equipamento Instrumento discreto

Equipamento compartilhado Instrumento compartilhado

Software Função de computador

Lógica compartilhada Controle Lógico Programável

Instrumentos compartilhando o mesmo invólucro. Não é mandatório mostrar uma caixa comum.


10

Tab. 2.5. Letras de Identificação

Variável Modificador Função display Função saída Modificador A Análise (5,19) Alarme

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

C Condutividade Escolha (1)

Controle (13)

D Densidade Escolha (1)

Diferencial

E Tensão (f.e.m.) Elemento sensor

F Vazão (flow) Fração ou relação (4)

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

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

I Corrente Indicação (10)

J Potência Varredura (scan) (7)

K Tempo Tempo de mudança (4, 21)

Estação controle (22)

L Nível (level) Lâmpada (11) Baixo (low) (7, 15, 16)

M Escolha (1) Momentâneo Médio (7, 15)

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

O Escolha (1) Orifício ou Restrição

P Pressão, Vácuo Ponto de teste

Q Quantidade Integral, Total (4) Quantificador

R Radiação Registro (17)

S Velocidade (speed)

Segurança (8) Chave (13)

T Temperatura Transmissão (18)

U Multivariável (6) Multifunção (12) Multifunção (12) Multifunção (12)

V Vibração, Análise mecânica

Válvula, damper (13)

W Peso, Força Poço (well)

X Não classificado (2) Variável a definir

Eixo X Não classificado (2) Não classificado (2)

Y Evento, Estado Função a definir

Eixo Y Não classificado (2)

Relé, computação (13, 14, 18)

Z Posição ou Dimensão Eixo Z Elemento final


11

Notas para a Tabela das Letras de Identificação 1. Uma letra de escolha do usuário tem o objetivo de cobrir significado não listado que é necessário em uma determinada aplicação. Se usada, a letra

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

2. A letra X não classificada tem o objetivo de cobrir significado não listado que será usado somente uma vez ou usado em um significado limitado. Se usada, a letra pode ter qualquer número de significados como primeira letra ou como letra subsequente. O significado da letra X deve ser definido do lado de fora do círculo do diagrama. Por exemplo, XR pode ser registrador de consistência e XX pode ser um osciloscópio de consistência.

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

4. Qualquer primeira letra combinada com as letras modificadoras D (diferencial), F (relação), M (momentâneo), K (tempo de alteração) e Q (integração ou totalização) representa uma variável nova e separada e a combinação é tratada como uma entidade de primeira letra. Assim, os instrumentos TDI e TI indicam duas variáveis diferentes: diferença de temperatura e temperatura. As letras modificadoras são usadas quando aplicável.

5. A letra A (análise) cobre todas as análises não descritas como uma escolha do usuário. O tipo de análise deve ser especificado fora do circulo de identificação. Por exemplo, análise de pH, análise de O2. Análise é variável de processo e não função de instrumento, como muitos pensam principalmente por causa do uso inadequado do termo analisador.

6. O uso de U como primeira letra para multivariável em lugar de uma combinação de outras primeiras letras é opcional. É recomendável usar as primeiras letras especificas em lugar da letra U, que deve ser usada apenas quando o número de letras for muito grande. Por exemplo, é preferível usar PR/TR para indicar um registrador de pressão e temperatura em vez de UR. Porém, quando se tem um registrador multiponto, com 24 pontos e muitas variáveis diferentes, deve-se usar UR.

7. O uso dos termos modificadores alto (H), baixo (L), médio (M) e varredura (J) é opcional. 8. O termo segurança se aplica a elementos primários e finais de proteção de emergência. Assim, uma válvula auto atuada que evita a operação de

um sistema de fluido atingir valores elevados, aliviando o fluido do sistema tem um tag PCV (válvula controladora de pressão). Porém, o tag desta válvula deve ser PSV (válvula de segurança de pressão) se ela protege o sistema contra condições de emergência, ou seja, condições que são perigosas para o pessoal ou o equipamento e que são raras de aparecer. A designação PSV se aplica a todas as válvulas de proteção contra condições de alta pressão de emergência, independente de sua construção, modo de operação, local de montagem, categoria de segurança, válvula de alívio ou de segurança. Um disco de ruptura tem o tag PSE (elemento de segurança de pressão).

9. A função passiva G se aplica a instrumentos ou equipamentos que fornecem uma indicação não calibrada, como visor de vidro ou monitor de televisão. Costuma-se aplicar TG para termômetro e PG para manômetro, o que não é previsto por esta norma.

10. A indicação normalmente se aplica a displays analógicos ou digitais de uma medição instantânea. No caso de uma estação manual, a indicação pode ser usada para o dial ou indicador do ajuste.

11. Uma lâmpada piloto que é parte de uma malha de instrumento deve ser designada por uma primeira letra seguida pela letra subsequente L. Por exemplo, uma lâmpada piloto que indica o tempo expirado deve ter o tag KQL (lâmpada de totalização de tempo). A lâmpada para indicar o funcionamento de um motor tem o tag EL (lâmpada de voltagem), pois a voltagem é a variável medida conveniente para indicar a operação do motor ou YL (lâmpada de evento) assumindo que o estado de operação está sendo monitorado. Não se deve usar a letra genérica X, como XL

12. O uso da letra U para multifunção, vem vez da combinação de outras letras funcionais é opcional. Este designador não específico deve ser usado raramente.

13. Um dispositivo que liga, desliga ou transfere um ou mais circuitos pode ser uma chave, um relé, um controlador liga-desliga ou uma válvula de controle, dependendo da aplicação. Se o equipamento manipula uma vazão de fluido do processo e não é uma válvula manual de bloqueio liga-desliga, ela é projetada como válvula de controle. É incorreto usar o tag CV para qualquer coisa que não seja uma válvula de controle auto atuada. Para todas as aplicações que não tenham vazão de fluido de processo, o equipamento é projetado como:

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

aplicado para alarme, lâmpada piloto, seleção, intertravamento ou segurança. O termo controlador é usado se o dispositivo é aplicado para o controle de operação normal.

c) Relé, se for automático e não for o primeiro dispositivo na malha, mas atuado por uma chave ou por um controlador liga-desliga. 14. As funções associadas com o uso de letras subsequentes Y devem ser definidas do lado de fora do circulo de identificação. Por exemplo, FY

pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de vazão; TY pode ser o conversor corrente para pneumático em uma malha de controle de temperatura. Quando a função é evidente como para uma válvula solenóide ou um conversor corrente para pneumático ou pneumático para corrente a definição pode não ser obrigatória.

15. Os termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário correspondem aos valores da variável medida e não aos valores do sinal. Por exemplo, um alarme de nível alto proveniente de um transmissor de nível com ação inversa deve ser LAH, mesmo que fisicamente o alarme seja atuado quando o sinal atinge um valor mínimo crítico.

16. Os termos alto e baixo quando aplicados a posições de válvulas e outras dispositivos de abrir e fechar são assim definidos: a) alto significa que a válvula está totalmente aberta b) baixo significa que a válvula está totalmente fechada

17. O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar permanentemente a informação que permita a sua recuperação por qualquer modo. 18. Elemento sensor, transdutor, transmissor e conversor são dispositivos com funções diferentes, conforme ISA S37.1. 19. A primeira letra V, vibração ou análise mecânica, destina-se a executar as tarefas em monitoração de máquinas que a letra A executa em uma

análise mais geral. Exceto para vibração, é esperado que a variável de interesse seja definida fora das letras de tag. 20. A primeira letra Y se destina ao uso quando as respostas de controle ou monitoração são acionadas por evento e não acionadas pelo tempo. A

letra Y, nesta posição, pode também significar presença ou estado. 21. A letra modificadora K, em combinação com uma primeira letra como L, T ou W, significa uma variação de taxa de tempo da quantidade medida

ou de inicialização. A variável WKIC, por exemplo, pode representar um controlador de taxa de perda de peso. 22. A letra K como modificador é uma opção do usuário para designar uma estação de controle, enquanto a letra C seguinte é usada para descrever

controlador automático ou manual.


12

Tab. 2.6. Elementos do Diagrama Funcional

Transmissor de vazão

Transmissor de nível

Transmissor de pressão

Transmissor de temperatura

Transmissor de análise

Lâmpada de painel

Indicador da variável X

Registrador da variável X

Bobina de relé

Chave de transferência

Relé de transferência ou trip

Seletor de sinal alto

Seletor de sinal baixo

Conversor analógico/digital

Conversor digital/analógico

Operador motorizado

Operador não especificado

Extrator de raiz quadrada

Multiplicador

Divisor

Polarização, adição ou subtração

Comparador, diferença

Adicionador, somador

Tirador de média

Integrador

Contato normalmente aberto

Contato normalmente fechado

Gerador de sinal analógico

Gerador de sinal manual

Atuador solenoide

Limitador de sinal alto

Limitador de sinal baixo

Transdutor ar pneumático para corrente

Válvula com atuador pneumático

Ação de controle proporcional

Ação de controle integral

Ação de controle derivativa

FT

LT

PT

AT

TT

XI

XR

T

T

T

>

<

A/D

D/A

×

÷

±

Δ

Σ

Σ/n

Σ/t

S

MO

A

>

<

P/I

K

∫

d/dt

f(x)


13

4. Simbologia de Instrumentos A normalização dos símbolos e

identificações dos instrumentos de medição e controle do processo, que inclui símbolos e códigos alfa numéricos, torna possível e mais eficiente a comunicação do pessoal envolvido nas diferentes áreas de uma planta: projeto manutenção, operação e processo.

4.1. Parâmetros do Símbolo A simbologia correta da instrumentação

deve conter os seguintes parâmetros 1. Identificação das linhas de

interligação dos instrumentos, p. ex.., pneumática, eletrônica analógica e eletrônica digital

2. Determinação do local de instalação dos instrumentos, acessível ou não acessível ao operador de processo.

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

4. Identificação (tag) do instrumento, envolvendo a variável, a função do instrumento e o numero da malha.

4.2. Alimentação dos instrumentos A maioria absoluta dos instrumentos de

medição e de controle requer alguma fonte de alimentação, que lhe forneça algum tipo de energia para seu funcionamento. Os tipos mais comuns de alimentação são a elétrica e a pneumática, porém há muitas outras disponíveis.

As seguintes abreviações são sugeridas para denotar os tipos de alimentação. Opcionalmente, elas podem indicar também tipos de purga.

AS Suprimento de ar (Air supply) ES Suprimento elétrico (Electric supply)

GS Suprimento de gás (Gas supply)

HS Suprimento hidráulico

NS Suprimento de Nitrogênio

SS Suprimento de Vapor (Steam supply)

WS Suprimento de água (Water supply) O nível de alimentação pode ser

adicionado à linha de alimentação do instrumento. Por exemplo, AS 100 kPa (alimentação pneumática de 100 kPa), ES 24 V cc (alimentação de 24 V cc para instrumento elétrico).

5. Malha de controle A Fig. 2.1 ilustra como os símbolos são

combinados para descrever uma determinada malha de controle. Há vários níveis de detalhamento. Na Fig. 2.1 (a), tem-se a malha com todos os detalhes e na Fig. 2.1 (b), a malha simplificada.

Esta malha é de controle e indicação de pressão (PIC). O controlador é compartilhado (símbolo quadrado) e o seu ponto de ajuste é estabelecido por um computador supervisório (símbolo hexágono) através de um protocolo digital de dados compartilhados que fornece o elo de programação entre o computador e o sistema de controle compartilhado (linha com traço e circulo).

O número da malha de controle é único e igual a 211, que pode indicar a 11a malha da área 200. Todos os componentes da malha possuem este mesmo número, ou seja,

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

processo através de uma válvula de bloqueio de ½ " (13 mm) e sente a pressão de 0 a 300 psi e gera na saída o sinal padrão de corrente eletrônica de 4 a 20 mA cc. O sinal de saída do transmissor é recebido e identificado no multiplexador do sistema compartilhado como a entrada analógica #17 (AI- 17).

O controlador PIC 211 se encontra no console #2 (C-2) do sistema compartilhado e tem as funções de controle PI (proporcional e integral).

O sistema compartilhado também fornece um sinal de alarme de alta (PAH) e uma variação de pressão de alta (dP/dt) desta medição.

No lado da saída do controlador, o sinal que deixa o multiplexador do sistema é identificado como a saída analógica (AO-21), que também é o sinal de 20 mA cc. Este sinal eletrônico é recebido por um transdutor i/p, que o converte para o sinal pneumático de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi), que está montado na válvula de controle PCV 211.

A válvula tem condição de falha fecha (fail close - FC) e possui um posicionador (P). O transdutor i/p requer a alimentação pneumática (AS - air supply), típica de 140 kPa (22 psi).

O diagrama da Fig. 2.1 (b) mostra uma malha de controle de pressão, digital e compartilhada, PIC.


14

(a) Representação detalhada

(b) Representação simplificada Fig. 2.1. Representação detalhada de uma malha

de controle de pressão (a) e a equivalente, simplificada (b).

PIC 211

PT 211

½"

0-300 #

PIC 211

S.P.

C-#2 (PI) PAH

dp/dt AO-21 AI-17

PY 211

AS

AS P

PCV 211

FC


15

6. Sistemas completos As Fig. 2.2. e Fig. 2.3 mostram o mesmo

sistema de controle com diferentes graus de detalhamento. Na Fig. 2.2 todos os elementos são mostrados e na Fig. 2.3, tem-se o sistema simplificado..

O registro da vazão é obtido de 1. sensor de vazão placa de orifício, FE-

1. 2. transmissor de vazão, no campo, FT-1, 3. extrator de raiz quadrada, montado

atrás do painel da sala de controle, FY-1,

4. registrador com duas penas, uma para a vazão (FR-1) e outra para a pressão (PR-2), montado no painel de leitura da sala de controle.

O registro da pressão é obtido de um transmissor de pressão, PT-2, montado no campo. A tomada da pressão usa a tomada de alta ou de baixa da placa.

O diagrama não determina se o sinal é pneumático ou eletrônico.

A temperatura da saída do gás é medida por

1. Um sensor de temperatura tipo detector de temperatura a resistência (RTD), TE-3, montada em um poço, TW-3

2. O sinal do sensor vai diretamente ao registrador e controlador de temperatura (TRC-3).

3. A saída do controlador é o sinal eletrônico padrão de 4 a 20 mA cc que vai para o atuador de uma válvula esfera, TV-3, com atuador a cilindro.

4. O controlador registrador de temperatura tem uma chave de temperatura TSL-3, que atua um alarme no painel (TAL-3), com a temperatura baixa.

A Fig. 2.3 usa uma simbologia simplificada para mostrar que um gás é aquecido e sua temperatura é controlada por um controlador de painel. O fluido de aquecimento é modulado por uma válvula de controle e registra a vazão do gás, pressão e temperatura de saída e há um alarme que atua com temperatura baixa.

A Fig. 2.4. mostra a descrição simbólica completa de um processo de distilação.

A vazão de alimentação é medida (FE-3, FT-3) e registrada (FR-3), mas não controlada A taxa de entrada de calor é proporcional à taxa de alimentação vezes um ganho de relé (FY-3B), que ajusta o ponto de ajuste do controlador de vazão do óleo quente (FRC-1).

O produto leve da torre é condensado, com a temperatura do condensado controlada mantendo-se constante a pressão da coluna (PRC-11). A saída do produto leve tem vazão controlada (FRC-4). O ponto de ajuste do controlador é ajustado por um relé divisor (UY-6), cujas entradas são a vazão de alimentação, como modificada pelo relé função (FY-3A) e a saída do controlador de análise dos produtos leves (ARC-5). O controlador de análise recebe a análise do produto de seu transmissor, que também transmite o sinal para uma chave de análise dual (alta/baixa), que por sua vez, atua em alarmes correspondentes.

O nível do acumulador é mantido constante (LIC-7) através da manipulação da vazão de refluxo (LV-7), que é uma válvula com falha aberta (FO). Uma chave de nível separada atua um alarme de nível do acumulador em alta e baixa (LSH/L 9). Há uma indicação de nível local através de visor (LG 10).

São medidas temperaturas em vários pontos do processo e os valores são registrados (6 pontos - TJR 8-1 a 8-6) e indicados (3 pontos - TJI 9-1 a 9-3). Alguns dos pontos de registro possuem chaves de acionamento de temperatura baixa e alta (por exemplo, TJSH 8-2, TAH 8-2 e TJSL 9-5 e TAL 8-5), com respectivos alarmes

A Fig. 2.5. ilustra o sistema de medição, controle e automação de uma estação de medição de gás natural. São identificados os instrumentos (com um losango com a letra I no interior) pertencentes ao sistema de intertravamento, que é feito por um Controlador Lógico Programável. As variáveis são mostradas pelo Sistema Supervisório, que é um computador compartilhado (identificados com um hexágono). Há sinais pneumáticos e discretos (ou binários, que são as saídas de chaves elétricas).


16

Fig. 2.2. Simbologia total

Fig. 2.3. Simbologia de modo simplificado

Fluido do trocador de calor

PR 2

FR 1

TV 3 TRC

3

TAL 4

Fluido do trocador de

calor

PT 2

FT 1

PR FR

FY

TV 3

RTD

TRC

2 1

1

3

TAL TSL 3 3

FE 1

TW 3

TE 3


17

Fig. 2.4. Instrumentação para um sistema de distilação

Instrumentos

18

Fig. 2.5. Instrumentação para um sistema de medição de uma estação de medição de gás natural

19

3. Instrumentos

Objetivos de Ensino 1. Classificar os tipos de instrumento, quanto a alimentação 2. Mostrar a topologia do instrumento: montado no campo ou sala de controle, modular ou integral,

dedicado ou compartilhado, centralizado ou distribuído. 3. Listar os sinais padrão usados na Instrumentação: pneumático, eletrônico analógico e digital. 4. Apresentar as características e vantagens do instrumento inteligente sobre o convencional. 5. Conceituar instrumento virtual e suas diferenças do real.

1. Classes de Instrumentos Os instrumentos de medição e controle de

processo podem ser classificados de acordo com a seguinte dialética:

1. manual ou automático 2. alimentado ou sem alimentação externa 3. pneumático ou eletrônico 4. analógico ou digital 5. burro ou inteligente 6. montado no campo ou na sala de

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

2. Manual e Automático Com relação à intervenção humana, a medição instrumento pode ser manual ou automática.

A medição mais simples é feita manualmente, com a interferência direta de um operador. A medição manual geralmente é feita por um instrumento portátil. Exemplos de medição manual:

1. medição de um comprimento por uma régua,

2. medição de uma resistência elétrica através de um ohmímetro,

3. medição de uma tensão com um voltímetro.

As medições feitas manualmente geralmente são anotadas pelo operador, para uso posterior.

A medição pode ser feita de modo automático e continuo, sem interferência humana direta. O instrumento fica ligado diretamente ao processo, sentindo a variável e indicando continuamente o seu valor instantâneo. Quando o operador quiser saber o valor medido, ele se aproxima adequadamente

do instrumento e faz a leitura. Também neste caso, ele pode anotar a leitura feita para uso posterior.

Quando o operador quiser saber o valor instantâneo e o também os valores passados, usa-se um registrador, que imprimie em um gráfico de papel continuamente os valores da variavel. O registrador é mais caro que o indicador, porém fornece mais informações.

Atualmente é possível, num sistema eletrônico digital de aquisição de dados. Os dados proporcionais às medições são coletados e armazenados no sistema. Quando o operador quiser saber de valores instantâneos ou históricos, ele pode fazer leituras no monitor do sistema ou imprimir relatórios de medição através de impressoras de computador.

Fig. 3.1. Instrumentos portáteis (HP)

3. Alimentação dos Instrumentos

A energia está associada aos instrumentos de dois modos: através da alimentação e do método de transdução. Qualquer instrumento para funcionar necessita de energia, que pode ser fornecida externamente ou internamente. Esta fonte de energia pode ser externa e

Instrumentos

20

explícita, quando o instrumento é alimentado. As duas fontes clássicas de alimentação de instrumentos são

1. a eletrônica e 2. a pneumática.

Em alguns sistemas, há ainda a alimentação hidráulica, fornecida por pressão de óleo.

Instrumentos eletrônicos são alimentados por uma fonte externa de tensão, típica de 24 V cc. Esta alimentação geralmente é feita por um único par de fios que simultaneamente conduz a informação e a alimentação. Por questão econômica e de segurança, raramente se usa um instrumento de medição no campo alimentado com uma bateria integral, colocada no seu interior.

Fig. 3.2. Alimentação do transmissor eletrônico Instrumentos pneumáticos são alimentados

por uma fonte externa de ar comprimido, típica de 140 kPa (1,4 kgf/cm2 ou 20 psi). Cada instrumento pneumático montado no campo é alimentado individualmente através de um conjunto filtro-regulador ajustável ou fixo. O filtro elimina, num estágio final, as impurezas, umidade e óleo contaminantes do ar comprimido. O regulador, ajustável ou fixo, geralmente abaixa a pressão mais elevada de distribuição para o valor típico de 140 kPa. O sinal padrão de transmissão pneumática é de 20 a 100 kPa.

Existem instrumentos de montagem local que não necessitam de nenhuma alimentação externa para seu funcionamento. Eles são chamados de auto-alimentados. Eles utilizam a própria energia do processo para seu funcionamento. Exemplos de indicadores e registradores que não necessitam de alimentação externa são:

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

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

3. indicador ou registrador local de vazão com elemento sensor de pressão diferencial (diafragma).

Fig. 3.3. Manômetro, sem alimentação externa

4. Pneumático ou Eletrônico Dependendo da natureza da fonte de

energia e do sinal padrão, os instrumentos podem ser classificados em:

1. pneumáticos, onde estão incluídos os puramente mecânicos.

2. eletrônicos, ou também chamados de elétricos.

Ambos os tipos de instrumentos, pneumáticos e letronicos, podem executar as mesmas funções, apresentando vantagens e desvantagens, quando comparados. Esta comparação já foi clássica, na década de 1970, mas hoje há uma predominância da instrumentação eletrônica sobre a pneumática.

A escolha entre pneumático ou eletrônico não é apenas a escolha de um instrumento isolado, mas de todo um sistema de instrumentação de controle do processo. A escolha pode depender do tipo de processo e das variáveis envolvidas.

A escolha do sistema de instrumentação influi e implica na definição de outros equipamentos e sistemas. Ou seja, quando se escolhe uma instrumentação pneumática, há a necessidade de se ter um compressor de ar de instrumento, de capacidade adequada à quantidade de instrumentos, com filtros, secadores, estágios de redução e todo um sistema de interligações e distribuição através de tubos plásticos ou de cobre. Quando se escolhe uma instrumentação eletrônica, deve-se considerar o sistema de alimentação elétrica, com eventual opção de reserva de bateria para suprir a energia na falta da alimentação alternada principal. Mesmo com toda a instrumentação eletrônica, deve ser considerado o uso do compressor de ar de instrumento, para alimentar, no mínimo, os transdutores I/P, pois as válvulas de controle são atuadas pneumaticamente.

Instrumentos

21

4.1. Instrumento pneumático O instrumento pneumático é aquele que

necessita, para seu funcionamento, da alimentação de ar comprimido, pressão típica de 120 kPa (20 psig). O sinal padrão de informação pneumática é o de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi).

O dispositivo para gerar o sinal padrão é o conjunto bico palheta. A distância entre o bico que sopra e a palheta que se move em função da variável medida modula o sinal de saída entre 20 e 100 kPa. O dispositivo para detectar o sinal padrão é o fole receptor.

Fig. 3.4. Transmissor pneumático (Foxboro) Mesmo com o uso intensivo e extensivo de

instrumentos eletrônicos, ainda hoje se usa muito a válvula de controle com atuador pneumático. Por sua simplicidade, confiabilidade e economia, a válvula de controle com atuador pneumático ainda será usada como elemento final de controle padrão por muitos anos.

4.2. Instrumento eletrônico O instrumento eletrônico é alimentado por

energia elétrica, geralmente de 24 V cc. Mesmo quando ele é alimentado pela linha alternada de 120 V ca, seus circuitos internos a semicondutores necessitam de corrente contínua para sua polarização e portanto todos os instrumentos possuem uma fonte de alimentação integral.

O sinal padrão para a transmissão de corrente eletrônica é 4 a 20 mA cc. Este sinal foi usado pela primeira vez pela Foxboro, em 1950 e foi padronizado por uma norma interncionao ISO/IEC em 1975.

Já foi usado o sinal de 10-50 mA cc, porém, por causa da segurança e compatibilidade com computadores digitais, ele desapareceu. Existe também o sinal de transmissão de 1 a 5 V cc, porém ele não é

adequado para grandes distancias, pois a resistência parasita da fiação atenua o sinal transmitido.

A alimentação dos instrumentos eletrônicos de campo é feita através do mesmo par de fios que conduz o sinal padrão de informação. Tais transmissores são chamados de 2-fios. Pretendeu-se diminuir o sinal padrão para faixa menor que 4 a 20 mA, para que a alimentação fosse de 5 V cc, porém, isso não se realizou.

Fig. 3.5. Medidor vortex, eletrônico (Foxboro) Atualmente, o sinal padrão analógico de 4 a

20 mA é substituído pelo sinal digital (protocolo), que é muito mais eficiente e poderoso para transmitir informação. Ainda não há um protocolo padrão de transmissão digital e há protocolos abertos e proprietários, tais como

1. HART 2. Fieldbus Foundation 3. Modbus 4. Profibus 5. FOXCOM, da Foxboro 6. Brain, da Yokogawa O instrumento eletrônico pode ser uma

fonte de energia e por isso ele não é seguro quando usado em área classificada, a não ser que sejam tomados cuidados especiais de fabricação e instalação. Ele deve possuir uma classificação elétrica especial, compatível com a classificação de área do local onde ele vai operar.

Há basicamente dois tipos de instrumentos eletrônicos:

1. à base de corrente e 2. à base de tensão.

Instrumentos

22

Fig. 3.6. Instrumentos eletrônicos As características dos instrumentos à base

de corrente são: 1. Todos os instrumentos devem ser ligados

em série. Para garantir a integridade do sistema, devem existir dispositivos de proteção que possibilitem a retirada ou colocação de componentes da malha, sem interrupção ou interferência de funcionamento. Caso não haja essa proteção, quando um instrumento da malha é retirado, ou mesmo se estraga, toda a malha fica desligada.

2. A ligação em série também influi no valor máximo da impedância da malha. A malha de instrumentos à base de corrente, onde todos são ligados em série, a soma das impedâncias de entrada de todos os instrumentos é limitada por um valor máximo, que é função geralmente do nível de alimentação da malha. Desse modo, é limitado o número de instrumentos ligados em série numa malha. Quando esse limite é ultrapassado, a solução é usar o instrumento repetidor de corrente, também chamado de casador de impedância.

3. As impedâncias de entrada dos instrumentos são baixas, da ordem de 101 a 102 ohms e assim as correntes circulantes são relativamente elevadas (mA). Isso eqüivale a dizer que o consumo de energia é elevado e há grande dissipação de calor.

As características dos instrumentos à base de tensão são: 1. Todos os instrumentos são ligados em

paralelo. Os diagramas de ligação, como conseqüência, são mais simples, pois podem ser unifilares.

2. Os componentes apresentam alta impedância de entrada, de modo que a retirada, colocação e defeito dos instrumentos do sistema não interferem no seu funcionamento normal.

3. Como os instrumentos possuem altíssimas impedâncias de entrada, da ordem de 106 ohms, as correntes circulantes são baixíssimas (μA ou pA). O nível de energia

dissipada é baixo e o calor dissipado é desprezível. Como recomendação: 1. utilizar o instrumento à base de

corrente para a transmissão de sinais, pois não há problemas de atenuação com as distancias envolvidas e

2. utiliza o instrumento à base de tensão para a manipulação local dos sinais, dentro do painel, para usufruir das vantagens de baixo consumo, baixa dissipação de calor, facilidade de ligações e flexibilidade de conexões.

5. Analógico ou Digital O conceito de analógico e digital se refere a 1. sinal 2. tecnologia 3. display 4. função matemática.

5.1. Sinal Sinal é uma indicação visual, audível ou de

outra forma que contem informação. O sinal pode ser: 1. Analógico 2. Discreto 3. Pulsos 4. Digital Sinal analógico é aquele que vária de modo

continuo, suave, sem saltos ou degraus. O parâmetro fundamental do sinal analógico é sua amplitude. Medir um sinal analógico é determinar o valor de sua amplitude. Sinal analógico é medido.

São exemplos de sinal analógico: 1. Sinal padrão pneumático de 20-100

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

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

3. As variáveis de processo são analógicas. Uma temperatura pode variar de 20 a 50 oC, assumindo todos os infinitos valores intermediários. Uma pressão de processo pode variar de 0 a 10 MPa, de modo contínuo.

Sinal binário ou discreto é aquele que só pode assumir dois valores descontínuos, alto ou baixo, ligado ou desligado. Exemplo de sinal discreto: saída de uma chave elétrica. O sinal discreto ou binário só contem um bit, que pode ser 0 ou 1. Bit pode ser manipulado.

Sinal de pulsos elétricos contem uma sucessão de valores 1 alternados por uma sucessão de valores 0. A informação do pulso pode estar na amplitude, freqüência, duração

Instrumentos

23

ou posição. A saída de pulsos da turbina medidora de vazão, onde cada pulso escalonada pode corresponder, a um determinado volume. Pulsos são contados.

O sinal digital é constituído de um conjunto de n bits, onde n tipicamente vale 16, 32 ou 64. Quando se define a função e característica de cada bit, está se definindo um protocolo digital. O sinal digital é o mais poderoso e contêm o máximo de informação possível, como tag do instrumento, faixa calibrada, pontos limites, unidade de engenharia e muito mais.

Um sinal digital de 16 bits pode ser 10011101 1011 1001.

5.2. Display O display ou readout é a apresentação

visual dos dados. Ele pode ser analógico ou digital.

Display analógico é aquele constituído, , de uma escala fixa e um ponteiro móvel (u de uma escala móvel e ponteiro fixo) O ponteiro se move continuamente sobre a escala graduada, possibilitando a leitura do valor medido.

Display digital é aquele constituído por números ou dígitos. Os números variam de modo discreto, descontinuo, possibilitando a leitura do valor medido.

O fator mais importante favorecendo o instrumento digital, quando comparado com o analógico, é a facilidade de leitura. Quando o operador lê um instrumento analógico, ele deve se posicionar corretamente, fazer interpolação, usar espelho da escala, ou seja, ter um bom olho. A leitura analógica é suscetível a erro de paralaxe e pode ser mais demorada.

O display digital sempre apresenta um erro, chamado de quantização, devido ao último digito variar de modo discreto. Assim, quando se lê o digito 4, ele se mantém em 4 até o limiar de 5 e por isso a leitura sempre apresenta um erro, no mínimo de 1 dígito.

(a)

(b) Fig. 3.7. Display (a) analógico e (b) digital

5.3. Tecnologia A tecnologia eletrônica pode ser analógica

ou digital. A base dos circuitos analógicos é o

amplificador operacional, que manipula e computada variáveis analógicas (corrente e tensão). Os componentes passivos (resistência, capacitor e indutor) servem para polarizar os circuitos. Os componentes ativos (transistores, amplificadores operacionais) operam na região de amplificação linear.

Instrumento digital usa circuitos e técnicas lógicas para fazer a medição ou para processar os dados. Basicamente, um instrumento digital pode ser visto como um arranjo de portas lógicas que mudam os estados em velocidades muito elevadas para fazer a medição. A base dos circuitos digitais são os circuitos integrados digitais, constituídos de portas lógicas (AND, OR, NAND, NOR, NOT), multivibradores (flip-flop), contadores e temporizadores.

Atualmente, todos estes circuitos e lógicas estão integradas no microprocessador. Os circuitos digitais podem também executar as tarefas analógicas de amplificar e filtrar. Necessariamente, eles devem ter um estágio de conversão analógico-digital e eventualmente, de digital-analógico.

Fig. 3.8. Totalização (digital) por meio analógico

5.4. Função Matemática Há funções ou tarefas que são tipicamente

analógicas, como registro e controle de processo. Só é possível registrar um sinal analógico. Por exemplo, quando se quer registrar a vazão, tendo-se uma turbina medidora com saída de pulsos, deve-se converter o sinal de pulsos em analógico. O controle é também uma função analógica. O seu algoritmo fundamental, PID, é matematicamente analógico e continuo. O controle liga-desliga é um caso particular, com uma saída discreta. Um controlador digital

Instrumentos

24

envolve uma tecnologia digital para executar a função analógica de controle.

Funções tipicamente digitais são alarme, contagem de eventos e totalização de vazão. Quando se totalizam pulsos escalonados de medição de vazão, basta contá-los. Quando se totaliza um sinal analógico proporcional à vazão, é necessário converter o sinal para digital e depois contar os pulsos correspondentes.

Um exemplo relacionando todos estes conceitos é a medição do tempo pelo relógio. O tempo é uma grandeza analógica. O tempo pode ser medido por um relógio mecânico, com tecnologia analógica e mostrador analógico. Tem-se engrenagens, molas, pinos acionando um ponteiro que percorre uma escala circular graduada. O ponteiro se move continuamente. Este mesmo tempo pode ser medido por um relógio eletrônico, com tecnologia digital mas com mostrador analógico. A tecnologia do relógio é digital pois tem um microprocessador e um cristal oscilante. A indicação é analógica, pois é constituída de escala e ponteiro. Porém, o ponteiro se move com pequenos saltos, mostrando que está sendo acionado por pulsos. Finalmente, o tempo pode ser indicado por um relógio digital. A tecnologia do relógio é digital e o indicador é também digital. O display são números que variam discretamente. Resumindo: a variável analógica tempo pode ser indicada através de relógio analógico (mecânico) ou digital (eletrônico) com display analógico (escala e ponteiro) ou digital (números).

5.5. Comparação Analógica Versus Digital

Deve-se diferenciar um instrumento digital e um instrumento com display digital. Instrumento digital é aquele em que o circuito necessário para obter a medição é de projeto digital. Um instrumento com display digital é aquele que o circuito de medição é de projeto analógico e somente a indicação é de projeto digital.

Um instrumento analógico com leitura digital geralmente não é mais preciso que o mesmo instrumento analógico com leitura analógica.

A principal vantagem do display digital é a conveniência de leitura, quando não se tem a preocupação de cometer erro de paralaxe, quando se posiciona erradamente em relação ao instrumento de leitura. Os psicólogos garantem que se cansa menos quando se fazem múltiplas leituras digitais.

Porém, a leitura de instrumento analógico é de mais rápida e fácil interpretação,

principalmente quando se tem comparações entre duas medições. Por isso, mesmo a instrumentação eletrônica sofisticada com tecnologia digital possui medidores que simulam indicações analógicas. Por exemplo, o controlador single loop possui indicações da medição e do ponto de ajuste feitas através de gráfico de barras.

Os relógios digitais foram muito populares na década de 80, porque eles eram novidade e mais baratos. Atualmente, há o reaparecimento de relógios com display analógico, com ponteiros e escala, porque sua leitura é mais rápida e fácil, pois se sabe o significado de certas posições dos ponteiros das horas e dos minutos.

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

A exatidão de qualquer instrumento está relacionada com a calibração. Como a precisão de um instrumento digital depende da percentagem do valor medido e de mais ou menos alguns dígitos menos significativos (erro de quantização), o instrumento digital requer calibrações mais freqüentes que o instrumento analógico, cuja precisão depende apenas da percentagem do fundo de escala. Os instrumentos digitais fornecem melhor resolução que os analógicos. A maior resolução dos instrumentos digitais reduz o número de faixas necessárias para cobrir a faixa de medição.

Fig. 3.9. Instrumentos inteligentes (Foxboro)

Instrumentos

25

5.6. Burro ou inteligente Os instrumentos convencionais (ou burros)

de leitura apresentam os resultados para o operador, que deve interpretá-los. Esta interpretação envolve o uso da unidade de engenharia apropriada, linearização, alguma computação matemática e a conclusão final. Obviamente, para isso se requer um operador esperto ou inteligente. Com o uso intensivo e extensivo do microprocessador na instrumentação, tornou-se possível passar para o instrumento esta capacidade humana de computação matemática e interpretação de resultados.

Em 1983 apareceu o primeiro transmissor microprocessado, lançado pela Honeywell e foi chamado de inteligente. Este é outro de muitos exemplos de nomes escolhidos estupidamente para instrumentos de processo. Não há nada particularmente inteligente nos medidores inteligentes. Porém, eles possuem características acima e além das de seus predecessores e estas capacidades devem ser entendidas. Como estes instrumentos foram chamados de inteligentes, por contraposição, os já existentes são considerados burros (dumb).

Atualmente, há o sabido (smart) e o inteligente (intelligent), onde o inteligente tem maiores recursos que o sabido, embora ambos sejam microprocessados. Atualmente, quando se fala indistintamente que um instrumento é inteligente quer se referir a um instrumento a base de microprocessador, com a capacidade inerente de computação matemática, lógica, seqüencial, intertravamento.

A capacidade adicional tornou-se possível pelo desenvolvimento da microprocessador e a inclusão deste componente admirável nos instrumentos de medição. Isto significa que um transmissor inteligente possui um pequeno computador em seu interior que geralmente lhe dá a habilidade de fazer duas coisas:

1. Modificar sua saída para compensar os efeitos de erros

2. Ser interrogado pelo instrumento receptor da malha.

As capacidades peculiares dos instrumentos inteligentes são:

1. Habilidade de transmitir medições do processo, usando um sinal digital que é inerentemente um método mais preciso do que o sinal analógico. O principal obstáculo é a falta de padronização deste sinal digital e seu respectivo protocolo. Algum dia isto será resolvido.

2. Todos os instrumentos de medição industriais contem componentes como foles, diafragmas e elos que exibem comportamento não linear ou cujo

comportamento pode ser alterado por variações de temperatura, umidade, pressão, vibração, alimentação ou outros efeitos externos. Em outros casos, os efeitos não lineares aparecem por causa dos princípios de medição, como a medição de vazão com placa de orifício. A estratégia, até hoje, era usar outros instrumentos para compensar estes efeitos. Como os instrumentos inteligentes possuem uma grande capacidade computacional, estas compensações, correções e linearizações são mais facilmente conseguidas através de circuitos embutidos no microprocessador.

3. Além de transmitir a informação, o transmissor inteligente pode também ouvir. Um benefício prático disto é em verificação de pré partida. Da sala de controle, o instrumentista pode perguntar ao transmissor que está no campo qual é o seu número de identificação, sua faixa calibrada ou seus pontos de alarme..

4. Um transmissor inteligente pode ter sua faixa de calibração facilmente alterada através de comandos de reprogramação em vez de ter ajustes mecânicos locais. Na medição de vazão com placa de orifício, as verificações de zero do instrumento requerem a abertura e fechamento das válvulas do distribuidor no transmissor.

Fig. 3.10. Área externa

7. Campo ou sala de controle Os primeiros instrumentos de medição e

controle, desenvolvidos até a década de 1940, eram de montagem local ou no campo, próximos ao processo. Apenas com o advento do transmissor, pneumático ou eletrônico, que possibilitou o envio das informações até distancias de centenas de metros (pneumático) ou alguns kilômetros (eletrônico), tornou-se

Instrumentos

26

possível a opção de se montar os indicadores, registradores e controladores em painéis centralizados e localizados em salas de controle.

Outro fato que concorreu para o uso de painéis centralizados em salas de controle foi a complexidade crescente dos processos, que requer a leitura e a monitoração simultânea de muitas variáveis.

Com o uso cada vez mais intensivo da instrumentação eletrônica, com técnicas digitais de controle distribuído, a tendência é a de se usar instrumentos centralizados em salas de controle, distribuídas em toda a planta.

7.1. Instrumento de campo Há instrumentos, que pela sua própria

função desempenhada, só podem ser montados no campo, próximos ou em contato direto com o processo. Os sensores (parte dos instrumentos) e as válvulas de controle são necessariamente montados no campo. Na maioria dos casos mas nem sempre, o transmissor é montado no campo. Em uma minoria dos casos, por questão de segurança ou de integridade, o transmissor é montado no painel cego da sala de controle. Os outros instrumentos, tais como indicadores, registradores, controladores, totalizadores, transdutores e conversores podem ser montados no campo e no painel da sala de controle.

Embora funcionalmente os instrumentos sejam os mesmos, suas características externas, relacionadas com robustez, segurança, estabilidade e funcionamento são diferentes. E como conseqüência, também os custos são diferentes.

Fig. 3.11. Instrumentos em área industrial De um modo simplista, um instrumento

especificado e construído para ser montado no campo é mais robusto, mais resistente à corrosão e maior do que o seu correspondente montado no painel da sala de controle. A sua

pintura e o seu acabamento são normalmente especiais e específicos para cada atmosfera. Atualmente, se aplicam cada vez mais materiais plásticos (p. ex., epoxy) e fibra de vidro, que são altamente resistente e não sofrem corrosão nem ferrugem.

A montagem padrão dos instrumentos de campo é em tubo de 2" (50 mm) de diâmetro. Os instrumentos de medição ou registro de vazão, que utilizam o diafragma de pressão diferencial (câmara Barton) são montados em pedestal (yoke), que é levemente diferente da montagem em tubo de 2". Na montagem em tubo, o instrumento é preso lateralmente ao tubo, através de uma braçadeira. Na montagem em pedestal, o instrumento é colocado sobre o tubo, pois não há espaço lateral para ser fixado.

Os instrumentos de campo que apresentam portas, geralmente são trancados com chave, de modo que apenas as pessoas autorizadas lhe tenham acesso ao interior.

As portas e janelas de vidro, normalmente, são anti estilhaço, ou seja, quando se quebram não produzem estilhaços, que seriam perigosos aos operadores.

Quando não há restrições de segurança, por causa da presença de gases inflamáveis ou explosivos no ambiente, os instrumentos são iluminados internamente. As luzes são acesas manualmente pelo operador ou pelo instrumentista de manutenção, facilitando a operação noturna.

Os instrumentos de campo devem ser montados em lugares de fácil acesso, para possibilitar abertura, troca de gráficos, calibração e manutenção.

Fig. 3.12. Instrumentos montados no campo Os instrumentos de campo são chamados

também de caixa grande. São tipicamente de formato retangular. Os registradores tem o formato retangular, porém, seus gráficos são circulares, com diâmetro de 12".

Instrumentos

27

7.2. Instrumentos montados na sala de controle

Com a complexidade dos processos industriais, apareceu a necessidade de maior número de instrumentos para a manipulação dos sinais de informação. Para que os painéis não se tornassem proibitivamente grandes, o que implicaria em maiores custos e maiores dificuldades para os operadores, os fabricantes foram forcados a diminuir os tamanhos dos instrumentos. Esta miniaturização dos instrumentos foi auxiliada pelo advento da eletrônica e pelo uso de circuitos impressos pneumáticos.

As características comuns aos instrumentos montados em painel são:

1. Os instrumentos são montados em estantes padronizadas, através de cabos de engate rápido. Esta filosofia, válida para os instrumentos pneumáticos e eletrônicos, torna fácil a substituição a manutenção dos instrumentos.

2. Os instrumentos de painel são mais padronizados, pois manipulam sinais padronizados provenientes dos transmissores de campo. A maioria dos instrumentos de painel recebe o sinal de transmissores do campo, por questão de padronização, de segurança e de técnica. Não seria seguro nem praticável trazer, por exemplo, um sinal de pressão de 10 MPa (100 kg/cm2 ) do campo diretamente para o painel. Como conseqüência, usa-se um transmissor de pressão, eletrônico ou pneumático, para trazer esta informação para a sala de controle. E o sinal recebido pelo instrumento de painel é padrão, de 4 a 20 mA ou 20 a 100 kPa.

3. A padronização maior dos instrumentos implica em menor número de instrumentos reservas. Como conseqüência dessa padronização, por exemplo, todos os controladores são iguais, quaisquer que sejam as variáveis controladas. O controlador do painel recebe um sinal padrão do transmissor de campo e remete para a válvula de controle outro sinal padrão. Para facilitar ainda mais, os instrumentos de painel são fornecidos com escalas intercambiáveis, de fácil substituição. Assim, em vez de se ter um controlador para cada variável de processo, tem-se um único controlador para todas as variáveis. Apenas são trocadas as escalas dos instrumentos

(a) Instrumentos soltos

(b) Instrumentos montados nas estantes Fig.3.13. Instrumentos em painel de leitura (Foxboro)

(a) Portátil (b) Painel

(c) Área industrial

Instrumentos

28

Fig. 3.14. Locais de montagem

4. Os únicos instrumentos de painel que recebem sinais diretamente do processo são os indicadores e registradores de temperatura, com elementos sensores a termopar ou a bulbo de resistência. Também nessa situação, os instrumentos continuam sendo padronizados. Obviamente um registrador de temperatura, com termopar, não poderá receber sinal de um transmissor eletrônico de pressão. Porém, poderá ser ajustado para receber sinal de outro termopar, desde que sejam modificadas as junções de compensação.

5. Os instrumentos de painel são estruturalmente mais frágeis que os instrumentos de campo, pois suas condições ambientais são mais favoráveis e porque as estantes de montagem os protegem.

6. Os instrumentos elétricos montados nos painéis são de uso geral. Ou seja, mesmo que a sala de controle seja de uma industria cuja área do campo seja perigosa por manipular produtos com gases inflamáveis e explosivos, ela é um local seguro.

7. Os tamanhos físicos dos instrumentos de painel são menores, para que os painéis sejam menores, as salas de controle sejam menores. A diminuição do tamanho dos instrumentos não prejudica a operação, pois na sala de controle os operadores podem se aproximar facilmente dos instrumentos de leitura.

8. Modular ou integral Os primeiros instrumentos agrupavam em

seu invólucro todos os circuitos funcionais e são chamados de integrais. Como resultado, eram pouco flexíveis e praticamente não era possível fazer modificações em sua operação.

Fig. 3.15. Instrumento integral

Ainda na instrumentação analógica (1972)

apareceu a filosofia de separar os instrumentos em módulos independentes fisicamente e separados geograficamente; tem-se a instrumentação modular. Nesta configuração, um controlador era constituído por:

1. Módulo de entrada, que recebe o sinal de medição da variável de processo, vindo do campo,

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

3. Módulo de controle, onde está alojados os circuitos de controle, com pontos de teste e ajuste de sintonia,

4. Módulo de saída, que envia o sinal de controle de volta para o campo, para o elemento final de controle,

5. Estação de controle, que constitui a interface com o operador de processo,

6. Cabo de ligação entre o módulo e a estação de controle.

Todos estes instrumentos são montados na sala de controle. Porém, somente as estações de controle tem informação para o operador. Os instrumentos de painel foram divididos em duas grandes categorias e segregados, para economia de espaço e para simplificação da operação:

1. instrumentos de leitura (display) 2. instrumentos cegos (rack)

Fig. 3.16.. Áreas de display e rack

8.1. Painel de leitura A parte frontal do painel é o espaço nobre e

portanto deve ser ocupada apenas por instrumentos que apresentem indicação em escalas, mostradores, gráficos e contadores.

Instrumentos

29

Na parte da frente do painel devem ser montados apenas os instrumentos que exijam leitura ou cuidados do operador: indicador, registrador, controlador, estação manual de controle, anunciador de alarme e contador-totalizador.

Os indicadores são lidos e eventualmente, suas leituras anotadas. Os registradores informam os valores registrados. Os seus gráficos são periodicamente trocados. Tipicamente um gráfico tipo tira, de rolo, tem duração de 30 dias; os gráficos tipo tira, sanfonados, tem duração de 16 dias. Raramente há gráficos circulares de registradores caixa grande na sala de controle, cuja duração típica é de 24 horas, ou menos comum, de 7 dias.

Os controladores apresentam a situação do processo, mostrando o valor da medição, do ponto de ajuste e do sinal de saída e como conseqüência, a abertura da válvula de controle. O operador pode variar o ponto de ajuste, conforme orientação do processo. Quando requerido, deve atuar direta e manualmente no processo, através da estação manual de controle acoplada ao controlador automático, depois de fazer a conveniente transferência auto-manual.

Fig. 3.17. Sistema modular (Foxboro) Além dos instrumentos de indicação,

registro e controle, na parte frontal do painel de leitura, estão colocadas as botoeiras de liga-desliga ou de múltiplas posições, que podem ser acionadas pelo operador, dependendo da situação do processo.

Fig. 3.18.Estação de operação de SDCD

Na parte superior do painel, logo acima dos

instrumentos convencionais de leitura está localizado o painel anunciador de alarme. Esse painel consiste de uma associação de som (buzina) e luzes e seu objetivo é o de informar ao operador quando os níveis de segurança e funcionamento do processo estão sendo alcançados.

Quando ocorre uma situação de alarme, a buzina soa e a luz se acende. Nessa situação, o operador deve acionar o botão de conhecimento do alarme, de modo a desligar o som (que é irritante, de propósito). A luz continua acesa, podendo ficar piscando, para indicar que a situação do processo que provocou o alarme continua ocorrendo. O operador deve providenciar uma atuação no processo, através da manipulação manual da estação de controle, através do ligamento ou desligamento de algum equipamento, de modo que a variável alarmada retorne à sua condição normal. Quando ocorre a normalidade, a luz de alarme se apaga.

Ainda acima do anunciador, há o painel sinóptico, onde está esquematizado em um fluxograma, o processo da planta. Ela facilita a tarefa do operador pois mostra as ligações lógicas dos instrumentos e indica os tags de identificação dos instrumentos envolvidos. Há painéis semigráficos que possuem lâmpadas de sinalização de alarme.

8.2. Armário de instrumentos cegos Há instrumentos na sala de controle que

executam funções inteligentes, porém não apresentam nenhuma informação em forma de indicação ou registro. São os instrumentos auxiliares que condicionam e processam os sinais de informação: extratores de raiz quadrada (linearizam o sinal quadrático proveniente do transmissor de vazão, associado à placa de orifício), multiplicador/divisor de sinais (associado à medição de vazão com compensação de temperatura ambiente e pressão estática),

Instrumentos

30

integrador (cuja saída pulsada alimenta o contador, que está localizado na parte frontal do painel, porque possui uma indicação digital) somador, seletor de sinais. Esses instrumentos, geralmente chamados de computadores analógicos, são montados ou atrás do painel de leitura ou em outro painel, colocado atrás do painel de leitura. Quando montados em outro painel, esse painel é chamado de armário (ou rack). Os operadores de processo não necessitam ter acesso a esse armário, pois não há nenhuma informação a ser lida nesses instrumentos. Como esses instrumentos não apresentam nenhuma leitura são chamados de instrumentos cegos.

Fig. 3.19. Painel cego de instrumentos Em sistema de arquitetura modular ou

arquitetura dividida, a separação e o conceito de painel de leitura e armário de instrumentos cegos são mais nítidos. Atualmente existe um consenso que todas as funções de leitura podem e devem ser separadas fisicamente das funções de processamento e computação matemática. Essa separação ocorre não apenas na instrumentação eletrônica, mas também na instrumentação pneumática.

8.3. Dedicado ou compartilhado Instrumento dedicado é aquele que executa

uma função relacionada com uma única variável de processo. Um instrumento corresponde a uma malha e uma malha corresponde a um instrumento. Os primeiros instrumentos analógicos eram dedicados. Atualmente, há instrumentos digitais microprocessados que também são dedicados a uma ou duas malhas de controle; são os instrumentos single loop. Instrumento compartilhado é aquele que executa a mesma função, (indicação, registro ou controle), de um grande número de variáveis, simultaneamente.

É possível se ter o compartilhamento de várias malhas com um único instrumento mecânico analógico, como o registrador multiponto, quando um instrumento registra até 24 pontos de temperatura (tag TJR .

Porém, o mais comum, é o compartilhamento do instrumento eletrônico digital. A interface para o compartilhamento é o multiplexador, que é o instrumento que converte várias entradas em uma única saída. Depois de multiplexar os sinais, há a conversão dos sinais analógicos para digital; (A/D). Quando há controle, o sinal digital deve ser reconvertido para analógico e voltar para o elemento final de controle. Usam-se o conversor digital-para-analógico e o de-multiplexador. O conjunto destas funções de multiplexar e demultiplexar é feito por um único instrumento chamado de moddem (MODulador-DEModulador).

8.4. Centralizado ou distribuído O sistema de controle centralizado é aquele

que converte todas as funções de interface com o campo (unidades de Entrada/Ssaída), interface com operador, unidades de controle analógico e digital e gerenciamento em um único instrumento.

O sistema de controle distribuído executa as funções de controle estabelecidas e permite a transmissão dos sinais de controle e de medição. As diferentes funções de interface com o campo (unidades de E/S), interface com operador, unidades de controle analógico e digital e gerenciamento são distribuídas geograficamente e interligadas pelo elo de comunicação.

Os primeiros sistemas de instrumentação analógico possuíam uma sala de controle centralizada, para onde convergiam todos os sinais de informação do processo. Na sala de controle havia ainda a tomada de decisão do controle. As primeiras aplicações de controle digital incluíam um único computador centralizado para fazer a coleta de dados e o controle do processo. O alto custo do equipamento permitia a existência de apenas um (ou dois computadores, quando havia reserva).

O uso intensivo e extensivo de microprocessadores devido a grande redução de seu custo e do equipamento de processamento de dados permitiu a distribuição da inteligência entre as diferentes fases do processo de coletar dados, condicionar sinais, tomar decisões e fornecer informação ao operador.

Inicialmente houve a aplicação com muitos pontos de controle indo para um painel centralizado, depois com o sistema digital

Instrumentos

31

distribuído, voltou-se a distribuir as funções de controle na área industrial. A distribuição de equipamentos de controle diminui o número e o custo das fiações entre cada sensor e a sala de controle e requer um sistema de multiplexagem confiável e um sistema de comunicação de dados.

No controle digital distribuído, as funções de monitoração e controle são distribuídas em vários painéis locais, cada um com seu próprio sistema digital, todos interligados por um sistema de comunicação. As operações são distribuídas funcional e fisicamente entre os vários processos da planta.

A tendência atual não é mais a de eliminar o operador, mas assisti-lo melhor, fornecer-lhe ferramentas mais eficientes e dar-lhe mais informações acerca do comportamento do processo, para que ele possa intervir na operação, nas situações de emergência, de modo mais eficiente e seguro. O ênfase é colocado no desenvolvimento dos equipamentos de comunicação humano-máquina, com aquisição de dados e telas de vídeo dando a possibilidade de estabelecer um dialogo entre os operadores e o processo.

Fig. 3.21. Estação de Operação Centralizada Atualmente, os sistemas de controle

distribuído proporcionam uma grande quantidade de informação que deve ser passada gradualmente aos computadores periféricos com o fim de prover controles avançados, otimizar o controle da planta e gerenciar a sua eficiência. O êxito e eficiência destas decisões, independente do seu nível, se baseiam na informação exata disponível e na existência de um sistema padronizado de comunicação entre o sistema de controle distribuído e os computadores que se estejam na rede.

11. Real ou Virtual

11.1. Instrumento real Instrumento real ou convencional é o

equipamento físico que executa a função para o qual ele foi projetado, construído e instalado. Ele deve ser especificado com detalhe para a função a ser executada, pois ele é pouco flexível.

Um controlador convencional deve ser especificado e comprado com as ações de controle necessárias. É muito difícil e quase impossível fazer atualização de um controlador convencional, para acrescentar alguma característica opcional, não prevista na época de sua compra.

Como já visto, o instrumento real pode ser montado no campo ou na sala de controle, pode ser pneumático ou eletrônico, pode ser dedicado ou compartilhado por várias malhas de medição e controle.

Atualmente, por causa do uso intensivo e extensivo do computador pessoal na medição e controle de processo, há uma tendência universal de substituir o instrumento real de painel pelo instrumento virtual. Porém, nem tudo pode ser virtual. Os sensores e transmissores, que são a interface com o processo, certamente continuarão a ser físicos, reais, convencionais.

11.2. Instrumento virtual Um instrumento virtual é definido como

uma camada de software, hardware ou de ambos, colocada em um computador de uso geral, de modo que o usuário possa interagir com o computador como se fosse um instrumento eletrônico tradicional projetado pelo próprio usuário.

Controlador virtual é aquele construído dentro de um computador pessoal. Atualmente, são disponíveis aplicativos para desenvolver a face do controlador (template), seu bloco funcional PID e os programas intermediários para interligar imagens, layouts, blocos e sinais externos.

Do ponto de vista do operador usuário, é muito difícil ver rapidamente as diferenças entre um instrumento virtual, constituído de programa e equipamento e um real, que é apenas equipamento. O que se vê na tela do computador não dá imediatamente um entendimento da filosofia de base. Diferente de um hardware, em que se pode abrir a caixa e olhar dentro, a arquitetura no software é abstrata e não é imediatamente visível a olho nu.

Instrumentos

32

Fig. 3.22. Controlador virtual na tela do monitor Para dar um exemplo, quando se tem um

computador pessoal com um circuito de aquisição de dados embutido, para um instrumentista ou operador de processo, o instrumento pode funcionar como indicador, registrador, controlador ou chave de atuação.

A única diferença entre o instrumento convencional e o virtual é o software e por isso tem se a idéia que o software é o instrumento.

Através do monitor de vídeo, teclado e mouse, o operador pode fazer tudo no processo industrial que é feito com o instrumento convencional, como:

1. alterar ponto de ajuste do controlador, 2. passar de automático para manual e

vice-versa e em modo manual, atuar diretamente no elemento final de controle

3. estabelecer pontos de alarme de máximo e de mínimo

4. alterar os parâmetros da sintonia (ganho, tempo integral e tempo derivativo)

Adicionalmente, como o instrumento dentro do computador possui muito mais recursos, o operador pode:

5. ver a curva de resposta do controlador para atestar o resultado da sintonia

6. ver a curva de tendência histórica

Fig. 3.24.Face frontal do controlador, com ponto de ajuste apenas local

11.3. Real e virtual Há instrumentos ou dispositivos que podem

ser simultaneamente real e virtual. Por exemplo, pode-se ter uma chave liga-desliga real, no campo, para ligar um motor. Porém, pode-se configurar uma chave liga-desliga virtual no sistema digital, de modo que a chave aparece na tela do computador e o operador pode ligar o mesmo motor, da sala de controle. As duas chaves, real e virtual, são independentes entre si e uma pode ser reserva da outra.

Chave automática também podem ser simultaneamente real e virtual. Por exemplo, pode-se ter uma chave automática de pressão, pressostato, uma física no campo e outra virtual, no sistema digital. A chave real é atuada pelo valor determinado da pressão e abre ou fecha contatos quando o valor da pressão atingir o valor pré-determinado. Sua calibração requer que o instrumentista vá ao local, com um padrão de pressão, para fazer a comparação.

A chave automática virtual é constituída de blocos lógicos , que ficam no sistema digital. Ele atua do mesmo modo, alterando o contato de saída, aberto ou fechado, quando o valor da pressão atingir um valor pré-determinado. Porém, a sua calibração pode ser feita pelo próprio operador, da sala de controle, através da estação de operação. O valor pré-determinado é entrado pelo teclado.

Uma pergunta freqüente que se faz: qual chave é mais confiável, a real ou a virtual? Há uns anos atrás, na década de 1980, talvez a chave real fosse considerada mais confiável, pois a real se baseava em software de um sistema digital. Atualmente, a confiabilidade é equivalente e como a virtual é mais

Instrumentos

33

conveniente, por facilidade de calibração e ajuste, ela é preferida.

É claro que um sensor, uma válvula atuadora de controle, um tanque, todos devem ser reais. Porém, há a representação virtual destes instrumentos e equipamentos na tela do computador. Ou seja, há uma válvula virtual, na tela do computador, representando e emulando uma válvula real, obrigatória, que está na área industrial. O tanque virtual que aparece na tela é a representação do tanque real, que está na área industrial, cheio de óleo ou produto químico.

O controlador é outro caso especial. O controlador pode ser real ou virtual, porém, não simultaneamente. Ou seja, se houver um controlador real, não pode haver um virtual e se houver um virtual, não poderá haver um real. Controlador atua dinamicamente, em tempo real.

A tendência atual é utilizar cada vez mais instrumentos virtuais, feitos dentro do computador, através de programas aplicativos . Estes aplicativos são amigáveis, poderosos, com bibliotecas ricas de modelos e padrões. Os aplicativos mais utilizados na indústria são:

InTouch, da Wonderware IFix, da Intellution VXL Elipse

34

4. Sistemas Digitais

1. Introdução Atualmente, os instrumentos são utilizados

em sistemas integrados e completos, que podem ter protocolos de comunicação digital abertos ou proprietários. Sistema aberto é aquele cujos equipamentos e protocolos de ligação podem ser fornecidos por vários fabricantes diferentes. Sistema fechado ou proprietário é aquele patenteado, que só pode ser fornecido por um unido fabricante.

Atualmente, exceto os instrumentos de campo, é raro se utilizar instrumentos isolados para a medição, controle, monitoração e automação de algum processo. A base do sistema de controle é o computador digital, que pode ser de uso geral ou específico. Geralmente, o que determina o tamanho e as características do sistema é o tipo de processo e a aplicação. Os principais sistemas utilizados são:

1. Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD)

2. Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA)

3. Controlador Lógico Programável (CLP) De um modo resumido pode-se dizer que

se utiliza 1. o SDCD para o controle de processos

contínuos complexos, que incluem muitas malhas de controle PID.

2. o SCADA para controle de processos simples, que tenham muitas operações de liga-desliga.

3. o CLP é utilizado para prover o alarme e intertravamento do processo, alem de ser o coletor de dados no sistema SCADA.

Assim, o SCDC é aplicado para o controle e a monitoração de refinarias de petróleo, siderúrgicas e de grandes plantas com controle contínuo, nas áreas de papel & celulose, indústria farmacêutica. O SCADA é usado na monitoração e controle de terminais de óleo e gás, plataformas de petróleo, onde os processos incluem movimentação de fluidos.

Embora o CLP seja um dos componentes do SCADA, ele também é utilizado em combinação com o SDCD, em sistemas

complexos. Nessa configuração, o SDCD é responsável pelo controle regulatório e avançado do processo e o CLP é responsável pelo alarme e intertravamento do mesmo processo. Por questão de segurança e da causa comum, as normas (IEC 61 508 e ISA 84.01) não permitem que um mesmo sistema (por exemplo, o SDCD) seja responsável simultaneamente pelo controle e pela segurança do mesmo processo.

2. Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD)

2.1. Introdução O primeiro sistema digital de controle

distribuído (SDCD) foi lançado no mercado em 1974, pela Honeywell, modelo TDC 2000. Desde então, ele percorre um longo caminho, sempre evoluindo e usufruindo as vantagens inerentes ao avanço tecnológico da eletrônica e da informática. Assim, já há várias gerações de SDCD, com diferenças significativas nos elementos chave de seu sistema, incluindo filosofia de operação, microprocessadores e esquemas de comunicação.

Por conveniência, o SDCD deve ser ligado a instrumentação de campo (transmissores e válvulas) inteligente ou microprocessada. Os benefícios se referem a facilidade de interfaceamento, redução de fiação, melhor desempenho metrológico global, facilidade de rearranjo remoto, possibilidade de diagnóstico e redução de custos de compra e calibração dos instrumentos.

A alta densidade de dos módulos de entrada e saída (E/S) pode economizar painéis e espaço em grandes sistemas de SDCD. Também há economia na fiação entre os equipamentos de campo e o SDCD, mesmo quando se tem redundâncias de comunicação, pois uma linha de comunicação redundante através de toda a planta custa muito menos do que centenas ou até milhares de fios individuais entre o campo e a sala de controle central.

Atualmente, no Brasil, os SDCDs mais usados são da Emerson, Foxboro (Invensys) e

Sistemas Digitais

35

Yokogawa. Alguns sistemas antigos foram construídos por fabricantes que agora pertencem a uma destas três grandes empresas. Por exemplo, o SDCD da Fisher Controls, Provox, agora é fabricado pela Emerson, que também fabrica o DeltaV. Outros sistemas menos usados são da Bailey (Infi90), Taylor (Mod300), Fischer & Porter (DCI F&P), Measurex (Vision) e Honeywell (TDC 3000).

Atualmente, todos os sistemas digitais apresentam aproximadamente as mesmas características e capacidades e estão sempre evoluindo, para tirar as vantagens da eletrônica, comunicação digital e informática. Os detalhes e especificações de cada sistema podem ser obtidos facilmente dos fabricantes, inclusive pela internet.

Fig. 4.1. Filosofia do SDCD Fig. 4.2. SDCD com Fieldbus Foundation

2.2. Emerson O SDCD da Fisher Controls é o Provox©.

Os consoles de operação Provue permitem alarme, gerenciamento, controle da variável, opção de tela com toque (touch screen) e interface do operador com os circuitos da área local da planta através da Janela de Aplicação.

A estação de trabalho de engenharia Proflex fornece um método de entrada de

formulários de banco de dados relacional implementado em uma Unidade de Aplicação de desktop da Fisher ou de qualquer computador da DEC VAX/VMS.

Depois que a Fisher Controls foi comprada pela Emerson, um novo sistema digital foi lançado no mercado, chamado DeltaV, que é considerado um sistema híbrido intermediário entre um SDCD e CLP. Aplicação típica de DeltaV é em controle de Unidade de Produção de Gás Natural (UPGN), anteriormente feito com o sistema SCADA, baseado em CLP. Embora mais simples que um SDCD convencional, o DeltaV é também um sistema poderoso e caro. O DeltaV veio para substituir o Provox e é também considerado parte da arquitetura PlantWeb, da Emerson, que apresentou resultados revolucionários nas várias aplicações no mundo.

O DeltaV é um sistema de automação da Emerson Process Managements, que tem o nome derivado da equação de engenharia para aceleração: dv/dt, a mudança da velocidade por mudança de tempo. O sistema DeltaV faz planejamento, engenharia, instalação, comisssionamento, treinamento, operação e manutenção do processo, de modo fácil e acelera o sucesso do usuário, ao melhorar o desempenho de sua planta.

O sistema DeltaV possui barramentos digitais de comunicação e controle avançado incorporado, para facilitar a integração e otimização e aumentar a produtividade da planta. Os protocolos de comunicação podem ser HART, Fieldbus Foundation e pode também incluir o AMS para facilitar e apressar a calibração, configuração e diagnostico e para oferecer flexibilidade de integração com suporte para outros protocolos como AS-i, DeviceNet e Profibus.

O sistema DeltaV oferece capacidade de acessar a informação através de toda a empresa, com suas tecnologias embutidas de OLE para Controle de Processo (OPC) e XML.Com as ferramentas avançadas de controle embutidas, o DeltaV pode reduzir facilmente a variabilidade do processo e pode oferecer sintonia fácil e sofisticada para calcular e controlar os parâmetros do processo para malhas de controle regulatório PID, lógica Fuzzy e redes neurais.

Sistemas Digitais

36

Fig. 4.3. DeltaV usado como SIS Fig.4.4. Sistema DeltaV simples Fig.4.5. Sistema Delta V mais complexo

2.3. Foxboro Nos equipamentos da série I/A, Inteliggent

Automation, tais como medidores de vazão e sistemas de indicação de nível, estão uma parte integral do sistema, permitindo a verificação da manutenção, capacidade de diagnostico e de configuração através do console do sistema. Mais ainda, a comunicação digital contínua entre os transmissores e o sistema fornece acesso para tal informação como as medições primárias, medições de temperatura por transmissor, diagnósticos, falha segura, ajustes de amortecimento, unidades de engenharia, localização física e data da ultima calibração.

Pela integração dos três domínios do controle - continuo, seqüencial e lógico - em um único sistema operacional, a série I/A permite as opções de desempenho, tais como partida e desligamento automáticos de unidades continuas e intertravamento integrados em sistemas de batelada.

A série I/A oferece um sistema de gerenciamento da informação do tipo relacional projetado para ser capaz de tratar com informação de tempo real da planta. Esta base de informação, junto com ferramentas de aplicação de alto nível, fornece capacidade de solução de tempo real.

Fig. 4.6. Sistema IA da Foxboro (Invensys)

Armários cegos do sistema IA

Estação de operação do sistema IA

Sistemas Digitais

37

2.4. Yokogawa O SDCD da Yokogawa é o Centum, que é

disponível em dois modelos diferentes em função do tamanho da aplicação:

CS1000 – para sistema pequeno CS3000 – para sistema grande. Um dos conceitos básicos do Centum

CS1000 é o controle eficiente através de simples operação, combinando a funcionalidade do DCS com a simplicidade de operacional um PC. Ele possui uma poderosa interface com controles amigáveis para operação, controle e manutenção de plantas industriais de médio e pequeno porte

Fig.4.7. Centum CS1000 O CS 3000 é o SDCD da Yokogawa de

grande porte. Ele integra a versatilidade e confiabilidade de seu predecessor série Centum com o ambiente aberto de um computador pessoal. O sistema é de fácil operação, possui mais funções de controle, engenharia eficiente e excelente relação de custo e beneficio.

Suas interfaces abertas permitem a troca de informação com Softwares de Supervisão de Recursos Empresariais (ERP) e Sistemas de Produção (MES), criando um estratégico sistema de informação e administração para sua planta.

Fig. 4.8. Sistema Yokogawa CS3000

3. Controlador Lógico Programável (CLP)

3.1. Conceito O controlador lógico programável (CLP) é

um equipamento eletrônico, digital, baseado em microprocessador, que pode

1. Controlar um processo ou uma máquina

2. Ser programado e reprogramado rapidamente

3. Ter memória para guardar o programa. O programa do usuário (e.g., diagrama

ladder) é inserido no CLP através de computador desktop, computador notebook, teclado numérico portátil ou programador dedicado. Depois de carregado o programa, o programador é desconectado do CLP.

Como o CLP é fácil de projetar e instalar e relativamente barato, quando comparado a um SDCD, ele é o sistema digital default para coletar dados de processo.

O CLP foi projetado para uso em automação de fábrica, quando a operação requeria tarefas muito rápidas, repetitivas, como em linhas de montagem. Estas exigências não são típicas de uma planta de processo, mas há algumas operações que podem usar as capacidades poderosas de um CLP, principalmente as de alarme e intertravamento. O CLP de hoje pode ser muito mais eficiente para executar sequenciamento, operações de alarme e de intertravamento. O controle em tempo real para intertravar motores e equipamentos relativos se tornou muito prático dentro do CLP usado no mundo do controle de processo. Um bom exemplo disto é o controle de processo de batelada com funções de gerenciamento do processo configurado através de um computador pessoal ou estação de trabalho de operação do tipo PC.

O controlador lógico programável varia na complexidade da operação que ele pode controlar, mas ele pode ser integrado em redes de comunicação digital com outros CLPs, computadores pessoais, sistemas de análise, sistemas de monitoração de maquinas rotativas e sistema digital de controle distribuído (SDCD), Geralmente, mas nem sempre, estas redes são ponto a ponto, significando que um CLP pode falar com outro diretamente sem ir através de outro equipamento intermediário.

O CLP pode ser uma alternativa, econômica, do SDCD, onde não são envolvidas estratégias de controle de malha de processo sofisticadas. As aplicações típicas de CLP são:

1. Parada e partida de equipamentos 2. Alarme e intertravamento de segurança

Sistemas Digitais

38

3. Movimentação de óleo e gás 4. Engarrafamento e empacotamento 5. Processo de batelada simples As vantagens do CLP são: 1. Possui excelente capacidade de

manipular lógica, seqüencial e intertravamento

2. Programação ladder ou de blocos de função é de fácil entendimento

3. Custo baixo, permitindo a personalização das funções do produto

4. Pode operar em ambiente hostil 5. Altíssima confiabilidade, sendo um

produto comprovadamente fácil de se manter

6. Oferece alto nível de flexibilidade e escalabilidade (capacidade de ser aumentado em escala, por partes).

7. Possui tamanho compacto e requer pouco espaço

As desvantagens do CLP no controle de processo são:

1. É não determinístico, ou seja, sem habilidade de prever o tempo de resposta, que é desastroso para o controle PID. O CLP é determinístico somente se a interrupção de tempo real for disponível e usada para PID.

2. Limitado em sua capacidade de fazer controle PID contínuo, principalmente em controle multivariável.

3. Dificuldade de implementar técnicas de otimização de controle, tipicamente disponíveis nos SDCDs.

4. Necessidade de computador pessoal para interfacear com os controles de processo e outras operações mais complexas.

5. Não possui interface humano-máquina, requerendo uso de um computador pessoal, quando for necessária esta interface.

6. Necessidade de configurar o CLP em separado da configuração do PC e do SDCD, em sistemas combinados.

7. Geralmente o fabricante de CLP não possui especialistas em controle de processo.

3.2. Construção O CLP fica condicionado em gabinetes com

dimensões adequadas para alojar os seus componentes. O arranjo interno deve permitir o acesso livre aos componentes substituíveis (tipo plug in ou encaixe sem ferramenta) para facilitar a manutenção e expansão.

Cada gabinete deve ter uma placa de identificação de acrílico com o número do CLP e do gabinete, fixado por rebites ou parafusos em local visível.

Cada módulo E/S e a fiação interna de todos os módulos do sistema devem ser identificados pelo método padronizado. A identificação pode ser fixada com arame, fitas adesivas ou qualquer outro modo aceitável.

Os gabinetes devem ser resistentes à corrosão. Eles devem ser tratados contra corrosão com pintura ou revestimento externo por um processo eletrostático.

A cor de acabamento dos gabinetes geralmente é cinza claro (Munsell 065).

Blocos terminais com fusíveis devem ser usados para sinais analógicos e solenóides.

A fita terminal deve ser separada de acordo com o tipo de sinal (4 a 20 mA, sensores de temperatura a resistência, termopares, sinais discretos de chaves). Os condutores com a alimentação de 127 V ca devem ser igualmente separados dos condutores com sinais.

A fita terminal deve ter classe de isolação adequada, típica de 750 V.

Os cabos internos devem ser do tipo à prova de chama e de acordo com as cores padronizadas.

3.3. Operação do CLP Como todo sistema digital, o CLP opera de

modo descontínuo, por ciclos de varredura. O CLP recebe sinais do processo através de seus módulos de entrada e atua nos elementos finais de controle através de seus módulos de saída. Esta atuação vai depender do status dos sinais de entrada, do programa (ladder) que o CLP executa e do status dos sinais de saída.

Fig. 4.9. Esquema de funcionamento do CLP

Sistemas Digitais

39

3.4. Varredura do CLP Embora possa haver pequenas diferenças

entre CLPs, especialmente o que eles fazem durante a inicialização, o ciclo de varredura de três passos é sempre o mesmo:

a) Uma varredura de entrada. O CLP lê os dados de todos os módulos de entrada (adquirindo dados de sensores ligados aos módulos de entrada). Este dado de entrada é colocado em uma área da memória do módulo da Unidade de Processamento Central (CPU) reservado para imagens dos dados de entrada

b) Varredura do programa do usuário. O programa de controle escrito pelo usuário é rodado uma vez, do inicio até o fim. O programa contém instruções para examinar dados da imagem de entrada e para determinar que valores o CLP deve colocar nas saídas que vão para os atuadores. O CLP não escreve os dados de saída nos módulos de saída ainda, mas os salva em uma área da memória RAM da CPU reservada para imagens dos dados de saída. O programa do usuário pode examinar e alterar todas as áreas endereçáveis da memória RAM. (Isto significa que os dados de imagem da entrada podem ser alterados pelo programa do usuário e os dados de saída podem ser examinados). Alguma memória RAM não é endereçável, de modo que ela não pode ser alterada pelo programa do usuário. O programa do usuário, por exemplo, não está em uma memória endereçável.

c) Uma varredura de saída. Durante este passo, o CLP copia todos os dados da área da imagem de saída da CPU para os módulos de saída.

Cada vez que o CLP termina um ciclo de varredura e começa outro. O sistema operacional também roda um timer watchdog, enquanto é executado o ciclo de varredura. Se o timer watchdog atinge seu valor pré-ajustado antes de ser reiniciado (se um ciclo de varredura leva um tempo anormalmente grande para terminar), o CLP vai imediatamente para o modo de falha (fault) e pára de operar. Depois de falhar, o CLP geralmente requer a intervenção do operador para voltar a operar. A maioria dos CLPs possui programa operacional com diagnóstico de falhas.

Fig. 4.10. Ciclos da varredura do CLP

Fig. 4.11. Varredura e interrupção

3.5. Capacidade do CLP Cada CLP deve apresentar a seguinte

capacidade básica: a) Coleta de sinais analógicos e discretos b) Saídas de sinais analógicos e discretos c) Execução de seqüências e controle PID d) Interface com outros equipamentos

digitais e) Capacidade de comunicação com a

Estação de Operação, quando houver SCADA.

3.6. Configuração de CLP A configuração das seguintes funções

mínimas deve ser possível: a) Relé básico b) Temporização no ligamento,

desligamento, retentivo ou não, com diferentes bases de tempo.

c) Contador crescente ou decrescente d) Transferência de blocos e) Transmissão por exceção de mudança

de status f) Lógica booleana (AND, OR, NOT) g) Operações matemáticas (soma,

subtração, multiplicação, divisão, raiz) h) Seqüenciadores i) Comparadores (maior, menor, maior ou

igual, menor ou igual, igual, não igual) j) Linearizadores k) Controle PID

Sistemas Digitais

40

l) Calculo matemático de ponto flutuante para a correção da vazão devida a pressão e temperatura

m) Integração de vazão instantânea durante intervalo de tempo

n) Filtro de sinais analógicos Todo CLP deve ter um código de

identificação alfanumérico que deve registrar em sua memória e ser acessível tanto localmente pelo terminal de programação como remotamente pela Estação de Operação.

Os programas de operação devem ser armazenados em memória EEPROM. AS memórias RAM de armazenamento devem ser protegidas por baterias.

Todos os dados, parâmetros e versões de programa devem ser acessíveis do terminal de programação.

Os controladores PID devem permitir, localmente, do terminal de programação ou, remotamente, pelo Estação de Operação, a determinação, entre outras coisas, do valor do ponto de ajuste, o modo de operação (automático ou manual), os parâmetros de ganho, os fatores derivativo e integral. O controlador deve também permitir o ajuste da banda morta do erro.

O CLP deve remotamente soar o alarme na Estação de Operação em cada ocorrência de falha.

O CLP deve permitir a programação através de programa configurável de alto nível.

O CLP deve ser capaz de executar a re-partida automática na volta da falha de alimentação.

O CLP foi criado para substituir relés eletromecânicos e por isso é programado usando lógica de relés. Quando o CLP começou a ser aplicado em controle PID de processo mais complexo, foi necessário criar linguagem de programação mais poderosa, como a de Blocos de Função.

Fig. 4.12. Armário de um CLP

Fig. 4.13. Diagrama de blocos do CLP

3.7. Equipamentos associados A instrumentação de campo

(transmissores, chaves) ligada ao CLP deve ser alimentada pelo CLP

1. Através dos módulos de entrada e saída

2. Através de fonte externa de 24 V cc, mas disponível no CLP.

O CLP deve ter diodos emissores de luz (LEDs), na parte frontal dos módulos, fonte e CPU, para indicar suas condições de operação.

Todas as conexões do CLP (cada porta de comunicação E/S e conexão de fonte de alimentação) devem ter proteção contra transientes.

Cada CLP deve ter um clock interno permitindo o registro de ocorrências de alarme e de evento com tempo estampado.

O equipamento não deve gerar interferência que possa atrapalhar a operação de outros equipamentos eletrônicos, nem ter sua operação afetadas por estes equipamentos.

Todos os módulos de entrada e saída (E/S) devem trabalhar permanentemente energizados, nas condições normais de operação. Cada módulo E/S deve ter um fusível de proteção individual.

Cada módulo de entrada deve ter, no mínimo, as seguintes características:

1. Isolador óptico para os sinais de campo e circuitos internos lógicos (mínimo de isolação de 1 500 V). Esta isolação deve ser independente para cada módulo E/S.

2. Proteção contra transientes de tensão, picos de corrente, transitórios e interferência de 60 Hz, interferência de rádio freqüência e descarga atmosférica.

3. Proteção contra inversão de polaridade.

Os módulos de entradas discretas devem ter filtros e LEDs para indicar status da entrada (ligada ou desligada).

Sistemas Digitais

41

Os módulos de entradas analógicas devem ser capazes de operar com os sinais padrão de 4 a 20 mA, para transmissores de 2, 3 ou 4 fios. O CLP também deve ter módulos de entrada para receber sinais de RTD (Pt 100) e termopares (com juntas de compensação).

As saídas discretas devem ter as seguintes características:

1. Contatos secos 2. Capacidade de contato de 2 A, a 24 V

cc, 1 A a 125 V cc ou 2 A a 127 V ca 3. Quando a fonte de alimentação não for

interna ao CLP, deve haver um relé discreto externo ao módulo de saída.

Cada saída analógica deve ter as seguintes características:

1. Alimentar cargas com impedância de até 1 000 Ω.

2. Ajuste independente de zero e de amplitude de faixa, para cada canal.

3.8. Dimensionamento do CLP Dimensionar um CLP é determinar o

número de CPUs, número e tipo de módulos de entrada e de saída, quantidade gabinetes, gavetas, posições (slots) e terminais

O dimensionamento do CLP depende do tamanho do projeto, que é função principalmente do número e tipo de entradas e saídas.

O CLP e gabinete devem ser fornecidos com todo equipamento necessário para uma expansão futura de 15 % dos pontos totais, simplesmente pela inserção de novos módulos de E/S e cabos de instrumentos de campo, sem a necessidade de qualquer outro material.

A fonte de alimentação deve ser capaz de suportar transiente de até 30% das variações na tensão de entrada para um período de 10 segundos sem perturbar seu trabalho.

A fonte de alimentação deve ter suas saídas protegidas contra sobre tensão, sob tensão e sobre corrente e em qualquer um destes eventos, deve desligar automaticamente e se manter em seu estado até que o defeito seja corrigido.

3.9. Comunicação de dados O CLP deve ter o equipamento e programa

necessários para se comunicar com o a Estação de Operação através de meios de comunicação, preferivelmente com protocolos abertos.

Fig. 1.11. Aplicação típica de um CLP

3.10. Terminal de programação O Terminal de Programação adequado

deve ser um notebook, compatível com a norma IBM PC. É desejável que o notebook tenha as seguintes características:

1. Pentium IV, mínimo de 1,6 MHz 2. 256 MB RAM, expansível para 512 MB 3. Bateria de longa duração, com

capacidade mínima de 2 horas de operação sem recarga

4. Display LCD VGA, com tela de matriz ativa e com tela mínima de 10 “.

5. Drive de disco flexível de 3 1/2” (1,44 MB)

6. Disco rígido de 10 GB, quando formatado, interface IDE, tempo de acesso máximo de 12 ms

7. Unidade de leitura de CD-ROM, com uma velocidade de 52X ou maior

8. Trackball integrado 9. Slot de expansão PCM CIA tipo II 10. Porta paralela padrão Centronics, para

impressora 11. Porta serial 12. Conexões para teclado externo e

monitor externo VGA O notebook deve vir junto com uma fonte

de alimentação ac/dc, cabos, maleta e uma série de manuais do computador e acessórios.

Os seguintes programas devem estar instalados:

1. Windows 2000 ou XP 2. Utilitários do CLP (para confecção de

diagrama ladder ou bloco de funções) 3. Aplicativo para operação e manutenção

de equipamentos em uso.

Sistemas Digitais

42

4. Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA)

4.1. Introdução SCADA é o acróstico de Supervisory

Control And Data Acquisition – Controle Supervisório e Aquisição de Dados. SCADA é um sistema de controle tipicamente usado para monitorar e controlar processos que tenham muitas operações de liga e desliga e poucas malhas de controle analógico PID. O sistema SCADA é usado principalmente para partir e parar unidades remotas e não é usado para o controle do processos complexos.

Exemplos de processos simples:, 1. unidades de transferência de produtos

em tubulações por bombas (líquidos) ou compressores (gases),

2. distribuição de água e 3. distribuição de energia elétrica. Tais sistemas utilizam intensiva e Antigamente o termo controle

supervisório significava o sistema onde o computador digital estabelecia o ponto de ajuste e outros parâmetros dos controladores analógicos.

A tendência atual é utilizar sistemas com protocolos e programas abertos, podendo utilizar equipamentos de diferentes fabricantes. Porém, há sistemas SCADA proprietários, de um único fabricante, que já está interligado com todas interfaces e drivers proprietários. São sistemas mais caros, menos flexíveis, porém já prontos para o uso. Exemplo: MOSCAD, da Motorola.

Os equipamentos básicos do SCADA são: 1. Controlador Lógico Programável (CLP)

para fazer a aquisição de dados 2. Computador Pessoal (PC) para rodar o

supervisório e constituir a estação de operação ou a interface humano-máquina.

4.2. Coleta de dados Neste sistema, tem-se vários fornecedores

de CLP (Siemens, Modicon, Rockwell, GE Fanuc, Hitachi) e vários aplicativos (InTouch, IFix, VXL). Há maior flexibilidade, porém, há maior dificuldade de integração do sistema e casamento de protocolos digitais diferentes.

Um sistema de Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA) coleta e armazena dados para uso futuro. Os dados podem ser analógicos, discretos ou digitais. Os dados analógicos podem ser do tipo:

1. 4 a 20 mA cc, 2. tensão de mV de células de carga,

3. tensão de termopares dos tipos J, K, R, S, T B e E,

4. resistências detectoras de temperatura, Os dados de pulsos podem ter diferentes

faixas de freqüência e são gerados por: 1. turbinas medidoras de vazão, 2. transmissores de vazão magnéticos, 3. medidores tipo vortex ou coriolis Fig. 4.14. Visão geral de um SCADA Dados discretos são as saídas de chave,

que podem ser 0 ou 1. Estes sinais analógicos, discretos ou de

pulso são convertidos para a forma digital conveniente para uso dentro do sistema digital de aquisição de dados.

Os sinais digitais, como protocolo HART®, Fieldbus Foundation, Modbus e Profibus entram no sistema através da rede de comunicação digital. Estes sinais digitais entram no CLP através de sua CPU.

Há uma distinção clara entre sinal digital e discreto (ou binário). O sinal ou protocolo digital é constituído de vários bits (p. ex.: 16, 32 ou 64) e tem muitos recursos. Exemplos de protocolos digitais: HART, Fieldbus Foundation, Modbus. O sinal discreto ou binário é aquele fornecido por uma chave elétrica e possui

Sistemas Digitais

43

apenas um bit de informação: ligado ou desligado. Há autores e manuais que chamam o sinal discreto de digital, diferente das definições deste trabalho. Há ainda o sinal de pulso, cuja informação pode estar na amplitude, na freqüência, na duração ou na posição do pulso. Exemplos de sinais: saída de turbina medidora de vazão, saída de medidor magnético de vazão.

Fig. 4.15. Sistema SCADA tradicional Um modo claro para mostrar a diferença

entre sinal discreto e digital, em um CLP é que os sinais discretos entram através de módulos de entrada e sinais digitais através da porta da CPU do CLP.

Na maioria das aplicações industriais, a aquisição de dados é feita por controladores lógico programáveis (CLP) que possuem as interfaces de entrada e saída padronizadas e com preço conveniente. Outra vantagem de se usar um CLP como sistema de coleta de dados é a facilidade de driver de comunicação entre ele e o microcomputador onde será rodado o programa aplicativo para realizar o controle supervisório do processo.

Quando os dados são coletados a grandes distâncias, eles são transferidos através de fios físicos, por uma onda de rádio freqüência portadora ou através de linha telefônica ou por uma combinação qualquer destas três técnicas.

Fig. 4.16. Componentes do SCADA

4.3.Estação de Operação Os dados do campo devem estar

disponíveis em um único local centralizado e onde possam ser indicados, registrados, totalizados, analisados e alarmados. É também desejável que o operador, além de coletar os dados e saber os status dos dispositivos remotos, possa atuar no processo, abrindo e fechando válvulas motorizadas, ligando e desligando motores de bombas e compressores, enviando sinais analógicos para atuar em válvulas de controle. Nestas aplicações, os sinais digitais do sistema de aquisição de dados devem ser convertidos de volta para a forma analógica e aplicados a algum tipo de atuador no processo. Este local é a estação de operação.

A Estação de Operação é um computador pessoal (PC), de uso industrial, que roda um software aplicativo de Controle Supervisório.

Através de telas previamente configuradas e o sistema interligado, o operador pode selecionar através do teclado ou mouse do computador diferentes visões do processo, desde uma malha isolada, grupos de malhas até o processo completo.

O monitor do computador irá substituir os painéis convencionais com botoeiras, instrumentos de display, anunciador de alarme e painel sinóptico. As chaves liga e desliga e as

Sistemas Digitais

44

botoeiras de partida e parada são substituídas por teclas ou são atuadas através da tela especial (touch screen). Têm-se agora chaves lógicas ou virtuais que funcionam exatamente como se fossem reais.

O monitor do computador substitui os instrumentos de display. Através do programa de configuração, o operador pode selecionar telas que apresentam os valores numéricos das variáveis de processo de diferentes modos, à sua escolha. Os valores podem aparecer ao lado dos equipamentos associados. Por exemplo,

1. o nível do tanque pode ser apresentado em percentagem ao lado do desenho do tanque,

2. a vazão que passa por uma tubulação pode ter o valor instantâneo mostrado junto da tubulação,

3. a temperatura de um reator pode ser mostrada em diferentes posições, em valores digitais.

Através da configuração de tela, os instrumentos virtuais podem se parecer com instrumentos convencionais, com escala analógica (gráfico de barras simula a escala analógica), com botões, chaves seletoras e chaves de atuação.

A totalização da vazão ou de outra variável (por exemplo, tempo acumulado de operação de motor de bomba) pode ser apresentada na tela do monitor, em tamanho e cor definidos pelo usuário.

O anunciador de alarme é eliminado e agora os alarmes são listados pelo computador, mostrados na tela do monitor ou impressos em papel, se necessário. O alarme sonoro continua existindo. O usuário pode definir um código de cores para diferentes tipos de alarme. No diagrama do processo mostrado na tela do monitor do computador, as variáveis alarmadas podem assumir diferentes cores.

Fig. 4.17. Sala de controle do sistema SCADA

Também no sistema, os status dos equipamentos podem ser definidos e observados na tela do monitor. Assim, por exemplo, válvulas fechadas podem ser representadas em vermelho, abertas em verde e em posições intermediárias, em azul.

Tudo que era feito através da instrumentação convencional contínua sendo feito, porém, o operador vê o processo através de uma janela. Sua interface para ver o que está ocorrendo é a tela do monitor e sua interface para atuar no processo é o teclado do computador, mouse, trackball (mouse com esfera) ou a própria tela do monitor se ela for sensível ao toque (touch screen).

Este sistema supervisório facilita muito a vida do operador. Relatórios que anteriormente eram escritos à mão agora são automaticamente impressos. A partir do aperto de uma tecla, o operador pode ter uma lista de todos os pontos que foram alarmados nas últimas 24 horas de operação.

Fig. 4.18. Funções do SCADA Fig. 4.19. Interface Humano-Máquina

Sistemas Digitais

45

Fig. 4.20. Estação de operação do SCADA Concluindo: um conjunto integrado de

sistema de aquisição de dados, programa de controle supervisório e um microcomputador, pode ser uma alternativa econômica para um Sistema Digital de Controle Distribuído. Por causa de suas limitações de desempenho e conveniência geral apresentadas por um sistema com microcomputador, estas aplicações são ideais para processos onde o custo é crítico e o controle é simples. Este conceito certamente cria a expectativa e a visão do futuro para aplicações abertas. Mesmo com suas limitações, o sistema pode ter ou fazer:

1. Gerenciamento de banco de dados relacional,

2. Pacote de planilha de cálculo 3. Processador de texto 4. Gerenciamento de display orientado

para objeto 5. Estação de trabalho orientada para

janela 6. Troca de informações com outros

sistemas digitais da planta 7. Comunicação com outros sistemas

digitais, como controlador lógico programável, controlador digital single loop, sistema de monitoração de máquinas rotativas, sistema de análise da planta

8. Interoperabilidade entre outras plataformas digitais disparatadas.

4.3. Programa Aplicativo (Software) A operação de selecionar uma malha,

iniciar uma entrada de dados, atuar em determinado dispositivo remoto, apresentar uma lista de alarmes não é feita milagrosamente, mas deve ser prevista e programada. Para facilitar as coisas, são disponíveis vários programas aplicativos no mercado, para que usuário realize seu controle, sendo os mais conhecidos:

1. Intouch, da Wonderware 2. IFix (FicsDmacs), da Intellution 3. Oasys, da Valmet 4. Wizcon, da Wizcon 5. Elipse, da Elipse Software 6. RSView, da Allen-Bradley 7. Aimax, da Smar

Um programa aplicativo supervisório é usado para confeccionar telas, animar objetos, permitir a monitoração e atuação do processo através da estação de controle. Os aplicativos possuem bibliotecas com figuras, imagens, símbolos e ícones já prontos e fáceis de serem usados, bastando ao programador apenas a sua configuração e endereçamento.

Depois de configurado, o supervisório possui dois modos de funcionamento:

1. operação ou run time 2. desenvolvimento ou engenharia Em modo de operação, o controle

supervisório cuida principalmente de monitorar o processo, ligar, desligar equipamentos e contornar unidades danificadas por acidente, estabelecer pontos de ajuste, alterar sintonia de controlador, alterar valores de alarme.

No modo de desenvolvimento, pode-se alterar telas, colocar ou retirar instrumentos, configurar novas estratégias, registrar senhas e alterar níveis de prioridade e outras funções de gerenciamento do sistema.

Fig. 4.21. Tela típica do InTouch

Sistemas Digitais

46

5. Protocolos de comunicação

5.1. Introdução Em uma malha de medição e controle de

processo, os instrumentos necessitam se comunicar entre si. Quando o sinal é analógico, esta compatibilidade é conseguida com a padronização dos sinais: pneumático em 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi – e a padronização?) e eletrônico (4 a 20 mA cc). O sinal analógico contém apenas uma informação, que está na amplitude do sinal proporcional ao valor da medição.

Com o sinal digital, as coisas se complicam porque se quer usar a capacidade digital de comunicação de transmitir vários sinais simultaneamente em um único meio (fio trançado, cabo coaxial, cabo de fibra óptica), que é compartilhado por todos os sinais de informação.

Protocolo é o conjunto de regras semânticas e sintáticas que determina o comportamento dos instrumentos funcionais interligados para se ter uma comunicação entre eles. Na arquitetura OSI (Open Systems Interconnection), é o conjunto de regras que determina o comportamento de entidades na mesma camada para se comunicarem.

Há muitos protocolos alternativos tais como Fieldbus Foundation, WordFIP/FIP, Profibus, ISP, LonWorkds, P-NET, CAN, HART, BIT-BUS, Modbus e Ethernet. A maioria é proprietária, ou seja, o protocolo foi desenvolvido por determinado fabricante isolado ou em conjunto com outros fabricantes. A razão mais óbvia para a variedade de protocolos é que eles foram projetados para diferentes aplicações em mente e otimizados para características específicas tais como segurança, baixo custo, alto número de dispositivos conectados. Portanto, cada norma pode ter vantagens para atender prioridades de uma determinada aplicação. A não ser que uma única norma se torne um líder claro, pode ser necessário para os fabricantes fornecerem interfaces para os outros protocolos em uso.

Os protocolos dependem basicamente do tipo do processo e do nível da aplicação. Os processos podem ser do tipo contínuo ou discreto.

Processo contínuo é aquele que faz a medição, monitoração e controle de variáveis analógicas, como pressão, temperatura, vazão, nível e analise. O algoritmo básico deste controle é o PID – ações Proporcional, Integral e Derivativa.

Processo discreto é aquele que possui muitas ações de ligar e desligar, quando os

atuadores estão ligados ou desligados, abertos ou fechados.

O nível de aplicação se refere à função do equipamento da malha. O nível mais baixo inclui sensores e sinais de 1 bit, que é a saída de uma chave. O bit só pode valer 0 ou 1.

O nível acima do sensor é o de equipamento, tipicamente o transmissor e de válvula de controle.

Acima do nível de equipamento, está o nível de controle regulatório, que pode incluir o controlador PID e controlador com lógica fuzzy.

O nível mais alto da aplicação inclui os negócios da empresa, com as atividades de compra e venda, planejamento, manutenção, operação, finanças, relações humanas.

Quanto mais elevado for o nível, melhor deve ser o desempenho do protocolo e quanto mais baixo o nível, maior deve ser a sua confiabilidade. Porém, há um teorema em comunicação que estabelece que o produto desempenho e confiabilidade é finito. Assim, quando se aumenta o desempenho, diminui-se a confiabilidade e quando se aumenta a confiabilidade, se diminui o desempenho. Tipicamente, os protocolos de chão de fábrica são muito confiáveis e com pequeno desempenho e os de negócio são de alto desempenho e pequena confiabilidade.

Protocolo de alta confiabilidade é chamado de determinístico, ou seja, o sinal enviado chega ao receptor, mesmo que demorado. Protocolo de alto desempenho é aquele que transfere grande quantidade de dados em alta velocidade, por exemplo, 100 Mbaunds.

Fig. 4.22. Tipos de protocolos e aplicações

Sistemas Digitais

47

5.2. Protocolo HART

Conceito HART é um acróstico de Highway

Addressable Remote Transducer – Transdutor Remoto Endereçável de Barramento. O protocolo HART foi o primeiro a ser usado na industria de processo contínuo e é muito utilizado ainda hoje. Ele foi desenvolvido pela Rosemount, que hoje faz parte da Emerson, em 1986. Por sua grande aceitação, ele se tornou aberto (quando todos os fabricantes poderiam utiliza-lo) em 1991.

Outros

SDCDproprietárioProprietário

HART

Fig. 4.23. Percentagem de uso

Vantagens As vantagens do HART incluem:

1. Protocolo de comunicação com aceitação mundial, tendo cerca de 50% do mercado e por isso é considerado o padrão digital, de facto,

2. Protocolo aberto, independente do fabricante e gerenciado pela Fundação de Comunicação HART

3. Possui um terminal portátil universal e amigável para todos os equipamentos

4. Possui a capacidade digital de acessar todos os parâmetros do instrumento e fazer diagnóstico,

5. É um dos poucos protocolos digitais que pode ser superposto ao sinal analógico de 4 a 20 mA cc.

Método de operação O protocolo HART opera usando o princípio

de frequency shift keying (FSK), que é baseada na Norma de Comunicação Bell 202 (Bell, 1976). O sinal digital é constituído de duas freqüências:

1200 Hz que é o bit 1 2200 Hz que é o bit 0.

Ondas senoidais destas freqüências são superpostas sobre um sinal analógico de 4 a 20 mA corrente contínua, transmitido por cabos, para dar simultaneamente comunicações analógica e digital. Como o valor médio do sinal FSK é sempre zero, o sinal de 4 a 20 mA cc não é afetado pelo sinal digital. Isto produz comunicação simultânea genuína com um tempo de resposta de aproximadamente 500 ms para cada equipamento de campo, sem interromper qualquer sinal analógico de transmissão que possa estar ocorrendo.

Até dois equipamentos principais (master) podem ser ligados a cada malha HART. O primário é geralmente um sistema de gerenciamento ou um PC, enquanto o secundário pode ser um terminal hand-held ou um computador laptop. Um terminal padrão hand-held (chamado comunicador HART) é disponível para tornar uniformes as operações de campo. As opções adicionais de circuito são fornecidas por gateways.

Fig. 4.24. Comunicações analógica e digital simultâneas

Ponto a ponto Nesta configuração, o sinal analógico de 4

a 20 mA cc continua sendo usado para a transmissão analógica enquanto a medição, ajuste e dados do equipamento são transferidos digitalmente. O sinal analógico permanece inalterado e pode ser usado para controle de modo normal. Os dados HART dão acesso para manutenção, diagnóstico e outros dados operacionais.

Multidrop Este modo requer somente um par de fios

e, se aplicável, barreiras de segurança intrínseca e uma fonte de alimentação auxiliar para até 15 equipamentos de campo. A configuração multidrop é particularmente útil para instalações de supervisão muito espaçadas, como em tubulaçoès, estações de alimentação e tancagem.

Sistemas Digitais

48

Os instrumentos HART podem ser usados de qualquer modo. Na configuração ponto a ponto, o instrumento de campo tem endereço 0, estabelecendo a corrente de saída em 4 a 20 mA cc. Na configuração multidrop, todos os endereços de equipamento sãomaiores do que 0 e cada equipamento estabelece sua corrente de saída para 4 mA. Para este modo de operação, os controladores e indicadores devem ser equipados com um modem HART.

Os equipamentos HART podem se comunicar usando linhas de telefone das concessionárias (Bell, 1973). Nesta situação, somente uma fonte de alimentação local é necessária pelo equipamento de campo e o master pode estar muitos kilômetros distante. Porém, a maioria dos países europeus não permite sinais Bell 202 usados com equipamentos portadores nacionais, de modo que os produtos HART não podem ser usados deste modo.

Fig. 4.25. Tela do terminal portátil típica

Camada física HART A transmissão de dados é feita através do

sistema FSK - Frequency Shift Keying, com as seguintes características físicas:

1. bit 0 = 2200 Hz 2. bit 1 = 1200 Hz 3. A taxa de transferência é de 1200

bits/s. 4. A taxa de transferência para variáveis

simples: 2 por segundo. 5. Segurança dos dados: checking de erro

bi dimensional. 6. Máximo número de dispositivos

secundários (slaves) em modo multidrop: 15.

7. Máximo número de dispositivos principais (masters): 2.

8. Máximo número de variáveis: 256 por secundário. Máxima distância: típica de 1900 m, dependendo do tipo de cabo.

Terminal portátil Há um único terminal portátil (hand held

terminal) para todos os equipamentos, representando uma única interface para todos e com as seguintes características desejáveis:

1. pequeno e robusto, 2. alimentado por bateria, 3. podendo ser intrinsecamente seguro,

quando necessário uso em locais de Divisão 1 ou não incenditivo para locais de divisão 2, com aprovações do FM e CSA

4. programa é atualizável (upgradeable) no campo, com módulo de memória reprogramável substituível.

O terminal universal é fácil de aprender e usar. Ele possui

1. um display com 8 linhas e 21 caracteres em cristal líquido (LCD)

2. chaves funcionais e 3. chaves de ação, para mover através da

estrutura do menu 4. um teclado alfanumérico. Fig. 4.26. Terminal portátil HART

Sistemas Digitais

49

5.3. Fieldbus Foundation

Conceito Fieldbus é um termo genérico, que significa

barramento de campo. Assim, qualquer protocolo digital no nível de equipamento pode ser considerado como de fieldbus, e.g., o protocolo HART. Atualmente, quando se refere ao Fieldbus, quer se tratar do protocolo digital aberto da Fieldbus Foundation (FF).

Caminho de comunicação digital, serial, multidrop, duplex entre equipamento industrial de campo, como sensores, atuadores, transmissores, controladores e mesmo equipamentos da sala de controle. Fieldbus é uma norma específica ISA SP 50 (Fieldbus Foundation) para comunicação digital, operando no mais baixo nível de comunicação de dados (E/S) em sistemas automáticos. Ela permite a comunicação e interoperabilidade entre equipamentos inteligentes de campo e equipamentos do sistema de controle de vários vendedores. Ela também suporta o acesso à informação para monitorar, controlar e alarmar durante a partida, operação e manutenção da planta. Há duas versões emergentes:

1. H1 para ligar sensores e atuadores para equipamentos de controle

2. H2 para funcionar como um highway de dados mais sofisticado.

Benefícios de instalação Fieldbus é multidrop e por isso, reduz a

fiação e os custos de fiação, terminações, testes, caixas de passagem.

Fieldbus fornece um método de acesso padronizado aos parâmetros do equipamento de sensores, transmissores, atuadores e controladores, permitindo configuração remota. Isto melhora a acessibilidade dos equipamentos remotos. O uso de sinais digitais melhora a exatidão da calibração.

A interoperabilidade do fieldbus permite a seleção de um equipamento entre vários vendedores.

Benefícios da operação O uso de representação digital com ponto

flutuante permite a transmissão de informação numérica sem degradação.

Não há erros introduzidos na transmissão. A medição é mais repetitiva. Há melhor controle, com economia de

energia e de produção. Há maior quantidade de informação

disponível dos equipamentos de campo e possibilidade de transmissor multivariável (único instrumento pode sentir várias variáveis ao mesmo tempo e todas as informações são transmitidas por um único meio físico).

Sinais digitais são mais garantidos, seguros, no sentido que há salvaguardas para detectar erros e degradação do sinal. Há maior confiabilidade.

Benefícios da manutenção Menos manutenção por causa da maior

confiabilidade da tecnologia digital. Manutenção mais rápida por causa do

diagnostico digital específico, levando a correção mais rápida e completa, documentação automática.

Acesso a vários parâmetros dentro de um equipamento inteligente torna possível o diagnóstico remoto e até manutenção remota.

Norma aberta permite a interoperabilidade de produtos com mesma função, tornando a substituição de equipamentos mais simples e rápida.

Camadas do FF Fieldbus Foundation foi a primeira norma

aplicada à camada do usuário e por isso representa o projeto mais compreensivo até agora. Fieldbus usa somente as camadas física (1), link de dados (2) e aplicação (7) do modelo OSI OSI (Open Systems Interconnect) e omite as camadas rede (3), transporte (4), sessão (5) e apresentação (6). Ele usa um subconjunto de referência OSI chamado de EPA (Enhanced Performance Architecture) – arquitetura de desempenho melhorado.

Na camada física (1), tem-se a característica do sinal, preâmbulo e post-âmbulo, seqüência de verificação da estrutura.

Na camada de link de dados (2), tem-se o protocolo de acesso à mídia, transferência confiável da mensagem, serviços cíclicos e acíclicos.

Na camada de aplicação (7), tem-se a atribuição de nome e endereço, acesso variável, download e upload. Esta camada é a mais elevada e é orientada para mensagem.

Além disso, como característica única, o Fieldbus inclui a camada do usuário. Esta camada, não incluída no modelo OSI pois não é considerada de comunicação, define os blocos de função com modo e status, eventos e alarmes e a descrição do equipamento. A camada do usuário é orientada para o equipamento. A camada do usuário define o comportamento do equipamento e por isso é a mais importante.

Sistemas Digitais

50

Fig. 4.27. Modelo de sete camadas da OSI (Open Systems Interconnect) Fig. 4.28. Modelo com quatro camadas do Fieldbus Foundation

51

6. Integração de Sistemas

6.1. Cenário da planta O cenário típico da planta, com relação a

automação do processo é o seguinte:

1. Processo principal controlado por um sistema digital, que pode ser • Sistema Digital de Controle

Distribuído, quando complexo • Controladores microprocessados

single loop, quando simples e pequeno

• Sistema SCADA, com computador pessoal e CLP, quando o processo for simples e grande.

2. Alarme e intertravamento do processo feito por Controlador Lógico Programável convencional, ou em arquitetura de redundância

3. Sistema de monitoração de máquina rotativa

4. Sistema com analisadores em linha com processo

5. Sistema digital para pesagem, ensacamento, entamboramento ou expedição do produto acabado

6. Sistema de monitoração e controle das utilidades (vapor, águas, ar comprimido de instrumento e de serviço, gases) e casa de força (energia elétrica principal e cogeração de energia de reserva), onde há sistemas de controle de equipamentos específicos como caldeira, compressor, torre de refrigeração

7. Sistema para gerenciamento do almoxarifado de peças e equipamentos para manutenção

8. Planejamento da produção da planta 9. Gerenciamento dos laboratórios

químico e físico Todos estes sistemas possuem o seu

próprio sistema de automação e controle automático, de modo que há várias ilhas de automação. É altamente desejável que todos os sistemas de controle e monitoração sejam integrados em um único sistema, de modo que tudo funcione de modo orquestrado, ordenado e conforme.

6.2. Conceito de Integração Integrar um sistema significa ser capaz de Ajustar o sistema antes que qualquer

unidade dele fique fora dos limites de tolerância

1. Saber o que provavelmente aconteceu em cada unidade, através da diagnose, de modo que a unidade retorne a operar o mais rápido possível

2. Atrelar e juntar as funções de controle, monitoração, alarme, intertravamento, otimização de controle, gerenciamento de produção e planejamento dos negócios, para simplificar, coordenar e harmonizar estas funções

3. Compartilhar o conhecimento com todo o pessoal envolvido, técnico, gerencial e administrativo, de modo que todos passem a trabalhar em direção ao mesmo objetivo, como uma equipe integrada. A integração do sistema envolve a

coordenação das mesmas funções de várias unidades e das diferentes funções da mesma unidade. Ou seja, todos os sistemas de controle devem ser integrados em um único sistema, para que o operador do processo tenha uma visão geral de toda a planta. Também as funções de controle, alarme, otimização de processo, gerenciamento da produção, expedição do produto, compra de materiais devem ser integradas em um único sistema com compartilhamento de dados e recursos.

Integração é a comunicação vertical para troca de informação e as conexões horizontais para compartilhamento das tarefas e responsabilidades. Integração pode ser a troca de dados ou quando se tem nomes comuns de variáveis, enderecos e funções, pode ser o compartilhamento de uma interface de operação unificada, com todas as informações disponíveis.

6.3. Pirâmide da interoperabilidade Em toda planta pode se visualizar uma

pirâmide virtual da operação, envolvendo o sistema de controle, o gerenciamento da produção e o planejamento corporativo da empresa.

No nível mais baixo da planta, chamado de chão de fábrica, tem-se o controle regulatório do processo industrial, envolvendo sensores, transmissores inteligentes, válvulas de controle, atuadores de campo, módulos de conversão de entrada e saída do sistema digital. É o local das medições e controle regulatório do processo.

Associado ao controle do processo (ou acima deste nível), há o sistema de monitoração,alarme e intertravamento do processo, que assegura a operação segura do processo. Este nível engloba CLPs (por exemplo, da Allen-Bradley), anunciadores de alarme e diagnose de falhas.

Sistemas Digitais

52

Acima deste nível, há o controle otimizado do processo, incluindo as estações de operação e controle da planta, com SDCDs (por exemplo da Foxboro), CLPs (por exemplo, da CLP), SCADA (Controle Supervisório e Aquisição de Dados), analisadores em linha (por exemplo, da Hewlett Packard). Tem-se as funções de calibração dos instrumentos, manutenção preventiva de equipamentos, implantação de sistema de qualidade.

Estes três níveis são altamente técnicos e se baseiam na qualidade e produtividade.

Acima destes níveis, há o controle supervisório da planta (por exemplo, feito pelo InTouch), gerenciamento da produção, operação do processo, onde se tem o interesse de cortar custos, diminuir despesas, substituir operadores por máquinas. Os equipamentos envolvidos neste nível são computadores pessoais (CP, por exemplo da IBM). Neste nível são executadas as funções de integridade do processo, validação do processo, integridade da informação.

No topo de pirâmide há o gerenciamento de negócios da corporacao, envolvendo integração de manufatura por computador, sistema de gerenciamento da informação, sistema de execução da manufatura, controle estatístico do processo (há quem coloque o CEP no nível de baixo) e relatórios do gerenciamento. A base deste nível é a rede de computadores, incluindo Internet e Intranet, funcionando como um computador virtual.

Na integração, as vantagens de um determinado sistema são amplificadas e compartilhadas por outros sistemas que apresentam deficiências neste enfoque. Por exempo, na integração de um SDCD com CLP, a estação de operação do SDCD, que é amigável e robusta, é utilizada pelo usuário do CLP, que possui uma grande capacidade de processamento de entradas e saídas para a informação digital. O CLP fornece os status dos dispositivos controlados pelo SDCD e o SDCD dá ao CLP os sinais de controle para parar e partir motores, abrir e fechar válvulas solenóides.

6.4. Parâmetros da integração A integração busca a operação conjunta de

vários sistemas, com diferentes funções, feitos por diferentes fabricantes, compartilhando dados, fontes, dispositivos, equipamentos, programas e controle de variáveis analógicas e digitais. Por isso os parâmetros chave de uma integração de sistemas são:

1. Equipamentos 2. Interfaces 3. Protocolos 4. Informação (base de dados)

5. Comunicação

Equipamentos A integração envolve a interligação de

equipamentos com funções diferentes, fornecidos por fabricantes diferentes. Os equipamentos envolvem computadores pessoais, que possuem sistemas operacionais, rodam programas aplicativos e usam algoritmos e linguagens distintas. A maioria dos controles de processos contínuos é feita através de SDCDs, que possuem módulos de entrada e saída, consoles de operação, sistema operacional proprietário ou aberto, sistema de comunicação digital. Quando os processos são simples e com poucas malhas, o controle pode ser feito por controladores microprocessados, que necessitam de drivers para serem usados em um sistema supervisório. A monitoração, alarme e intertravamento são feitos por CLPs, que possuem módulos de entrada e saída e um sistema de comunicação digital, geralmente proprietário, como o ControlNet, da Allen Bradley.

Quando os equipamentos são fabricados pela mesma empresa, geralmente (devia ser sempre) não há problema de comunicação entre eles, pois o mesmo fabricante fornece a interface e o protocolo de comunicação. Quando são de fabricantes diferentes, há a necessidade de desenvolver uma interface de comunicação entre eles, geralmente por uma terceira firma.

Fig. 4.37. Piramide da automação

Sistemas Digitais

53

Fig. 4.38. Piramidade da automação

Interface Interface é um equipamento, às vezes

associado a um programa, que permite a ligação entre dois outros equipamentos incompatíveis. Por exemplo, um SDCD pode operar em conjunto com um CLP, mas deve haver uma interface entre eles, para a ligação física e lógica deles.

A maioria dos fabricantes de SDCD já incorpora em seus sistemas módulos de entrada e saída de CLPs, de modo que é fácil e natural o uso dos dois sistemas.

Há uma grande variedade de interfaces de equipamentos para transmissão digital, tais como RS 232C, RS 449, RS 423, RS 422, RS 485, IEEE 488, HP IL (IEC 625), VXI Bus, CAMAC (IEEE 583).

Protocolo Protocolo é o conjunto de regras que

permitem a comunicação digital entre dois sistemas. Por exemplo, dois CLPs ou dois SDCDs podem operar em conjunto, mas deve haver um mesmo protocolo, para que seja possível a operação conjunta. Na prática, são desenvolvidos conversores de protocolo.

Atualmente há uma grande variedade de protocolos proprietários (alguns se abrindo, através de Fundações), tais como

1. Profibus (Process Fieldbus, originalmente da Siemens),

2. MAP (Manutacturing Automation Protocol),

3. Fieldbus Foundation (IEC ISA SP 50), 4. ISP (Interoperable System Project), 5. WorldFIP North America, 6. FIP (Honeywell e Telemecanique),

7. Controller Área Network (CAN), 8. ControlNet (Allen Bradley), 9. ARCNet (ANSI 878.1), 10. Devicenet, 11. LON Works, 12. Numatics, 13. Porlog, 14. Modicon, 15. Ethernet (IEEE 802.3), 16. Token ring (IEEE 802.4).

Base de dados A integração do sistema depende da

tecnologia de base de dados relacional. O sistema deve oferecer atualização em linha para a base de dados para suporte de acesso e relatório de linguagem estruturada.

O sistema de informação do sistema integrado deve compartilhar a informação entre os vários bancos de dados e tarefas relacionadas com:

1. controle de processo regulatório 2. controle de processo supervisório 3. gerenciamento do laboratório 4. planejamento de produção 5. programa de expedição 6. gerenciamento do almoxarifado 7. alarme e intertravamento normal e

crítico (com redundância tripla) 8. processos avançados ou

especializados (batelada, mistura, monitoração de máquina rotativa)

Deve haver um programa aplicativo que facilite a troca de dados entre as diferentes aplicações.

Comunicação Deve haver um sistema de comunicação

flexível e eficiente entre as diferentes pessoas da planta: operadores, pessoal de manutenção, gerentes e planejadores. Diferentes pessoas gerenciam suas áreas de modos diferentes, mesmo que a base de dados seja a mesma.

Quando o processo está rodando normalmente, o operador necessita de pouca informação. Quando ocorre uma falha, o pessoal de manutenção necessita de informação detalhada para identificar e isolar o dispositivo defeituoso.

Sistemas Digitais

54

Fig. 4.39. Pirâmide entre fábrica e negócios O supervisor está mais interessado na

eficiência do processo, quantidade de produção e outros detalhes relacionados com a produtividade durante seu turno. O engenheiro de processo se interessa pelo projeto do sistema de controle e quer saber se o sistema pode ser melhorado. O gerente responsável pela operação quer informação em tempo real de taxas de produção e status do sistema.

O operador precisa da informação no chão de fabrica, próxima da máquina do processo. O supervisor de turno necessita da informação no console de controle do sistema. O pessoal de manutenção quer a informação no instrumento de controle e dentro do gabinete do equipamento. O engenheiro de automação e processo quer a informação em sua oficina, no console de controle da área, no terminal conveniente, no equipamento de controle e no gabinete do equipamento. O gerente necessita da informação em um sistema centralizado ou em seu escritório.

Fig. 4.40. Sistema integrado

6.5. Como integrar A integração é algo muito subjetivo. A

integração deve ser realizada através de sistemas de automação e controle, formando equipes para comunicar e compartilhar seus planos com todos os envolvidos.

Não há modo melhor ou mais fácil de automatizar e integrar. Cada um deve descobrir o que é melhor para sua aplicação. Todo mundo deve ser envolvido desde o início. Deve se conhecer profundamente o sistema: quantas entradas e saídas existem, como ele realmente opera e quais são seus gargalos e limitações.

Deve se fornecer treinamento adequado a todos os envolvidos. Deve se monitorar o progresso e aprender com ele.

O melhor caminho é começar simples, aprender um pouco mais do sistema e tomar novo passo. Todo o tempo, porém, deve-se planejar a integração total.

Componentes de sistema de automação 1. Sensores 2. Atuadores 3. Sistema de controle regulatório

(Controlador single loop ou Sistema de Controle Distribuído)

4. Sistema de alarme e monitoração do controle regulatório (Controlador Lógico Programável)

5. Sistema de alarme de processo crítico (Controlador Lógico Programável com redundância adequada ao seu SIL)

6. Sistema de controle especializado (Batch, Blending)

7. Sistema de monitoração de máquina rotativa

8. Sistema de expedição (entamboramento, expedição, ensacamento, engarrafamento)

9. Equipamento de teste automático 10. sistema de programação de produção 11. Sistema de simulação de fabrica 12. Sistema de manutenção e

gerenciamento 13. Sistema de gerenciamento da

qualidade 14. Sistema de gerenciamento de

almoxarifado

55

Funções dos Instrumentos

Objetivos de Ensino 1. Conceituar medição de uma variável de processo e mostrar o seu resultado correto. 2. Apresentar as principais funções dos instrumentos da malha de medição e controle. 3. Apresentar as características e princípios de funcionamento do sensor 4. Listar características e tipos de condicionadores de sinal e principalmente do transmissor 5. Descrever os instrumentos de display: indicador, registrador, contador e computador de

vazão. 6. Mostrar o principio de funcionamento de controlador e válvula de controle.

1. Introdução Em Instrumentação, o termo medir é vago e

ambíguo. Genericamente, se fala de malha de medição. Normalmente, quando se fala medir, se quer dizer indicar o valor de uma variável. Porém, o mesmo termo medir pode se referir a registrar ou totalizar um sinal. Para indicar, é também necessário sentir a variável. Embora a instrumentação trate dos instrumentos de medição (medidores), não existe símbolo para o medidor, mas para sensor (E), transmissor (T), indicador (I), registrador (R), totalizador (Q), alarme (A) e controlador (C) e condicionador (Y).

Esta confusão aparece porque para se fazer a medicao de uma variável de processo, usa-se um sistema completo de medição que envolve as funções básicas de

1. sentir a variável 2. condicionar o sinal 3. apresentar o valor da variável em um

mostrador. Estas funções podem ser feitas por um

único instrumento ou pela malha de instrumentos interligados.

2. Malha de Medição Malha de medição é um conjunto de

instrumentos interligados entre si para realizar a medição de uma variável. Cada instrumento da malha executa uma função única e complementar.

2.1. Resultado da medição O resultado da medição inclui: 1. Um valor numérico 2. Uma incerteza associada 3. Uma unidade de engenharia 4. Uma probabilidade associada

Por exemplo, a temperatura ambiente da sala é de (24 ± 2) oC , com 95,4%

onde: 24 é a melhor estimativa da temperatura,

obtida da média de várias medições replicadas,

±2 é a incerteza associada à medição, devida às imperfeições do instrumento, habilidade do operador, influência do ambiente e a variabilidade natural das coisas,

oC é a unidade de engenharia, aceita pelo SI: grau Celsius.

95,4% é a probabilidade associada à incerteza que foi expressa por dois desvios padrão (σ = 1).

2.2. Componentes da malha Toda malha de medição de qualquer

variável de processo possui, de modo explícito ou implícito, os seguintes componentes, separados ou combinados:

1. sensor 2. condicionador de sinal 3. apresentador do sinal

Funções de Instrumentos

56

A malha de controle, além destes componentes da malha de medição, possui ainda os seguintes componentes:

1. tomador de decisão 2. elemento final de controle O elemento sensor ou elemento transdutor

ou elemento primário detecta a entrada desejada e a converte para uma forma mais conveniente e prática a ser manipulada pelo sistema de medição. Ele constitui a interface do instrumento com o processo.

O elemento condicionador do sinal manipula e processa a saída do sensor de forma mais amigável e conveniente para o mostrador. As principais funções do condicionador de sinal são as de amplificar, filtrar, integrar e converter sinal analógico-digital e digital-analógico.

O elemento de apresentação do dado, que dá a informação da variável medida na forma quantitativa ao operador. O elemento de apresentação de dado é também chamado de display ou readout. Ele constitui a interface do instrumento com o operador do processo. Os principais mostradores são: indicador, registrador e contador.

A Fig. 5.1. mostra três malhas de medição: indicação, registro e totalização da vazão. O elemento sensor (placa de orifício) e o transmissor são comuns às três malhas de medição.

Fig. 5.1. Malhas de medicao

Os elementos auxiliares aparecem em alguns instrumentos, dependendo do tipo e da técnica envolvida. Eles podem ser: o elemento de calibração para fornecer uma facilidade extra de calibração embutida no instrumento e o elemento de alimentação externa para facilitar ou possibilitar a operação do elemento sensor, do condicionador de sinal ou do elemento de display.

2.3. Malha de medição de vazão Um exemplo típico de malha de medição

complexa é uma Estação de Medição de Vazão(EMED)

Esta estação pode ter diferentes tamanhos, complexidade e produtos medidos. Quanto a legislação, as medições podem ser fiscais (transferência de custódia) ou de apropriação de produção, com diferentes graus de exigências de incerteza e períodos de calibração.

Uma estação típica possui um medidor oficial e opcionalmente um medidor secundário. Outros instrumentos auxiliares são utilizados para fazer a medição e compensação da pressão e temperatura da vazão volumétrica do produto. Medir um produto é justamente determinar o valor do volume transferido durante determinado período de tempo, pela estação.

Estações modernas podem incluir cromatógrafos em linha, para a medição continua da composição do gás. Opcionalmente, a composição pode ser medida em laboratório, off line. Periodicamente, os valores encontrados no laboratório são entrados no computador de vazão volumétrica do gás. A composição do gás permite que ele seja vendido em energia e que o gás natural real tenha seu volume corrigido pelo fator de compressibilidade (Z).


57

Fig. 5.1. Esquema simplificado de uma Estação de Medição (EMED) Fig. 5.2. Fotografia de uma Estação de Medição


58

Fig. 5.3. Sistema típico de medição de gás natural

59

Elemento Sensor

1. Conceito O elemento sensor não é um instrumento

mas faz parte integrante da maioria absoluta dos instrumentos. O elemento sensor é o componente do instrumento que converte a variável física de entrada para outra forma mais usável. A grandeza física da entrada geralmente é diferente grandeza da saída.

O elemento sensor depende fundamentalmente da variável sendo medida. O elemento sensor geralmente está em contato direto com o processo e dá a saída que depende da variável a ser medida.

Exemplos de sensores são: 1. o tubo bourdon que se deforma

elasticamente quando submetido a uma pressão,

2. o strain gauge que varia a resistência elétrica em função da pressão exercida sobre ele;

3. o sensor bimetal que varia o formato em função da variação da temperatura medida,

4. o termopar que gera uma militensão em função da diferença de temperatura entre dois pontos;

5. a placa de orifício que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica que passa no seu interior.

Se há mais de um elemento sensor no sistema, o elemento em contato com o processo é chamado de elemento sensor primário, os outros, de elementos sensores secundários. Por exemplo, a placa de orifício é o elemento primário da vazão; o elemento que mede a pressão diferencial gerada pela placa é o secundário.

Em alguns processos o elemento sensor pode estar protegido por algum outro dispositivo, de modo que ele não fica em contato direto com o processo. O selo de pressão e o poço de temperatura são exemplos de acessórios que evitam o contato direto do sensor com o processo.

Os nomes alternativos para o sensor são: elemento transdutor, elemento primário, detector, probe, pickup ou pickoff.

2. Terminologia De um modo geral, transdutor é o elemento,

dispositivo ou instrumento que recebe a informação na forma de uma quantidade e a converte para informação para esta mesma forma ou outra diferente. Aplicando este definição, são transdutores: elemento sensor, transmissor, transdutor corrente para pneumático (i/p) e pneumático para corrente (p/i), conversor eletrônico analógico para digital (A/D) e conversor digital para analógico (D/A).

A norma ISA 37.1 (1982): Electrical Transducer Nomenclature and Terminology padroniza a terminologia e recomenda o seguinte: 1. elemento sensor ou elemento transdutor

para o dispositivo onde a entrada e a saída são ambas não-padronizadas e de naturezas iguais ou diferentes.

2. transmissor para o instrumento onde a entrada é não-padronizada e a saída é padronizada e de naturezas iguais ou diferentes.

3. transdutor para o instrumento onde a entrada e a saída são ambas padronizadas e de naturezas diferentes.

4. conversor para o instrumento onde a entrada e a saída são ambas de natureza elétrica mas com características diferentes, como o conversor A/D (analógico para digital), D/A (digital para analógico), conversor I/F (corrente para freqüência), conversor i/v (corrente para voltagem). O nome correto e completo do elemento

transdutor recomendado pela norma ISA 37.1 (1982) inclui:

1. o nome transdutor, 2. variável sendo medida, 3. modificadora restritiva da variável, 4. princípio de transdução, 5. faixa de medição, 6. unidade de engenharia.

Exemplos de elementos sensores: 1. Transdutor, pressão, diferencial, 0 a 100

kPa, potenciométrico 2. Transdutor, pressão de som, capacitivo,

100 a 160 dB. 3. Transdutor de pressão absoluta a strain

gauge amplificador, 0 a 500 MPa.

Elemento Sensor

60

Fig. 5.1. Terminologia e símbolo

3. Princípios de transdução Conforme a natureza do sinal de saída, os

sensores podem ser classificados como: 1. mecânicos 2. eletrônicos Praticamente, toda variável de processo

pode ser medida eletronicamente e nem toda variável pode ser medida mecanicamente. Por exemplo, o pH só pode ser medido por meio elétrico. As principais vantagens do sinal eletrônico sobre o mecânico são:

1. não há efeitos de inércia e atrito, 2. a amplificação é mais fácil de ser obtida 3. a transmissão é mais fácil e poderosa

(pode ser digital). Durante o estudo das variáveis de

processo, serão vistos com profundidade os princípios mais comuns descritos adiante.

4. Sensores Mecânicos O elemento sensor mecânico recebe na

entrada a variável de processo e gera na saída uma grandeza mecânica, como movimento, força ou deslocamento, proporcional à variável medida. O elemento sensor mecânico não necessita de nenhuma fonte de alimentação externa para funcionar; ele é acionado pela própria energia do processo ao qual está ligado.

Exemplos de elementos sensores mecânicos:

1. Espiral, para a medição de pressão; 2. Enchimento termal, para temperatura; 3. Placa de orifício, para a vazão

1. Espiral (b) Enchimento termal

(c). Placas de orifício

Fig. 1.1. Elemento sensores mecânicos

5. Sensores Eletrônicos O elemento sensor eletrônico recebe na

entrada a variável de processo e gera na saída uma grandeza elétrica, como tensão, corrente elétrica, variação de resistência, capacitância ou indutância, proporcional a esta variável.

Há elementos sensores eletrônicos ativos e passivos. Os elementos ativos geram uma tensão ou uma corrente na saída, sem necessidade de alimentação externa. Exemplos:

1. cristal piezelétrico para a pressão 2. termopar para a temperatura 3. eletrodos para a medição de pH. Os circuitos que condicionam estes sinais

necessitam de alimentação externa. Os elementos passivos necessitam de uma

polarização elétrica externa para poder medir uma grandeza elétrica passiva para medir a variável de processo. As grandezas elétricas variáveis são: a resistência, a capacitância e a indutância. Exemplo de elementos sensores passivos eletrônicos:

1. resistência detectora de temperatura 2. célula de carga (strain gauge) para a

medição de pressão e de nível,

Elemento Sensor

61

3. bobina detectora para a transdução do sinal de corrente para o sinal padrão pneumático.

Fig. 1.2. Elemento sensor eletrônico de pH

Os elementos sensores eletrônicos podem

ser dos seguintes tipos: 1. capacitivo 2. indutivo 3. relutante 4. eletromagnético 5. piezelétrico 6. resistivo 7. potenciométrico 8. strain gauge 9. fotocondutivo 10. fotovoltaico 11. termelétrico 12. ionizante

5.1. Sensor capacitivo O sensor capacitivo converte a variável de

processo medida em uma variação da capacitância elétrica. Um capacitor consiste de duas placas condutoras de área A separadas por um dielétrico (ε) pela distância d, conforme a expressão matemática seguinte:

dAC ε=

Assim, a variação de capacitância pode ser

causada 1. pelo movimento de um dos eletrodos

(placas), alterando a distancia d 2. pela variação da área das placas 3. pela variação do dielétrico entre as

duas placas fixas.

Muitos transmissores eletrônicos usam cápsulas capacitivas para a medição de pressão manométrica, absoluta ou diferencial.

(a) Placas móveis, dielétrico fixo (b) Placas fixas, dielétrico variável Fig. 1..3. Transdução capacitiva

5.2. Sensor indutivo O sensor indutivo converte a variável de

processo medida em uma variação da auto-indutância elétrica de uma bobina. As variações da indutância podem ser causadas pelo movimento de um núcleo ferromagnético dentro da bobina ou pelas variações de fluxo introduzidas externamente na bobina com núcleo fixo.

Há transmissores eletrônicos, a balanço de forças, que utilizam (ou utilizavam) bobinas detectoras para a medição da pressão.

Fig.2.4. Transdução indutiva

ΔC

ΔC

ΔL

Elemento Sensor

62

5.3. Sensor relutante O sensor relutante converte a variável de processo medida em uma variação da voltagem devida a uma variação na relutância entre duas ou mais bobinas separadas e excitadas por tensão alternada (ou de duas porções separadas de uma mesma bobina). Esta categoria de sensores inclui relutância variável, transformador diferencial e ponte de indutâncias. A variação na trajetória da relutância é usualmente feita pelo movimento de um núcleo magnético dentro da bobina.

Fig. 1.4. Transdução relutiva por transformador diferencial

5.4. Sensor eletromagnético O sensor eletromagnético converte a

variável de processo medida em uma força eletromotriz induzida em um condutor pela variação no fluxo magnético, na ausência de excitação. A variação no fluxo feita é usualmente pelo movimento relativo entre um eletromagneto e um magneto ou porção de material magnético.

Fig. 1.6. Transdução eletromagnética

5.5. Sensor piezelétrico O sensor piezelétrico converte uma variável

de processo medida em uma variação de carga eletrostática (Q) ou voltagem (E) gerada por certos materiais quando mecanicamente estressados. O stress é tipicamente de forças de compressão ou tração ou por forças de entortamento exercida no cristal diretamente por um elemento sensor ou por um elo mecânico ligado ao elemento sensor.

Fig. 1.7. Transdução piezelétrica

5.6. Sensor resistivo O sensor resistivo converte a variável de

processo medida em uma variação de resistência elétrica. As variações de resistência podem ser causadas em condutores ou semicondutores (termistores) por meio de aquecimento, resfriamento, aplicação de tensão mecânica, molhação, secagem de certos sais eletrolíticos ou pelo movimento de um braço de reostato. Fig. 1.8. Transdução resistiva

5.7. Sensor potenciométrico O sensor potenciométrico converte a

variável de processo medida em uma variação de relação de voltagens pela variação da posição de um contato móvel em um elemento resistivo, através do qual é aplicada uma

ΔE Tap central

ΔE

ΔE ou ΔQ

ΔR

ΔR

ΔR ΔR

Elemento Sensor

63

excitação. A relação dada pela posição do elemento móvel é basicamente uma relação de resistências.

Fig. 1.9. Transdução potenciométrica

5.8. Sensor strain gauge O sensor strain gauge converte a variável

de processo medida em uma variação de resistência em dois ou quatro braços da ponte de Wheatstone. Este princípio de transdução é uma versão especial da transdução resistiva, porém, ela envolve dois ou quatro sensores strain gauges resistivos ligados em uma ponte de Wheatstone polarizada, de modo que a saída é uma variação de voltagem.

Fig. 1.10. Transdução de strain gauge

5.9. Sensor fotocondutivo O sensor fotocondutivo converte a variável de processo medida em uma variação de resistência elétrica (ou condutância) de um material semicondutor devido à variação da quantidade de luz incidente neste material.

Fig. 1.11. Transdução foto condutiva

5.10. Sensor fotovoltáico O sensor fotovoltáico converte a variável de

processo medida em uma variação de tensão elétrica de um material semicondutor devido à variação da quantidade de luz incidente em junções de certos materiais semicondutores.

Fig. 1.12. Transdução fotovoltáica

5.11. Sensor termoelétrico O sensor termoelétrico converte a variável

de processo medida em uma variação de força eletromotriz gerada pela diferença de temperatura entre duas junções de dois materiais diferentes, devido ao efeito Seebeck.

Fig. 1.13. Transdução termelétrica

5.12. Sensor iônico O sensor iônico converte a variável de

processo medida em uma variação da corrente de ionização existente entre dois eletrodos.

Fig. 1.14. Transdução ionizante

- +

L Ew Ex

x

w

EE

Δ

Ex

ΔE

B

D C

A

Luz ΔR

Luz ΔE

ΔE T1 T2

Elemento Sensor

64

6. Escolha do sensor O objetivo de um sistema de controle é

garantir uma correlação rigorosa entre a saída real e a saída desejada. A saída real é a variável de processo e a saída desejada é chamada de ponto de ajuste. Gasta se muita matemática, eletrônica e dinheiro para se obter e garantir o desempenho do sistema. Porém, por melhor que seja o projeto matemático ou a implementação eletrônica, o controle final não pode ser melhor que a percepção da variável do processo.

A qualidade da medição da variável sendo controlada estabelece a linha de referência do desempenho global do sistema. É muito importante entender os princípios físicos que permitem o sensor converter a variável do processo em uma grandeza elétrica ou mecânica.

É fundamental estabelecer a exatidão, precisão, resolução, linearidade, repetitividade e tempo de resposta do sensor para as necessidades do sistema. Um sensor especificado com precisão insuficiente pode comprometer o desempenho de todo o sistema. No outro extremo, selecionar um sensor com precisão exagerada e difícil de ser conseguida na prática, não é justificado para um controle que não requer tanta precisão.

7. Características Desejáveis do Sensor

Em certos casos, o sensor do sinal de entrada pode aparecer discretamente em dois ou mais estágios, tendo-se o elemento primário, secundário e terciário. Em outros casos, o conjunto pode ser integrado em um único elemento.

Algumas características desejáveis de um elemento sensor são:

1. o elemento sensor deve reconhecer e detectar somente o sinal da variável a ser medida e deve ser insensível aos outros sinais presentes simultaneamente na medição. Por exemplo, o sensor de velocidade deve sentir a velocidade instantânea e deve ser insensível a pressão e temperatura locais.

2. o sensor não deve alterar a variável a ser medida. Por exemplo, a colocação da placa de orifício para sentir a vazão, introduz uma resistência à vazão, diminuindo-a. A vazão diminui quando se coloca a placa para medi-la.

3. o sinal de saída do sensor deve ser facilmente modificado para ser facilmente indicado, registrado,

transmitido e controlado. Por isso, atualmente os sensores eletrônicos são mais preferidos que os mecânicos, pois são mais facilmente manipulados.

4. o sensor deve ter boa exatidão, 5. conseguida por fácil calibração. 6. o sensor deve ter boa precisão,

constituída de linearidade, repetitividade e reprodutibilidade.

7. o sensor deve ter linearidade de amplitude.

8. o sensor deve ter boa resposta dinâmica, respondendo rapidamente às variações da medição.

9. o sensor não deve induzir atraso entre os sinais de entrada e de saída, ou seja, não deve provocar distorção de fase.

10. o sensor deve suportar o ambiente hostil do processo sem se danificar e sem perder suas características.

11. o sensor deve ser facilmente disponível e de preço razoável.

65

Condicionador de Sinal

1. Conceito Há necessidade de se ter instrumentos com

funções auxiliares para alterar o sinal gerado pelo sensor e combinar matematicamente vários sinais padrão. Como o sinal gerado pelo elemento sensor pode ser inadequado para ser usado pelo instrumento de display, é necessário utilizar um instrumento para alterar este sinal para torná-lo mais conveniente para o uso no instrumento display. Esta alteração pode ser linearização do sinal, filtro dos ruídos, amplificação do sinal.

O computador analógico é o instrumento que executa as operações matemáticas, a seleção dos sinais, o alarme, o condicionamento e a geração de sinais analógicos.

Ele pode ser pneumático ou eletrônico. Quando pneumático é também chamado de relé pneumático ou relé computador. O computador analógico pneumático é mais limitado e pode manipular apenas um ou dois sinais de entrada. Quando eletrônico, ele pode manipular até quatro sinais analógicos ao mesmo tempo.

2. Aplicações O computador analógico processa os sinais

de informação para desempenhar as funções matemáticas requeridas pelo processo.

A aplicação típica dos computadores analógicos é na medição compensada da vazão.

A medição volumétrica dos gases só tem significado prático quando se faz a compensação da pressão estática e da temperatura do processo. Compensar a medição da vazão significa medir os sinais analógicos proporcionais à vazão, à pressão e à temperatura e continuamente executar a seguinte equação matemática:

Como o volume do gás é diretamente proporcional à temperatura e inversamente proporcional à pressão, na compensação fazem-se as operações inversas, ou seja:

TPFF mc =

onde

Fc é a vazão compensada Fm é a vazão medida, sem compensação P é proporcional à pressão absoluta T é proporcional à temperatura absoluta Quando o sistema de medição inclui a

placa de orifício, o sinal é proporcional ao quadrado da vazão e a relação acima fica

TPFF mc =

Quando se usam computadores

pneumáticos, são necessários três instrumentos:

1. extrator de raiz quadrada 2. divisor 3. multiplicador

Fig. 3.1. Computador analógico pneumático

Na teoria, é indiferente a ordem das

operações, mas na prática as operações devem ser feitas na seguinte ordem: 1. No sistema com pequena variação da

pressão estática e grande variação na temperatura: primeiro se faz a multiplicação F.P e depois a divisão por T.

2. No sistema com grande variação da pressão estática e pequena variação na temperatura: primeiro se faz a divisão F/T e depois a multiplicação por P.

A regra mnemônica é: a variável que sofre pequenas variações é manipulada duas vezes


66

e a que varia muito é operada apenas uma vez, de modo que os erros resultantes são os menores possíveis.

O multiplicador e o divisor podem ser usados também no sistema de controle de relação de vazões, quando os computadores servem para determinar o ponto de ajuste ou para modificar a vazão medida.

O seletor de sinais é o instrumento chave para o controle auto-seletor; o computador seleciona automaticamente a variável cujo valor está mais próximo do valor critico de segurança.

3. Funções desenvolvidas Os principais computadores analógicos que

desenvolvem operações matemáticas são:

3.1. Multiplicador/divisor A sua função matemática genérica é: D = A.B/C

onde D é a saída e A, B e C são as entradas. Quando pneumático, o computador

analógico só pode receber dois sinais de entrada e portanto, ele só pode executar uma única operação, por vez. Através da alteração da posição do relé pneumático ele pode ser :

multiplicador: BAD ×=

divisor: CAD =

extrator de raiz quadrada: AD = elevador ao quadrado: 2AD = Quando eletrônico, ele pode executar as

operações simultaneamente e através da alteração das entradas, realimentações da saída e colocação de jumpers, pode-se ter a combinação das operações de multiplicação, divisão, extração de raiz quadrada e elevação ao quadrado.

3.2. Somador/subtrator A saída do instrumento vale: D = aA +- bB +-cC +-eE,

onde A, B, C e E são os sinais de entrada, D é o sinal de saída, a, b, c e e são os ganhos das entradas.

3.3. Extrator de raiz quadrada É o instrumento tipicamente aplicado para

linearizar o sinal de saída do transmissor de

vazão associado a placa de orifício, quando se tem a saída do transmissor proporcional ao quadrado da vazão. Como visto, a extração da raiz quadrada pode ser executada pelo multiplicador/divisor, porém, 'e mais econômico o uso do instrumento especifico. A saída do extrator vale:

AD =

3.4. Caracterizador do sinal É um instrumento que aproxima qualquer função matemática para vários segmentos de reta, com os pontos de inflexão e as inclinações dos segmentos ajustáveis. Sua aplicação pratica é a linearização dos níveis de tanques de formatos não lineares. Exemplos de tanques com formatos lineares: quadrados, retangulares, cilíndrico em pé; exemplos de não-lineares: esféricos, cônicos e cilíndricos deitados. A curva (nível x quantidade estocada) de um tanque esférico tem um formato de S e pode ser aproximada para vários segmentos de reta através do caracterizador de sinal. Através da medição do nível e do caracterizador, pode-se determinar diretamente a quantidade estocada.

Fig. 3.2. Sinal linear e quadrático

3.5. Seletor de sinais Este instrumento recebe de duas a quatro entradas e seleciona automaticamente apenas um sinal de entrada. Os seletores mais usados são o de máximo ou mínimo e o de valor intermediário. O seletor de valor intermediário recebe três sinais de entrada e seleciona o sinal do meio. O valor intermediário entre três sinais não deve ser confundido com o valor médio de dois a quatro sinais. Por exemplo, o somador pode ser ajustado para dar a media dos sinais.


67

3.6. Alarme O alarme pode ser acionado diretamente

pela ação do ponteiro do indicador e da pena do registrador em microswitches ou pode ser realizado pelo computador analógico, que recebe o sinal analógico na entrada e muda o contato elétrico da saída, quando o valor do sinal atingir os limites críticos predeterminados. Pode haver três tipos diferentes de alarme: 1. alarme absoluto, de máximo e/ou de

mínimo. A saída do modulo de alarme muda de estado quando o sinal de entrada atinge um valor pré-ajustado, de máximo ou de mínimo.

2. alarme de desvio, aciona o contato de saída quando os dois sinais variáveis da entrada se desviam de um valor predeterminado. Este tipo de alarme se aplica principalmente em controle, quando os dois sinais alarmados são a medição e o ponto de ajuste; quando os sinais se afastam de uma valor ajustado, o alarme é acionado.

3. alarme de diferença é acionado quando o sinal se afasta de um sinal de referencia ajustável de um valor determinado.

3.7. Compensador dinâmico O compensador dinâmico possui a função

de adiantar ou atrasar o sinal aplicado a entrada. Ele é chamado de lead/lag e se aplica no controle preditivo antecipatório (feedforward).

3.8. Gerador de sinais O computador analógico pode gerar sinal

na saída, sem sinal aplicado na entrada. A sua saída gera um sinal com característica conhecida e ajustável, como a rampa universal, a tensão ajustável, o temporizador.

3.9. Transdutor Genericamente, transdutor é qualquer dispositivo que altera a natureza do sinal recebido na entrada com o gerado na saída. Deste ponto de vista, o elemento sensor, o transmissor, o conversor são considerados transdutores.

Em instrumentação, transdutor é o instrumento que converte o sinal padrão pneumático no sinal padrão de corrente eletrônica (P/I) ou vice versa (I/P). Ele possibilita a utilização de instrumentos pneumáticos e eletrônicos na mesma malha. Eles são chamados incorretamente de conversores.

Resumidamente, tem-se: 1. elemento sensor, onde a entrada e a

saída são ambas não-padronizadas,

2. transmissor, onde a entrada é não-padronizada e a saída é padronizada,

3. transdutor, onde a entrada e a saída são ambas padronizadas,

4. conversor, onde a entrada e a saída são ambas de natureza elétrica; tem-se conversor A/D (analógico para digital), D/A (digital para analógico), conversor I/F (corrente para freqüência). O transdutor serve de interface entre a

instrumentação pneumática e a eletrônica. Como o elemento final de controle mais usado é a válvula com atuador pneumático, o transdutor I/P é usado principalmente para casar a instrumentação eletrônica de painel com a válvula com atuador pneumático.

4. Linearização da Vazão

4.1. Introdução Linearizar um sinal não-linear é torna-lo

linear. Só se lineariza sinais não lineares, aplicando-se a função matemática inversa. Por exemplo, lineariza-se o sinal quadrático, extraindo a sua raiz quadrada; lineariza-se o sinal exponencial, aplicando seu logaritmo. A linearização pode ser feita de vários modos diferentes, tais como:

1. escolha da porção linear da curva, como na aplicação de medição de temperatura por termopares. Cada tipo de termopar apresenta uma região linear para determinada faixa de temperatura.

2. uso de uma escala não-linear, como na aplicação de medição de vazão por placa de orifício. Como a placa de orifício gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão, usa-se uma escala do indicador ou um gráfico do registrador do tipo raiz quadrática, podendo ler diretamente o valor da vazão em unidades de engenharia. Quando se usam termopares para medições de temperatura que incluem regiões não-lineares, usam-se as escalas especificas para cada termopar, tipo J, K, R, S, T, E.

3. uso de instrumentos linearizadores, como o extrator de raiz quadrada do sinal de pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão, gerado pela placa de orifício.

4. uso de circuitos linearizadores, incorporados no transmissor (por exemplo, transmissor inteligente) ou no


68

instrumento receptor (registrador de temperatura a termopar).

5. uso de pontos de curva de linearização, armazenados em ROMs ou PROMs, como nos sistemas de linearização de baixa vazão em sistemas com turbinas medidoras de vazão. A não linearidade da medição é devida a viscosidade e densidade do fluido (numero de Reynolds) e do tipo de detecção-geração de pulsos.

6. uso de programas (software) de linearização em sistemas digitais, como nos computadores de vazão ou sistemas digitais de aquisição de dados. Durante a configuração do sistema, tecla-se o tipo de não-linearidade do sinal de entrada e o sistema automaticamente lineariza o sinal.

4.2. Medidores Lineares e Não-lineares

O medidor de vazão linear é aquele cuja saída varia diretamente com a vazão. Isto significa que uma dada percentagem da saída corresponde à mesma percentagem de vazão. Matematicamente, tem-se:

vazão = K x saída

São exemplos de medidores lineares: 1. turbina, cuja freqüência de pulsos é

linearmente proporcional à vazão volumétrica instantânea,

2. medidor magnético, cuja amplitude da tensão variável é linearmente proporcional à vazão volumétrica instantânea,

3. vortex, cuja freqüência de pulsos é linearmente proporcional à vazão volumétrica instantânea,

4. mássico, tipo Coriolis, cuja freqüência de precessão é linearmente proporcional à vazão mássica instantânea,

Quando a saída do medidor não corresponde linearmente à vazão, o medidor é não-linear. O medidor não-linear mais comum é a placa de orifício, que produz uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão. Tem-se as seguintes equações:

saída K = vazão ×

saída = K' (vazão)2

Quando a vazão medida dobra de valor, a pressão diferencial gerada aumenta de 4

vezes. Como resultado, em baixas vazões, pequenas variações da saída correspondem a grandes variações na vazão e em altas vazões, grandes variações da saída correspondem a pequenas variações na vazão.

Tab. 3.1. Δp x saídas

Medidor vazão Saída linear Saída raiz quad. % saída % vazão % vazão

0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 10,0

10,0 10,0 31,6 25,0 25,0 50,0 50,0 50,0 70,7 75,0 75,0 86,6

100,0 100,0 100,0 A linearização do sinal quadrático é feita

pelo computador analógico chamado extrator de raiz quadrada, onde é valida a seguinte relação:

entrada % = saída %

O extrator de raiz quadrada possui alto

ganho em pequenas vazões e pequeno ganho em grandes vazões. Para contornar a grande instabilidade do instrumento em manipular os pequenos sinais, são usados vários macetes:

1. a saída fica zero quando a entrada é pequena (menor que 10%),

2. a saída fica igual a entrada quando a entrada é pequena (menor que 10%),

3. calibra-se o extrator com o zero levemente abaixo do zero verdadeiro, eliminando o erro em baixas vazões e tendo pequeno erro em grandes vazões.


69

5. Compensação

5.1. Introdução Em serviços de medição de gás, a maioria

dos medidores de vazão mede o volume real ou infere o volume real, tomando como referência a vazão volumétrica nas condições nominais de operação. Quando as condições reais do processo se afastam das condições nominais de projeto de operação, ocorrem grandes variações no volume real, resultando em grande incerteza na medição da vazão. Um modo de resolver este problema seria manipular a vazão mássica, medindo-se a vazão volumétrica e a densidade do fluido e usar a relação

W = r x Q

onde W é a vazão mássica Q é a vazão volumétrica r é a densidade. A medição da densidade de um fluido

vazando é relativamente cara, demorada e pouco confiável e a prática mais comum é inferir o valor da densidade a partir dos valores da pressão estática absoluta e da temperatura do processo, aplicando-se a lei do gás real.

Tem-se:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

n

f

f

n

n

fnf T

TPP

ZZV=V

ou quando as condições nominais de operação são conhecidas e podem ser resumidas em uma constante matemática, a equação fica simplificada como:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ××

f

ffnf P

TZVK=V

Fazer a compensação da temperatura e

pressão reais do processo, que se afastaram da temperatura e pressão nominais é justamente multiplicar por

ff

f

TZP×

onde o fator simplificado (P/ZT) compensa a variação da pressão e temperatura (que determinam a densidade), variando das condições nominais de projeto para as reais de operação e calcula o volume requerido nas condições nominais para provocar o efeito da mesma vazão nas condições reais. Isto significa, por exemplo, que se P/ZT

for 1,10, o gás nas condições reais é 1,10 mais denso do que o gás nas condições nominais e 10% mais de gás vaza realmente através do medidor linear do que está medido, assumindo as condições nominais de operação.

Nas condições nominais de operação, o fator (P/ZT) é usado para corrigir o volume real antes que as não linearidades sejam compensadas. Assim, estes fatores são tratados do mesmo modo que a densidade, nas equações do medidor. Quando a vazão variar não linearmente com a densidade do gás, a vazão também vai variar não linearmente com o fator P/ZT. Para o sistema com placa de orifício, portanto, o fator de compensação é a raiz quadrada de P/ZT, pois a vazão volumétrica é proporcional `a raiz quadrada da densidade.

A compensação da pressão e temperatura usa a hipótese de o fator de compressibilidade Z ser constante nas condições de operação próximas das condições nominais e despreza os efeitos da compressibilidade. Para se medir a vazão volumétrica compensada usa-se a equação, para o medidor linear:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

f

n

n

f

f

nnf T

TPP

ZZV=V

e quando o fator de compressibilidade nas

condições reais não se afasta do fator nas condições nominais:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

f

n

n

fnf T

TPPV=V

Para um medidor com saída proporcional ao quadrado da vazão, tem-se a equação:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

f

n

n

fnf T

TPPV=V

Note-se que a equação da vazão

compensada é o inverso da equação da lei dos gases, justamente para eliminar os efeitos da pressão e da temperatura. Ou seja, como a vazão volumétrica depende da pressão e temperatura de um fator (ZT/P), deve-se multiplicá-la por um fator de compensação (P/ZT) para se ter uma vazão volumétrica compensada.

A operação de corrigir um erro fixo é chamada de polarização (bias) e a compensação é a correção de um erro variável.

Quando somente se quer a compensação da pressão, pois a temperatura é se afasta pouco de seu valor nominal, assume-se um


70

valor constante igual ou diferente do nominal e o incorpora `a constante.

Quando a temperatura for constante e diferente do valor nominal, em lugar de usar um medidor de temperatura para fazer a compensação continua, aplica-se um fator de correção na leitura do medidor. A compensação da pressão é implementada, multiplicando-se a pressão absoluta pela vazão medida e uma constante, antes de linearizar a saída do medidor.

De modo análogo, quando a pressão é assumida constante e diferente do valor nominal, se aplica um fator para a leitura do medidor em lugar de usar um medidor de pressão para a compensação. A compensação da temperatura é implementada, multiplicando-se a temperatura absoluta pela vazão medida e uma constante, antes de linearizar a saída do medidor.

Tab. 3.2. Erros da medição do gás sem compensação de T

Temperatura (oC) Erro (%) -20 -13 -10 -11

-5 -7 0 -6 5 -4

10 -2 15 0 20 +2 25 +4 30 +6 40 +8 45 +9 50 +10

* Condição padrão (standard) (Cfr. Industrial Flow Measurement, D.W. Spitzer)

Tab. 3.3. Erros da medição do gás sem compensação da P Pressão,

psig Tolerância em torno da pressão nominal

Psig 0,25 0,50 1 2 3 0,25 1,7% NA NA NA NA 2,0 1,5% 3,0% 6,1% 12,2% NA 5,0 1,3% 2,6% 5,2% 10,3% 25,8% 10 1,0% 2,0% 4,1% 8,2% 20,5% 20 0,7% 1,5% 2,9% 5,8% 14,5% 50 0,4% 0,8% 1,6% 3,1% 7,8% 75 0,3% 0,6% 1,1% 2,2% 5,6%

100 0,2% 0,4% 0,9% 1,7% 4,4% 125 0,2% 0,4% 0,7% 1,4% 3,6%

(Cfr. Industrial Flow Measurement, D.W. Spitzer)

5.2. Condições normal, padrão e real Na medição do fluido compreensível, é

mandatório definir as condições sob as quais está sendo medida sua vazão volumétrica. A mesma vazão de um fluido compreensível pode ser expressa por valores totalmente diferentes, em função das condições especificadas. As condições normal de pressão e temperatura (CNPT) são:

Temperatura : 0,0 oC (273,2 K) Pressão : 760 mm Hg (14,6959 psi) Umidade relativa: 0%

Pela norma ISO 5024 (1976), as condições padrão (standard) são:

Temperatura : 15,0 oC (59 oF, 288,2 K) Pressão : 101, 3250 kPa (14,6959 psi) umidade relativa: 0% Constante Universal: 8,3144 J/(g.mol.K) Há autores que assumem a temperatura

padrão (standard) igual a 15.56 oC (60 oF). Para líquidos, a temperatura padrão base é também igual a 15,0 oC, na indústria; em laboratório é comum usar a temperatura de 20,0 oC.

As condições de operação, de trabalho ou reais são aquelas efetivamente presentes no processo.

Por exemplo, seja a vazão volumétrica de ar igual a 100 m3/h, nas condições reais de 30 oC e 2,0 kgf/cm2A. Esta vazão pode ser expressa como:

100 m3/h real, (30 oC e 2,0 kgf/cm2) 180 Nm3/h, (0 oC e 1,0 kgf/cm2 A) 190 Sm3/h, (15,0 oC e 1,0 kgf/cm2 Absoluta)

Em inglês, as unidades e abreviações comuns são:

ACFM (actual cubic foot/minute) e SCFM (standard cubic foot/minute).

Propriedades do Ar nas Condições Padrão:

Compressibilidade (Z) 0,999 582 4 Densidade 1,225 42 kg/m3 Peso molecular 28,962 4


71

5.3. Compensação da Temperatura de Líquidos

As necessidades da precisão que requerem compensação para as variações de densidade causadas pelas variações da temperatura do liquido são poucas (por exemplo, amônia). Neste caso, deve-se medir a temperatura do liquido e compensar segundo a formula:

Vf = Vn /T

5.4. Tomadas de Pressão e Temperatura

As tomadas da pressão e da temperatura devem ser localizadas corretamente para cada tipo de medidor de vazão, para minimizar o erro na medida final.

A tomada da pressão é mais critica que a da temperatura, pois há uma grande variação da pressão local no medidor de vazão. Na prática, há uma pequena diferença entre a pressão a montante (maior) e a jusante (menor) do medidor, quando o medidor provoca uma perda de carga. É comum se tomar a pressão a montante do medidor. Qualquer que seja a localização, a pressão deve corresponder a vazão não perturbada, em pontos sem flutuações ou pulsações. Alguns medidores de vazão já possuem a tomada de pressão no seu corpo. No sistema com placa de orifício, é comum se usar a mesma tomada a montante da placa usada medir a pressão diferencial. Nos programas de computador de cálculo de placa, o menu apresenta as opções de tomadas a montante ou a jusante da placa.

A tomada de temperatura é menos critica, desde que há pouca variação da temperatura ao longo do medidor de vazão. As tomadas de temperatura estão tipicamente localizadas a cerca de 10 diâmetros depois do medidor, para não causar turbulência na entrada do medidor. Deve-se destacar que os sensores de vazão e de temperatura são tem necessidades opostas, quanto ao local de montagem: os sensores de vazão requerem local tranqüilo, sem distúrbios; os de temperatura devem ser usados em local com turbulência, para homogeneizar a temperatura.

Na implementação da compensação da pressão e temperatura na medição de vazão, é interessante investigar se já existem medições da pressão e da temperatura do processo, a jusante ou a montante do medidor de vazão, pois se elas já existirem em locais corretos, estas medições podem ser usadas para a compensação, sem necessidade de instrumentos adicionais.

Fig. .3.3. Malha de compensação e linearização de medição de gás com placa de orifício

6. Totalização da Vazão O totalizador de vazão é um instrumento

completo que detecta, totaliza e indica, através de um contador digital, a quantidade total do produto, que passa por um ponto, durante um determinado intervalo de tempo.

O totalizador de vazão é também chamado de integrador, de FQ, de quantificador e, erradamente, de contador. O contador é apenas o display ou o readout do totalizador. Os totalizadores são calibrados para fornecer a leitura direta, em unidades de volume ou de massa do produto. Ele pode possuir uma constante de multiplicação, que é o numero que deve multiplicar pela indicação para se ter o valor totalizado em unidades de engenharia. Este fator de multiplicação do totalizador depende da vazão máxima e da velocidade de contagem desejada pelo operador.

O contador só pode ter mostrador digital. Em alguns contadores, os dígitos podem ser mostrados analogicamente, como os indicadores de consumo de energia elétrica caseiros.

O totalizador pode receber sinais analógicos ou de pulsos. Quando o sinal de entrada é analógico, o totalizador o converte, internamente, em pulsos e os conta na saída. Quando o sinal de entrada já é em pulsos, o totalizador os escalona e os conta. Quando os pulsos já são escalonados, o totalizador os conta diretamente. Pulso escalonado é aquele que já possui uma relação definida com a unidade de engenharia de vazão, volume ou massa.

FCV FE

FT

TT

PT FY FY FIC

x/÷ √

multiplicador - divisor

extrator raiz quadrada

controlador de vazão

sinal

sinal


72

Há uma certa confusão entre o integrador e o contador. O integrador pode receber sinais analógicos e os integra. Na operação de integração, o sinal analógico é convertido para pulsos que são finalmente contados. Todo integrador de vazão possui um contador; ou seja, o contador é o display do integrador. O contador é também chamado de acumulador.

Os contadores podem ser eletromecânicos ou eletrônicos. Os contadores eletromecânicos custam mais caro e requerem maior energia de alimentação, porém, quando há falta da tensão de alimentação, o ultimo valor totalizado permanece indicado. Os contadores puramente eletrônicos são mais econômicos, requerem menor nível de tensão de alimentação e consomem muito menos energia. Porém, na falta da tensão de alimentação eles perdem a indicação. Para solucionar este problema, são utilizados contadores eletrônicos alimentados com bateria com vida útil de 5 a 10 anos. Deste modo, quando há perda da alimentação principal, o contador não zera o valor totalizado.

Fig. 3..5. Indicação e totalização de vazão Há contador com pré determinador: há um contador normal e um contador onde se estabelece o valor determinado. Quando o contador atinge o valor pré-ajustado, ele para de contar e o processo é interrompido.

Fig. 4.18. Contagem e totalização de variáveis (a) Totalização de sinal analógico (b) Totalização de pulsos escalonados

Fig. 4.19. Sistema de totalização de vazão

Sinal de pulsos

Contador

Sinal analógico

Conversor A/D

Contador

Totalizador

0 1 3 5 0 4 FT

FI

FQ

FE

FT

FE

M (constante K)

0 1 3 5 0 4

73

Transmissor

1. Conceitos básicos

1.1. Introdução Rigorosamente o transmissor não é

necessário, nem sob o ponto de vista de medição, nem sob o ponto de vista de controle. A transmissão serve somente como uma conveniência de operação para tornar disponíveis os dados do processo em uma sala de controle centralizada, num formato padronizado. Na prática, por causa das grandes distâncias envolvidas, as funções de medição e de controle estão freqüentemente associadas aos sinais dos transmissores.

O transmissor é geralmente montado no campo, próximo ao processo. Porém, ele também pode ser montado na sala de controle, como ocorre com o transmissor de temperatura com o termopar ou com a resistência elétrica.

Fig. 2.1. Transmissores para medição de nível

1.2. Justificativas do Transmissor Antes do aparecimento do transmissor

pneumático, circa 1930, o controlador era conectado diretamente ao processo. O controlador e o painel de controle deviam estar próximos ao processo. O transmissor oferece muitas vantagens em comparação com o uso do controlador ligado diretamente ao processo, tais como a segurança, a economia e a conveniência.

1. os transmissores eliminam a presença de fluidos flamáveis, corrosivos, tóxicos mal cheirosos e de alta pressão na sala de controle.

2. as salas de controle tornam-se mais práticas, com a ausência de tubos capilares compridos, protegidos, compensados e com grande tempo de atraso.

3. há uma padronização dos instrumentos receptores do painel; os indicadores, os registradores e os controladores recebem o mesmo sinal padrão dos transmissores de campo.

Fig. 2.2. Transmissor montado em local hostil

Transmissor

74

1.3. Terminologia O transmissor é também chamado

erradamente de transdutor e de conversor. Transdutor é um termo genérico que designa um dispositivo que recebe informação na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica a informação, a sua forma ou ambas e envia um sinal de saída resultante. Este termo é genérico e segundo este conceito, o elemento primário, transmissor, relé, conversor de corrente elétrica para pneumático e a válvula de controle são transdutores.

Há uma norma na instrumentação, ANSI/ISA S37.1-1978 (R1982) que estabelece uma nomenclatura uniforme e consistente entre si e para elemento sensor, transmissor, conversor, transdutor.

Elemento sensor Elemento sensor é um dispositivo

integrante de um instrumento que converte um sinal não-padrão em outro sinal não-padrão. Por exemplo, o bourdon C é um elemento sensor de pressão, que converte a pressão em um pequeno movimento proporcional. Nem a pressão de entrada e nem o deslocamento do sensor são padronizados.

Todo transmissor possui um elemento sensor, que depende essencialmente da variável medida. Atualmente além do sensor da variável principal o transmissor inteligente possui outro sensor para medir a temperatura ambiente e fazer a compensação de suas variação sobre a variável principal.

Já existe disponível comercialmente transmissor multivariável. No único invólucro do transmissor há vários sensores para medir simultaneamente a variável principal (vazão) e as secundárias (pressão e temperatura do processo), também para fins de compensação.

Neste contexto, tem-se: 1. Sensor primário é o sensor que responde

principalmente ao parâmetro físico a ser medido.

2. Sensor secundário é o sensor montado adjacente ao primário para medir o parâmetro físico que afeta de modo indesejável a característica básica do sensor primário (por exemplo, os efeitos da temperatura na medição de pressão).

Transdutor O transdutor é o instrumento que converte

um sinal padrão em outro sinal padrão de natureza distinta. Por exemplo: transdutor pressão-para-corrente ou P/I converte o sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa no sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc e o transmite. O transdutor corrente-para-pressão ou I/P, converte o sinal padrão de corrente de

4-20mA cc no sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa e o transmite.

O transdutor i/p compatibiliza o uso de um controlador eletrônico (saída 4 a 20 mA) com uma válvula com atuador pneumático (entrada 20 a 200 kPa).

Elemento transdutor tem o mesmo significado que elemento sensor ou elemento primário.

Conversor O conversor é o instrumento que

transforma sinais de natureza elétrica para formas diferentes. Por exemplo: conversor analógico/digital: transforma sinais de natureza analógica (contínuo) em sinais digitais (pulso descontínuo). Mutatis mutandis, tem-se o conversor digital/analógico, que transforma sinal digital em analógico.

Geralmente, o conversor A/D e D/A está associado ao multiplexador, que converte várias entradas em uma única saída e o demultiplexador, que converte uma entrada em várias saídas. O conjunto conversor A/D e D/A e multiplexador e demultiplexador é também chamado de Modem (MODulador DEModulador).

O transmissor inteligente, por ser digital e receber um sinal analógico, tem necessariamente em um conversor A/D em sua entrada. O transmissor híbrido, que é digital e possui a saída analógica de 4 a 20 mA deve possuir em sua saída um conversor D/A.

Transmissor O transmissor é o instrumento que converte

um sinal não-padrão em um sinal padrão de natureza igual ou distinta. O transmissor sente a variável através de um sensor no ponto onde ele está montado e envia um sinal padrão, proporcional ao valor medido, para um instrumento receptor remoto. É desejável que a saída do transmissor seja linearmente proporcional à variável medida e nem sempre há esta linearidade.

Por exemplo: o transmissor eletrônico de pressão sente um sinal de pressão, por exemplo, de 15 a 60 MPa, e o converte em um sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc e o transmite.

Outro exemplo: o transmissor pneumático de pressão manométrica converte um sinal de pressão, e.g., de 60 a 100 MPa, em um sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi) e o transmite.

Nos dois exemplos, as faixas da pressão de entrada são não padrão mas as saídas dos transmissores eletrônico (4 a 20 mA) e pneumático (20 a 100 kPa) o são.

Transmissor

75

Transmissor sabido (smart) Transmissor sabido é um transmissor em

que é usado um sistema microprocessador para corrigir os erros de não linearidade do sensor primário através da interpolação de dados de calibração mantidos na memória ou para compensar os efeitos de influência secundárias sobre o sensor primário incorporando um segundo sensor adjacente ao primário e interpolando dados de calibração armazenados dos sensores primário e secundário.

Fig. 2.4. Transmissor eletrônico (Foxboro)

Transmissor inteligente Transmissor inteligente é um transmissor

em que as funções de um sistema microprocessador são compartilhadas entre

1. derivar o sinal de medição primário, 2. armazenar a informação referente ao

transmissor em si, seus dados de aplicação e sua localização e

3. gerenciar um sistema de comunicação que possibilite uma comunicação de duas vias (transmissor para receptor e do receptor para o transmissor), superposta sobre o mesmo circuito que transporta o sinal de medição, a comunicação sendo entre o transmissor e qualquer unidade de interface ligada em qualquer ponto de acesso na malha de medição ou na sala de controle.

O primeiro termo que apareceu foi smart (sabido), que foi traduzido como inteligente. Depois, apareceu o transmissor intelligent, com mais recursos que o anterior. Porém, já havia o termo inteligente e por isso, no presente trabalho, traduziu-se smart por sabido e intelligent por inteligente. Atualmente os dois termos, smart e inteligente, tem o mesmo significado prático. Por exemplo, Fisher Rosemount usa o termo smart e a Foxboro usa o termo intelligent para o transmissor com as mesmas características. Por consistência, o transmissor convencional não inteligente é burro (dumb).

Fig. 2.5. Transdutor i/p, montado na válvula

Fig. 2.6. Sinal analógico e digital

1.4. Transmissão do sinal O sinal de transmissão entre subsistemas

ou dispositivos separados do sistema deve estar de conformidade com a norma ANSI/ISA SP 50.1 - 1982 (Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments)

Esta norma estabelece, entre outras coisas, 1. a faixa de 4 a 20 mA, corrente continua,

com largura de faixa de 16 mA, que corresponde a uma tensão de 1 a 5 V cc, com largura de faixa de 4 V

2. a impedância de carga deve estar entre 0 e um mínimo de 600 Ω.

3. o número de fios de transmissão, de 2, 3 ou 4.

4. a instalação elétrica 5. o conteúdo de ruído e ripple 6. as características do resistor de

conversão de corrente para tensão, que deve ser de (250,00 ± 0,25) Ω e coeficiente termal de α ≤ 0,01%/oC, de modo que a tensão

Transmissor

76

convertida esteja entre (1,000 a 5,000 ± 0,004) V

7. o resistor não deve se danificar quando a entrada for de 10 V ou de 40 mA.

(a) Tipo. 2. Circuito com 2 fios

(b) Tipo 3. Circuito com 3 fios

(c) Tipo 4. Circuito com 4 fios

Fig. 2.7. Consideração do tipo de transmissor

1.5. Sinais padrão de transmissão

Sinal pneumático O sinal padrão da transmissão pneumática

no SI é 20 a 100 kPa (kilopascal) e os seus equivalentes em unidades não SI: 3 a 15 psig e 0,2 a 1,0 kgf/cm2. Praticamente não há outro sinal pneumático de transmissão, embora em hidrelétricas onde se tem válvulas enormes, é comum o sinal de 40 a 200 kPa (6 a 30 psi).

Sinal eletrônico O sinal padrão de transmissão eletrônico é

o de 4 a 20 mA cc, recomendado pela International Electromechanical Commission (IEC), em maio de 1975. No inicio da instrumentação eletrônica, circa 1950, o

primeiro sinal padrão de transmissão foi o de 10 a 50 mA cc, porque os circuitos eram pouco sensíveis e este nível de sinal não necessitava de amplificador para acionar certos mecanismos; hoje ele é raramente utilizado, por questão de segurança. Atualmente há uma tendência em padronizar sinais de baixo nível, para que se possa usar a tensão de polarização de 5 V comum aos circuitos digitais.

Existe ainda o sinal de transmissão de 1 a 5 V cc, porém ele não é adequado pois há atenuação na transmissão da tensão. Usa-se a corrente na transmissão e a tensão para a manipulação e condicionamento do sinal localmente, dentro do instrumento.

Relação 5:1 Todos os sinais de transmissão,

pneumático e eletrônicos, mantém a mesma proporcionalidade entre os valores máximo e mínimo da faixa de 5:1, ou seja

5 V1 V5

psi 3psi 15

mA 4mA 20

kPa 20kPa 100

====

Esta proporcionalidade fixa facilita a

conversão dos sinais padrão, pelos transdutores.

Zero vivo Todas as faixas de sinais padrão de

transmissão começam com números diferentes de zero, ou seja os sinais padrão são 20 a 100 kPa e não 0 a 80 kPa, 4 a 20 mA cc e não 0 a 16 mA cc. Diz-se que uma faixa com supressão de zero, ou seja partindo de número diferente de zero é detectora de erro. Por exemplo, seja o transmissor eletrônico de temperatura com faixa de medição de 20 a 200 oC. A sua saída vale:

4 mA, quando a medida é de 20 oC, 20 mA, quando a medida é de 200 oC e 0 mA, quando há problema no transmissor,

como falta de alimentação ou fio partido . Se a saída do transmissor fosse um sinal

de 0 a 20 mA não haveria meios de identificar o sinal correspondente ao valor mínimo da faixa com o sinal relativo às falhas no sistema, como falta de alimentação ou fio partido no transmissor eletrônico ou entupimento do tubo, quebra do tubo, falta de ar de suprimento no transmissor pneumático.

Quando se manipula a tensão elétrica, pode-se ter e se medir a tensão negativa e portanto pode-se usar uma faixa de 0 a 10 V cc detectora de erro. Isto significa que o 0 V se refere ao valor mínimo da faixa medida e quando há algum problema o sinal assume um

Transmissor

Fonte

Receptor

-

-

+

+

Transmissor

Fonte

Receptor

-

-

+

+

Receptor

-

-

+

+

Transmissor

77

valor negativo, por exemplo, -2,5 V cc. Esta faixa possui o zero vivo.

2. Natureza do transmissor Como há dois sinais padrão na

instrumentação, também há dois tipos de transmissores: pneumático e eletrônico

2.1. Transmissor pneumático O transmissor pneumático mede a variável

do processo e transmite o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), proporcional ao valor da medição. A sua alimentação é a pressão típica de 140 kPa (20 psig). O mecanismo básico para a geração do sinal pneumático é o conjunto bico-palheta, estabilizado pelo fole de realimentação.

Para funcionar o transmissor pneumático requer a alimentação de ar comprimido, no valor típico de 140 kPa (22 psi). O transmissor é alimentado individualmente por um conjunto de filtro regulador. O regulador pode ser fixo (ajustável na oficina) ou regulável pelo operador, no local.

Há dois princípios mecânicos básicos para o funcionamento do transmissor pneumático:

1. balanço de forças e 2. balanço de movimentos.

Fig. 2.8. Esquema típico de um transmissor pneumático a balanço de forças (Foxboro)

Balanço de forças O sistema é mantido estável, pelo equilíbrio

das forças aplicadas a uma barra. A variação na medição desequilibra o sistema, alterando a posição da barra, variando proporcionalmente o sinal transmitido e retornando o sistema à

condição de equilíbrio. Como a posição da barra está relacionada com o equilíbrio ou balanço das forças atuando nesta barra, este sistema é chamado de balanço de forças.

O diafragma sente a pressão do processo e através de um flexor, transmite uma força a barra de força. A barra de força funciona como a palheta em relação ao bico. A variável do processo modula a distância entre o bico e a barra de forças. Através do mecanismo de transmissão pneumática (relé pneumático, fole de realimentação, mola de ajuste de zero) obtém-se uma saída padrão e estável de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi), linearmente proporcional à pressão medida. Através do deslocamento do volante que serve como fulcro para o equilíbrio das forças e ajusta a largura de faixa de medição.

As principais vantagens são: 1. a robustez e a precisão da operação,

praticamente sem movimento e desgaste das peças,

2. a opção da supressão ou da elevação do zero, necessária medições de nível.

As suas desvantagens são: 1. não há indicação local da variável

transmitida, mas apenas a indicação opcional do sinal de saída do transmissor,

2. a velocidade da resposta é lenta

Fig. 2.9. Transmissor pneumático a balanço de forças: (a) esquema e (b) vista externa

Os transmissores a balanço de força são

genericamente chamados de d/p cell®, embora rigorosamente d/p cell seja uma marca registrada da Foxboro e se refira ao transmissor de pressão diferencial para medição de vazão e de nível.

O transmissor pneumático a balanço de forças da Foxboro foi um dos mais bem

Transmissor

78

sucedidos instrumentos da historia da instrumentação. O transmissor pneumático era tão estável e repetitivo que, a partir dele, foi projetado e construído o transmissor eletrônico, também a balanço de forças.

Balanço de movimento No sistema a balanço de movimentos, a

medição é sentida pelo elo mecânico, que desequilibra o sistema bico-palheta. Este desequilíbrio provoca variações no sinal transmitido, até haver novo equilíbrio. Na realidade há um balanço de posições mas o sistema é referido como balanço de movimentos.

O transmissor a balanço de movimento permite a indicação local da medição; é naturalmente um transmissor-indicador.

Fig. 2.10. Esquema de transmissor pneumático a balanço de movimentos (Foxboro)

Fig. 2.11. Transmissor a balanço de movimento

As principais vantagens do transmissor a

balanço de movimentos são: 1. apresenta a indicação da medida, no

local de transmissão 2. opera com grande variedade de

elementos primários, pois a força

necessária para atua-lo é pequena (cerca de 2 gramas).

As suas desvantagens são: 1. não apresenta a opção de abaixamento

e elevação de zero. 2. sua operação é mais delicada e sua

calibração é mais difícil e menos estável, por causa dos elos mecânicos e das partes moveis. .

2.2. Transmissor eletrônico O transmissor eletrônico mede a variável

do processo e transmite o sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc proporcional ao valor da medição. Ele requer a alimentação, geralmente a tensão contínua. Normalmente esta alimentação é feita da sala de controle, através do instrumento receptor (indicador, controlador ou registrador), onde está a fonte de alimentação. A alimentação é feita pelo mesmo fio que porta o sinal transmitido de 4 a 20 mA. Os conceitos de fonte de tensão e de fonte de corrente explicam porque se pode utilizar apenas um par de fios para transportar tanto o sinal de corrente como a alimentação de tensão. A corrente só deve depender da variável medida e não deve depender da tensão de polarização. A tensão de alimentação não pode ser afetada pelo valor da corrente gerada.

A tensão de alimentação pode variar, dentro de limites convenientes e depende principalmente do valor do sinal transmitido e do valor da resistência total da malha de controle.

Fig. 2.12. Tensão de alimentação e impedância da malha de transmissão eletrônica

Transmissor indutivo No transmissor eletrônico a balanço de

forças, o pequeno movimento provocado na barra de força é amplificado e posiciona o núcleo móvel de uma bobina. Quando a pressão varia, a barra de força se movimenta e altera a posição do núcleo da bobina, variando

Transmissor

79

a indutância. Através da variação da indutância um circuito condicionador gera o sinal padrão de 4 a 20 mA cc, proporcional a pressão medida. Este transmissor é chamado de indutivo, pois se baseia na variação do núcleo de uma bobina detectora. Atualmente, este transmissor foi substituído por outros menores e melhores, como capacitivo, com fio ressonante e sensor CI.

Fig. 2.13. Transmissor a balanço de forças indutivo

Transmissor capacitivo No inicio dos anos 80, a Rosemount lançou

o transmissor eletrônico capacitivo, que se tornou um dos tipos de instrumentos mais vendidos na instrumentação.

O princípio de operação básico é a medição da capacitância resultante do movimento de um elemento elástico. O elemento elástico mais usado é um diafragma de aço inoxidável ou de Inconel, ou Ni-Span C ou um elemento de quartzo revestido de metal exposto à pressão do processo de um lado e uma pressão de referência no outro. Dependendo da referência, pode-se medir pressão absoluta (vácuo), manométrica (atmosférica) ou diferencial.

A capacitância de um capacitor de placas paralelas, é dada simplificadamente por:

C Ad

= ε

onde C é a capacitância ε é a constante dielétrica do isolante entre

as placas A é a área das placas d é a distância entre as placas. Como a pressão pode provocar um

deslocamento, ela pode ser inferida através da capacitância, que também depende de um deslocamento. Os diafragmas isolantes detectam e transmitem a pressão do processo para o fluido de enchimento (óleo de silicone). O fluido transmite a pressão de processo para o

diafragma sensor no centro da célula de pressão diferencial. O diafragma sensor funciona como um elemento de mola que deflete em resposta à pressão diferencial aplicada através dele. O deslocamento do diafragma sensor, um movimento máximo de 0,10 mm, é proporcional à pressão diferencial. As placas de capacitor em ambos os lados do diafragma sensor detectam a posição do diafragma sensor. A capacitância diferencial entre o diafragma sensor e as placas do capacitor é então proporcional linearmente à pressão diferencial aplicada aos diafragma isolantes. A capacitância é detectada por um circuito ponte e é convertida e amplificada para o sinal padrão, linear, a dois fios de 4 a 20 mA cc.

Fig. 2.14. Célula δ capacitiva (Rosemount)

O sensor capacitivo tem precisão típica de

0,1 a 0,2% da largura de faixa e com a seleção de diafragmas, pode medir faixas de 0,08 kPa a 35 MPa (3 in H20 a 5000 psi).

Os transmissores capacitivos perdem em popularidade apenas para os com strain gauge e tem-se as seguintes vantagens

1. alta robustez e 2. grande estabilidade 3. excelente linearidade 4. resposta rápida 5. deslocamento volumétrico menor que

0,16 cm3 elimina a necessidade de câmaras de condensação e potes de nível

Suas limitações, principalmente dos transmissores capacitivos mais antigos, são:

1. sensitividade à temperatura 2. alta impedância de saída 3. sensitividade à capacitância parasita 4. sensitividade a vibração 5. pequena capacidade de resistir à

sobrepressão O transmissor eletrônico capacitivo da

Rosemount foi outro instrumento best seller da instrumentação.

Transmissor

80

Transmissor fio ressonante O transmissor com sensor a fio ressonante

foi lançado no fim da década de 1970, pela Foxboro, que gosta muito de fio, pois já havia aplicado o fio Nitinol, com memória mecânica, para acionar ponteiros e penas dos instrumentos de display do sistema SPEC 200. Neste projeto, um circuito oscilador faz um fio oscilar em sua freqüência de ressonância, enquanto a tensão do fio é variada como uma função da pressão do processo. As pressões do processo são detectadas pelos diafragmas de alta e baixa pressão, nos lados direito e esquerdo do sensor. Quando a pressão diferencial aumenta, o fluido de enchimento transmite uma força correspondente ao fio, excitado por um campo magnético. O dano por sobrepressão é evitado pelos diafragmas sendo suportados por placas reservas. A variação na tensão do fio modifica a freqüência de ressonância do fio, que é então digitalmente medida. Configurações semelhantes são usadas na medição de pressão absoluta e manométrica. Quando usado para medir pressão absoluta, o lado de baixa é coberto por uma capa e faz-se vácuo na cavidade da ordem de 0,52 Pa (0,004 mm Hg).

Fig. 2.15. Sensor de pressão a fio ressonante (Foxboro) As vantagens deste transmissor são: 1. boa repetitividade 2. alta precisão 3. boa estabilidade 4. baixa histerese 5. alta resolução 6. sinal de saída forte 7. geração de um sinal digital. As limitações incluem: 1. sensitividade à temperatura ambiente,

requerendo compensação embutida. 2. sinal de saída não linear 3. alguma sensitividade à vibração e

choque.

Transmissor com sensor a CI Os transmissores mais recentes utilizam o

estado da arte da tecnologia eletrônica, com um sensor a circuito integrado, com um chip de silício piezo-resistivo difuso.

Na fabricação deste sensor, boro é difundido em uma estrutura de cristal de silício para formar uma ponte de Wheatstone totalmente ativa. Neste processo de difusão, o boro e o silício são unidos a um nível molecular, eliminado a necessidade de métodos mecânicos de solda, como usado nos sensores convencionais de strain gauge. Este processo resulta em sensores com altíssima repetitividade e estabilidade, somente conseguidas em instrumentos de laboratório.

Fig. 2.16. Circuito da ponte de Wheatstone A faixa de pressão de cada sensor de

silício é determinada pela espessura do silício diretamente sob a ponte de Wheatstone. A espessura do diafragma de silício é determinada ataque químico na parte traseira de cada chip sob a ponte para uma profundidade específica. O chip acabado é então colada a uma placa de pyrex ou alumina com suporte e isolação do chip. Para medição de pressão manométrica ou diferencial, faz-se um buraco através do pyrex para acessar a cavidade na parte traseira do chip. Isto fornece uma referência da pressão atmosférica para o sensor de pressão manométrica e uma passagem para o lado da baixa pressão do sistema de enchimento de fluido para o d/p cell. Para a medição de pressão absoluta, a cavidade do chip é evacuada antes de colar a placa de pyrex, fornecendo uma referência de pressão absoluta.

O chip é então montado em um extrato de cerâmica ou aço inoxidável selado a vidro. Conexões com fio de ouro completam o conjunto, que é juntado ao pacote completo do sensor.

Diafragmas de isolação de vários materiais resistentes a corrosão são soldados no lugar,

Transmissor

81

sobre o chip sensor e as cavidades entre o chip são cheias sob vácuo com óleo silicone DC-200 ou Fluorinert FC/B. Este processo isola totalmente o sensor de silício do meio da pressão sem um link mecânico. O diafragma de isolação também fornece a proteção de sobrefaixa para o sensor de silício no d/p cell.

Transmissor com sensor piezoelétrico O sensor é um cristal de quartzo ou

turmalina que, quando exposto a pressão ou força em torno do seu eixo, é elasticamente deformado. A deformação produz uma força eletromotriz proporcional.

As vantagens do transmissor com sensor piezoelétrico são:

1. pequeno tamanho 2. robustez 3. alta velocidade de resposta 4. autogeração do sinal. As desvantagens são: 1. limitado à medição dinâmica 2. sensitividade à temperatura 3. necessidade de cabeamento especial

entre sensor e circuito amplificador. A aplicação típica do sensor piezoelétrico é

no medidor de vazão vortex. É piezoelétrico o sensor que detecta a freqüência criada pelos vórtices de De Karmann.

Fig. 2.17. Transmissor de vazão tipo vortex (Foxboro)

3. Transmissor e manutenção

Quanto à manutenção e independente do princípio de funcionamento ou da variável medida, há quatro tipos básicos de transmissores eletrônicos disponíveis atualmente:

1. analógico descartável 2. analógico reparável 3. digital híbrido 4. digital inteligente

3.1. Transmissor analógico descartável

O transmissor analógico descartável possui saída analógica de 4 a 20mA cc e um circuito encapsulado irrecuperável quando estragado. Quando o transmissor se danifica (o que os fabricantes asseguram ser raro) é integralmente substituído por outro. Sua confiabilidade é expressa não em MTBF (tempo médio entre falhas) mas em MTFF (tempo médio para a primeira falha).

Como vantagens, tem-se: 1. Baixo custo de aquisição, com preços

típicos entre US$50 a US$350, 2. Baixo custo de reposição, pois é mais

barato substituir prontamente um transmissor do que mandar um instrumentista de manutenção a um local distante para retirar do processo um transmissor defeituoso, levá-lo para a oficina, repará-lo, levá-lo de volta para o processo e reinstalá-lo. A substituição pré-configurada pode ser feita na primeira ida ao local do processo,

3. Pequeno tamanho, simplicidade e transmissão a dois fios,

4. Facilidade de implementar técnica de proteção, como segurança intrínseca e não incenditivo, pois o encapsulamento favorece a conformidade com exigências de normas.

Fig. 2.18. Transmissor descartável de pressão (Dynisco)

Fig. 2.19. Transmissor de temperatura descartável (Eckardt)

Transmissor

82

As principais desvantagens e limitações são:

1. A precisão é pior do que a dos outros tipos, pois o transmissor deve ter baixo custo,

2. Pequena flexibilidade, pois o transmissor tem somente uma única entrada e faixa fixa de calibração e não são convenientes para aplicações que requerem alterações freqüentes do processo,

3. Geralmente são mais frágeis e menos resistentes a ambientes hostis, o bloco terminal podendo se quebrar quando submetido a abuso;

4. Menos confiável, pois são usados projetos e circuitos mais baratos para torná-los mais competitivos.

3.2. Transmissor analógico convencional

O transmissor analógico convencional possui saída padrão de 4 a 20 mA cc e circuitos acessíveis para sua calibração e manutenção. Eles podem ser reparados e ter suas faixas de calibração alteradas no campo ou na oficina, pelo usuário final. Os seus preços variam de US$300 a US$500,00.

Fig. 2.20. transmissor convencional (Foxboro) As suas principais vantagens são: 1. O transmissor convencional é reparável,

possuindo um invólucro que protege os circuitos e permitindo o seu acesso fácil e seguro aos circuitos. Seus circuitos analógicos são simples e é fácil achar os defeitos e repará-los. A possibilidade de ser reparado torna o transmissor convencional mais seguro e menos caro para serviço em longo prazo.

2. O transmissor é robusto, suportando bem os rigores do processo, grande vibração mecânica, alto calor e atmosfera agressiva

3. O transmissor convencional pode ter sua faixa alterada dentro de grandes limites. O transmissor de temperatura pode aceitar todos os tipos de termopares ou RTD de vários valores. Tipicamente as alterações de parâmetros são feitas mecanicamente no campo ou na oficina, ajustando-se potenciômetros, alterando-se posições de jumpers ou mudando chaves DIP.

4. O transmissor analógico tem melhor tempo de resposta que o do transmissor digital e também se recupera mais rapidamente, depois de uma interrupção de alimentação.

5. Possui precisão melhor do que a do transmissor descartável e pior do que a do digital.

Como desvantagens, tem-se: 1. Menos estável e requer mais calibração

do que o transmissor digital, pois os ajustes mecânicos feitos através de potenciômetros de fio são pouco estáveis.

2. Não são adequados para aplicações com operação e comunicação digitais, porém, para a maioria das aplicações o alto custo da substituição dos transmissores analógicos convencionais por digitais não se justifica

3.3. Transmissor inteligente digital O transmissor inteligente digital tem um

microprocessador embutido em seu circuito e possui saída digital, apropriada para se comunicar com outros dispositivos digitais com o mesmo protocolo. Ele não possui a saída padrão de 4 a 20 mA cc.

Suas vantagens são: 1. Recalibração remota: o transmissor

digital pode ser recalibrado sobre o elo de dados digitais da sala de controle, através da estação de operação, de um computador digital ou de um terminal portátil proprietário. Porém, isso é útil somente em plantas envolvendo grandes distâncias e com variações freqüentes no processo. Ele permite alterações imediatas de parâmetros, sem perda de tempo e custo para mandar um técnico a cada ponto de medição para fazer uma alteração manual.

Transmissor

83

Fig. 2.21. Instrumentação inteligente

2. Mínimo de reserva: uma grande

variedade de parâmetros de operação pode ser armazenadas na memória do microprocessador do transmissor digital. Um único transmissor pode ser eletronicamente programado para substituir qualquer outro transmissor do sistema. Facilidades com vários tipos de sensores e faixas de medição permitem um menor número de instrumentos reservas para reposição ou adição.

3. Altíssima precisão: melhor do que qualquer outro transmissor. Tipicamente, da ordem de 0,05 a 0,1% do fundo de escala.

4. Autodiagnose: a maioria dos transmissores digitais possui um programa de autodiagnose em sua memória interna que automaticamente identifica falhas do sensor e do transmissor. O pessoal de manutenção de instrumentos pode usar a informação fornecida pelas mensagens de erro enviadas do transmissor no campo para a sala de controle para preparar a substituição e reparo do instrumento. O benefício é o menor tempo de malha parada.

5. Segurança de comunicação: diferente do transmissor convencional que tem um par de fios para transportar o sinal seguro e a perigosa alimentação, o sinal digital pode ser comunicado através de fibra óptica ou links de luz infravermelha, que são seguros por natureza.

As principais desvantagens do transmissor digital inteligente são:

1. Custo: embora os preços tendem a cair e se comparar aos do transmissor convencional, o preço de aquisição do

digital ainda é um pouco maior do que o do convencional

2. Não padronização do sinal digital: este é o maior obstáculo técnico para o uso extensivo do transmissor digital. Atualmente ainda existem vários protocolos de comunicação digital proprietários, como HART, Foxcom, Fieldbus. Até que se chegue a um consenso acerca do protocolo de comunicação digital, muitos usuários preferirão não usar o transmissor digital.

3. Tempo de resposta: o transmissor de campo operando em baixa potência tem dificuldade de operar rapidamente a comunicação digital. A resposta demorada é inerente para começar e completar uma transação de comunicação digital. Além disso, alguns transmissores inteligentes tem grande tempo de recuperação após a perda da alimentação, durante o que os transmissores excedem a faixa por cima ou por baixo, acionando erradamente alarmes e causando problemas para outros instrumentos no sistema.

3.4. Transmissor híbrido analógico digital

Como ainda hoje a maioria das aplicações envolve o sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc e também por causa da ausência de uma padronização do sinal digital, muitos transmissores digitais possuem simultaneamente os dois sinais de transmissão:

1. analógico de 4 a 20 mA cc e 2. digital O transmissor é simultaneamente analógico

e digital e o usuário experiente pode tirar proveito das vantagens isoladas de cada tipo, como as vantagens de padronização e resposta rápida da transmissão analógica e as vantagens de autodiagnose, facilidade de recalibração e alteração de parâmetros da parte digital do transmissor.

O planejamento correto da aquisição de transmissores híbridos pode economizar investimentos quando se implanta uma instrumentação digital do sistema global. O transmissor híbrido pode substituir tanto um transmissor analógico como um digital existente sem necessidade de qualquer componente adicional. Também é necessário pouco treinamento de operadores e instrumentistas, quando de sua integração no sistema.

Transmissor

84

4. Receptores associados

4.1. Instrumentos associados A transmissão é uma função auxiliar,

opcional. Usa-se o transmissor quando se quer a indicação, o registro ou o controle da variável de processo em um local remoto do processo, geralmente na sala de controle. Como conseqüência, o transmissor sempre requer outro instrumento para completar sua função: indicador, registrador, controlador, alarme ou integrador de vazão.

Alguns transmissores podem ter uma indicação local da variável medida. Outros transmissores podem, opcionalmente, ter a indicação de sua saída, que é proporcional ao valor da variável medida. Há transmissores que podem medir simultaneamente várias variáveis de processo e para tanto, eles possuem os vários sensores destas variáveis embutidos em seu corpo. A aplicação clássica é na medição de vazão compensada, onde e quanto se quer medir simultaneamente o sinal proporcional à vazão (pressão diferencial), pressão estática e temperatura. O instrumento receptor associado a este transmissor é o computador de vazão. Todos estes instrumentos envolvidos são microprocessados.

4.2. Alimentação O transmissor eletrônico montado no

campo sempre necessita de uma alimentação. Raramente esta alimentação é fornecida por bateria integral, por questão de economia e de segurança. O comum é a alimentação do transmissor ser fornecida por um instrumento montado na sala de controle. Assim, além de receber o sinal do transmissor, o instrumento receptor também alimenta o transmissor. Alguns fabricantes possuem fontes de alimentação separadas, montadas na sala de controle, para alimentar os transmissores de campo, separadas e independentes de outros instrumentos.

Fig. 2.24. Fiação do transmissor, receptor e fonte

4.3. Transmissor como controlador Em alguns casos raros e simples, o próprio

transmissor pode funcionar como um controlador limitado. Para que a saída típica do controlador

s s K m sp K edt K dedto p i d= + − + +∫( )

fique igual a do transmissor

s Km= s Km=

tem-se 1. com bias igual a zero, (so = 0) 2. com banda proporcional fixa e igual a

100% (Kp = 1) 3. com ponto de ajuste igual a zero (sp =

0), 4. apenas com o modo proporcional

(Ki = Kd = 0).

5. Serviços associados Como os outros instrumentos, o

transmissor deve ser especificado, montado, calibrado rotineiramente e mantido em perfeitas condições de funcionamento.

5.1. Especificação Na especificação do transmissor, devem

ser fornecidos os seguintes parâmetros ao fabricante:

1. a variável do processo a ser transmitida, 2. o elemento sensor desejado, em função

da faixa, do processo, da variável e do material,

3. o sinal padrão de transmissão e a alimentação, como 20 a 100 kPa ou 3 a 15 psig (rigorosamente são sinais diferentes, quanto a calibração),

4. os materiais do corpo do transmissor, dos parafusos, da tampa e do elemento sensor,

5. a montagem: tubo de 2" (pipe), pedestal (yoke), superfície ou painel,

6. a faixa calibrada da variável, 7. a conexão ao processo: rosca 1/2" NPT,

flange 150 psi, selo. 8. quando há contato direto com o fluido do

processo: tipo do material quanto à corrosão, erosão, sujeira, temperatura e pressão estática,

9. identificação da malha do processo, 10. a classificação mecânica do invólucro:

NEMA ou IEC IP, 11. a classificação elétrica do instrumento,

se elétrico e se montado em área classificada: prova de explosão, purgado

Transmissor

85

ou intrinsecamente seguro, entidade de aprovação,

12. acessórios: conjunto filtro regulador, conjunto distribuidor (manifold), indicação do sinal de saída ou da variável medida,

13. opções extras, como materiais especiais em contato com o processo (Monel®, Hastelloy®, tântalo, preparação para manipular oxigênio, cloro, hidrogênio, aplicação em serviço nuclear, amortecimento maior que o normal, saída reversa, aquecimento elétrico para evitar o congelamento, alta temperatura do processo, selo de proteção, pontos de teste, proteção de sobre faixa.

5.2. Instalação A montagem do transmissor deve ser feita

conforme as recomendações do fabricante, diagramas do projetista e normas de engenharia aplicáveis, quanto aos aspectos de corrosão, segurança, localização e funcionamento.

A partida e comissionamento do transmissor de pressão diferencial para vazão e nível envolve algumas operações seqüenciais recomendadas pelo fabricante, que se não forem seguidas corretamente podem danificar o transmissor ou descalibrá-lo.

Fig. 2.25. Transmissor para vazão de gás

5.3. Configuração

5.4. Operação O transmissor é geralmente um instrumento

cego, montado no campo, que não requer a atenção do operador. Quando possui indicação da variável medida, ele pode requerer a leitura periódica para comparação com a indicação do painel.

5.5. Calibração A calibração do transmissor garante sua exatidão. O transmissor é calibrado antes de ser montado. Depois, ele deve ser calibrado

1. quando programado pelo plano da qualidade (ISO 9000),

2. depois da manutenção ou 3. quando requisitado pela operação. Calibrar um transmissor requer 1. local adequado, 2. procedimento claro 3. padrões rastreados 4. técnico treinado 5. registro documentado 6. prazo de validade

Fig. 2.26. Calibração de transmissor (Rosemount)

Ambiente Como o transmissor opera em condições

muito pouco exigentes (-40 a +60 oC), raramente ele requer um ambiente de calibração controlado. Porém, o ambiente deve ser conhecido e as condições de calibração (pressão, temperatura e umidade relativa ambientes) devem ser registradas no relatório de calibração.

Procedimento Procedimento de calibração não é

simplesmente o manual do fabricante, mas algo mais abrangente que inclui o manual do fabricante. O procedimento deve ser escrito pelo executante e pode ser copidescado (feita revisão para uniformizar linguagem, arrumar estilo, eliminar erros vernáculos) pelo chefe.

O procedimento tem o objetivo de garantir que a mesma pessoa, em tempos diferentes ou pessoas diferentes ao mesmo tempo, façam a mesma calibração exatamente do mesmo modo.

Procedimento que é usado geralmente sofre revisões periódicas. Quando algo deve ser mudado, primeiro se muda o procedimento,

Transmissor

86

com o consenso de todos os envolvidos, e depois de muda o comportamento.

Padrões Todos os padrões usados na calibração

devem ser rastreados, ou seja, calibrados contra outros padrões superiores e dentro do prazo de validade. A rastreabilidade do padrão é que lhe dá a garantia que ele está confiável e fornece o valor verdadeiro convencional. Se o padrão não estiver rastreado e sua calibração estiver vencida, a calibração que ele faz não é confiável e portanto é inútil.

Técnico treinado O executante da calibração deve conhecer

o instrumento que vai calibrar e todos os cuidados e procedimentos envolvidos. Enfim, deve estar treinado especificamente para fazer a calibração.

Calibração feita por pessoa não habilitada não é confiável.

Registro Toda calibração deve ser registrada e os

registros devem ser guardados por algum período estabelecido pelo executante. Os registros referentes ao programa de qualidade (ISO 9000) devem ser disponíveis e acessíveis ao auditor. Outros registros podem ser acessíveis ao cliente comprador (transferência de custódia) ou algum fiscal do governo.

Calibração sem registro escrito é inútil.

Prazo de validade Toda calibração possui um prazo de

validade, depois do qual o instrumento se torna não confiável. O prazo de validade é estabelecido pelo usuário, pois somente ele tem o domínio completo de todas as informações e dados do instrumento e do processo. Este prazo considera o tipo de instrumento, recomendações do seu fabricante, severidade do processo, precisão do instrumento e penalidade da não conformidade.

Programa consistente de calibração sempre prevê critério para administrar os prazos, aumentando e diminuindo os intervalos, para que se trabalhe o mínimo necessário com o máximo possível de eficiência. Há vários critérios de alteração de prazos de validade de calibração; os mais conhecidos são o de Schumacher e o de Grasmann.

Realização A calibração do transmissor geralmente

consiste em 1. Simular a variável sentida, não a

necessariamente a medida. Por exemplo, simula-se a militensão do

termopar e não a temperatura medida. Tipicamente são simulados os pontos correspondentes a 0, 25, 50, 75, 100, 75, 50, 25 e 0% da faixa. Sobe-se e desce-se para verificar histerese do transmissor.

2. Comparar os valores lidos com os valores pré-estabelecidos no relatório, conforme precisão do transmissor,

3. Quando os valores lidos estiverem fora dos limites, ajustar o transmissor nos pontos de zero e de largura de faixa (span). Com os ajustes, a saída do transmissor deve ser igual a 20 kPa ou 4 mA cc para 0% da entrada e 100 kPa ou 20 mA cc, quando a variável assumir 100% do valor do processo (ou vice-versa, quando a saída do transmissor for invertida). Os pontos intermediários devem seguir a curva de calibração, geralmente uma reta.

4. Quando os valores estiverem dentro dos limites, não se faz nada, a não ser desmontar o circo, arrumar o transmissor e voltá-lo para o processo. As pessoas não resistem e geralmente fazem pequenos ajustes, o que não está de conformidade com o procedimento.

5. Quando o transmissor não gera os sinais dentro dos limites, depois de um (ou dois, ou quantos o executante definir) ajuste, o transmissor está com problema e requer manutenção.

6. Depois de qualquer manutenção, todo instrumento deve ser calibrado.

Além destes pontos, que se aplicam a todo transmissor, ainda se deve tomar os seguintes cuidados:

1. A calibração dos transmissores a balanço de movimentos exige também os ajustes de angularidade.

2. Os transmissores de nível e de vazão, quando operaram em pressões diferentes da atmosférica, devem ser alinhados dinamicamente.

3. A calibração do transmissor deve ser feita na posição real de trabalho.

4. Transmissor inteligente requer calibrador especial proprietário (também chamado de configurador, comunicador, terminal portátil), que também deve ser periodicamente rastreado.

Transmissor

87

Fig. 2.27. Calibração de transmissor inteligente através do Comunicador Hart (Rosemount)

5.6. Manutenção Quando o transmissor apresenta algum

problema evidente de operação, ele deve ser submetido à manutenção. Alguns transmissores também podem ser submetidos a programas de manutenção preventiva. A manutenção tem os objetivos principais de garantir:

1. a continuidade operacional do instrumento, e como resultado, do processo

2. a precisão nominal do transmissor. Com o tempo, o transmissor sofre desvios que o fazem se afastar de seu desempenho nominal e a manutenção correta elimina estes desvios.

Calibrar e fazer manutenção do transmissor são operações totalmente diferentes, embora haja algumas correlações como:

1. Se um transmissor não consegue ser calibrado, ele requer manutenção.

2. Depois de qualquer manutenção, o transmissor necessita ser calibrado.

Apostila\Instrumentação 22Transmissor. Doc 11 DEZ 98

(Substitui 20 SET 96)

88

Indicador

1. Conceito O indicador é o instrumento que sente a

variável do processo e apresenta o seu valor instantâneo. É freqüentemente chamado de medidor, receptor, repetidor, gauge, mas estes termos são desaconselháveis por serem ambíguos e imprecisos. Indicador específico de pressão é chamado de manômetro; de temperatura é chamado de termômetro e o de vazão, rotâmetro. Estes nomes também não são recomendados, embora sejam muito usados. O recomendado é chamar respectivamente de indicador de pressão, de temperatura e de vazão.

O indicador sente a variável a ser medida através do elemento primário e mostra o seu valor através do conjunto escala + ponteiro ou de dígitos.

O tag de um indicador da variável X é XI; de um indicador selecionável XJI.

O indicador pode ser estudado considerando os seguintes parâmetros

1. a variável medida 2. o local de montagem 3. o formato exterior 4. natureza do sinal 5. o tipo de indicação

2. Variável Medida Dependendo da variável a ser indicada, há

diferenças básicas no elemento sensor, nas unidades da escala e pode haver nomes específicos para o indicador.

O indicador de pressão é também chamado de manômetro. Na prática, se chama de manômetro apenas o indicador local de pressão. Em algumas convenções se simboliza o indicador local de pressão como PG (pressure gauge). O elemento sensor do indicador de pressão pode ser o tubo Bourdon, o helicoidal, o fole, a espiral, o strain gauge . As escalas possuem unidades de kgf/cm2, Pa (pascal) ou psig.

O indicador de temperatura é também chamado de termômetro. Na prática, se chama de termômetro apenas o indicador local de temperatura. Em algumas convenções se simboliza o indicador local de temperatura

como TG (temperature gauge). O elemento sensor do indicador de temperatura pode ser o bimetal, o enchimento termal, a resistência elétrica e o termopar. As escalas possuem unidades de oC e K.

O indicador de vazão é também chamado de rotâmetro. Na prática, se chama de rotâmetro apenas o indicador de vazão de área variável. O símbolo FG significa visor de vazão (flow glass) e é usado em sistemas onde se quer verificar a presença da vazão e não necessariamente o seu valor, como na medição de nível com borbulhamento de gás inerte. O elemento sensor de vazão mais usado é a placa de orifício; quando a escala do indicador é raiz quadrática, pois a pressão diferencial gerada pela placa é proporcional ao quadrado da vazão. Os outros indicadores da vazão estão associados à turbina, ao tubo medidor magnético e ao medidor com deslocamento positivo . As escalas possuem unidades de volume/tempo ou massa/tempo. Adicionalmente, a vazão pode ser totalizada e o valor final é indicado através de dígitos do contador. Não existe contador analógico para a totalização da vazão.

Fig. 4. 1. Manômetro ou indicador local de pressão O indicador local de nível é chamado de

visor e possui o tag LG (level glass). A maioria dos sistemas de medição de nível de líquidos se baseia na pressão diferencial. A escala típica para a medição de nível é de 0 a 100% , sem unidade.

Indicador

89

3. Local de Montagem Os indicadores podem ser montados em

dois lugares distintos no campo ou na sala de controle.

Os indicadores de campo ou locais são montados próximos ao processo, muitas vezes diretamente na tabulação ou vaso do processo. Os indicadores de campo normalmente são formato grande, tipicamente circulares, que é o formato mais resistente. Quando usados ao relento devem ser a prova de tempo e quando montados em locais perigosos devem possuir classificação elétrica especial compatível com a classificação da área.

Fig. 4. 2. Indicador de painel (Foxboro)

Os indicadores de painel geralmente são retangulares pois é mais fácil se fazer uma abertura retangular numa chapa de aço do que uma abertura circular. São tipicamente miniaturizados e pequenos, para economia de espaço. Para ainda maior economia de espaço é comum se ter indicadores com 1, 2 ou 3 ponteiros, para indicar simultaneamente 2 ou 3 variáveis independentes. Para facilitar a leitura, neste caso de leituras múltiplas, cada ponteiro tem uma cor diferente. O indicador de painel possui geralmente escala vertical, percorrida por ponteiros horizontais.

4. Tipo da Indicação A indicação da leitura pode ser analógica,

feita através de um posicionamento contínuo do ponteiro na escala ou digital, através da amostragem de um dígito.

O instrumento analógico usa um fenômeno físico para indicar uma outra grandeza, por analogia. Ele mede um sinal que varia continuamente e como conseqüência, a posição do ponteiro varia continuamente assumindo todas as posições intermediários entre o 0 e 100%. Pode-se ter escala fixa e

ponteiro móvel e mais raramente, escala móvel e ponteiro fixo.

Fig. 4. 3. Indicadores com escala vertical e horizontal (Foxboro)

Quando a leitura é através de um número,

o indicador é digital. Ele conta os pulsos do sinal digital e indica o valor através de dígitos que mudam discretamente. Para cada valor da variável medida, há um número indicado. Atualmente já existem instrumentos pneumáticos digitais, embora o mais difundido seja o indicador eletrônico digital.

Fig. 4. 4. Indicador digital de pressão (HBM)

Atualmente, são disponíveis indicadores

eletrônicos com barra de gráfico (bargraph), que possuem técnicas e circuitos digitais para a manipulação do sinal, porém, com a indicação final em forma de barra de LEDs (diodo emissor de luz) como se fosse analógica.

Uma indicação digital, pelo fato apenas de ser digital não é necessariamente mais precisa ou confiável que uma indicação analógica. Decididamente é mais fácil fazer uma leitura digital do que uma com ponteiro-escala, se cansa menos e há menor probabilidade de cometer erros quando se fazem inúmeras leituras digitais. A precisão e a confiabilidade dependem ainda da qualidade dos

Indicador

90

componentes, do projeto, do mecanismo, da calibração e de vários outros fatores.

Os indicadores de painel normalmente são montados em estantes apropriadas que já possuem conectores pneumáticos e eletrônicos de encaixe rápido para facilitar a substituição para a manutenção.

Na eletrônica são comuns as indicações através de LEDs e quartzo liquido. Atualmente. há pesquisa e desenvolvimento com tecnologias baseadas na ionização de plasma e fluorescência no vácuo. O objetivo final de qualquer projeto é a obtenção de uma indicação visível à distância e de pequeno consumo de energia elétrica.

Nos sistemas com computador digital, as indicações são feitas através de monitores de vídeo e as telas também simulam as escalas dos instrumentos, com leituras analógicas.

Fig. 4. 5. Transmissor e indicador de pressão (Foxboro)

5. Rangeabilidade da Indicação Tão importante quanto à precisão e

exatidão do instrumento, é sua rangeabilidade. Em inglês, há duas palavras, rangeability e turndown para expressar aproximadamente a extensão de faixa que um instrumento pode medir dentro de uma determinada especificação. Usamos o neologismo de rangeabilidade para expressar esta propriedade.

Para expressar a faixa de medição adequada do instrumento define-se o parâmetro rangeabilidade. Rangeabilidade é a relação da máxima medição sobre a mínima medição, dentro uma determinada precisão. Na prática, a rangeabilidade estabelece a menor medição a ser feita, depois que a máxima é determinada. A rangeabilidade está ligada à relação matemática entre a saída do medidor e a variável medida. Instrumentos lineares possuem maior rangeabilidade que os medidores quadráticos (saída do medidor proporcional ao quadrado da medição).

Fig. 4. 6. Escalas de indicação Na medição de qualquer quantidade se

escolhe um instrumento pensando que ele tem o mesmo desempenho em toda a faixa. Na prática, isso não acontece, pois o comportamento do instrumento depende do valor medido. A maioria dos instrumentos tem um desempenho pior na medição de pequenos valores. Sempre há um limite inferior da medição, abaixo do qual é possível se fazer a medição, porém, a precisão se degrada e aumenta muito.

Por exemplo, o instrumento com precisão expressa em percentagem do fundo de escala tem o erro relativo aumentando quando se diminui o valor medido. Para estabelecer a faixa aceitável de medição, associa-se a precisão do instrumento com sua rangeabilidade. Por exemplo, a medição de vazão com placa de orifício, tem precisão de ±3% com rangeabilidade de 3:1. Ou seja, a precisão da medição é igual ao menor que 3% apenas nas medições acima de 30% e até 100% da medição. Pode-se medir valores abaixo de 30%, porém, o erro é maior que ±,3%. Por exemplo, o erro é de 10% quando se mede 10% do valor máximo; o erro é de 100% quando se mede 1% do valor máximo.

Fig. 4.7. Precisão em percentagem do fundo de escala

Indicador

91

Não se pode medir em toda a faixa por que o instrumento é não linear e tem um comportamento diferenciado no início e no fim da faixa de medição. Geralmente, a dificuldade está na medição de pequenos valores. Um instrumento com pequena rangeabilidade é incapaz de fazer medições de pequenos valores da variável. A sua faixa útil de trabalho é acima de determinado valor; por exemplo, acima de 10% (rangeabilidade 10:1), ou de 33% (3:1).

Em medição, a rangeabilidade se aplica principalmente a medidores de vazão. Sempre que se dimensiona um medidor de vazão e se determina a vazão máxima, automaticamente há um limite de vazão mínima medida, abaixo do qual é possível fazer medição, porém, com precisão degradada.

Em controle de processo, o conceito de rangeabilidade é também muito usado em válvulas de controle. De modo análogo, define-se rangeabilidade da válvula de controle a relação matemática entre a máxima vazão controlada sobre a mínima vazão controlada, com o mesmo desempenho. A rangeabilidade da válvula está associada à sua característica inerente. Na válvula linear, cujo ganho é uniforme em toda a faixa de abertura da válvula, sua rangeabilidade é cerca de 10:1. Ou seja, a mesma dificuldade e precisão que se tem para medir e controlar 100% da vazão, tem se em 10%. A válvula de abertura rápida tem uma ganho muito grande em vazão pequena, logo é instável o controle para vazão baixa. Sua rangeabilidade vale 3:1. A válvula com igual percentagem, cujo ganho em vazão baixa é pequeno, tem rangeabilidade de 100:1.

6. Associação a Outra Função A indicação é uma função passiva e sua

malha é aberta. A indicação pode estar associada com as outras funções, como a transmissão, o controle, o registro e a totalização.

O transmissor a balanço de movimento é naturalmente um indicador local da variável transmitida. Há transmissores que possuem o indicador do sinal de saída e como conseqüência a indicação indireta da variável transmitida.

Toda malha de controle a realimentação negativa requer a indicação da variável medida e do ponto de ajuste. Quando o controlador é disponível na arquitetura modular, com a estação de leitura e separada do controlador cego, a indicação fica somente na estação de leitura.

O registrador é naturalmente um indicador onde a escala é o gráfico e o ponteiro é a pena.

Mesmo assim, o registrador possui também a escala auxiliar de indicação. A indicação correta do registrador é dada pela posição da pena em relação a escala do gráfico.

O indicador pode possuir alarme, normalmente acionado pela posição do ponteiro.

7. Serviços Associados O indicador deve ser especificado,

montado, calibrado, operado e mantido de modo a apresentar as leituras corretas e com a precisão determinada pelo fabricante. Para a especificação do indicador, devem ser considerados os seguintes parâmetros:

1. a variável do processo associada, 2. o elemento sensor, que é função da

variável, da faixa de medição, do fluido e das condições de operação e segurança do processo.

3. a faixa calibrada, importante para a definição do elemento sensor e da escala,

4. a escala, com os valores mínimo e máximo, o formato e a unidade da variável,

5. a plaqueta gravada, com a indicação útil para o operador,

6. a identificação da malha (tag), 7. o tipo de montagem campo, painel,

superfície, tubo de 2" ou pedestal (yoke).

8. o local de montagem e como conseqüência, a classificação elétrica e mecânica do invólucro.

9. as opções extras, com alarme, acabamento especial, proteção contra sobrefaixa.

A montagem do indicador deve ser feita conforme a literatura recomendada do fornecedor, dos diagramas do projeto e das normas existentes.

Para que a leitura fornecida pelo indicador seja confiável, é necessário que ele seja calibrado, antes da montagem (mesmo que já venha calibrado de fábrica) e periodicamente, depois que entra em operação. Os períodos de calibração são determinados principalmente pelos seguintes parâmetros:

1. recomendação do fabricante, 2. classe de precisão do indicador 3. agressividade do meio onde está

montado 4. penalidade pela não conformidade da

indicação A calibração do indicador pode também ser determinada e requerida pelo pessoal da operação, quando há desconfiança ou certeza de que a sua indicação não é confiável.

Indicador

92

Calibrar um indicador significa 1. simular a variável medida 2. medi-la com um padrão rastreado 3. comparar o valor do padrão com o

indicado pelo instrumento Quando necessário, deve-se ajustar a

posição do ponteiro na escala, de modo que a indicação fique conforme um padrão de referência, dentro dos limites de tolerância estabelecidos pela precisão do indicador.

O ajuste do indicador consiste na atuação nos mecanismos de zero, largura de faixa, balanço ou linearidade (quando há interação entre zero e largura de faixa) e angularidade (se balanço de movimentos).

Operar um indicador é fazer a sua leitura periodicamente. Quando o operador perceber alguma anormalidade no indicador, ele deve requerer um instrumentista para fazer a sua manutenção. O indicador é retirado pelo instrumentista e é feita a manutenção na oficina.

93

Registrador

1. Introdução O registrador é o instrumento que sente

uma ou muitas variáveis do processo e imprime o seu valor no gráfico, de modo contínuo ou descontinuo, mas permanente. Ele fornece o comportamento histórico da variável. O registro é feito através de pena com tintas em gráfico móvel. O gráfico é também chamado de carta (influencia do inglês, chart).

O tag de um registrador da variável X é XR; de um registrador multivariável UR e de um registrador selecionável XJR.

O registrador é diferente do instrumento chamado impressora. A impressora imprime apenas os valores indicados, quando acionada ou programada. O registrador imprime os valores de modo automático e contínuo.

Atualmente, há outros mecanismos mais eficientes e de maior capacidade para o armazenamento das informações, tais como os disquetes e as fitas magnéticas dos computadores digitais.

O registrador pode ser estudado considerando os seguintes parâmetros:

1. a topografia 2. acionamento do gráfico 3. a pena e 4. o gráfico.

2. Topografia Por topografia deve-se entender a forma e

o local de montagem do registrador. Em função do formato, os registradores são divididos em circulares e em tira.

O registrador circular possui gráfico circular e sua caixa não necessariamente é do formato circular. O registrador circular geralmente é montado no campo, próximo ao processo e ligado diretamente ao elementos primário, não necessitando do uso do transmissor. O gráfico possui o diâmetro externo típico de 12" e com rotação de 24 horas ou de 7 dias. Diariamente ou semanalmente o operador deve trocar o gráfico.

O registrador montado no painel possui o gráfico em tira. Embora o tamanho físico do registrador de painel (largura de 4") seja menor que o circular de campo (12" de diâmetro) e

ocupe um terço do espaço, a área útil de registro no gráfico de tira é a mesma que a do circular (4").

Normalmente o percurso da pena é no sentido horizontal, mas existe registrador cuja pena tem uma excursão vertical. O gráfico do registrador de painel pode ser do tipo rolo (duração de 30 dias) ou sanfonado (duração de 16 dias).

Na parte superior do registrador está colocada a escala, que preferivelmente deve ser igual a do gráfico. Quando houver mais de um registro, o registrador continua com uma única escala e o gráfico possui várias escalas em gomos diferentes. A função da escala do registrador é a de dar a ordem de grandeza do registro e geralmente é de 0 a 100, linear, indicando percentagem. Para fins de leitura e de Calibração, o que deve ser lido é a posição da pena em relação ao gráfico.

O registrador pode possuir as unidades de controle. Tem-se assim o instrumento registrador-controlador. Ele possui um único elemento receptor, que está acoplado mecanicamente ao sistema de registro (pena) e ao sistema de controle (conjunto bico-palheta).

Fig. 5. 1. Registrador de vazão e pressão (Foxboro)

Registrador

94

3. Acionamento do Gráfico A pena do registrador só se move numa

direção e sua posição depende do valor da variável registrada. para haver um registro contínuo, o gráfico deve se mover em relação a pena. O acionamento do gráfico é conseguido por um motor que move engrenagens, que por sua vez movem o gráfico, desenrolando-o ou desdobrando-o de um lado e enrolando-o do outro lado.

O motor de acionamento do gráfico pode ser elétrico, mecânico ou pneumático.

No painel e em áreas seguras usam-se motores elétricos com tensão de alimentação de 24 V ca, 110 V ca ou 220 V ca. Quando o registrador é montado no campo, em área classificada ou em local sem energia elétrica, o acionamento do motor deve ser através de mola mecânica; a corda deste acionamento pode durar cerca de uma semana. Alternativamente o registrador com acionamento elétrico pode ser montado em área classificada, porém, deve ter a classificação elétrica compatível com o grau de perigo do local.

O gráfico pode ser acionado e movido em diferentes velocidades. A velocidade mais comum para o registrador retangular de painel é de 20 mm/hora, considerada lenta. Em partida de unidades, em laboratórios, em plantas piloto, em demonstrações didáticas e na sintonia do controlador é desejável uma velocidade maior. Tipicamente há durações de gráficos circulares desde 1 minuto até 30 dias.

4. Penas O registrador contínuo possui de 1 a 4

penas de registro. Quando o registrador possui mais de uma pena, os tamanhos e os modelos destas penas são diferentes, para que não haja interferência mútua dos registros. Isto deve ser considerado ao se especificar as penas de reposição especificar a posição da pena em questão externa, intermediária, interna, primeira, segunda.

O registrador multiponto possui uma única pena ou dispositivo impressor associado a um sistema de seleção de entradas. Há um sistema de varredura das entradas, de modo que todas as leituras são lidas e registradas, uma de cada vez, consecutivamente e numa ordem bem estabelecida. Para identificar a entrada ou a variável registrada, usam-se cores de tintas diferentes ou então o próprio dispositivo impressor possui diferentes marcas de identificação.

Fig. 5. 2. Registrador de painel (Foxboro) Há ainda os registradores de tendência ou

trend recorder. São registradores que possuem 4 penas registradoras e recebem na entrada até 20 sinais diferentes e independentes para serem registrados. Um sistema adequado de seleção escolhe 4 entradas particulares e as registra simultaneamente. Este tipo de registrador faz o registro contínuo de multipontos e é muito útil em partidas de unidades ou testes, quando se está interessado na tendência e na variação das grandezas apenas durante o transiente.

O registrador de painel geralmente é montado em estante apropriada e ocupa duas posições, quando o movimento da pena é horizontal; ele ocupa uma única posição quando a pena se movimenta verticalmente.

A pena pode ter formato em V ou em caixa (box). A pena V requer a coloco freqüente da tinta. Na pena tipo caixa, o período de colocação de tinta é maior. Como isso não é muito pratico, atualmente a maioria dos registradores usa o sistema de tubo capilar. A tinta é acondicionada em pequeno reservatório e um sistema de tubo capilar a leva para a pena. Deve-se tomar cuidado especial com estes registradores durante seu transporte para manutenção. No inicio da operação é necessário se apertar o reservatório de tinta - com cuidado - de modo que se encha todo o capilar de tinta, expulse as bolhas de ar e a tinta chegue até a pena. É uma boa idéia colocar um pedaço de papel absorvente debaixo da pena quando se faz esta operação para prevenir borrões.

O registrador de painel deve ser montado na posição horizontal, preferivelmente. Existem inclinações máximas permissíveis, além das quais não há registro.

As cores das penas são iguais as cores da tinta de registro. As tintas não devem ser misturadas, pois a cor da mistura é totalmente diferente da cor dos componentes, e.g., o verde misturado com o vermelho dá o marrom.

O movimento da pena é linear, no registrador de painel com gráfico de tira e é um

Registrador

95

arco de circulo, no registrador com gráfico circular.

Fig. 5.3. Registrador microprocessado (Yokogawa)

Opcionalmente o registrador de painel

possui uma lâmpada piloto e contatos de alarme acionados fisicamente pela posição da pena. O conhecimento do alarme consiste em abrir a porta do registrador.

5. Gráficos O registro das variáveis, feito pela pena, é

conservado no gráfico. O gráfico deve ser de papel absorvente, de boa qualidade, de modo que não estrague nem entupa a pena. O traçado deve ser contínuo, nítido e sem borrão.

A analise do registro da variável pode indicar o horário dos distúrbios do processo. Para isso, assume-se que o gráfico esteja corretamente instalado, ajustado para o tempo real do dia e que o registrador esteja calibrado.

A tinta deve fluir pela pena, de modo contínuo, conseguido pela pressão mecânica adequada entre a pena e o gráfico. Se a pressão da pena é excessiva pode haver rasgos no gráfico e desgaste excessivo da pena, se é insuficiente, pode haver deslizamentos e saltos da pena.

O comprimento de um gráfico de tira varia de 30 a 70 metros de comprimento. Normalmente o de rolo tem o dobro do tamanho do gráfico sanfonado. O último meio metro do gráfico de tira, quando faltam cerca de 18 horas de registro, é marcado com uma faixa vermelha, para advertência da proximidade da troca do gráfico.

O gráfico possui duas coordenadas o valor registrado da variável e o tempo. O movimento da pena é linear em uma direção, normalmente transversal. O movimento mecânico do gráfico é regular e longitudinal. A maioria dos gráficos

usa coordenadas cartesianas, geralmente retangulares com as linhas retas se cruzando perpendicularmente. Quando pelo menos uma das linhas de referência é um arco de circulo, as coordenadas são curvilíneas. De pouco uso, porém existentes, são as coordenadas polares uma distância e um ângulo.

(a) Rolo (b) Sanfonado

Fig. 5.4. Enrolamento do gráfico Existe uma grande quantidade de gráficos

diferentes. As diferenças estão no tamanho físico, no tamanho da área útil de registro, nas escalas, nos furos de fixação, no sistema de enrolamento.

Para a especificação correta de um gráfico deve se fornecer

nome do fabricante do registrador. Obviamente o fabricante do registrado fornece gráficos somente para uso em instrumentos de sua marca. Mesmo que a escala seja a mesma, as dimensões do gráfico e da área útil de registro sejam idênticas, pode haver diferenças na função lateral, no sistema de acionamento. Normalmente os fabricantes de registradores fornecem inicialmente uma quantidade de gráficos suficiente para 6 meses de operação.

formato e tipo de acionamento. Há gráficos circulares de 10" e 12" de diâmetro e gráficos em carta tipo rolo ou sanfonado, de 4".

faixa de medição. Deve-se informar a faixa ou as diferentes faixas e suas características matemáticas. Por exemplo, 0-100 uniforme ou linear, 0 a 10 raiz quadrática. Quando se trata do registro da temperatura, o tipo da curva, além da faixa de medição. Por exemplo, RTD de Pt, termopar tipo J, K.

Registrador

96

6. Associação a Outra Função O registro é uma função passiva que

armazena os valores históricos da variável do processo. A malha de registro é aberta, iniciada no elemento sensor, ligado ao processo e terminada no registrador.

O registrador ligado diretamente ao processo pode alojar a unidade de controle automático. No painel, as funções de controle e de registro são sempre independentes e executadas por instrumentos separados.

O registrador pode ter, opcionalmente, os contatos elétricos para alarme, que são acionados pela posição da pena e podem ser atuados pelo valor mínimo, máximo ou diferencial. Cada pena possui os seus contatos de alarme independentes.

O gráfico do registro da vazão instantânea pode ser utilizado para a sua totalização. A partir do registro da pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão pode-se determinar a quantidade total da vazão, numa operação manual ou através do planímetro.

Embora raro, é possível se associar a transmissão ao registrador local.

Fig. 5.5. Registrador com ações de controle (Foxboro)

7. Serviços Associados O registrador deve ser especificado,

montado, operado e mantido de modo correto, para que não se danifique e que registro os valores das variáveis com o mínimo erro especificado pelo fabricante.

Na especificação do registrador, devem ser conhecidos os seguintes parâmetros:

1. a variável do processo P, T, F, L. 2. o elemento sensor desejado

3. a montagem tubo 2", painel, estante especial, ângulo de inclinação.

4. o número e o tipo das penas, de acordo com o número das variáveis registradas 1 a 4 penas continuas ou 6, 12 ou 24 pontos

5. o acionamento do gráfico elétrico (tensão e freqüência), e mecânico (duração da corda),

6. o enrolamento do gráfico, 7. a escala do registrador valor e tipo

(faixa de medição, linear, raiz quadrática),

8. a escala do gráfico valor e tipo (faixa de medição, marcação do tempo, dupla, tripla, linear),

9. a plaqueta gravada dados úteis para o operador do processo, como a correspondência das penas com as variáveis registradas.

10. a identificação das malhas, como TR 2O4.

11. o suprimento de gráfico e de tinta, 12. as opções extras, como alarme,

iluminação interna, acabamento especial, unidade de controle, contador-integrador.

13. a classificação mecânica do invólucro e classificação elétrica, se há alimentação elétrica e se a área é perigosa.

A montagem do registrador deve seguir as instruções do fabricante, os diagramas de ligação do projeto detalhado e as normas existentes.

O pessoal da operação é responsável pela leitura dos registros, pelo armazenamento organizado dos gráficos para consulta posterior, pelo enchimento ou troca dos recipientes de tinta e pela troca dos gráficos. Quando os gráficos são usados para a totalização, via planímetro, o pessoal da operação se responsabiliza por esta tarefa.

A calibração do registrador deve ser feita pelo instrumentista. Calibrar um registrador é verificar se o sinal de entrada correspondente. Quando estiver fora, o registrador deve ser ajustado. Ajustar o registrador é posicionar pena em relação ao gráfico (e não em relação a escala do registrador) de conformidade com os sinais de entrada.

97

Computador de Vazão

1. Conceito O computador de vazão é projetado para a

solução instantânea e contínua das equações de vazão dos elementos geradores de pressão diferencial (placa, venturi, bocal) e dos medidores lineares de vazão (turbina, medidor magnético, vortex). O computador de vazão recebe sinais analógicos proporcionais à pressão diferencial, temperatura, pressão estática, densidade, viscosidade e pulsos proporcionais à vazão e os utiliza para computar, totalizar e indicar a vazão volumétrica compensada ou não-compensada e a vazão mássica.

Fig. 6.1. Aplicação típica de computador de vazão

A vazão instantânea e a sua totalização são indicadas nos painéis frontais do computador de vazão, na forma de indicadores digitais, contadores eletromecânicos ou eletrônicos. O computador provê ainda saídas analógicas e contatos de reles para fins de controle e monitoração da vazão.

O computador de vazão é um instrumento a base de microprocessador que pode ser montado em painel da sala de controle ou diretamente no campo, onde é alojado em caixa para uso industrial, com classificação mecânica do invólucro à prova de tempo e, quando requerido, com classificação elétrica da caixa à prova de explosão ou à prova de chama.

O computador é programado e as constantes são entradas através de um teclado, colocado na frente ou no lado do instrumento.

Os computadores de vazão sofreram uma grande evolução, desde o seu lançamento no mercado, no inicio dos anos 1960. Eles foram originalmente projetados para manipular as equações da AGA (American Gás Association) para vazão mássica de gás e foram construídos em torno de multiplicadores, divisores e extratores de raiz quadrada. Atualmente, os computadores são

principalmente dispositivos digitais que podem ser classificados em dois tipos

1. programável, que faz quase qualquer cálculo desejado que está programado nele e

2. pré-programado ou dedicado, que manipula apenas uma aplicação selecionada.

2. Programáveis As unidades programáveis são os

computadores de vazão mais avançados do mercado. Eles custam mais, quando comparados com os computadores dedicados. Dependendo da programação, eles calculam a vazão de gases ou líquidos usando as equações da AGA, API (American Petroleum Institute e outras relações. Eles também fazem cálculos de vazão volumétrica. A compensação, de massa , molar e media, energia, BTU, eficiência, trabalham com níveis de tanque, manipulam vazões em canais abertos, executam o algoritmo de controle PID, fazem cálculos de transferência de custódia e muitas outras coisas.

Fig. 6. 2. Totalizador de vazão (Foxboro)

3. Dedicado Os computadores de vazão dedicados são

relativamente mais simples, mais fáceis de usar, montados no campo e mais baratos que os programáveis. Como desvantagem, eles só fazem uma tarefa, manipulam apenas uma malha e sua capacidade gráfica é limitada. Tipicamente, eles computam as vazões de


98

gases ou líquidos baseados nas várias equações AGA ou API. Alguns, porém, calculam vazões de vários estados de vapor e outros são dedicados a cálculos de vazão para canais abertos, vertedores e calhas.

Muitos destes computadores são reprogramáveis . Porém, o programa pode ser modificado no campo pelo operador, que responde a perguntas do seu menu.

Fig. 6.3. Computador de vazão e sinais de

entrada e saída

4. Aplicações Clássicas

4.1. Vazão de liquido Quando usado com a placa de orifício, o computador recebe o sinal analógico de 4 a 20 mA cc do transmissor de vazão d/p cell, proporcional ao quadrado da vazão medida, lineariza-o, extraindo a raiz quadrada e o escalona em unidade de engenharia.

Como os líquidos com composição constante são considerados não compressíveis, não se é necessária a compensação da pressão e da temperatura e a vazão é proporcional à raiz quadrada da pressão diferencial, ΔP.

Q = C ΔP Esta constante C é calculada dos dados

relacionados com o tipo do fluido e dos parâmetros mecânicos da instalação do medidor, tais como beta da placa, faixa do transmissor, tipo de tomadas da pressão diferencial. Esta constante é colocado no computador como um fator do sistema digital e escalona a saída para a unidade de vazão desejada.

Fig. 6.3. Computador, com bateria solar (Daniel)

4.2. Vazão de gás com compensação Como os gases são compressíveis, é

necessário fazer a compensação da pressão estática e da temperatura do processo. Nesta aplicação, o computador recebe três sinais analógicos

o sinal de 4 a 20 mA cc do transmissor de vazão, proporcional ao quadrado da vazão medida,

o sinal de 4 a 20 mA cc do transmissor de pressão, proporcional à pressão absoluta estática do processo. Mesmo que seja usado o valor da pressão absoluta, normalmente se usa um transmissor de pressão manométrica e acrescenta-se 1 kgf/cm2 de polarização.

o sinal de 4 a 20 mA cc do transmissor de temperatura, proporcional à temperatura absoluta do processo. Opcionalmente, pode-se recebe o sinal de resistência de um RTD ou a militensão de um termopar. Também deve ser usado o valor da temperatura absoluta, em K; basta somar 273,2 à escala Celsius.

opcionalmente, pode receber o sinal de 4 a 20 mA cc de um transmissor de densidade, para corrigir a densidade do gás.

O computador executa a seguinte equação:

Q Cp p

T G=

××

Δ

Se a densidade relativa do gás é

aproximadamente constante com o tempo, um fator médio 1/G pode entrar como parte da constante C


99

4.3. Sistema com 2 transmissores e uma placa

Existem computadores de vazão duais que podem receber sinais de sistemas de medição de vazão com uma placa e dois transmissores ou com duas placas e dois transmissores.

É comum se usar dois transmissores associados a uma única placa de orifício para aumentar a rangeabilidade da medição; por exemplo, um calibrado de 0 a 20" c.a. e o outro de 0 a 200" c.a. O computador de vazão seleciona automaticamente a pressão diferencial correta e aplica o fator de escalonamento certo. Quando a vazão sobe, o chaveamento para o transmissor de 200" ocorre em 98% da faixa do transmissor de 30"; quando a vazão desce, o chaveamento para o transmissor de 20" se dá em 96% desta faixa. Esta diferença de chaveamento é para evitar a oscilação contínua entre os dois transmissores, quando a vazão estiver marginalmente próxima do fundo de escala do transmissor de 20".

Fig. 6.4. Sistema com uma placa e dois transmissores de vazão

4.5. Vazão de massa de gás Qualquer gás pode ser medido em termos

de sua massa ou peso, usando-se a entrada de um medidor de densidade do gás, corrigindo-se a compressibilidade e a composição do gás.

pkW Δ=

5. Seleção do Computador Quando selecionando um computador de

vazão, deve-se primeiro decidir o que o computador vai fazer, se é necessário um instrumento de precisão ou um sistema de controle, lembrando-se que o controle preciso começa com uma medição precisa e de alta resolução. A resolução do computador de vazão é dada pelo número de bits de seu conversor A/D, por exemplo um computador com conversor de 18 bits possui resolução de 0,01%. Porém, quando se considera a precisão, deve-se tomar o elo mais fraco do sistema, o elemento sensor de vazão. A precisão do sistema nunca ficará melhor que a do sensor do sistema, mesmo com conversor A/D de 18 bits.

Também deve se considerar a necessidade da compensação de pressão, temperatura, densidade e/ou viscosidade e quais os sensores e transmissores usados para as medições destas variáveis.

As questões que devem ser consideradas acerca do computador de vazão são

Desempenho da medição resolução, capacidade de linearização, indicação da vazão instantânea, totalização, alarme, intertravamento, pré-determinação.

Condições ambientais e local de montagem sala de controle, que é um ambiente excelente ou no campo, que requer caixa à prova de tempo e se for área classificada, requer uma classificação elétrica especial.

Quantidade de malhas manipuladas possibilidade de se usar um computador de vazão com canal dual.

Tipos de sinais de entrada e saída analógicos eletrônicos de 4 a 20 mA cc e pneumáticos de 3 a 15 psig, sinal de resistência elétrica (RTD) e militensão de termopar, militensão de tubo magnético de vazão, ou sinal de freqüência (turbina, vortex, deslocamento positivo, ultra-sônico). Possibilidade de saída analógica para uso em outro equipamento.

Comunicações definir a metodologia de contatos de entrada/saída, sinais analógicos, sinais de pulso, portas de comunicação, por exemplo serial RS 232 C, RS 422 .

Interfaces de comunicação definir os tipos de interfaces para Controlador Lógico Programável, para Sistemas Digitais de Controle Distribuído, para impressoras .

Aplicações definir as equações matemáticas a serem executadas como da AGA-3, AGA-5, AGA-7, ANSI/API 2530, ANSI/API 2540, NX-19, ISO 5167, NIST 1045 e equações de vapor ASME 9.2.

FQI

FY 2

TT PTFT2-1

TW+TEFE

FT1-1


100

Software entrada da configuração simples de somente alguns parâmetros. As modificações podem ser feitas pelo usuário ou apenas pelo fabricante.

Serviço no campo partida do sistema, reparo no campo e disponibilidade de peças de reposição.

6. Planímetro Muitas indústrias armazenam os gráficos

com os registros permanentes dos valores instantâneos da vazão para a observação visual das vazões instantâneas e das suas tendências, para fins de cobrança e para levantamento de balanços. A totalização da vazão pode ser obtida ou por cálculos manuais ou através do planímetro.

6.1. Histórico O planímetro é um instrumento de precisão

usado para a avaliação rápida e exata de áreas planas de qualquer formato ou contorno. Na medição de vazão, o planímetro é usado especialmente para totalizar a vazão, a partir de registros da vazão instantânea, da pressão estática e da temperatura em gráficos circulares ou de tira. A integração pode ser feita por um planímetro de mesa operado manualmente, automaticamente ou por um sistema incluindo um computador pessoal.

O primeiro planímetro foi desenvolvido pelo matemático suíço James Laffon, em 1854. Ele chamou-o de "Integrador Scheiben". Trabalhando de modo independente, o professor austríaco A. Miller Hauenfels inventou o planímetro polar, em 1855. Os fabricantes mais conhecidos são: LASICO (Los Angeles Scientific Instrument Co.), Flow Measurement (Tulsa, OK), UGC Industries e Ott.

Fig. 6.5. Planímetro para gráfico circular (Lasico)

Há três métodos básicos para medir as áreas planas de registros de vazões instantâneas:

1. cálculo matemático, 2. método do corte e peso e 3. método do planímetro.

6.2. Cálculo matemático ou aritmético

Embora lento, o cálculo aritmético funciona bem, quando são envolvidas áreas de formato regular, como o quadrado, retângulo, triângulo e círculo.

Quando a figura é mais complicada, como o trapézio, ou composta de várias outras regulares, como o retângulo com extremidades circulares, demora-se mais, pois ela deve ser subdividida em figuras regulares e suas seções são avaliadas separadamente e somadas ao final.

Quando a figura é completamente irregular, é necessário subdividir a área em quadrados de tamanho conhecido. Os quadrados devem ser contados e as seções dos quadrados estimados em tamanho e somadas. Neste caso, não é mais eficiente usar o método do cálculo matemático, pois o método seria muito lento e impreciso.

6.3. Método do corte e peso As áreas a serem calculadas devem ser

cortadas com uma tesoura, colocadas em uma balança de precisão e pesadas. O peso total é dividido pelo peso de um pedaço do mesmo material de tamanho conhecido.

Este método é lento, destrutivo e impreciso. Pequenas variações na umidade do ar ambiente pode alterar significativamente o peso do material, provocando grandes erros. Uma balança de precisão é tão cara e difícil de ser obtida quanto um planímetro.

6.4. Método do planímetro O método do planímetro é o mais

profissional, rápido, preciso, eficiente e consistente método para medir áreas planas. Não se requer nenhuma habilidade matemática para operar um planímetro, simplesmente deve-se seguir o contorno da área com um traçador e o resultado é diretamente indicado, por contadores digitais, mecânicos ou eletrônicos.

Atualmente, os planímetros possuem várias funções, como as de:

1. computação automática da área na escala e unidade corretas,

2. processamento dos resultados através de calculadoras embutidas,


101

3. programação para qualquer relação de escala plausível,

4. acumulação de resultados na memória, para processamento posterior,

5. conversão rápida entre unidades de vários sistemas,

6. programação para medições em volume (m3, ft3) ou $/volume.

A precisão típica do planímetro é de ±0,1 a ±0,5% do fundo de escala.

6.5. Gráficos Circulares Uniformes Os gráficos uniformes são divididos em

segmentos iguais, entre o raio interno e o externo. Ao longo de um arco sobre o qual a pena registrou, os gráficos podem ser marcados em percentagem do fundo de escala ou em unidades das variáveis medidas, como oC, psia, m3/h.)

Fig. 6.6. Planímetro para gráfico de tira Para um planímetro que integra

radialmente, deve-se usar um fator de correção, porque o planímetro radial considera as distancias radiais médias e os gráficos uniformes empregam incrementos iguais ao longo do arco. Este fator pode ser obtido de curvas disponíveis na literatura técnica.

A não ser que as pressões diferencial e estática permaneçam constantes ou seja usado um extrator de raiz quadrada, os planímetros radiais não devem ser usados para achar a média dos registros das pressões diferencial e estática. Nos cálculos deve-se achar a média da raiz quadrada e não a raiz quadrada da média.

6.6. Seleção e Especificação do Planímetro

A seleção e especificação do planímetro incluem:

1. formato e tamanho do gráfico, circular de 10", circular de 12", tira de 4" tipo rolo, tira de 4" tipo sanfona.

2. relação matemática da saída com relação a vazão: linear, quadrática.

3. tipo do totalizador/contador, mecânico ou eletrônico, com ou sem escalonador.

102

Controlador

1. Conceito O principal componente da malha de

controle é o controlador, que pode ser considerado um amplificador ou um computador.

O controlador automático é o instrumento que recebe dois sinais a medição da variável e o ponto de ajuste, compara-os e gera automaticamente um sinal de saída para atuar a válvula, de modo a diminuir ou eliminar a diferença entre a medição e o ponto de ajuste. O controlador detecta os erros infinitésimas entre o valor da variável de processo e o ponto de ajuste e responde, instantaneamente, de acordo com os modos de controle e seus ajustes. O sinal de saída é a função matemática canônica do erro entre a medição e o valor ajustado, que inclui as três ações de controle proporcional, integral e derivativa. A combinação dessas três ações e os seus ajuste adequados são suficientes para o controle satisfatório e aceitável da maioria absoluta das aplicações práticas.

2. Componentes Básicos Para executar estas tarefas, o controlador

deve possuir os seguintes blocos funcionais 1. a medição, 2. o ponto de ajuste 2. a comparação 3. a geração do sinal de saída 4. a atuação manual opcional 5. a fonte de alimentação 6. as escalas de indicação

2.1. Medição No controlador a realimentação negativa, a

variável controlada sempre deve ser medida. O controlador pode estar ligado diretamente ao processo, quando possui um elemento sensor determinado pela variável medida. O controlador de painel recebe o sinal padrão proporcional a medição do transmissor e deve possuir circuitos de entrada que condicionam o sinal de medição. O controlador pneumático possui o fole receptor de 3 a 15 psig e o controlador eletrônico possui o circuito receptor, que pode ser a ponte de Wheatstone, o galvanômetro, o circuito potenciométrico. A

medição é indicada na escala principal do controlador.

2.2. Ponto de Ajuste Quanto ao ponto de ajuste, há três modelos

de controladores 1. com o ponto de ajuste manual, 2. com o ponto de ajuste remoto, 3. com o ponto de ajuste manual ou

remoto. O controlador com o ponto de ajuste manual possui um botão na parte frontal, facilmente acessível ao operador de processo, para que ele possa estabelecer manualmente o valor do ponto de referência. Quando o operador aciona o botão, ele posiciona o ponteiro do ponto de ajuste na escala e gera um sinal de mesma natureza que o sinal da medição.

Fig. 7. 1. Controlador analógico de painel (Foxboro)

O controlador com o ponto de ajuste

remoto não possui nenhum botão na parte frontal. O sinal correspondente ao ponto de ajuste entra na parte traseira do controlador e é indicado na escala principal. O sinal pode ser proveniente da saída de outro controlador ou de uma estação manual.

Controlador

103

O controlador com os pontos de ajuste remoto e local possui um botão para o operador estabelecer manualmente o ponto de ajuste e recebe o ponto de ajuste remoto. Ambos os sinais são indicados na escala principal. O controlador possui também a chave seletora R/L (remoto-local) do ponto de ajuste.

É fundamental que a medição e o ponto de ajuste sejam de mesma natureza, ambos pneumáticos, mecânicos, de corrente ou de tensão elétrica, para que seja possível a comparação entre eles. O ponto de ajuste e a medição são indicados na mesma escala principal do controlador e a posição relativa dos ponteiros fornece o valor do erro entre os dois sinais.

Fig. 7. 2. Controladores e registrador (Foxboro)

2.3. Estação Manual Integral A maioria absoluta dos controladores

possui a estação manual de controle integralizada ao seu circuito. Sob o ponto de vista do controle, as situações mais comuns que requerem a intervenção manual do operador de processo são

1. na partida do processo, quando a banda proporcional é menor que 100%. Neste caso, quando a medição está em 0% e o ponto de ajuste está acima de 50%, a variável controlada está fora da banda proporcional.

2. quando o processo entra em oscilação, ou seja, quando o ganho da malha fechada de controle fica igual a 1. Quando se coloca o controlador em manual, abre se a malha de controle e se pode estabilizar o processo.

Assim, para as partidas e emergências, o controlador deve incluir um gerador de manual do sinal de saída acionado diretamente pelo operador do processo. Quando a saída vem do circuito PID, diz-se que o controlador está em automático; quando vem do gerador manual, o controlador está em manual.

2.4. Unidade de Balanço Automático A maioria dos controladores com a estação

manual possui a estação de balanço automático que permite a passagem de automático para manual e vice versa, de modo contínuo, sem provocar distúrbio no processo e sem a necessidade de se fazer o balanço manual da saída do controlador. Erradamente se pensa que esta transferência requer a igualdade entre a medição e o ponto de ajuste (?!). Quando o controlador não possui a estação de transferência automática, o operador deve garantir que o sinal inicial da saída manual seja igual ao sinal final da saída automática de modo que o processo não perceba esta mudança de automático para manual. No mínimo, o controlador possui um dispositivo de comparação que possibilita o balanço prévio entre os sinais de saída automático e manual. O fundamental é não provocar uma descontinuidade no sinal de saída quando da transferência de automático para manual ou manual para automático.

2.5. Malha Aberta ou Fechada Assim que o controlador é instalado em um

processo e colocado em automático, cria-se uma malha fechada. A saída do controlador afeta a medição e vice-versa. Quando este efeito é quebrado em qualquer uma das direções, a malha é chamada de aberta e não mais existe o controle a realimentação negativa. Vários eventos podem abrir a malha fechada a realimentação negativa

1. a colocação do controlador em manual. Isto causa a saída se manter constante, mesmo que haja variação da medição, a não ser que o operador a modifique.

2. a falha do sensor ou do transmissor. Isto elimina a habilidade do controlador observar a variável controlada.

3. a saturação da saída do controlador em 0 ou 100% da escala. Isto elimina a habilidade do controlador atuar no processo.

4. a falha do atuador da válvula, por causa de atrito ou falha na válvula.

Quando uma malha de controle não está operando corretamente, a primeira coisa a verificar é se a malha continua fechada. Muitas vezes, se perde muito tempo tentando sintonizar um controlador quando o problema está em outro local da malha de controle.

2.6. Ação Direta ou Inversa O controlador possui a chave seletora para

ação direta e ação inversa. A ação direta significa que o aumento da medição implica no

Controlador

104

aumento da saída do controlador. A ação inversa significa que o aumento da medição provoca a diminuição da saída do controlador.

A escolha da ação do controlador depende da ação da válvula de controle e da lógica do processo. A atuação da válvula de controle pode ser ar-para-abrir ou ar-para-fechar deve ser escolhida em função da segurança do processo.

Fig. 7. 3. Controlador pneumático de campo (Foxboro) A regra básica para a seleção das ações do

controlador e da válvula é a seguinte: 1. a partir da segurança do processo,

determina-se a ação da válvula de controle.

2. depois de definida a ação da válvula e partir da lógica do processo, determina-se a ação do controlador.

Por, exemplo, seja o controle do nível de um tanque. As alternativas são a segurança do tanque cheio ou vazio, a ação do controlador direta ou inversa, a atuação da válvula ar-para-abrir ou ar-para-fechar e a válvula de controle esta na entrada ou na saída do tanque. Combinando-se estas situações, chega-se a quatro configurações possíveis

Tanque vazio seguro e válvula na saída. A partir da segurança, obtida com o tanque

vazio, a válvula deve ser ar-para-fechar na falta de ar, a válvula abre e o tanque se esvazia, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 100% com 3 psig e a 0% com 15 psig. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser inversa quando o nível aumenta, a válvula deve abrir mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve diminuir, abrindo mais a válvula.

Tanque vazio seguro e válvula na entrada. A partir da segurança, obtida com o tanque

vazio, a válvula deve ser ar-para-abrir na falta de ar, a válvula fecha e o tanque se esvazia,

levando o sistema para a segurança. A válvula está a 0% com 3 psig e a 100% com 15 psig. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser inversa quando o nível aumenta, a válvula deve fechar mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve diminuir, fechando mais a válvula.

Tanque cheio seguro e válvula na saída. A partir da segurança, obtida com o tanque

cheio, a válvula deve ser ar-para-abrir na falta de ar, a válvula fecha e o tanque se enche, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 0% com 3 psig e a 100% com 15 psig. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser direta quando o nível aumenta, a válvula deve abrir mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve aumentar, abrindo mais a válvula.

Tanque cheio seguro e válvula na entrada. A partir da segurança, obtida com o tanque

cheio, a válvula deve ser ar-para-fechar na falta de ar, a válvula abre e o tanque se enche, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 100% com 3 psig e a 0% com 15 psig. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser direta quando o nível aumenta, a válvula deve fechar mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve aumentar, fechando mais a válvula.

Um controlador que é retirado da malha para a manutenção e é reinstalado pode ter sua ação de controle invertida. Muitas vezes, o posicionador da válvula pode reverter a resposta da válvula. Enfim, a ação do controlador, a ação da válvula, a posição do atuador, a ação do posicionador, tudo deve ser considerado e coerente para se obter o controle desejado.

Fig. 7.4. Ação inversa do controlador

LC

saída 15 psi

vã100%

0 3

Controlador

105

Tanque Tanque vazio é seguro. Falta de ar, válvula

abre, tanque fica vazio, que é a condição segura.

Atuador da válvula (Falha Aberta) Ação do atuador: ar para fechar. Com 20 kPa (3 psi) válvula aberta; com 100

psi (15 psi), válvula fechada. Em caso de falha, válvula fica aberta.

Controlador Ação inversa (inc/dec) Quando nível aumenta, controlador atua na

válvula para abrir mais, fazendo nível diminuir Quando válvula abre mais, saída diminui. Ação inversa porque aumento do nível

produz diminuição da saída do controlador. Esta configuração apresenta o

inconveniente de demorar a esvaziar o tanque, quando ele estiver cheio e necessitar ir para a posição segura de vazio. Por isso, a configuração mais conveniente é:

1. Tanque vazio seguro 2. Ação do atuador: ar para abrir 3. Controlador atuando na válvula de

entrada do tanque 4. Ação do controlador: direta.

Fig. 7. 5. Ação direta do controlador

Tanque Tanque cheio é seguro. Falta de ar, válvula

fecha, tanque fica cheio, que é a condição segura.

Atuador da válvula (Falha Fechada) Ação do atuador: ar para abrir. Com 20 kPa (3 psi) válvula fechada; com

100 psi (15 psi), válvula aberta. Em caso de falha, válvula fica fechada.

Controlador Ação direta (inc/inc)

Quando nível aumenta, controlador atua na válvula para abrir mais, fazendo nível diminuir

Quando válvula abre mais, saída aumenta. Ação direta porque aumento do nível

produz aumento da saída do controlador. Esta é a configuração preferida para a

condição de tanque cheio seguro. Outra configuração possível, mas que apresenta o inconveniente de demorar a encher o tanque, quando ele estiver vazio e necessitar ir para a posição segura de cheio, é:

1. Tanque cheio seguro 2. Ação do atuador: ar para fechar 3. Controlador atuando na válvula de

entrada do tanque 4. Ação do controlador: inversa.

3. Especificação do Controlador

As dificuldades de controle do processo variam muito e por isso são disponíveis controladores comerciais de vários tipos e modos de controle.

Existem características padronizadas e existem aquelas especiais, fornecidas somente quando explicitamente solicitado.

Não especificar todas as necessidades requeridas implica em se ter um controle de processo insatisfatório e até impossível. Especificar o equipamento com características extras que não terão utilidade é, no mínimo, um desperdício de dinheiro.

Constitui também uma inutilidade a especificação do instrumento com características especiais, sem entende-las e sem ajusta-lo de modo apropriado.

3.1. Controlador Liga-Desliga O controlador liga-desliga é instável, por

construção, pois não possui o circuito de realimentação negativa para diminuir seu ganho, que é, infinito. A sua construção é a mais simples e o controlador pneumático consiste de

1. fole de medição 2. fole de ponto de ajuste 3. conjunto bico-palheta Como não se precisa estabilizar o sistema,

não se usa o fole de realimentação negativa. O controlador liga-desliga pode ser obtido a partir do controlador proporcional, retirando-se o conjunto fole de realimentação proporcional e a mola.

A saída do controlador pneumático liga-desliga é igual a 0 psig ou 20 psig, que é o valor da alimentação.

LC

saída 15 psi

ã100%

0 3

Controlador

106

O controlador liga-desliga pode sofrer pequenas modificações que melhoram o desempenho do circuito convencional.

3.2. Controlador de Intervalo Diferencial

O controlador de intervalo diferencial é análogo ao liga-desliga, porém, em vez de ter um único ponto de referência, possui dois pontos de atuação um para ligar o elemento e outro para desligar. Entre os dois pontos há um intervalo.

O principal objetivo do controle de intervalo diferencial é evitar as operações freqüentes de partida e parada do operador final. A amplitude de oscilação é aumentada, porém, a freqüência de oscilação é melhorada e o elemento final de controle é acionado um menor número de vezes.

A principal aplicação do controle de intervalo diferencial é em sistema de medição de nível, quando não se quer o controle exato do nível, mas se deseja apenas evitar que o tanque vaze ou fique vazio. O motor da bomba de enchimento é ligado no nível mínimo e desligado no nível máximo. Entre os dois níveis o motor permanece numa situação estável ligado quando estiver subindo e desligado quando estiver descendo. Deste modo, o motor da bomba de enchimento é ligado poucas vezes.

Fig. 7. 6. Banda proporcional

3.3. Controlador Proporcional A relação matemática da saída do

controlador proporcional puro é a seguinte:

s sBP

e= +0100%

Pelo enfoque do presente trabalho, não

serão vistos os circuitos interiores dos

instrumentos. Esse assunto será tratado com maior rigor e cuidado nos trabalhos sobre a Instrumentação Pneumática e sobre a Instrumentação Eletrônica. Porém, para fixar idéia e para se entender os princípios básicos, será visto aqui o circuito básico do controlador proporcional. Por simplicidade e por exigir menos pré-requisítos, será mostrado o esquema simplificado do controlador pneumático.

Será admitido que seja sabido o funcionamento do conjunto bico-palheta-relé pneumático. O conjunto bico-palheta gera um sinal pneumático padrão de 3 a 15 psig, proporcional a distância relativa entre o bico que sopra e a palheta que obstruí. O bico é alimentado pela alimentação pneumática de 20 psig. O relé serve para amplificar pneumaticamente a pressão e o volume de ar comprimido. Os foles pneumáticos exercem forças que são proporcionais aos sinais de pressão recebidos. Assim, quando se falar do fole de medição, pode se estar referindo indistintamente ao valor da medição, a pressão exercida no fole, ou na força exercida pelo fole. Foi considerado o sistema a balanço de forças, quando poderia ter sido escolhido o de balanço de movimentos.

O circuito básico do controlador pneumático com ação proporcional é constituído dos seguintes elementos

1. fole de medição, que recebe o sinal da medição da variável do processo

2. fole de ponto de ajuste, estabelecido manualmente ou de modo remoto. Esse fole sempre está em oposição ao fole de medição, a fim de que seja detectado o erro ou o desvio entre ambos os valores.

3. conjunto bico-palheta-relé, para gerar o sinal de saída do controlador.

4. A alimentação pneumática de 20 psig é aplicada ao bico, através do relé pneumático.

5. fole proporcional ou fole de realimentação negativa, que recebe o sinal de saída do relé, que é a própria saída do controlador. A finalidade do fole proporcional é a de estabilizar o sistema em uma posição intermediária. A realimentação negativa é a responsável pela estabilidade do sistema.

6. mola, usada para contrabalançar a força do fole proporcional. Normalmente a mola é ajustada para prover a polarização do controlador. Ela é ajustada para o controlador produzir uma saída de 9 psig, quando o erro for igual a zero.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0% 100% Temperatura

saída

Banda larga

Banda estreita

Controlador

107

7. o fulcro ou ponto em torno do qual as forças se equilibram. O deslocamento desse ponto em torno da barra de forças é que estabelece o valor da banda proporcional do controlador. Quanto mais próximo o ponto estiver dos foles medição-ponto de ajuste, mais larga é a banda proporcional, menor é o ganho e menos sensível é o controlador. Quanto mais próximo estiver o ponto de apoio do conjunto fole proporcional-mola, mais estreita é a banda proporcional, maior é o ganho e mais sensível é o controlador.

No caso extremo do fulcro estar no ponto de contato dos foles de medição e de ponto de ajuste, o controlador não responde a nenhuma variação; não há controle. Quando o fulcro coincidir com o fole proporcional e a mola, não há realimentação negativa, o sistema é instável e o controlador é liga-desliga, a ser visto depois.

Fig. 7. 7. Circuito pneumático com as ações de controle (Foxboro)

O fole proporcional é um dispositivo que

fornece a realimentação negativa ao controlador antes que a medição o faça através do processo. A realimentação interna do controlador é mais rápida que a realimentação externa do processo. O fole proporcional dosa a correção do controlador, evitando uma correção exagerada para uma determinada variação do processo. Se houvesse apenas a realimentação externa, provida pela medição do processo, a correção seria muito demorada e sempre haveria sobrepico (overshoot) de correção.

Enquanto houver erro entre a medição e o ponto de ajuste, os seus foles tem pressões diferentes e o fole de realimentação atua. Quando a medição fica igual ao ponto de ajuste, a saída do controlador se estabiliza. Quando aparece algum erro, a saída do controlador irá também variar, para corrigir o erro. Desse modo, como a saída do controlador

está realimentada ao fole proporcional, o fole irá atuar até conseguir uma nova estabilização entre a medição o ponto de ajuste. Porém, desde que a medição se afastou do ponto de ajuste, ele volta a ficar igual a ele, porém, diferente do valor anterior ajustado.

O controlador pneumático proporcional possui os três foles de medição, de ponto de ajuste e de realimentação negativa. Para completar o balanço das forças exercidas por estes foles é introduzida uma quarta força fixa, exercida por uma mola, geralmente ajustada para fornecer uma força equivalente a pressão de 9 psi (50% de 3 a 15 psi). Como a força da mola é fixa, só existe um ponto para a medição ser igual ao ponto de ajuste, que é exatamente o ponto correspondente a 9 psi. Em todos os outros pontos, o controlador consegue estabilizar o processo, porém com a medição diferente do ponto de ajuste. Este é o modo físico de mostrar porque o controlador proporcional não consegue eliminar o desvio permanente entre medição e ponto de ajuste, exceto quando ambos são iguais a 9 psi.

3.4. Controlador Proporcional mais Integral

A relação matemática da saída do controlador proporcional mais integral é a seguinte:

∫++= edtT1e

BP%100ss

i0

Raramente se utiliza a ação integral

isolada. Em compensação, o controlador com as duas ações, proporcional e integral, é utilizado em cerca de 70% das malhas de controle de processo.

O controlador proporcional mais integral possui as duas ações independentes e com objetivos diferentes e complementares

1. a ação proporcional é estática e serve para estabilizar o processo. Porém, a ação isolada é insuficiente para manter a medição igual ao ponto de ajuste e deixa um desvio permanente.

2. ação integral é dinâmica e serve para eliminar o desvio permanente deixado pela ação proporcional. A ação integral é uma correção adicional e atua depois da ação proporcional.

No controlador pneumático proporcional e integral, acrescenta-se um fole junto à mola. Em vez de se ter uma força fixa, tem se uma força variável, que pode equilibrar as forças proporcionais às pressões da a medição, do ponto de ajuste e da realimentação negativa.

Controlador

108

O controlador pneumático P + I possui os seguintes componentes circuito

1. fole de medição, 2. fole de ponto de ajuste, em oposição ao

fole de medição, 3. fole de realimentação negativa ou fole

proporcional, 4. fole integral, que se superpõe à mola e

em oposição ao fole de realimentação. Ele também recebe a realimentação da saída do controlador, atrasada e em oposição ao fole proporcional. A realimentação positiva da saída do controlador ao fole integral é feita através de uma restrição pneumática. O objetivo desta restrição ajustável é o de atrasar o sinal realimentada determinando a ação integral. Ela pode ficar totalmente fechada, de modo que ela corta a realimentação e elimina a ação integral ou totalmente aberta, quando não produz nenhuma restrição, nenhum atraso e a ação integral é a máxima possível.

Na prática, o circuito pneumático completo da unidade integral possui o fole, o tanque integral e a restrição. Aqui, por simplicidade, supõe-se que o próprio fole integral possui uma capacidade suficiente.

O controlador proporcional mais integral possui duas realimentações da sua saída

1. a realimentação negativa, aplicada diretamente ao fole proporcional,

2. a realimentação positiva, aplicada ao fole integral através de uma restrição pneumática ajustável.

Com a restrição numa posição intermediária, as pressões do fole proporcional e do fole integral não podem ser simultâneas. A ação proporcional é imediata e a ação integral é atrasada; imediatamente após o aparecimento do erro há a realimentação negativa e depois de um intervalo ajustável, atrasada, há a realimentação positiva.

Quando o processo se estabiliza, tem-se o circuito do controlador equilibrado a força da medição é igual a do ponto de ajuste e a força do fole proporcional é igual a do integral. Quando aparece um distúrbio no processo e a medição se afasta do ponto de ajuste, o controlador P + I faz uma correção proporcional ao erro, imediatamente. Esta atuação deixa um desvio entre a medição e o ponto de ajuste. Logo depois da ação proporcional e enquanto persistir alguma diferença entre a medição e o ponto de ajuste, a ação integral irá atuar, até que a medição fique novamente igual ao ponto de ajuste. A ação integral irá atuar no processo

até que se tenha novamente outro equilíbrio entre a medição e o ponto de ajuste.

3.5. Controlador Proporcional mais Derivativo

A relação matemática da saída do controlador proporcional mais derivativa é a seguinte:

s sBP

e Tdedto d= + +

100%

No controlador pneumático proporcional e

derivativo, acrescenta se uma restrição no circuito de realimentação negativa. Em vez de se ter uma realimentação instantânea, tem-se uma realimentação com um atraso ajustável.

O controlador proporcional mais derivativo possui o seguinte desempenho

a ação proporcional estabiliza estaticamente o processo corrigindo os erros proporcionalmente as suas amplitudes,

a ação derivativa adiciona uma componente corretiva para cuidar principalmente dos erros com variação rápida.

Fig. 7. 8. Circuito eletrônico esquemático do controlador PID

Note se que o controlador P + D deixa o desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste. A ação derivativa é incapaz de corrigir o desvio permanente, pois ele é constante com o tempo.

O circuito do controlador proporcional mais derivativo é constituído de

1. o fole de medição,

R

- +

R

RD

- +

R

R

RI

- +

R

R

R

- +

R

- +

R Ve

CI

CD Vo

Controlador

109

2. o fole de ponto de ajuste, em oposição ao fole de medição,

3. o fole proporcional, sendo realimentada negativamente da saída e através da

4. restrição derivativa. Na prática, o circuito pneumático completo

da unidade derivativa possui o fole, o tanque derivativo e a restrição. Aqui, por simplicidade, supõe-se que o próprio fole integral possui uma capacidade suficiente.

O objetivo da restrição é o de atrasar a realimentação negativa. Como a realimentação negativa atrasa a resposta do controlador, atrasar o atraso equivale a adiantar a resposta, para os desvios rápidos do processo lento. Por esse motivo, a ação derivativa é também chamada de ação antecipatória

O controlador proporcional mais derivativo possui o seguinte funcionamento:

1. imediatamente após a variação rápida do processo não há realimentação negativa, pois há uma restrição pneumática. O controlador se comporta como um controlador liga-desliga ou com uma banda proporcional muito estreita,

2. com o passar do tempo, a realimentação negativa vai se processando e pressurizando o fole proporcional e tornando o controlador estável.

3. quando a variação do processo é muito lenta, praticamente a ação derivativa não atua, pois lentamente também está havendo a realimentação negativa.

4. Desse modo, quanto mais brusca for a variação na medição, menor será a ação imediata da realimentação negativa e mais ação corretiva será transmitida a válvula, pela ação derivativa.

5. Quando se coloca o circuito derivativo no elo da realimentação negativa do fole proporcional há alguns inconvenientes

6. há a interação entre os modos proporcional e derivativo. Quando o controlador possui o modo integral, a ação derivativa interfere também no modo integral.

7. a ação derivativa segue a ação proporcional

8. a ação derivativa modifica a saída do controlador quando há variação do ponto de ajuste, provocado pelo operador. Se esta variação for muito rápida, e geralmente o é, a saída do controlador produz um pico, podendo fazer o processo oscilar.

A solução prática para eliminar esses problemas é colocar o circuito derivativo antes das ações proporcional e integral e atuando apenas na medição.

Fig. 7. 9. Circuito pneumático do controlador PI

3.6. Proporcional + Integral + Derivativo

A relação matemática da saída do controlador proporcional mais integral mais derivativa ou do controlador PID é a seguinte:

∫ +++=dtdeTedt

T1e

BP%100ss d

i0

ou, no caso pratico onde a ação derivativa

só atua na medição m da variável,

∫ +++=dtdmTedt

T1e

BP%100ss d

i0

O controlador proporcional mais integral

mais derivativo possui as três ações de controle e é o mais completo possível.

Repetindo os objetivos das ações 1. a ação proporcional estabiliza o

processo, provocando uma correção proporcional ao valor do erro, instantaneamente,

2. a integral é uma ação auxiliar que elimina o desvio permanente, produzindo uma correção proporcional à duração do erro, depois da ação proporcional,

3. a derivativa é uma ação adicional que apressa a correção, gerando uma ação proporcional à velocidade da variação do erro, antes da ação proporcional.

Controlador

110

O modo proporcional é o modo básico e é sempre utilizado nos controladores analógicos. Ele é o principal responsável pela estabilidade do processo. O modo integral deve ser usado para eliminar o desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste. Ele deve ser evitado quando há possibilidade de saturação. Ou, o que é mais inteligente, devem ser tomados cuidados especiais para se evitar que a ação integral leve o controlador para a saturação.

O modo derivativo de ser usado em processos com grande inércia e que sofrem variações bruscas, que seriam vagarosamente corrigidas, em o modo derivativo. Porém, a ação derivativa deve ser em processos com muito ruído, que são pequenas e numerosas variações bruscas. A ação derivativa iria amplificar esses ruídos, tornando o desempenho do controle do processo prejudicado.

O modo proporcional desempenha uma realimentação negativa no interior do controlador, tornando-o mais estável. A ação integral executa uma realimentação positiva, se opondo à ação proporcional. A ação derivativa, geralmente separada e anterior às outras duas ações, retarda a realimentação negativa, apressando a correção.

3.7. Controlador Tipo Batelada O processo batelada ou descontinuo é

ciclicamente ligado, controlado e desligado. É sempre desejável que todo o controle seja feito em automático, sem o envolvimento direto e manual do operador.

Quando se utiliza um controlador convencional, contendo modos proporcional e integral, para o controle de processo batelada, os períodos de tempo em que o processo fica desligado e o controlador continua ligado podem causar a saturação do modo integral e, portanto, do controlador. Quando o processo está desligado, o controlador continua integrando o desvio entre a medição e o ponto de ajuste e certamente fica saturado. Também, a banda proporcional do controlador se desloca para o fim de escala superior.

Quando o processo é restabelecido, a medição irá subir e o controlador ainda continua inoperante, pois a medição está totalmente fora da banda proporcional. O controlador só irá começar a atuar quando o desvio mudar de sentido. A medição precisará ultrapassar o ponto de ajuste para se começar o controle do processo. Basta haver uma pequena capacidade no processo, a maioria dos processos a tem, para haver uma ultrapassagem grande da medição em relação ao ponto de ajuste. Há um grande overshoot (é

inevitável, outra vez, o uso da palavra em inglês).

Para eliminar a saturação e a conseqüente ultrapassagem da medição usa-se a chave batelada, desenvolvida especificamente para essa aplicação. Na prática, usa-se controlador batelada, que é um controlador convencional com uma chave batelada incorporada a seu circuito. O controlador batelada, disponível com dois modos proporcional e integral e com três modos, proporcional, integral e derivativo, é linear, contínuo, com ajustes adicionais de batelada e de precária, feitos na chave batelada.

A função exercida pela chave é a de pressurizar o fole integral do controlador pneumático. No controlador eletrônico, é a de carregar artificialmente a uma determinada tensão, o capacitor integral do circuito.

Nessa nova condição, o controlador não satura em valor elevado e a banda proporcional não é deslocada para o limite superior da faixa de medição. Quando a saída do controlador alcançar um valor pré-determinado, ajustado na chave de batelada, o circuito integral fica grampeado em um valor artificial. Isso força a banda proporcional a mudar de sentido. Como resultado desse deslocamento, a medição entra mais cedo dentro da banda proporcional. Na partida automática do processo de batelada, a medição começa a subir e logo entra na banda proporcional, fazendo a saída do controlador atuar cedo no processo, bem antes da medição alcançar o ponto de ajuste. Essa aproximação suave da medição para o ponto de ajuste evita a ultrapassagem, melhorando a resposta do processo.

Embora sejam fenômenos interligados e dependentes, há basicamente dois ajustes na chave batelada

ajuste de batelada, que determina o valor da saída onde a chave atua, grampeando a saída. Esse é o ponto de atuação (trip).

ajuste de precarga, que regula o valor da ação batelada, que é o valor do deslocamento da banda proporcional para baixo, após a atuação da chave. Esse é o valor de precarga (preload)

Existem chaves bateladas para valor máximo e para valor mínimo.

Tipicamente, para batelada de máximo, o ponto ajustado é 15,2 psig e o valor de precarga é ajustado em 3,0 psig. Mutatis mutandi, para batelada de mínimo, normalmente se ajusta o ponto de batelada em 2,8 psig e o ponto de precarga em 15,0 psig. Obviamente, outros valores podem ser reajustado e os fabricantes de instrumentos fornecem a literatura técnica explicativa para a adequada Calibração em bancada. Mas,

Controlador

111

normalmente, ambos os ajustes são feitos na fábrica e não se requer verificação ou mudança posteriores.

A chave batelada atua na pressão de saída do controlador, cuja faixa é de 3 a 15 psig. O ajuste batelada, que determina o ponto de atuação, é estabelecido em, p. ex., 15,2 psig. O ajuste pode ser feito por uma mola ou pode ser o valor de um sinal pneumático remoto. Quando a saída do controlador está abaixo de 15 psig, a pressão exercida do lado da mola é maior e o sinal de saída do controlador passa livremente pela chave e vai realimentar o circuito integral do controlador. Isso permite que, em operação normal, o controlador atue sem interferência da chave de batelada. Quando a saída atingir o valor de batelada ajustado na chave, assumido de 15,2 psig, a força do diagrama da chave é menor no lado da mola. A chave batelada atua, cortando o sinal de saída que era realimentada ao controlador. A pressão do circuito integral do controlador é, então, aliviada para a atmosfera (quando não há ajuste de precarga) e cai, até atingir 0 psig. Quando utilizado o conceito de precarga, a pressão do circuito integral cai até esse valor, previamente ajustado na chave batelada. Essa situação permanece, enquanto o sinal de saída do controlador continuar maior que o valor batelada ajustado. Como o sinal do modo integral diminui, a banda proporcional é deslocada para baixo do ponto de ajuste do controlador. O ajuste de precarga evita que a banda proporcional caia muito aquém do ponto de ajuste, tornando muito longo o período que o controlador permanece inativo na malha. Com o ajuste de precarga, durante a partida do processo, a medição entra logo na banda proporcional e o controlador começa a atuar mais cedo. Como conseqüência, a medição não ultrapassa o ponto de ajuste e a resposta dinâmica do processo é ideal.

Na versão eletrônica, a filosofia de operação é a mesma, porém os equipamentos são diferentes. Não há chave batelada eletrônica. O controlador eletrônico batelada acrescenta à configuração convencional um circuito de realimentação contendo amplificadores operacionais e o circuito de polarização. Os ajustes de batelada e de precarga são feitos em potenciômetros e o acesso se dá pela parte frontal do controlador. Os limites de batelada e de precarga são atuantes mesmo em operação manual.

Referente a saturação do modo integral do controlador devem ser tomadas as seguintes precauções

1. controladores de processo, especialmente os eletrônicos, que possuem limitadores do sinal de saída,

podem ser usados sem nenhum cuidado extra em controle de malhas simples. Os limitadores da saída certamente impedirão a saturação do modo integral, que poderia ser provocada pela realimentação interna normal.

2. para os sistemas de controle que exijam apenas a realimentação externa, como no caso de controle em cascata e auto-seletor, especificam-se controladores padrão com a opção extra de realimentação externa. Normalmente, essa opção de realimentação externa do controlador implica também em pequenas modificações no conector, na estante e nos módulos de encaixe. Não é necessário especificar um controlador batelada que certamente custa mais caro e fica superdimensionado.

3. para controle de processo tipo batelada, deve-se especificar o controlador especial, também tipo batelada. Além de evitar a saturação do modo integral, ele torna possível a partida automática do processo, sem ultrapassagem da medição em relação ao ponto de ajuste. Nessa especificação é importante definir qual a lógica do sistema, se batelada máxima ou batelada mínima. E, também, consultando a literatura dos fabricantes disponível, determinar o valor dos ajustes de batelada e de precarga requeridos.

3.8. Controlador Analógico Historicamente, até a década de 1970 foi

usado principalmente o controlador analógico pneumático, até a década de 1980, o controlador analógico eletrônico e a partir da década de 1980, o controlador digital eletrônico.

O controlador analógico usa sinais contínuos para computar a saída do controlador. Testes feitos em controlador analógico industrial eletrônico revelaram os seguintes resultados

1. a banda proporcional medida era de 0 a 25% maior que a marcação do dial,

2. o tempo integral medido era cerca de 100% maior que a marcação do dial,

3. o tempo derivativo marcado era cerca de 40% a 70% menor que a marcação do dial,

4. o tempo integral medido não se alterava com a variação do ajuste do tempo derivativo. Teoricamente, para o controlador série, o tempo integral

Controlador

112

deveria aumentar com o aumento do tempo derivativo.

5. o tempo derivativo e a banda proporcional medidos obedeceram aproximadamente as equações teóricas, exceto que a variação medida foi menor que a calculada para os ajustes grandes do dial.

6. a saída do controlador medida mostrou um pico sempre que um ajuste derivativo de qualquer valor era feito. O algoritmo teórico do controlador série fornece somente um pico se o tempo derivativo fosse ajustado em valores maiores que 1/4 Ti.

Fig. 7. 10. Ajustes do controlador analógico

3.9. Controlador Digital Hoje se vive em um mundo analógico

cercado por um universo de tecnologia digital. O computador digital é usado de modo intensivo e extensivo na instrumentação, no controle digital distribuído, no controle lógico programado de processos repetitivos, no controle a realimentação negativa de uma única malha (single loop), em computação analógica de medição de vazão, na transmissão .

Embora o processo seja contínuo no tempo, o controlador digital existe em um mundo discreto porque ele tem conhecimento das saídas do processo somente em pontos discretos no tempo, quando são obtidos os valores de amostragem.

Em geral, o controlador digital: 1. obtém um valor amostrado da saída do

processo, 2. calcula o erro entre a medida e o ponto

de referência armazenado no computador,

3. computa o valor apropriado para a entrada manipulada do processo,

4. gera um sinal de saída para o elemento final de controle,

5. continua a mesma operação com a próxima variável controlada.

O tempo requerido para conseguir um novo nível da variável manipulada é curto comparado com o tempo entre as amostragens. Pode-se assumir que a entrada para o processo é uma seqüência de valores constantes que variam instantaneamente no inicio de cada período de amostragem.

Fig. 7. 11. Painel de programação do single loop Deve-se ter um algoritmo de controle para

o cálculo dos valores das variáveis manipuladas. O prosaico algoritmo PID é ainda utilizado.

Esta operação discreta é repetitiva e o período é chamado de sample e hold. A grande desvantagem do controlador digital é a introdução de vários tipos de tempo morto devido ao tempo de amostragem, a computação matemática, a filtragem analógica das harmônicas da freqüência de amostragem e a caracterização do modo derivativo. Por causa deste tempo morto adicional, o controlador digital não pode ser usado indiscriminadamente em malha de controle de processo critico e rápido, como para o controle de surge de compressor ou controle de pressão de forno em faixa estreita.

O controlador digital aumentou a capacidade de computação para o controle e para a caracterização das ações de controle, sendo adequado para estratégias de controle avançadas, como o controle preditivo antecipatório (feedforward).

Tipicamente, o controlador digital é superior ao analógico na precisão e resolução dos ajustes dos modos de controle; na precisão da computação adicional, linearização e caracterização de sinal; na flexibilidade em função da programação e da comunicação.

O controlador digital usa sinais discretos para computar a saída do controlador. Geralmente, o controlador digital é baseado em microprocessador. O controlador digital emula o algoritmo analógico PID.

Controlador

113

4. Controlador microprocessado

4.1. Conceito O controlador single loop é o instrumento

microprocessado com todas as vantagens relacionadas acima inerentes à sua natureza que pode ser usado para controlar uma única malha (daí o nome, single loop). É também chamado de single station. O controlador single loop resolve o algoritmo de controle para produzir uma única saída controlada. O seu baixo custo permite que ele seja dedicado a uma única malha. Por questão de marketing e por causa de sua grande capacidade, um único invólucro pode ter dois e até quatro controladores, porém, com o aumento de dificuldade da operação.

O microprocessador pode ter qualquer função configurável e por isso, um mesmo instrumento pode funcionar como controlador, controlador cascata, controlador auto-seletor ou como computador de vazão com compensação de pressão e temperatura. A configuração pode ser feita através de teclados acoplados ao instrumento ou através de programadores separados (stand alone).

Como a tecnologia do single loop é moderna, o instrumento incorpora todos os avanços da tecnologia eletrônica, microprocessadores, displays novos e programas criativos.

4.2. Características

Tamanho Tem tamanho pequeno ou muito pequeno

(menor que as dimensões DIN). Não necessariamente a mais importante, mas um das características mais notável da presente geração de controladores single loop é seu pequeno tamanho físico. A maioria dos controladores segue as dimensões européias DIN (Deutche Industrie Norm) para aberturas de painel.

Funções de controle Muitos controladores chamados de single

loop são dual loops. Através de microprocessadores no circuito, muitos controladores oferecem os formatos de liga-desliga e PID. Outros controladores incorporam funções matemáticas, ou no próprio circuito ou através de módulos funcionais opcionais incorporados na caixa. Estas funções matemáticas incluem:

1. Somador - subtrator

2. Ganho ajustável com polarização 3. Multiplicador - divisor 4. Compensador lead/lag (avanço/atraso) 5. Filtro dual 6. Limitador de rampa 7. Limitador de sinal 8. Rastreamento (tracking) analógico 9. Extrator de raiz quadrada 10. Seletor de sinal (alto/baixo) 11. Seletor de sinal (médio 12. Conversor de sinal (termopares, RTD) 13. Potenciômetro (não isolado e isolado)

Seqüencial e programação de tempo A maioria dos controladores single loop

possui capacidade de programação temporal e sequenciamento de operações. A programação envolve quaisquer duas variáveis, porém o mais comum é se ter o tempo e a temperatura. Em siderurgias, é comum a aplicação de programas de temperatura, onde se tem uma rampa de aquecimento, a manutenção da temperatura em um patamar durante um determinado tempo e o abaixamento em vários degraus.

Outras propriedades Os controladores single loop possuem

ainda capacidade de auto/manual, ponto de ajuste múltiplo, autodiagnose e memória. São construídos de conformidade com normas para ser facilmente incorporado e acionado por sistemas SDCD.

As aplicações típicas do single loop são em plantas pequenas e médias que não podem ou não querem operar, em futuro próximo, em ambiente com controle digital distribuído. Mesmo em sistemas de SDCD, há malhas críticas que, por motivo de segurança, são controladas por controladores single loop.

4.3. Controladores comerciais

Controlador Foxboro O controlador single station Foxboro inclui:

1. display analógico fluorescente para mostrar através de barra de gráfico o valor da variável, do ponto de ajuste e da saída do controlador

2. display digital para indicar através de dígitos os valores e unidades de engenharia

3. display alfanumérico para indicar tag da malha selecionada

4. painel da estação de trabalho, para indicar status de operação (computador ou local), status do ponto de ajuste (remoto, local ou relação), status da

Controlador

114

saída (automático ou manual) e status de alarme (ligado ou desligado)

5. teclado com 8 teclas para configuração e operação para selecionar, configurar e sintonizar o controlador

Fig. 7. 12. Controladores single loop (Foxboro)

Suas especificações funcionais são: 1. sinais de entrada proporcionais, qualquer

combinação não excedendo 4 analógicas (4 a 20 mA, 1 a 5 V, voltagem de termopar ou resistência de RTD) e 2 entradas de freqüência. Todos os sinais de entrada são convertidos e podem ser caracterizados em uma variedade de cálculos.

2. cada controlador possui duas funções de controle independentes que podem ser configuradas como um único controladores, dois controladores em cascata ou em seleção automática. Os algoritmos padrão para cada controlador são P, I, PD, PI, PID e controle EXACT®

3. duas saídas analógicas não isolados e duas saídas discretas

4. outras funções de controle como caracterização, linearizadores, portas lógicas, condicionadores de sinal

5. alarmes 6. computações matemáticas 7. alimentação do transmissor de campo

8. memória para armazenar todos os parâmetros de configuração e operação

9. filtros de entrada (Butterworth) 10. distribuição de sinais (até 30 sinais

para roteamento interno)

Controlador Yokogawa O controlador single loop da Yokogawa

incorporam funções computacionais e de controle que podem ser combinadas do mesmo modo que uma calculadora de bolso. A função de auto-sintonia para otimizar o controle é útil principalmente em aplicações de batelada de

multiprodutos, onde as características do processo podem variar de produto para produto.

Suas características incluem: 1. controle feedforward, com

computações de ganho e polarização, 2. processamento de sinais 3. entradas analógicas (4 pontos de 1 a 5

V cc) 4. saídas analógicas (3 pontos de 1 a 5 V

cc, 1 ponto de 4 a 20 mA cc) 5. estação de computação programável

com display de dados, processamento de sinal e sequenciamento

6. 10 pontos de status de entrada/saída definidos pelo usuário

7. quatro chaves funcionais no painel frontal para iniciar as seqüências de controle

8. quatro lâmpadas associadas para indicar o progresso da seqüência ou servir como cursor

Fig. 7. 13. Controladores single loop (Yokogawa)

5. Estação Manual de Controle A estação manual, chamada de HIC (hand indicator controller), de estação auxiliar ou de estação de carga manual (load station) é o instrumento que possibilita ao operador atuar diretamente no processo através da geração manual de sinais padrão eletrônicos ou pneumáticos.

As aplicações típicas da estação manual incluem

1. a atuação direta e manual no processo, em substituição ao controle automático ou como única alternativa.

2. a geração do ponto de ajuste remoto do controlador

3. o aumento da capacidade, como adicionar polarização, fazer proporção, atuar em vários elementos finais.

A estação auxiliar tem aparência externa idêntica à do controlador, com escala vertical; botões de atuação; chaves de transferência A/M, polarização e relação .

Controlador

115

As estações são disponíveis em vários modelos de complexidade crescente

1. a estação manual de carga 2. a estação com chaveamento A/M 3. a estação com chave A/M e com 100%

de polarização ajustável 4. a estação de relação

Fig. 7.14. Estação manual acoplada ao controlador

5.1. Estação Manual A estação de atuação manual (Manual

Loading) gera o sinal padrão, pneumático ou eletrônico, através da atuação manual do operador. A estação possui um medidor do sinal de saída gerado manualmente.

Duas aplicações típicas da estação manual: 1. regular manualmente a posição da

válvula de controle no campo. Esta ação manual pode substituir a atuação automática do controlador ou a atuação manual feita localmente através do volante da válvula.

2. estabelecer o ponto de ajuste de controlador individual ou mesmo ajustar simultaneamente os pontos de ajuste de vários controladores no mesmo nível. Nesta aplicação a saída da estação de ajuste manual alimenta diretamente o circuito do ponto de ajuste dos controladores.

5.2. Estação de Chaveamento A/M Normalmente o controlador possui uma

estação manual auxiliar, que pode ser atuada manualmente pelo operador, desde que a chave seletora esteja na posição Manual. Esta estação manual, acoplada a unidade de controle automático, é de tamanho pequeno, com a resolução de leitura pior que as indicações da estação automática e com a arquitetura pouco flexível e limitada. Por isso, se desenvolveu comercialmente a estação

manual com o chaveamento automático/manual.

Fig. 7.15. Estação manual (stand alone)

A estação auxiliar de chaveamento A/M é

usada com outro controlador automático e permite as seguintes opções

1. Regulação manual da posição da válvula de controle, quando a chave de transferência estiver em Manual.

2. Passagem direta do sinal de um controlador automático para a válvula de controle, quando a chave de transferência estiver em Automático.

Tipicamente há uma indicação da diferença entre os sinais automático e manual de modo a informar e auxiliar o operador nos procedimentos de transferência.

Quando a malha de controle complexa requer um único controlador atuando em duas ou mais válvulas de controle, em paralelo, a saída do controlador automático passa através das várias estações manuais para atuar nas várias válvulas de controle. Esta montagem permite ao operador atuar manualmente uma ou mais válvulas de controle, enquanto as outras válvulas estão sendo controladas automaticamente. Isto é justificado quando

1. em postas em marcha, quando ainda as capacidades das válvulas estão excessivas. Há excesso de ganho, portanto instabilidade, quando ambas as válvulas estão operando muito próximos da posição de fechamento.

2. as válvulas estão superdimensionadas, para atender a capacidade de futuras ampliações. Também neste caso existem malhas com ganhos muito elevados, portanto instáveis. Uma outra solução para este problema seria utilizar, se disponíveis, válvulas com capacidades reduzidas. Nas

Controlador

116

ampliações, trocariam os internos das válvulas para capacidades totais.

3. há necessidade da manutenção de uma das válvulas, enquanto as outras válvulas permanecem no processo.

4. se fixa o ponto de operação de uma válvula manualmente enquanto as outras válvulas são controladas automaticamente.

Fig. 7. 16. Estação manual A/M

5.3. Estação A/M e Polarização A estação com chaveamento A/M e

polarização ajustável possui as seguintes características:

1. na posição automática, ela não atua no processo e o sinal automático proveniente do controlador automático, passa através dela sem alteração e é apenas indicado.

2. na posição manual, o sinal de saída da estação é dado pela relação

3. saída manual = sinal automático + polarização ajustável manual

O operador de processo pode adicionar ou subtrair, de 0 a 100% do sinal de entrada, do sinal automático de entrada antes de retransmiti-lo a válvula de controle.

Aplicação típica para o uso desta estação A/M com polarização é o sistema com dois ou mais elementos finais de controle regulados por um único controlador. Com esta estação, o operador de processo pode polarizar uma válvula com relação as outras. A polarização pode ser desejável e necessária por uma ou mais das seguintes razões

1. separar os níveis de operação de dois operadores finais idênticos, para impedir a interferência e interação entre ambos.

2. balancear dois operadores finais para prevenir que apenas um assuma toda a carga do processo.

3. balancear a saída de todos os operadores finais de modo que as entradas do processo fiquem uniformes.

Fig. 7. 17. Estação manual com polarização

5.4. Serviços Associados Na especificação da estação manual de

controle separada do controlador automático, deve ser conhecidos e informados ao fabricante os seguintes parâmetros

1. a função a desempenhar geração do sinal, indicação, polarização, relação ,

2. os sinais de entrada e de saída, 3. a faixa da escala de indicação, 4. a montagem, com a verificação previa

da estante e dos cabos de engate rápido,

5. as opções extras. 6. A operação da estação manual envolve 7. a leitura do sinal gerado e

opcionalmente dos sinais externos, 8. a atuação manual para gerar o sinal

interno 9. a atuação manual para gerar a

polarização desejada, se aplicável, 10. a atuação manual da chave seletora

A/M.

7.117

Válvula de Controle

1. Introdução Aproximadamente 5% dos custos totais de

uma indústria de processo químico se referem a compra de válvulas. Em termos de número de unidades, as válvulas perdem apenas para as conexões de tubulação.

As válvulas são usadas em tubulações, entradas e saídas de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; as principais são as seguintes 1. serviço de liga-desliga 2. serviço de controle proporcional 3. prevenção de vazão reversa 4. controle e alívio de pressão 5. especiais 6. controle de vazão direcional 7. serviço de amostragem 8. limitação de vazão 9. selagem de vaso ou de tanque

De todas estas aplicações, a mais comum e importante se relaciona com o controle automático de processos.

Fig. 8.1. Esquema típico de válvula de controle

2. Elemento Final de Controle A malha de controle a realimentação

negativa possui um elemento sensor, um controlador e um elemento final de controle. O sensor ou o transmissor envia o sinal de medição para o controlador, que o recebe e o compara com um ponto de ajuste e gera um sinal de saída para atuar no elemento final de controle. O elemento final de controle manipula uma variável, que influi na variável controlada, levando-a para valor igual ou próximo do ponto de ajuste.

O controle pode ser automático ou manual. O controle manual pode ser remoto ou local. A válvula de controle abre e fecha a passagem interna do fluido, de conformidade com um sinal de controle. Quando o sinal de controle é proveniente de um controlador, tem-se o controle automático da válvula. Quando o sinal de controle é gerado manualmente pelo operador de processo, através de uma estação manual de controle, tem-se o controle manual remoto. Na atual manual local, o operador atua diretamente no volante da válvula.

Há vários modos de manipular as vazões de materiais e de energia que entram e saem do processo; por exemplo, por bombas com velocidade variável, bombas dosadoras, esteiras, motor de passo porém, o modo mais simples é por meio da válvula de controle. O controle pode ser feito de modo contínuo ou liga-desliga. Na filosofia continua ou analógica, a válvula pode assumir, de modo estável, as infinitas posições entre totalmente fechada e totalmente aberta. Na filosofia digital ou liga-desliga, a válvula só fica em duas posições discretas ou totalmente fechada ou totalmente aberta. O resultado do controle é menos satisfatório que o obtido com o controle proporcional, porém, tal controle pode ser realizado através de chaves manuais, chaves comandadas por pressão (pressostato), temperatura (termostato), nível, vazão ou controladores mais simples. Neste caso, a válvula mais usada é a solenóide, atuada por uma bobina elétrica.

118

Fig. 8. 2. Válvula de controle

O sinal de controle que chega ao atuador

da válvula pode ser pneumático ou eletrônico. A válvula de controle com atuador pneumático é o elemento final de controle da maioria absoluta das malhas. Mesmo com o uso cada vez mais intensivo e extensivo da instrumentação eletrônica, analógica ou digital, a válvula com atuador pneumático ainda é o elemento final mais aplicado. Ainda não se projetou e construiu algo mais simples, confiável, econômico e eficiente que a válvula com atuador pneumático. Ela é mais usada que as bombas dosadoras, as alavancas, as hélices, os basculantes, os motores de passo e os atuadores eletromecânicos.

3. Válvula de Controle As funções da válvula de controle são:

1. Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das condições de operação. Como o fluido do processo passa dentro da válvula, ela deve ter características mecânicas e químicas para resistir à pressão, temperatura, corrosão, erosão, sujeira e contaminantes do fluido.

2. Responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão é aplicado ao atuador da válvula, que o converte em uma força, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior está o obturador, que varia a área de passagem do fluido pela válvula.

3. Variar a área de passagem do fluido manipulado. A válvula de controle manipula a vazão do meio de controle, pela alteração de sua abertura.

4. Absorver a queda variável da pressão da linha. Em todo o processo, a válvula é o único equipamento que pode fornecer ou absorver queda de pressão controlável.

Fig. 8. 3. Válvula de controle (Fisher)

Depois de instalada na tubulação e para poder desempenhar todas as funções requeridas a válvula de controle deve ter corpo, atuador e castelo. Adicionalmente, ela pode ter acessórios opcionais que facilitam e otimizam o seu desempenho, como posicionador, booster, chaves, volantes, transdutores corrente elétrica para ar pneumático e relé de inversão.

4. Corpo

4.1. Conceito O corpo da válvula de controle é

essencialmente um vaso de pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o plug (obturador), que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador pneumático. A posição relativa entre o obturador e a sede, modulada pelo sinal que vem do controlador, determina o valor da vazão do fluido que passa pelo corpo da válvula, variando a queda de pressão através da válvula.

No corpo estão incluídos a sede, obturador, haste, guia da haste, engaxetamento e selagem de vedação. O conjunto haste-plug-sede é chamado de trim.

Fig. 8. 4. Corpo da válvula contendo o fluido

119

4.2. Sede A válvula de duas vias pode ter sede

simples ou dupla. A sede da válvula é onde se assenta o obturador. A posição relativa entre o obturador e a sede é que estabelece a abertura da válvula. Na válvula de sede simples há apenas um caminho para o fluido passar no interior da válvula. A válvula de sede simples é excelente para a vedação, porém requer maior força de fechamento/abertura. A válvula de sede dupla, no interior da qual há dois caminhos para o fluxo, geralmente apresenta grande vazamento, quando totalmente fechada. Porém, sua vantagem é na exigência de menor força para o fechamento e abertura.

4.3. Plug O plug ou obturador da válvula pode ter

diferentes formatos e tamanhos, para fornecer vazamentos diferentes em função da abertura. Cada figura geométrica do obturador corresponde a uma quantidade de vazão em função da posição da haste. Os formatos típicos fornecem características linear, parabólica, exponencial, abertura rápida.

Fig. 8. 5. Válvula com conexão rosqueada

Materiais Como a válvula está em contato direto com

o fluido do processo o seu material interior deve ser escolhido para ser compatível com as características de corrosão e abrasão do fluido. A parte externa do corpo da válvula é metálica, geralmente ferro fundido, aço carbono

cadmiado, aço inoxidável AISI 316, ANSI 304, bronze, ligas especiais para alta temperatura, alta pressão e resistentes à corrosão química. As partes internas, justamente aquelas que estão em contato com o fluido, são o interior do corpo, sede, obturador, anéis de engaxetamento e de vedação e também devem ser de material adequado.

Conexões Terminais A válvula é instalada na tubulação através

de suas conexões. O tipo de conexões terminais a ser especificado para uma válvula é normalmente determinado pela natureza do sistema da tubulação em que a válvula vai ser inserida. As conexões mais comuns são flangeadas, rosqueadas, soldadas. Há ainda conexões especiais e proprietárias de determinados fabricantes. Os fatores determinantes das conexões terminais são tamanho da válvula, tipo do fluido, valores da pressão e temperatura e segurança do processo.

As conexões rosqueadas são usadas para válvulas pequenas, com diâmetro menor que 2". A linha possui a rosca macho e o corpo da válvula a rosca fêmea. É econômico e simples.

O corpo da válvula pode ser soldado diretamente à linha. Este método é pouco flexível, porém é utilizado para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido.

Conectar o corpo da válvula à tubulação através do conjunto de flanges, parafusos e porcas é o método mais utilizado para válvulas maiores que 2". As flanges podem ser lisas ou de faces elevadas e sua classe de pressão ANSI deve ser compatível com a pressão do processo.

Geralmente a válvula de controle possui uma entrada e uma saída; é chamada de duas vias. Porém, há aplicações de mistura ou divisão, que requerem válvulas com três vias duas entradas e uma saída (mistura) ou uma entrada e duas saídas (divisão).

5. Castelo O castelo (bonnet) liga o corpo da válvula

ao atuador. A haste da válvula se movimenta através do engaxetamento do castelo. Há três tipos básicos de castelo: aparafusado, união e flangeado.

O engaxetamento no castelo para alojar e guiar a haste com o plug, deve ser de tal modo que não haja vazamento do interior da válvula para fora e nem muito atrito que dificulte o funcionamento ou provoque histerese. Para facilitar a lubrificação do movimento da haste e prover vedação, usam-se caixas de

120

engaxetamento. Algumas caixas requerem lubrificação periódica. Os materiais típicos de engaxetamento incluem Teflon®, asbesto, grafite e a combinação deles (asbesto impregnado de Teflon e asbesto grafitado).

Quando a aplicação envolve temperaturas extremas, muito baixas (criogênicas) ou muito elevadas, o castelo deve ter engaxetamento com materiais especiais (semimetálicos) e possuir aletas horizontais, que aumentem a área de troca de calor, facilitando a transferência de energia entre o processo e a atmosfera externa e protegendo o atuador da válvula contra temperaturas extremas.

Em aplicações onde se quer vedação total ao longo da haste, pois o fluido do processo é tóxico, explosivo, pirofosfórico, muito caro, usam-se foles como selos. O fluido do processo pode ser selado interna ou externamente ao fole.

6. Atuador

6.1. Operação Manual ou Automática Os modos de operação da válvula

dependem do seu tipo, localização no processo, função no sistema, tamanho, freqüência de operação e grau de controle desejado. Os modos possíveis são manual ou automático.

Fig. 8. 6. Atuador pneumático da válvula

A atuação manual pode ser local ou remota. A atuação local pode ser feita diretamente por volante, engrenagem, corrente mecânica ou alavanca. A atuação manual remota pode ser feita pela geração de um sinal elétrico ou pneumático, que acione o atuador da válvula. Para ser atuada automaticamente a válvula pode estar acoplada a mola, motor elétrico, solenóide, servo mecanismo, atuador pneumático ou hidráulico.

Freqüentemente, é necessário ou desejável operar automaticamente a válvula, de modo contínuo ou através de liga-desliga. Isto pode ser conseguido pela adição à válvula padrão um dos seguintes acessórios 1. atuador pneumático ou hidráulico para

operação continua ou de liga-desliga, 2. solenóide elétrica para operação de liga-

desliga, 3. motor elétrico para operação continua ou de

liga-desliga. Geralmente, um determinado tipo de válvula é limitado a um ou poucos tipos de atuadores; por exemplo, as válvulas de alívio e de segurança são atuadas por mola; as válvulas de retenção são atuadas por mola ou por gravidade e as válvulas globo de tamanho grande e com alta pressão de processo são atuadas por motores elétricos ou correntes mecânicas. As válvulas de controle contínuo são geralmente atuadas pneumaticamente e através de solenóides, quando se tem o controle liga-desliga. Geralmente estes mecanismos de operação da válvula são considerados acessórios da válvula.

6.2. Atuador Pneumático Este tipo de operador, disponível com um

diafragma ou pistão, é o mais usado. Independente do tipo, o princípio de operação é o mesmo. O atuador pneumático, com diafragma e mola é o responsável pela conversão do sinal pneumático padrão do controlador em força-movimento-abertura da válvula. O atuador pneumático a diafragma recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte numa força que irá movimentar a haste da válvula, onde está acoplado o obturador que irá abrir continuamente a válvula de controle.

A função do diafragma é a de converter o sinal de pressão em uma força e a função da mola é a de retornar o sistema à posição original. Na ausência do sinal de controle, a mola leva a válvula para uma posição extrema, ou totalmente aberta ou totalmente fechada. Operacionalmente, a força da mola se opõe à força do diafragma; a força do diafragma deve vencer a força da mola e as forças do processo.

121

Erradamente, se pensa que o atuador da válvula requer a alimentação de ar pneumático para sua operação; o atuador funciona apenas com o sinal padrão, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi).

O atuador pneumático consiste simplesmente de um diafragma flexível colocado entre dois espaços. Uma das câmaras deve ser vedada à pressão e na outra câmara ha uma mola, que exerce uma força contraria. O sinal de ar da saída do controlador vai para a câmara vedada à pressão e sua variação produz uma força variável que é usada para superar a força exercida pela mola de faixa do atuador e as forças internas dentro do corpo da válvula e as exercidas pelo próprio processo.

O atuador pneumático deve satisfazer basicamente as seguintes exigências 1. operar com o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15

psig), 2. operar sem posicionador, 3. ter uma ação falha-segura quando houver

falha no sinal de atuação, 4. ter um mínimo de histerese, 5. ter potência suficiente para agir contra as

forças desbalanceadas, 6. ser reversível.

6.3. Ações do Atuador Basicamente, há duas lógicas de operação

do atuador pneumático com o conjunto diafragma e mola

1. ar para abrir - mola para fechar, 2. ar para fechar - mola para abrir, Existe um terceiro tipo, menos usado, cuja

lógica de operação é ar para abrir - ar para fechar.

Outra nomenclatura para a ação da válvula é falha-aberta (fail-open), que equivale a ar-para-fechar e falha-fechada, igual a ar-para-abrir.

(a) Ar para abrir (b) Ar para fechar

Fig. 8. 7. Atuador pneumático da válvula

A operação de uma válvula com atuador pneumático com lógica de ar para abrir é a seguinte quando não há nenhuma pressão chegando ao atuador, a válvula está "desligada" e na posição fechada. Quando a pressão de controle, típica de 20 a 100 kPa (3 15 psig) começa a crescer, a válvula tende a abrir cada vez mais, assumindo as infinitas posições intermediárias entre totalmente fechada e totalmente aberta. Quando não houver sinal de controle, a válvula vai imediatamente para a posição fechada, independente da posição em que estiver no momento da falha. A posição de totalmente fechada é também conhecida como a de segura em caso de falha. Quem leva a válvula para esta posição segura é justamente a mola. Assim, o sinal pneumático de controle deve vencer a força da mola, a força apresentada pelo fluido do processo, os atritos existentes entre a haste e o engaxetamento.

O atuador ar-para-abrir necessita de pressão para abrir a válvula. Para pressões menores que 20 kPa (3 psig) a válvula deve estar totalmente fechada. Com o aumento gradativo da pressão, a partir de 20 kPa (3 psig), a válvula abre continuamente. A maioria das válvulas é calibrada para estar totalmente aberta quando a pressão atingir exatamente 100 kPa (15 psig). Calibrar uma válvula é fazer a abertura da válvula seguir uma reta, passando pelos pontos 20 kPa x 0% (3 psi x 0%) e 100 kPa x 100% (15 psi x 100%) de abertura. A falha do sistema, ou seja, a ausência de pressão, deve levar a válvula para o fechamento total.

Uma válvula com atuação ar-para-fechar opera de modo contrario. Na ausência de ar e com pressões menores que 20 kPa (3 psig), a válvula deve estar totalmente aberta. Com o aparecimento de pressões acima de 20 kPa (3 psig) e seu aumento, a válvula diminuirá sua abertura. Com a máxima pressão do controlador, de 100 kPa (15 psig), a válvula deve estar totalmente fechada. Na falha do sistema, quando a pressão cair o 0 kPa, a válvula deve estar na posição totalmente aberta.

Certas aplicações exigem um válvula de controle com um diafragma especial, de modo que a falta do sinal de atuação faca a válvula se manter na ultima posição de abertura; tem-se a falha-última-posição.

122

6.4. Escolha da Ação A primeira questão que o projetista deve

responder, quando escolhendo uma válvula de controle é "o que a válvula deve fazer, quando faltar o suprimento da alimentação?" A questão esta relacionada com a "posição de falha" da válvula.

A segurança do processo determina o tipo de ação da válvula falha-fechada (FC - fail close), falha-aberta (FC - fail open), falha-indeterminada (FI - fail indetermined), falha-última-posição (FL - fail last position). A segurança também implica no conhecimento antecipado das conseqüências das falha de alimentação na mola, diafragma, pistão, controlador e transmissor. Quando ocorrer falha no atuador da válvula, a posição da válvula não é mais função do projeto do atuador, mas das forças do fluido do processo atuando no interior da válvula e da construção da válvula. As escolhas são vazão-para-abrir (FTO - flow to open), vazão-para-fechar (FTC - flow to close), ficar na ultima posição (FB - friction bound). A ação vazão-para-fechar é fornecida pela válvula globo; a ação vazão-para-abrir é dada das válvulas borboleta, globo e esfera convencional. As válvulas com plug rotatório, esfera flutuante são típicas para ficar na ultima posição.

6.5. Mudança da Ação Porém há vários modos de se inverter a

ação de controle do sistema constituído de controlador, atuador e válvula de controle 1. troca da posição do atuador, alternando a

posição relativa diafragma e mola. 2. alguns atuadores possuem uma

alimentação alternativa o sinal pode ser aplicado em dois pontos possíveis, cada um correspondendo a uma ação de controle.

3. alteração do obturador + sede da válvula. 4. alteração do modo de controle, no próprio

controlador. A maioria dos controladores possui uma chave seletora para a ação de controle direta (aumenta medição, aumenta sinal de saída) e inversa (aumenta medição, diminui sinal de saída). Na aplicação prática, deve se consultar a

literatura técnica disponível e referente a todos os equipamentos controlador, atuador e válvula, para se definir qual a solução mais simples, segura e flexível.

6.6. Dimensionamento do Atuador Há atuadores de diferentes tamanhos e seu

dimensionamento depende dos seguintes parâmetros pressão estática do processo, curso da haste da válvula, deslocamento da

mola do atuador e da sede da válvula. A força gerada para operar a válvula é função da área do diafragma, da pressão pneumática e da pressão do processo. Quanto maior a pressão do sinal pneumático, menor pode ser a área do diafragma. Como normalmente o sinal de atuação é padrão, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), geralmente o tamanho do diafragma depende da pressão do processo; quando maior a pressão do fluido do processo, maior deve ser a área do diafragma. O atuador pneumático da válvula funciona apenas com o sinal do controlador, padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig). Ele não necessita do suprimento de ar de 120 a 140 kPa (20 a 22 psig).

O tamanho físico do atuador depende da pressão estática do processo e da pressão do sinal pneumático. A faixa de pressão mais comum é o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig); outras também usadas são 40 a 200 kPa (6 a 30 psig) e 20 a 180 kPa (3 a 27 psig). Os fabricantes apresentam equações para dimensionar e escolher o atuador pneumático.

6.7. Atuador e outro Elemento Final O atuador de válvula pode,

excepcionalmente, ser acoplado a outro equipamento que não seja a válvula de controle. Assim, é comum o uso do atuador pneumático associado a cilindro, basculante e bóia. Mesmo nas combinações que não envolvem a válvula, o atuador é ainda acionado pelo sinal pneumático padrão do controlador. E a função do atuador continua a de converter o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) em uma força, que pode provocar um movimento.

Mesmo em sistema com instrumentação eletrônica, com controladores eletrônicos que geral 4 a 20 mA cc, o comum é se usar o atuador pneumático com diafragma e mola. Para compatibilizar seu uso, insere-se na malha de controle o transdutor corrente-para-pneumático. O conjunto transdutor I/P + atuador pneumático é ainda mais simples, eficiente, rápido e econômico que o atuador eletromecânico disponível comercialmente.

O atuador pneumático é o mais comumente usado, por causa de sua simplicidade, econômica, rapidez e garantia de funcionamento. Os atuadores pneumáticos são aplicados principalmente para a obtenção do controle proporcional contínuo. Para o controle liga-desliga é mais conveniente usar a válvula solenóide.

123

7. Acessórios

7.1. Volante O volante manual é usado para o

fechamento manual da válvula no local, em substituição ao fechamento automático ou manual, feito através do atuador pneumático, em casos de emergência, durante a partida ou na falta de ar. Eles não são muito freqüentes e só se justifica sua aplicação em serviços críticos ou quando não há válvulas de bloqueio ou de bypass.

Os principais acessórios incluem as hastes com extensão, operador com corrente, operador com engrenagens.

Fig. 8. 8. Válvula com volante

7.2. Posicionador O posicionador é um acessório opcional e

não um componente obrigatório da válvula, mesmo que algumas plantas padronizem e tornem seu uso extensivo a todas as válvulas existentes.

O posicionador é um dispositivo acoplado à haste da válvula de controle para otimizar o seu funcionamento. Ele recebe o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) e gera, na saída, também o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) e por isso é necessária a alimentação pneumática de 120 kPa (20 psig).

(a) Posicionador montado (b) Posicionador fora Fig. 8. 9. Válvula com posicionador

O objetivo do posicionador é o de comparar o sinal da saída do controlador com a posição da haste da válvula. Se a haste não esta onde o controlador quer que ela esteja, o posicionador soma ou subtrai ar do atuador da válvula, até se obter a posição correta. Há um elo mecânico através do qual o posicionador sente a posição da válvula e monitora o sinal que vai para o atuador. O posicionador pode ser considerado um controlador proporcional puro.

As justificativas legitimas para o uso do posicionador são para

1. eliminar a histerese e banda morta da válvula, garantindo a excursão linear da haste da válvula, por causa de sua atuação direta na haste,

2. o posicionador alterar a faixa de sinal pneumático, por exemplo, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) para 100 a 20 kPa (15 a 3 psig) ou de 20 a 60 kPa (3 a 9 psig) para 20 a 100 kPa (3 a 15 psig). O uso do posicionador é obrigatório na malha de controle de faixa dividida (split range), onde o mesmo sinal de controle é enviado para várias válvulas em paralelo.

São razões para o uso do posicionador, mas não muito legitimas

1. aumentar a velocidade de resposta da válvula, aumentando a pressão ou o volume do ar pneumático de atuação, para compensar atrasos de transmissão, capacidade do atuador pneumático. Deve-se usar um booster no lugar do posicionador.

2. escolher ou alterar a ação da válvula, falha-fechada (ar para abrir) ou falha-aberta (ar para fechar). Deve-se fazer isso com relé pneumático ou no próprio atuador da válvula.

124

3. modificar a característica inerente da válvula, através do uso de cam externa ou gerador de função. Isto também não é uma justificativa valida, pode-se usar relé externo que não degrade a qualidade do controle.

Há porém, duas outras regras, talvez mais importantes, embora menos conhecidas, referentes ao não uso do posicionador. São as seguintes

1. não se deve usar posicionador quando o processo é mais rápido que a válvula.

2. ao se usar o posicionador, deve se aumentar a banda proporcional do controlador, de 3 a 5 vezes, em relação à sua banda proporcional sem posicionador. Quando isso é impossível, não se pode usar o posicionador.

As regras para uso e não uso devem ser conceitualmente entendidas. O posicionador torna a malha mais sensível, mais rápida, com maior ganho. Se a malha original já é sensível ou rápida, a colocação do posicionador aumenta ainda mais a sensibilidade e rapidez, levando certamente a malha para uma condição instável, de oscilação. Quando se coloca um posicionador em uma malha de controle rápida, o desempenho do controle se degrada ou tem que se re-sintonizar o controlador, ajustando a banda proporcional em valor muito grande, às vezes, em valores não disponíveis no controlador comercial.

Geralmente não se usa posicionador em malha de controle de vazão, pressão de líquido e pressão de gás em volume pequeno, que já estes processos são muito rápidos. Para processos rápidos, mas com linhas de transmissão muito grandes ou com atuadores de grandes volumes, a solução é acrescentar um amplificador pneumático (booster), em vez de usar o posicionador. O booster também melhora o tempo de resposta e aumenta o volume de ar do sinal pneumático e, como seu ganho é unitário, não introduz instabilidade ao sistema.

O posicionador pode ser considerado como um controlador de posição, de alto ganho (banda estreita). Quando ele é colocado na válvula de controle, o posicionador é o controlador secundário de uma malha em cascata, recebendo o ponto de ajuste da saída do controlador primário. Esta analogia é útil, pois facilita a orientação de uso ou não-uso do posicionador. Como em qualquer de controle cascata, o sistema só é estável se a constante de tempo do secundário (posicionador) for muito menor que a do primário.

7.3. Booster O booster, também chamado relé de ar ou

amplificador pneumático, tem a função aproximada do posicionador. A aplicação típica do booster é para substituir o posicionador, quando ele não é recomendado, como em malhas de controle de vazão de líquido ou de pressão de líquido.

Fig. 8. 10. Booster

O booster é usado no atuador da válvula

para apressar a resposta da válvula, para uma variação do sinal de um controlador pneumático com baixa capacidade de saída, sem o inconveniente de provocar oscilações, por não ter realimentação com a haste da válvula. Eles reduzem o tempo de atraso resultante de longas linhas de transmissão ou quando a capacidade da saída do controlador é insuficiente para suprir a demanda de grandes atuadores pneumáticos.

Os outros possíveis usos de booster são 1. amplificar ou reduzir o sinal pneumático,

tipicamente de 1:1 e 1:3 ou 5:1, 2:1 e 3:1 2. reverter um sinal pneumático por

exemplo, quando o sinal de entrada aumenta, a saída diminui. Quando a entrada é 20 kPa (3 psig) a saída é 100 kPa (15 psig), quando a entrada é 100 kPa (15 psig), a saída é 20 kPa (3 psig).

8. Característica da Válvula

8.1. Conceito A característica da válvula de controle é

definida como a relação entre a vazão através dela e a posição da haste, variando ambas de 0 a 100%. A vazão na válvula depende do sinal de saída do controlador que vai para o atuador. Na definição da característica, admite-se que

1. o atuador da válvula é linear (o deslocamento da haste é proporcional à saída do controlador),

125

2. a queda de pressão através da válvula é constante,

3. o fluido do processo não está em cavitação, flashing ou na vazão sônica (choked)

São definidas duas características da válvula: inerente e instalada. A característica inerente se refere à observada com uma queda de pressão constante através da válvula; é a característica construída e fora do processo. A instalada se refere à característica quando a válvula está em operação real, com uma queda de pressão variável e interagindo com as influências do processo não consideradas no projeto.

8.2. Características da Válvula e do Processo

Para se ter um controle eficiente e estável em todas as condições de operação do processo, a malha de controle deve ter um comportamento constante em toda a faixa. Isto significa que a malha completa do processo, definida como a combinação sensor-transmissor-controlador-válvula-processo-etc. deve ter seu ganho e dinâmicas os mais constantes possível. Ter um comportamento constante significa ser linear.

Na prática, a maioria dos processos é não-linear, fazendo a combinação sensor-transmissor-controlador-processo não linear. Assim, deve-se ter o controlador não-linear para ter o sistema total linear. A outra alternativa é a de escolher o "comportamento da válvula" não-linear, para tornar linear a combinação sensor-transmissor-controlador-processo. Se isso é feito corretamente, a nova combinação sensor-transmissor-processo-válvula se torna linear, ou com o ganho constante. O comportamento da válvula de controle é a sua "característica de vazão".

Fig. 8. 11. Características da válvula

O objetivo da caracterização da vazão é o de fornecer um ganho do processo total relativamente constante para a maioria das condições de operação do processo.

A característica da válvula depende do seu tipo. Tipicamente os formatos do contorno do plug e da sede definem a característica. As três características típicas são linear, igual percentagem e abertura rápida; outras menos usadas são hiperbólica, raiz quadrática e parabólica.

Característica de Igual Percentagem Na válvula de igual percentagem, iguais

percentagens de variação de abertura da válvula correspondem a iguais percentagens de variação da vazão. Matematicamente, a vazão é proporcional exponencialmente à abertura. O índice do expoente é a percentagem de abertura.

O termo "igual percentagem" se aplica porque iguais incrementos da posição da válvula causam uma variação da vazão em igual percentagem. Quando se aumenta a abertura da válvula de 1%,, indo de 20 a 21%, a vazão ira aumentar de 1% de seu valor à posição de 20%. Se a posição da válvula é aumentada de 2%, indo de 60 a 61%, a vazão ira aumentar de 1% de seu valor à posição de 60%. A válvula é praticamente linear (e com grande inclinação) próximo à sua abertura máxima.

A válvula de igual percentagem produz uma vazão muito pequena para grande variação da abertura, no inicio de sua abertura, mas quando está próxima de sua abertura total, pequenas variações da abertura produzem grandes variações de vazão. Ela exibe melhor controle nas pequenas vazões e um controle instável em altas vazões.

Característica Linear Na válvula com característica linear a

vazão é diretamente proporcional à abertura da válvula. A abertura é proporcional ao sinal padrão do controlador, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), se pneumático e de 4 a 20 mA cc, se eletrônico.

A característica linear produz uma vazão diretamente proporcional ao valor do deslocamento da válvula ou de sua posição da haste. Quando a posição for de 50%, a vazão através da válvula é de 50% de sua vazão máxima.

A válvula com característica linear possui ganho constante em todas as vazões. O desempenho do controle e uniforme e independente do ponto de operação.

126

Característica de Abertura Rápida A característica de vazão de abertura

rápida produz uma grande vazão com pequeno deslocamento da haste da válvula. A curva é basicamente linear para a primeira parte do deslocamento com uma inclinação acentuada. A válvula introduz uma grande variação na vazão quando há uma pequena variação na abertura da válvula, no inicio da faixa. A válvula de abertura rápida apresenta grande ganho em baixa vazão e um pequeno ganho em grande vazão. Ela não é adequada para controle contínuo, pois a vazão não é afetada para a maioria de seu percurso; geralmente usada em controle liga-desliga.

Característica Instalada O dimensionamento da válvula se baseia

na queda de pressão através de suas conexões, assumida como constante e relativa à abertura de 100% da válvula. Quando a válvula está instalada na tubulação do sistema, a queda de pressão através dela varia quando há variação de pressão no resto do sistema. A instalação afeta substancialmente a característica e a rangeabilidade da válvula.

A característica instalada é real e diferente da característica inerente, que é teórica e de projeto. Na prática, uma válvula com característica inerente de igual percentagem se torna linear, quando instalada. A exceção, quando a característica inerente é igual à instalação, ocorre quando se tem um sistema com bombeamento com velocidade variável, onde é possível se manter uma queda de pressão constante através da válvula, pelo ajuste da velocidade da bomba.

A característica instalada de qualquer válvula depende dos seguintes parâmetros

1. característica inerente, ou a característica para a válvula com queda de pressão constante e a 100% de abertura,

2. relação da queda de pressão através da válvula com a queda de pressão total do sistema,

3. fator de super dimensionamento da válvula.

É difícil prever o comportamento da válvula instalada, principalmente porque a característica inerente se desvia muito da curva teórica, há não linearidades no atuador da válvula, nas curvas das bombas.

8.3. Escolha de Características A escolha da característica da válvula e seu efeito no dimensionamento é fundamental para se ter um bom controle, em larga faixa de operação do processo. A válvula com característica inerente linear parece ser a mais desejável, porém o objetivo do projetista é obter uma característica instalada linear. O que se deseja realmente é ter a vazão através da válvula e de todos os equipamentos em série com ela variando linearmente com o deslocamento de abertura da válvula. Como a queda de pressão na válvula varia com a vazão (grande vazão, pequena queda de pressão) uma válvula não-linear normalmente fornece uma relação de vazão linear após a instalação.

A escolha da característica correta da válvula para qualquer processo requer uma analise dinâmica detalhada de todo o processo. Há numerosos casos onde a escolha da característica da válvula não resulta em conseqüências serias. Qualquer característica de válvula é aceitável quando

1. a constante de tempo do processo é pequena (processo rápido), como vazão, pressão de líquido e temperatura com misturadores,

2. a banda proporcional ajustada do controlador é estreita (alto ganho),

3. as variações de carga do processo são pequenas; menos que 2:1.

A válvula com característica linear é comumente usada em processo de nível de líquido e em outros processos onde a queda da pressão através da válvula é aproximadamente constante.

A válvula com característica de igual percentagem é a mais usada; geralmente, em aplicações com grandes variações da queda de pressão ou onde uma pequena percentagem da queda de pressão do sistema total ocorre através da válvula.

Quando se tem a medição da vazão com placa de orifício, cuja saída do transmissor é proporcional ao quadrado da vazão, deve-se usar uma válvula com característica de raiz quadrática (aproximadamente a de abertura rápida). A válvula com a característica de vazão de abertura rápida é, tipicamente, usada em serviço de controle liga-desliga, onde se deseja uma grande vazão, logo que a válvula comece a abrir.

127

As recomendações (Driskell) resumidas para a escolha da característica da válvula são

1. Abertura rápida, para controle de vazão com medição através da placa de orifício e com variação da queda de pressão na válvula pequena (menor que 2:1).

2. Linear, para controle de vazão com medição através da placa de orifício e com variação da queda de pressão na válvula grande (maior que 2:1 e menor que 5:1).

3. Linear, para controle de vazão com sensor linear, nível e pressão de gás, com variação de queda de pressão através da válvula menor que 2:1.

4. Igual percentagem, para controle de vazão com sensor linear, nível e pressão de gás, com variação de queda de pressão através da válvula maior que 2:1 e menor que 5:1.

5. Igual percentagem, para controle de pressão de líquido, com qualquer variação da queda de pressão através da válvula.

Como há diferenças grandes entre as características inerente e instalada das válvulas e por causa da imprevisibilidade da característica instalada, deve-se preferir

1. válvula cuja construção tenha uma propriedade intrínseca, como a borboleta e a de disco com abertura rápida,

2. válvula que seja caracterizada pelo projeto, como as com plugs linear e de igual percentagem,

3. válvula digital, que possa ser caracterizada por software,

4. característica que seja obtida através de equipamento auxiliar, como gerador de função, posicionador caracterizado, cam de formato especial. Estes instrumentos são principalmente úteis para a alteração da característica instalada errada.

Em resumo, a característica da válvula de controle deve casar com a característica do processo. Este casamento significa que os ganhos do processo e da válvula combinados resultem em um ganho total linear.

9. Operação da Válvula

9.1. Aplicação da Válvula Antes de especificar e dimensionar uma

válvula de controle, deve-se avaliar se a válvula é realmente necessária ou se existe um meio mais simples e mais econômico de executar o que se deseja. Por exemplo, pode-se usar uma válvula autocontrolada em vez da válvula de controle, quando se aceita um controle menos rigoroso, se quer um sistema econômico ou não se tem energia de alimentação disponível. Em outra aplicação, é possível e conveniente substituir toda a malha de controle de vazão por uma bomba de medição a deslocamento positivo ou por uma bomba centrífuga com velocidade variável. O custo benefício destas alternativas é usualmente obtido pelo custo muito menor do bombeamento, pois não se irá produzir energia para ser queimada na queda de pressão através da válvula de controle.

Quando se decide usar a válvula de controle, deve-se selecionar o tipo correto e dimensiona-se adequadamente. Para a seleção da válvula certa deve-se entender completamente o processo que a válvula controla. Conhecer completamente significa conhecer as condições normais de operação e as exigências que a válvula deve satisfazer durante as condições de partida, desligamento do processo e emergência.

Todas os dados do processo devem ser conhecidos antecipadamente, como os valores da vazões (mínima, normal e máxima), pressão estática do processo, pressão de vapor do líquido, densidade, temperatura, viscosidade. É desejável identificar as fontes e natureza dos distúrbios potenciais e variações de carga do processo.

Deve-se determinar ou conhecer as exigências de qualidade do processo, de modo a identificar as tolerâncias e erros aceitáveis no controle. Os dados do processo devem também estabelecer se a válvula necessita fornecer vedação total, quando fechada, qual deve ser o nível aceitável de ruído, se há possibilidade de martelo d'água, se a vazão é pulsante.

9.2. Desempenho O bom desempenho da válvula de controle

significa que a válvula 1. é estável em toda a faixa de operação do

processo, 2. não opera próxima de seu fechamento

ou de sua abertura total,

128

3. é suficientemente rápida para corrigir os distúrbios e as variações de carga do processo,

4. não requer a modificação da sintonia do controlador depois de cada variação de carga do processo.

Para se conseguir este bom desempenho da válvula, deve-se considerar os fatores que afetam seu desempenho, tais como característica, rangeabilidade inerente e instalada, ganho, queda de pressão provocada, vazamento quando fechada, características do fluido e resposta do atuador.

9.3. Rangeabilidade Um fator de mérito muito importante no

estudo da válvula de controle é a sua rangeabilidade. Por definição, a rangeabilidade da válvula de controle é a relação matemática entre a máxima vazão sobre a mínima vazão controláveis com a mesma eficiência. É desejável se ter alta rangeabilidade, de modo que a válvula possa controlar vazões muito pequenas e muito grandes, com o mesmo desempenho. Na prática, é difícil definir com exatidão o que seja "controlável com mesma eficiência" e por isso os números especificados variam de 10 a 1.000%.

O mais importante é ter bom senso e tratar o conceito de rangeabilidade sob um ponto de vista qualitativo. A rangeabilidade é importante porque

1. diz o ponto em que se espera que a válvula atue em liga-desliga ou perca completamente o controle, devido a vazamentos,

2. estabelece o ponto em que a característica começa a se desviar do esperado.

Fig. 8. 12. Característica e rangeabilidade A rangeabilidade da válvula está associada

diretamente à característica da válvula. A

válvula com característica inerente de abertura rápida está praticamente aberta a 40%, pois ela só fornece controle estável entre 10 e 40% e sua rangeabilidade é de 4:1. A válvula de abertura rápida tem uma ganho variável, muito grande em vazão pequena e praticamente zero em vazão alta. Ela é instável em vazão baixa e inoperante em alta vazão.

A rangeabilidade da válvula com característica inerente linear é de 10:1 pois ela fornece controle entre 10 e 100%. A válvula linear possui ganho (sensibilidade) uniforme em toda a faixa de abertura da válvula, ou seja, a mesma dificuldade e precisão que se tem para medir e controlar 100% da vazão, tem se em 10%. A válvula com característica inerente de igual percentagem tem rangeabilidade de aproximadamente 401, pois ela controla desde 2,5 a 100%. A válvula com igual percentagem possui ganho variável, pequeno em vazão baixa e elevado em vazão alta. Ela possui um desempenho excelente em baixas vazões e é instável para vazões muito elevadas.

Na consideração da rangeabilidade da válvula, é importante se considerar que a rangeabilidade da válvula instalada é diferente da rangeabilidade teórica, fora do processo. A rangeabilidade instalada é sempre menor que a teórica. Isso ocorre porque o Cv instalado é geralmente maior que o Cv teórico. Por exemplo, se o Cv real é cerca de 1,2 do Cv teórico, a máxima vazão controlada pela válvula é cerca de 80% da abertura da válvula. Se a válvula é de igual percentagem, 80% da abertura corresponde a cerca de 50% da vazão. Deste modo, a rangeabilidade é cerca de 50:1, em vez de 100:1.

Lipták define "rangeabilidade intrínseca" como a relação do Cvmax para o Cvmin, entre os quais o ganho da válvula não varie mais que 50% do valor teórico. Por esta definição, a rangeabilidade da válvula linear é maior do que a da válvula de igual percentagem.

10. Vedação e Estanqueidade

10.1. Classificação Qualquer vazão através da válvula

totalmente fechada, quando exposta à pressão diferencial e à temperatura de operação é chamada de vazamento (leakage). O vazamento é expresso como uma quantidade acumulada durante um período de tempo específico, para aplicações de fechamento com vedação completa ou como percentagem da capacidade total, para as válvulas de controle convencionais.

129

Tab. 1. Classificação das Estanqueidades

Classe I Não testadas nem garantidas para vazamentos.

Classe II Especificadas para vazamento menor que 0.5% da vazão máxima.

Classe III Especificadas para vazamento menor que 0.1% da vazão máxima,

Classe IV Especificadas para vazamento menor que 0.01% da vazão máxima.

Classe V Especificadas para vazamento menor que 5 x 10-4 ml/min de vazão d'água por polegada do diâmetro da sede.

Classe VI

Especificadas para válvulas com sede macia e o vazamento e expresso como vazão volumétrica de ar, com pressão diferencial nominal de até 345 kPa.

Não se deve usar uma única válvula para

fornecer simultaneamente as funções de controle e de vedação completa (tight shutoff). As melhores válvulas para bloqueio não são necessariamente as melhores escolhas para o controle.

De acordo com a norma (ANSI B 16.104), as válvulas são categorizadas em seis classes, de acordo com seu vazamento permissível. Estes limites de estanqueidade são aplicáveis apenas à válvula nova, sem uso.

10.2. Fatores do Vazamento Alguns fabricantes listam em seus

catálogos os coeficientes de vazão, Cv, aplicáveis para as válvulas totalmente abertas e os valores dos vazamentos, quando totalmente fechadas. Estes valores só valem para a válvula nova, limpa, operando nas condições ambientes. Após alguns anos de serviço, o vazamento da válvula varia drasticamente, em função da instalação, temperatura, pressão e características do fluido.

A estanqueidade depende da viscosidade dos fluidos; fluidos com viscosidade muito baixa são muito difíceis de serem contidos; por exemplo, dowtherm®, freon®, hidrogênio.

A temperatura afeta o vazamento, principalmente quando o corpo da válvula está a uma temperatura diferente da temperatura do plug ou quando o coeficiente de dilatação termal do material do corpo é diferente do coeficiente do material do plug. Em algumas válvulas, por exemplo, nas borboletas, é prática usual deixar espaçamentos entre o disco e a sede, para acomodar a expansão do disco, quando se tem grandes variações de temperatura do processo. O vazamento será

maior quando se estiver operando em temperaturas abaixo da temperatura de projeto da válvula.

Tensões mecânicas na tubulação onde está instalada a válvula podem também provocar vazamentos na válvula. Por isso deve se tomar cuidados em sua instalação e principalmente no aperto dos parafusos. Deve-se isolar a válvula das forças externas da tubulação, através de suportes.

10.3. Válvulas de Bloqueio Quanto maior a força de assentamento na

válvula, menor é a probabilidade de ocorrer vazamentos. Somente as válvulas pequenas podem suportar grandes forças em suas sedes. Por isso, os materiais da sede devem ser duros, para suportar estas grandes forças de fechamento. Os materiais mais apropriados para aplicações com fluidos não lubrificantes, abrasivos, com alta temperatura são aço Stellite® ou inoxidável endurecido

Por outro lado, os materiais da sede devem ser macios (resilientes) para prover a vedação completa, durante longos períodos. Os materiais padrão são o Teflon e Buna-N®. O Teflon é superior na resistência à corrosão e na compatibilidade à alta temperatura (até 250 oC); o Buna-N é mais macio, mas é limitado a temperaturas menores que 100 oC. Estes materiais devem operar em pressões menores que 3,5 Mpa (500 psig) e com fluidos não abrasivos.

11. Dimensionamento

11.1. Filosofia O dimensionamento da válvula de controle

é o procedimento de calcular o coeficiente de vazão ou o fator de capacidade da válvula, Cv. Este método do Cv é bem aceito e foi introduzido pela Masoneilan, em 1944. Uma vez calculado o Cv da válvula e conhecido o tipo de válvula usada, o projetista pode obter o tamanho da válvula do catálogo do fabricante.

O coeficiente Cv é definido como o número de galões por minuto (gpm) de água que flui através da válvula totalmente aberta, quando há uma queda de pressão de 1 psi através da válvula, a 60 oF. Desse modo, quando se diz que a válvula tem o Cv igual a 10, significa que, quando a válvula está totalmente aberta e com a pressão da entrada maior que a da saída em 1 psi e a temperatura ambiente é de 15,6 oC, sua abertura deixa passar uma vazão de 10 gpm. O Cv é basicamente um índice de capacidade, através do qual o engenheiro é

130

capaz de estimar, de modo rápido e preciso, o tamanho de uma restrição necessária, em qualquer sistema de fluido.

Mesmo que o método de Cv seja usado por todos os fabricantes, as equações para calcular o Cv difere um pouco de fabricante para fabricante. A melhor política é usar a recomendação do fabricante da válvula escolhida. O dimensionamento correto da válvula é feito através de formulas teóricas, baseadas na equação de Bernouille e nos dados de vazão, ou através de ábacos, curvas, réguas de cálculo específicas. Atualmente, a prática mais usada é o dimensionamento de válvula através de programas de computador pessoal.

O dimensionamento correto da válvula, determinado por formulas, régua de cálculo ou programa de computador pessoal, sempre se baseia no conhecimento completo das condições reais da vazão. Freqüentemente, uma ou várias destas condições são assumidas arbitrárias; é a avaliação destes dados arbitrários que realmente determinam o tamanho final da válvula. Nenhuma formula - somente o bom senso combinado com a experiência - pode resolver este problema. Nada substitui um bom julgamento de engenharia. A maioria dos erros no dimensionamento é devida a hipóteses incorretas relativas às condições reais da vazão.

Na prática e por motivos psicológicos, a tendência é super dimensionar a válvula, ou seja, estar do lado mais "seguro". Uma combinação destes vários "fatores de segurança" pode resultar em uma válvula super dimensionada e incapaz de executar o controle desejado.

Aqui serão apresentadas as equações de cálculo da Masoneilan e da Fisher Controls para mostrar as diferenças em suas equações e seus métodos.

A maior diferença ocorre nas equações de dimensionamento de fluidos compressíveis (gás, vapor ou vapor d'água)

11.2. Válvulas para Líquidos A equação básica para dimensionar uma

válvula de controle para serviço em líquido é a mesma para todos os fabricantes.

Q C f xP

v= ( )Δρ

onde

Q = vazão volumétrica

ΔP = queda de pressão através da válvula ou ΔP = P1 - P2 P1 = pressão a montante (antes da válvula) P2 = pressão a jusante (depois da válvula) ρ = densidade relativa do líquido Há outras considerações e correções

devidas à viscosidade, flacheamento e cavitação, na escolha da válvula para serviço em líquido.

11.3. Válvulas para Gases O gás é mais difícil de ser manipulado que

o líquido, por ser compressível. As diferenças entre os fabricantes são encontradas nas equações de dimensionamento para fluidos compressíveis. Estas diferenças são devidas ao modo que se expressa ou se considera o fenômeno da vazão crítica.

A vazão crítica é a condição que existe quando a vazão não é mais função da raiz quadrada da diferença de pressão através da válvula, mas apenas função da pressão à montante. Este fenômeno ocorre quando o fluido atinge a velocidade do som na vena contracta. Assim que o gás atinge a velocidade do som, na vazão crítica, a variação na pressão à jusante não afeta a vazão, somente variação na pressão a montante afeta a vazão.

11.4. Queda de Pressão na Válvula Deve-se entender que a válvula de controle

manipula a vazão absorvendo uma queda de pressão do sistema. Esta queda de pressão é uma perda econômica para a operação do processo, desde que a pressão é fornecida por uma bomba ou compressor. Assim, a economia deve ditar o dimensionamento da válvula, com pequena perda de pressão. A queda de pressão projetada afeta o desempenho da válvula.

Em um sistema de redução de pressão, é fácil conhecer precisamente a queda de pressão através da válvula. Isto também ocorre em um sistema de nível de um líquido, onde o líquido passando de um vaso para outro, em uma pressão constante e baixa. Porém, na maioria das aplicações de controle, a queda de pressão através da válvula deve ser escolhida arbitrariamente.

O dimensionamento da válvula de controle é difícil, porque as recomendações publicadas são ambíguas, conflitantes ou não satisfazem os objetivos do sistema. Não há regra numérica específica para determinar a queda de pressão através da válvula de controle.

Luyben recomenda que a válvula esteja a 50% de abertura, nas condições normais de operação; Moore recomenda que o Cv

131

necessário não exceda 90% do Cv instalado e que a válvula provoque 33% da queda de pressão total, na condição nominal de operação. Outros autores sugerem 5 a 10%. Quanto menor a percentagem, maior é a válvula. Quanto maior a válvula, maior é o custo inicial da instalação mas menor é o custo do bombeamento.

Uma boa regra de trabalho considera um terço da queda de pressão do sistema total (filtros, trocadores de calor, bocais, medidores de vazão, restrições de orifício, conexões e a tubulação com atrito) é absorvido pela válvula de controle.

A pressão diferencial absorvida pela válvula de controle, em operação real, é a diferença entre a coluna total disponível e a necessária para manter a vazão desejada através da válvula. Esta pressão diferencial é determinada pelas características do processo e não pelas hipóteses teóricas do projetista.

Por causa da economia, a queda de pressão através da válvula deve ser a menor possível. Por causa do controle, a queda de pressão através da válvula deve ser a maior possível. Para poder fazer o controle correto, a válvula deve absorver do sistema e devolver para o sistema a queda de pressão. Quando a proporção da queda de pressão através da válvula é diminuída, a válvula de controle perde a habilidade de aumentar rapidamente a vazão. Também, a pequena perda de carga resulta em grande tamanho da válvula e, como conseqüência, maior custo inicial da válvula e uma diminuição da faixa de controle, pois a válvula está super dimensionada.

A quantidade de vazão máxima da válvula deve ser de 15 a 50% acima da máxima vazão requerida pelo processo. As vazões normal e máxima usadas no dimensionamento devem ser baseadas nas condições reais de operação, sem aplicação de qualquer fator de segurança.

Fig. 8. 13. Quedas de pressão ao longo do sistema e na válvula de controle

12. Instalação

12.1. Introdução A decisão mais importante na aplicação de

uma válvula é a sua colocação certa para fazer o trabalho certo. Depois, mas de igual importância, é a sua localização e finalmente, a sua instalação. Todas as três etapas são igualmente importantes para se obter um serviço satisfatório e uma longa vida da válvula.

12.2. Localização da Válvula As válvulas devem ser localizadas em uma

tubulação, de modo que elas sejam operadas com facilidade e segurança. Se não há operação remota, nem manual nem automática, as válvulas devem ser localizadas de modo que o operador possa ter acesso a elas. Quando a válvula é instalada muito alta, além do alcance do braço levantado do operador, ele terá dificuldade de alcança-la e não poderá fecha-la totalmente e eventualmente haverá vazamento, que poderá causar desgaste anormal nos seus internos.

12.3. Cuidados Antes da Instalação As válvulas são geralmente embrulhadas e

protegidas de danos durante seu transporte, pelo fabricante. Esta embalagem deve ser deixada no lugar até que a válvula seja instalada. Se a válvula é deixada exposta, poeira, areia e outros materiais ásperos podem penetrar nas suas partes funcionais. Se estas sujeiras não forem eliminadas, certamente haverá problemas quando a válvula for instalada para operar.

As válvulas devem ser armazenadas onde sejam protegidas de atmosferas corrosivas e de modo que elas não caiam ou onde outros materiais pesados não possam cair sobre elas.

Antes da instalação, é conveniente ter todas as válvulas limpas, normalmente com ar comprimido limpo ou jatos d'água. A tubulação também deve ser limpa, com a remoção de todas as sujeiras e rebarbas metálicas deixadas durante a montagem.

12.4. Tensões da Tabulação A tubulação que transporta fluidos em alta

temperatura fica sujeita a tensões termais devidas a expansão térmica do sistema da tubulação. Por isso, deve se prover expansão para o comprimento de tubulação envolvido, para que estas tensões não sejam transmitidas às válvulas e às conexões.

132

A expansão da tubulação pode ser acomodada pela instalação de uma curva em "U" ou de uma junta de expansão entre todos os pontos de apoio, sempre garantindo que há movimento suficiente para acomodar a expansão do comprimento de tubulação envolvido. Note que a mesma condição existe, mas em direção contraria, quando se tem temperaturas criogênicas (muito baixas). Neste caso, também de se deve prover compensação para a contração da linha.

Fig. 8. 14. Instalação da válvula em local acessível

12.5. Redutores Por questão econômica e para facilitar a

sua operação, é comum se ter o diâmetro da válvula menor do que o da tubulação. Para acomodar esta diferença de diâmetros, usa-se o redutor entre a tubulação e a válvula. O redutor aumenta as perdas e varia o Cv da válvula. O comum é usar um fator de correção, que é a relação dos Cv's, sem e com os redutores. Estes fatores de correção podem ser obtidos dos fabricantes ou levantados experimentalmente.

O efeito dos redutores na vazão crítica é também sentido e deve-se usar o fator de vazão crítica corrigido, que relaciona o Cv da válvula, o Cf da válvula sem os redutores e os diâmetros da válvula e da tubulação.

12.6. Instalação da Válvula Há cuidados e procedimentos que se

aplicam para todos os tipos de válvulas e há especificações especiais para determinados tipos de válvulas.

Quando instalar a válvula, garantir que todas as tensões da tubulação não sejam transmitidas à válvula. A válvula não deve suportar o peso da linha. A distorção por esta

causa resulta em operação ineficiente, obstrução e a necessidade de manutenção freqüente. Se a válvula possuir flanges, será difícil apertar os parafusos corretamente. A tubulação deve ser suportada próxima da válvula; válvula muito pesada deve ter suporte independente do suportes da tubulação, de modo a não induzir tensão no sistema da tubulação.

Quando instalar válvula com haste móvel, garantir que há espaço suficiente para a operação da válvula e para a remoção da haste e do castelo, em caso de necessidade de manutenção local.

É conveniente instalar a válvula com a haste na posição vertical e com movimento para cima; porém, muitas válvulas podem ser instaladas com a haste em qualquer ângulo. Quando instalar a válvula com a haste se movimentando para baixo, o castelo fica abaixo da linha de vazão, formando uma câmara para pegar e manter substancias estranhas. Estas sujeiras, se presas, podem eventualmente arruinar a haste interna ou os filetes de rosca.

13. Parâmetros de Seleção Tão importante quanto a escolha do

elemento sensor e do controlador do processo, é a seleção da válvula de controle.

Os fatores que orientem e determinam a escolha da melhor válvula se referem principalmente à aplicação e à construção. Os parâmetros ligados à aplicação são fluido do processo, função da válvula, condições do processo, vedação da vazão, queda de pressão. Os fatores relacionados com a construção incluem o atuador, elemento de controle, conexões, materiais, engaxetamento, sede, internos .

O primeiro passo na seleção da válvula é o de determinar exatamente o que é esperado da válvula, ou seja, qual a função a ser desempenhada pela válvula depois dela ter sido instalada. Esta avaliação correta da função estreita os tipos de válvulas convenientes para a aplicação. Em muitas aplicações, há vários tipos de válvulas que funcionarão igualmente bem e a escolha pode ser baseada somente em fatores como custo e disponibilidade. Para outras aplicações, pode ser que a melhor escolhe é uma válvula não disponível industrialmente; a solução é mandar construir uma válvula especial ou usar a disponível que apresente mais vantagens, embora não seja a ideal.

133

13.1. Função da Válvula Para o controle proporcional e contínuo do

processo, variando o valor da abertura, a válvula mais padrão é a globo, que é a mais estável e previsível das válvulas.

Para o controle liga-desliga, as melhoras escolhas são as válvulas globo, esfera, gaveta e com plug. As válvulas esfera e de plug normalmente executam abertura mais rápida que as válvulas gaveta e globo.

Para o controle da direção da vazão do fluido, usa-se a válvula de retenção, que bloqueia a vazão em uma direção e permite a passagem normalmente na outra direção ou a válvula de restrição que permite a passagem de uma determinada vazão, em uma ou mais direções especificadas. As válvulas com portinhola (swing) são as preferidas.

Para a resposta rápida para a abertura para sobrepressão e grande vazão para a exaustão, deve-se usar as válvulas de alívio e de segurança. A válvula padrão é a poppet, acionada por mola.

13.2. Fluido do Processo O fluido do processo passa dentro do

corpo da válvula. As propriedades do fluido manipulado devem ser conhecidas. Estas propriedades incluem densidade, viscosidade, corrosividade e abrasividade. Fluido é um termo genérico que pode significar gás, vapor, líquido puro ou líquido com sujeira (slurry). É importante analisar o sistema para ver se mais de um fluido passa através da válvula.

Quando se manipulam fluidos que podem causar deposição de contaminantes, deve-se usar válvula com o mínimo de obstrução à vazão, como esfera, gaveta, globo ou diafragma.

As válvulas esfera e globo são as recomendadas para a manipulação de vapor a alta pressão.

13.3. Perdas de Atrito do Fluido Os vários tipos de válvulas exibem quedas

de pressão diferentes, quando totalmente abertas e por isso este fator deve ser considerado na seleção.

Um sistema típico que requer uma perda de pressão limitada é a tubulação de sucção de uma bomba. No projeto de tal sistema, deve se considerar a altura total da sucção, que deve incluir perdas internas da bomba, lift estático de sucção, perdas de atrito, pressão de vapor e condições atmosféricas. É necessário diferenciar entre a altura necessária e a disponível. A altura necessária se refere as perdas internas da bomba e é determinada por

teste de laboratório. A altura disponível é uma característica do sistema de sucção e pode ser calculada. A altura disponível sempre deve exceder a altura requerida pela bomba.

13.4. Condições de Operação As pressões e temperaturas máximas e

mínimas devem ser conhecidas. A resistência à corrosão do material de construção da válvula pode ser influenciada por estes fatores, principalmente quando se tem corpos e revestimentos de plástico.

O controle de vazão em alta pressão geralmente requer o uso de válvula esfera ou globo, eventualmente válvula gaveta.

Em aplicações de alta temperatura, deve-se cuidar para que a expansão termal não cause deformação nas partes molhadas da válvula.

13.5. Vedação Quase todas as válvulas podem prover

vedação total, quando totalmente fechadas, porém, muitas vezes, com alto custo e complexidade de construção. Assim, existem alguns tipos que fornecem vedação de modo natural e mais simples, como as válvulas esfera, gaveta, globo e de plug. A pior válvula para vedação é a borboleta.

Geralmente a válvula de controle não é aplicada para prover vedação completa, mas para trabalhar com aberturas típicas e variáveis entre 25 e 85%, dependendo de sua característica de vazão. Quando se quer vedação total, quando não há controle, é boa prática usar uma válvula de bloqueio (stop) em série com a válvula de controle.

13.6. Materiais de Construção O material de construção da válvula está

relacionado diretamente com as propriedades de corrosividade e abrasividade do fluido que irá passar pela válvula. A escolha da válvula pode ficar limitada pela disponibilidade das válvulas em materiais específicos.

Às vezes, por questão econômica, deve se considerar separadamente o material do corpo e dos internos (plug, haste, anel, disco .) da válvula. Para certos tipos de válvulas revestidas, como a diafragma, Saunders, o material do revestimento normalmente é diferente do diafragma elástico.

A combinação da pressão, da temperatura de operação e das características do fluido determinam os materiais de construção permissíveis. Os líquidos e gases corrosivos normalmente requerem aços inoxidáveis, ligas de níquel, materiais cerâmicos e plásticos

134

especiais. Para serviço em alta pressão e/ou alta temperatura, deve-se considerar os vários tipos de aços, ligas de níquel, ligas de titânio e outros materiais de alta resistência. Para serviço em vapor d'água, considerar o aço carbono, bronze e metais similares. Em todos os casos de condições severas de uso, deve-se consultar a literatura dos fabricantes para determinar a conveniência de uma determinada válvula.

13.7. Elemento de Controle O tipo do elemento de controle ou de

fechamento determina o tipo da válvula a ser usado. Inversamente, a escolha do tipo da válvula determina o tipo do elemento de fechamento. Os elementos mais comuns são a esfera, disco, cunha, plug e agulha.

As peças da válvula que ficam em contato direto com o fluido do processo são chamadas de partes molhadas. Os formatos e variedades destas partes dependem do tipo da válvula; os mais comuns são a haste, plug, gaiola, sede ou assento . Em muitas válvulas, usa-se selos em torno da haste, para prover vedação para o exterior da válvula. Estes selos estão sujeitos a desgaste e por isso devem ser substituídos periodicamente.

Há muitos estilos de sedes de válvula, com diferenças de geometria, material e rigidez . Os formatos determinam a característica da válvula (vazão x abertura da válvula) e sua capacidade de vedação, quando totalmente fechada.

Efetivamente, há apenas quatro métodos básicos de controlar a vazão em uma tubulação, através de uma válvula

1. mover um disco ou um obturador (plug) em ou contra um orifício, como feito na válvula globo, ângulo, Y e agulha.

2. deslizar uma superfície plana, cilíndrica ou esférica através de um orifício, como feito na válvula gate, plug, esfera e de pistão.

3. rodar um disco ou elipse em torno de um eixo, através do diâmetro de uma caixa circular, como feito na válvula borboleta e no damper.

4. mover um material flexível na passagem da vazão, como feito na válvula diafragma e pinch.

Todas as válvulas atualmente disponíveis controlam a vazão por um ou mais de um dos métodos acima. Muitos refinamentos foram feitos e melhorias incorporadas nos projetos com as novas tecnologias e novos materiais. Cada tipo de válvula tem sua aplicação ótima. Cada tipo de válvula foi projetado para uma função específica e quando usada para

desempenhar esta função, a válvula opera corretamente e tem longa vida.

O movimento do elemento de controle da vazão é conseguido por meio de uma haste que é fixada ao elemento de controle e gira, move ou combina estes dois movimentos, de modo a estabelecer a sua posição. As exceções são as válvulas de retenção (check) e algumas válvulas de segurança e auto-reguladas, que são operadas pelas forças do fluido dentro da zona de pressão.

14. Tipos de Válvulas Há muitos tipos de válvulas de controle no

mercado. Quase todo mês aparece um válvula de controle "nova e melhorada", tornando difícil a sua classificação.

O número de válvulas usadas para o controle de fluidos é elevado, com válvulas variando de simples dispositivos de liga-desliga até sistemas de servomecanismo complexos. Seus tamanhos variam de pequeníssimas válvulas medidoras usadas em aplicações aeroespaciais até válvulas industriais com diâmetros de vários metros e pesando centenas de quilos. As válvulas controlam a vazão de todos tipos de fluidos, variando de ar e água até produtos químicos corrosivos, sujos, metais líquidos e materiais radioativos. Elas podem operar em pressões na região do vácuo até pressões de 100 000 psig e temperaturas variando da faixa criogênica até as faixas de metais derretidos. Eles podem ter tempo de vida variando de apenas um ciclo até milhares de ciclos, sem a necessidade de reparo ou substituição. As válvulas podem ter exigência de vedação total, onde pequenos vazamentos podem ser catastróficos ou elas podem ser complacentes, permitindo a passagem de quantidades razoáveis de fluido quando totalmente fechadas, sem que isso seja grave. As válvulas podem ser operadas por uma variedade de modos manual, pneumático, elétrico . Elas podem responder de um modo previsível a sinais provenientes de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis do processo ou podem simplesmente abrir e fechar independentemente da potência do sinal de atuação.

Aproximadamente todas as válvulas em uso hoje podem ser consideradas como modificações de alguns poucos tipos básicos. As válvulas podem ser classificadas de diferentes modos, tais como tamanho, função, material, tipo do fluido manipulado, classe de pressão, modo de atuação . Há válvulas com princípios de funcionamento já do domínio público, outras que ainda estão patenteadas e são propriedades e fabricadas por uma única

135

firma. Um modo conveniente de classificar as válvulas é de acordo com a natureza do meio de operação empregado. Este modo é esquemático e simples, pois todas as válvulas caem em uma das oito categorias gaveta, globo, esfera, borboleta, plug, pinch, poppet, swing. Por exemplo, numa indústria petroquímica, 90% de todas as válvulas usadas são dos tipos gaveta, globo, retenção, esfera, borboleta e plug.

A seguir serão vistos a descrição, uso, vantagens e desvantagens de cada um dos tipos acima.

14.1. Válvula Gaveta

Descrição A válvula gaveta é caracterizada por um

disco ou porta deslizante que é movida pelo atuador na direção perpendicular à vazão do fluido. Há muitas variações na sede, haste e castelo das válvulas gaveta. Elas são disponíveis em vários tamanhos e pesos.

A norma API 600-1973 define e descreve as duas principais classificações para a válvula gaveta cunha (wedge) e com disco duplo; a mais popular na indústria petroquímica é tipo cunha.

A válvula gaveta tipo cunha é disponível em três configurações diferentes cunha sólida plana, cunha sólida flexível e cunha partida.

Fig. 8. 15. Válvula gaveta em angulo A válvula gaveta cunha sólida flexível se

tornou mais popular que a sólida plana, dominando o mercado. Ela possui melhor desempenho de selagem, requer menor torque operacional e apresentar menor desgaste no material da sede. O único fator negativo é sua construção mecânica que não fornece alívio de pressão para o corpo da válvula. Recomenda-se especificar um furo de vent no lado a montante da cunha, para evitar pressão elevada na cavidade do corpo.

Vantagens 1. Na posição totalmente aberta, a gaveta

ou o disco fica fora da área de vazão do fluido, provocando pequena queda de pressão e pouca turbulência.

2. Na posição totalmente fechada ela fornece uma excelente vedação.

3. Sua geometria fica relativamente livre de acumulo de contaminantes.

4. Sua construção possui a maior faixa de aceitação para a temperatura e pressão do fluido.

5. Quase todo tipo de metal pode ser usado e trabalhado para seus componentes.

Fig. 8. 16. Válvulas gaveta

Desvantagens As numerosas vantagens da válvula gaveta

não a tornam a válvula universal. Ela possui as seguintes limitações e inconvenientes

1. A abertura entre a gaveta e o corpo da válvula, durante a subida ou descida, provoca distúrbios na vazão do fluido, resultando em vibração indesejável e causando desgaste ou erosão da gaveta.

2. A turbulência do fluido pode também ser causada pelo movimento de subida ou descida da gaveta. A válvula gaveta é vulnerável à vibração, quando praticamente aberta e é sujeita ao desgaste da sede e do disco.

3. O ganho da válvula é muito grande, quando ela está próxima de sua abertura total. Isto significa que a operação da válvula é instável na operação próxima de sua abertura total.

4. A lâmina percorre uma grande distancia entre as posições totalmente aberta e fechada; como conseqüência, válvula gaveta possui resposta lenta e requer grandes forças de atuação.

136

Aplicações e Restrições A válvula gaveta é o tipo mais

freqüentemente especificado e corresponde a cerca de 70 a 80% do total de válvulas da indústria petroquímica. A principal razão de sua popularidade é que a planta petroquímica necessita de válvulas de bloqueio e de válvulas liga-desliga.

A válvula gaveta é ideal para aplicações de bloqueio (totalmente fechada) e de controle liga-desliga, onde ela opera ou totalmente aberta ou totalmente fechada e não necessitam ser operadas com grande freqüência. Ela é conveniente para aplicações com alta pressão e alta temperatura e para uma grande variedade de fluidos.

Os fatores limitantes tornam a válvula gaveta inadequada para controle contínuo, para manipular fluidos em velocidades muito elevadas ou para serviço requerendo operação rápida e freqüente da válvula. Não se recomenda usar a válvula gaveta em serviço de vapor d'água.

A válvula gaveta com disco duplo é projetada de modo que o ângulo da cunha siga flexivelmente os vários ângulos da sede da válvula. Esta construção única mantém um alto desempenho de selagem, mesmo que o corpo da válvula seja deformado. A válvula gaveta com disco duplo é usada em serviço criogênico ou em altíssima temperatura, onde o corpo da válvula pode se deformar com a variação da temperatura do processo.

A válvula gaveta resistente a corrosão Classe 150 é descrita na norma API 603-1977. O corpo da válvula é feito de aço inox tipo 304, 316 ou 347 ou Alloy 20, que apresenta resistência à corrosão da maioria dos produtos petroquímicos.

A válvula gaveta de aço carbono compacta, descrita na norma API 602-1974, é largamente usada em linhas de dreno, linhas de bypass ou com instrumentos na tubulação de processo. A válvula compacta pode ser disponível também na versão resistente à corrosão.

A válvula gaveta de ferro fundido, descrita na norma API 593-1973, é usada em aplicações com água de utilidade, água do ar e vapor d'água à baixa pressão.

14.2. Válvula Esfera

Descrição A válvula tipo esfera possui um obturador

esférico, que se posiciona dentro de uma gaiola. Outro tipo de válvula esfera consiste em um obturador esférico, com uma abertura. Quando o eixo de abertura coincide com o eixo da vazão, tem-se a máxima vazão. Quando o eixo da abertura é perpendicular à tubulação, a válvula está fechada.

A válvula esfera é basicamente uma esfera alojada em um invólucro. A rotação da esfera de 90o muda a posição de totalmente aberta para totalmente fechada. A esfera pode ser fixa ou flutuante, com porte reduzido ou total. As válvulas esfera são disponíveis em uma variedade de tamanhos e com vários mecanismos de atuação.

A válvula esfera pode ser considerada um tipo modificado da válvula plug; em vez do plug tem-se a esfera polida com um furo que gira, para dar passagem ou bloquear a vazão.

A válvula do tipo esfera flutuante suporta a esfera com dois assentos esféricos colocados no corpo da válvula, um no lado da entrada e outro no lado da saída. Ela construção mecânica simples torna esta válvula mais popular que as outras do tipo esfera. A pressão a montante empurra a esfera e a esfera comprime a sede da bola do lado a jusante, para bloquear a vazão do fluido.

Fig. 8.17. Esquema de válvula esfera

Vantagens As características da válvula esfera são 1. mudança pequena na direção da vazão

dentro do corpo da válvula, resultando em pequena queda de pressão. A resistência à vazão é semelhante à da válvula gaveta.

2. a rotação da esfera de 90 graus fornece uma operação completa da válvula. Diferente das válvulas globo e gaveta, que requerem espaço vertical para o deslocamento da haste, a operação é

137

fácil e o tamanho da válvula pode ser muito pequeno.

3. A abertura da válvula e a quantidade da vazão podem ser determinadas muito precisamente, tornando-a adequada para controle proporcional, embora sua aplicação principal seja em operação de liga-desliga.

4. Ela prove boa vedação, quando totalmente fechada.

5. Elas são de operação rápida e relativamente insensíveis à contaminação.

Fig. 8. 18. Válvula esfera flutuante

Desvantagens As principais limitações da válvula são 1. A sede da válvula esfera pode ser

sujeitas à distorção, sob a pressão de um selo, nos espaçamentos entre metais, quando a válvula é usada para controle.

2. O fluido entranhado na esfera na posição fechada pode causar problemas.

3. Por causa de sua abertura rápida, a válvula esfera pode causar os indesejáveis golpe de aríete ou pico de pressão no sistema.

Aplicações e restrições A válvula esfera é usada em controle

contínuo, quando de pequeno tamanho. Ela é mais adequada para serviço de desligamento (shutoff). Ela podem manipular fluidos corrosivos, líquidos criogênicos, fluidos muito viscosos e sujos. Elas podem ser usadas em alta pressões e medias temperaturas. Há limitação desfavorável da temperatura por causa do uso de elastômeros na sede da válvula.

A válvula esfera não é recomendada para controle contínuo, pois quando ela estiver parcialmente aberta, o aumento da velocidade do fluido pode danificar os assentos da esfera expostos ao fluido.

14.3. Válvula Borboleta

Descrição A válvula borboleta possui este nome por

causa do formato da combinação disco-haste. É uma válvula totalmente diferente da convencional com sede-obturador-haste.

A válvula borboleta consiste de um disco, com aproximadamente o mesmo diâmetro externo que o diâmetro interno do corpo da válvula, que gira em torno de um eixo horizontal ou vertical, perpendicular à direção da vazão. O disco atua como basculante na posição completamente paralela à direção da vazão, válvula está aberta; na posição perpendicular à direção da vazão, a válvula está fechada. Como ela não veda perfeitamente, pode haver pequeno vazamento.

Fig. 8. 19. Válvula borboleta tipo flauta

A válvula borboleta típica consiste de um

disco que pode girar em torno de um eixo, em um corpo fechado. O disco fecha contra um anel selante, para fechar a vazão. Vários mecanismos de atuação, como alavanca e cam podem ser usados para operar a válvula.

A norma API 609-1973 Butterfly valves descreve e define os principais tipos de válvulas borboleta, embora não especifique a sua construção mecânica.

Fig. 8. 20. Elemento de controle da válvula borboleta

138

Vantagens As vantagens da válvula borboleta são 1. Produzir uma queda de pressão muito

pequena, quando totalmente aberta. 2. Ser barata, leve, de comprimento

pequeno (raramente flangeada). O diâmetro da válvula pode ser do mesma dimensão que a tubulação.

3. Possuir construção e operação extremamente simples.

4. Fornecer controle liga-desliga e contínuo. 5. Manipular grandes vazões de água,

líquidos contendo sólidos e gases sujos.

Fig. 8. 21. Válvula borboleta

Desvantagens 1. A vedação da válvula borboleta é

relativamente baixa, a não ser que seja usado selo especial. O selo é geralmente danificado pela vazão com alta velocidade.

2. Estas válvulas usualmente requerem grandes forças de atuação e são limitadas a sistemas de baixa pressão.

3. Quando usam materiais elastômeros na sede, há limitação de temperatura (90 oC).

Fig. 8.22. Posições da válvula borboleta

Aplicações As válvulas borboleta são usadas

geralmente em sistemas de baixa pressão, onde não se necessita de vedação completa. Elas são normalmente usadas em linhas de grandes diâmetros.

Válvula Swing A válvula swing é semelhante à borboleta,

exceto que elas giram em torno de um lado e não ao longo do diâmetro. Elas podem ser atuadas pela vazão, por molas de torsão, por alavancas .

As válvulas swing são usadas principalmente como válvulas de retenção, para bloquear a vazão em uma direção.

As válvulas swing possuem praticamente todas as vantagens das válvulas borboleta pequena queda de pressão, pequeno peso e custo relativamente pequeno.

A vedação da válvula swing é muito alta, são sujeitas à deposição de contaminantes e introduz turbulência em baixas vazões. As superfícies de selagem sofrem erosão, quando o fluido está em alta velocidade.

Fig. 8. 23. Válvula swing para retenção

14.4. Válvula Globo

Descrição É uma válvula com o corpo esférico, com

sede simples ou dupla, com obturador guiado pela haste ou pela gaiola e que pode apresentar várias características diferentes liga-desliga, linear, igual percentagem.

Há três tipos principais de válvulas na família globo, ângulo e Y. Elas são caracterizadas por um elemento de fechamento, geralmente um disco ou plug, que é movido por uma haste atuadora, perpendicular à sede em forma de anel. A vazão passa da entrada para a saída, através da sede. Os três tipos diferem principalmente na orientação da sede em relação à direção da vazão através da válvula.

A válvula tipo Y é uma versão modificada da válvula globo. O corpo da válvula é construído de modo que as mudanças na direção do fluido dentro do corpo são minimizadas; é também chamada de válvula globo de vazão reta.

139

A válvula globo não é definida por nenhuma norma API. A indústria petroquímica usa a norma inglesa 1873-1975 Steel globe and globe stop and check valves for the petroleum, petrochemical and allied industries.

Fig. 8. 24. Válvula globo em ângulo

Vantagens As válvulas globo são, geralmente, mais

rápidas para abrir ou fechar que a válvula gaveta. As superfícies da sede são menos sujeitas a desgaste e a capacidade de provocar grandes quedas de pressão torna a válvula globo conveniente para controle. A válvula globo é favorita para aplicações de controle liga-desliga, quando há operação freqüente da válvula, por causa do deslocamento pequeno do disco.

Fig. 8. 25. Válvula globo guiada pela gaiola

Desvantagens As válvulas globo provocam grande perda

de pressão; isto pode ser indesejável em muitos sistemas. A direção da vazão é alterada repentinamente, quando o fluido atinge o disco, causando uma grande turbulência no corpo da válvula. Em grandes tamanhos, elas requerem muita potência para operar, necessitando de alavancas, engrenagens. As válvulas globo são normalmente mais pesadas do que outras válvulas de mesma especificação.

A turbulência do fluido na passagem pela abertura da válvula globo causa vibração no disco, resultando em estrago da haste. Para evitar isso, deve se projetar um guia especial do disco, principalmente em serviço com alta velocidade do fluido.

Fig. 8. 26. Válvula globo Y

Aplicações As válvulas globo são usadas

principalmente como válvulas de controle contínuo; elas podem ser consideradas como uma válvula de controle de vazão de uso geral. Neste aplicação, a válvula globo é projetada com a sede do corpo com material mais duro, já que o serviço severo pode causar desgaste e erosão. Para controle mais fino da vazão, usa-se a válvula agulha, que é uma versão modificada da válvula globo. A válvula Y é usada para controle contínuo e controle liga-desliga de líquidos sujos (slurry) e de alta viscosidade. A válvula globo pequena, feita de liga de cobre, é usada freqüentemente em linhas de gás domesticas ou em serviço de baixa pressão, com disco de plástico para garantir boa vedação.

(a) sede simples (b) sede dupla

Fig. 8. 27. Válvula globo

140

14.5. Válvula Auto-regulada

Conceito O regulador é uma válvula de controle com

um controlador embutido. Ele é operado pela energia do próprio fluido sendo controlado e não necessita de fonte externa de energia. O regulador é chamado de válvula auto-operada, auto-regulada, reguladora.

Vantagens do Regulador A vantagem principal é o menor custo do

regulador em relação ao custo total da malha convencional com o transmissor, o controlador e a válvula de controle. O regulador é mais barato no custo inicial, na instalação e na manutenção, principalmente quando as linhas de processo são pequenas. Quando as aplicações requerem válvulas maiores, a economia começa a tender para os sistemas completos.

O regulador requer menor espaço e menor trecho da tubulação para a sua instalação e operação.

A não necessidade de alimentação torna a válvula auto-operada mais conveniente para aplicações em lugares remotos e inacessíveis. O regulador não está sujeito a falta de alimentação e por isso o sistema é mais seguro, porém o funcionamento da válvula auto-operada em si não é mais seguro ou confiável que o funcionamento da válvula de controle convencional.

Fig. 8. 28. Válvula auto-regulada de temperatura

Como o regulador não requer fonte externa de energia ele é inerentemente seguro e pode ser usado em qualquer local perigoso, pois sua presença não compromete a segurança. As válvulas com atuador eletrônico requerem classificação elétrica especial, como prova de explosão, segurança intrínseca.

Desvantagens do Regulador O ponto de ajuste é provido manualmente e

não é possível o ajuste remoto. A precisão e a resolução do ajuste do ponto de ajuste são precárias.

O controle só pode ser proporcional, com banda proporcional fixa. Não é possível a combinação com os outros modos, integral e derivativo.

É limitado a poucas aplicações, podendo ser usado para o controle de pressão, temperatura e nível, em determinadas faixas e sob condições muito restritivas.

É pouco preciso e não possui indicações da variável medida.

É puramente mecânico e incompatível com os sinais elétricos de termopar, bulbo de resistência, contato . Há ainda a pequena flexibilidade com os acessórios, como o posicionador, a chave limite, o volante manual, a solenóide .

Regulador de Pressão O regulador de pressão é o dispositivo para

reduzir a pressão, para controlar o vácuo e a pressão diferencial. Ele pode ser aplicado a gases, líquidos e vapores.

O diafragma é o componente básico responsável pela operação do regulador. O diafragma compara o ponto de ajuste, que é convertido em uma força pela compressão ajustável da mola com a pressão a ser regulada, que é convertida em outra força de diafragma em si e ajusta a abertura da válvula para reduzir o erro entre estas duas pressões. Assim o diafragma é, simultaneamente, o elemento de realimentação, o dispositivo de detecção de erro e o atuador.

A ruptura do diafragma é a falha mais comum no regulador. A maioria dos reguladores falha na posição totalmente aberta quando o diafragma falha. Em aplicações críticas, uma solução seria o uso de dois reguladores em série, com o segundo regulador ajustado em um valor maior que o primeiro, por exemplo, 20%. Ele ficará totalmente aberto em operação normal e será o responsável pela regulação somente durante a falha do primeiro.

O regulador de pressão deve ser instalado com filtro a montante, com purgador-separador de condensado, quando houver vapor. Deve

141

haver trechos retos antes e depois do regulador.

Regulador de Temperatura Um regulador de temperatura é um

dispositivo controlador que inclui o elemento sensor termal, a entrada de referência e a válvula de controle. O sistema é auto-atuado a energia para a atuação da válvula é suprida pelo processo.

Há basicamente dois tipos, conforme a atuação da válvula atuado diretamente e atuado por piloto.

No tipo de atuação direta, a unidade de potência (diafragma, fole) do atuador termal está conectada diretamente a haste da válvula e desenvolve a força e o deslocamento necessários para abrir-fechar a válvula. O regulador atuado diretamente é mais simples, mais econômico e tem um controle mais proporcional.

No tipo atuado por piloto, o atuador termal move uma válvula piloto, que controla o valor da pressão do fluido que passa pela válvula através de um diafragma ou pistão, que estabelece a posição da haste da válvula principal. O regulador com piloto possui bulbo menor, resposta mais rápida, maior ganho e pode atuar em válvulas de alta pressão. A instalação adequada inclui a correta localização do bulbo, onde as variações de temperatura são prontamente sentidas e onde não ha perigo de dano.

Regulador de Nível O regulador de nível é um instrumento que

é atuado pela variação de nível do líquido do processo. Ele não necessita de suprimento de energia e por isso é auto-atuado.

Os principais tipos são do tipo bóia direta e bóia piloto.

O mais simples regulador de nível consiste de uma alavanca atuada por uma bóia flutuadora e que atua diretamente na válvula de controle.

O regulador com bóia piloto é mais versátil e sensível. Neste sistema a alavanca da bóia atua um relé pneumático. A válvula de controle é assim operada por pressão pneumática.

Fig. 8. 29. Reguladora com piloto

Regulador de Vazão O regulador de vazão usa a energia do

próprio líquido a ser medido, para sua operação. Ele normalmente possui uma restrição para provocar a pressão diferencial e utilizar esta mesma pressão diferencial para atuar em um pistão, que por sua vez, controla a vazão.

O regulador contem em um único dispositivo os três elementos de controle primário-controlador-final. O ponto de ajuste é estabelecido externamente. Quando a vazão atinge o ponto de ajuste estabelecido, a válvula de controle integral impede qualquer acréscimo de vazão.

O regulador é um dispositivo utilizado em sistemas onde a precisão não é crítica, como em sistemas de irrigação e distribuição de água.

Conclusões Mesmo na época dos controladores a

microprocessador, que serão a base do controle do próximo século, ainda há aplicações válidas para o regulador desenvolvido no século passado.

O regulador ainda é usado para aplicações pouco exigentes e em locais onde não é disponível nenhuma fonte de energia. Ele justifica a sua aplicação, por causa de sua simplicidade e economia.

142

15. Válvulas Especiais

15.1. Válvula Retenção (Check Valve) As válvulas de retenção são projetadas

unicamente para evitar a vazão no sentido inverso em uma tubulação, que perturba o processo seriamente e pode até causar acidente. A pressão do fluido vazante abre a válvula e o peso do mecanismo de retenção e qualquer reversão da vazão a fecha, automaticamente.

Há diferentes tipos de válvulas de retenção portinhola (swing), com levantamento de disco ou esfera (lift), disco, retenção-bloqueio, tipo sanduíche (wafer). A seleção do tipo mais conveniente depende da temperatura, da queda de pressão disponível e da limpeza do fluido.

Fig. 8. 30. Válvula de retenção com portinhola

A válvula de retenção padrão é a com

portinhola (swing), que abre com a pressão da linha, onde a vazão no sentido normal faz o disco se afastar do assento. Ela se fecha quando a pressão cai e fica totalmente fechada, quando o disco é mantido contra o anel do assento pelo seu peso ou por mecanismos externos ligados ao eixo estendido através do corpo da válvula. Elas podem operar na posição vertical (vazão para cima) ou horizontal.

A válvula de retenção com portinhola é usada em velocidades baixas do fluido, onde a reversão da vazão é rara. As suas características são a baixa resistência à vazão, a baixa velocidade e a mudança de sentido da vazão pouco freqüente. Uma reversão repentina da vazão do fluido pode fazer o disco martelar a sede, danificando-a ou se danificando.

Uma vazão pulsante pode fazer a válvula de retenção com portinhola oscilar continuamente, danificando a sede, a portinhola ou ambas. Este problema pode ocorrer também quando a força da velocidade do fluido não é suficiente para manter a posição da portinhola estável.

A válvula de retenção é geralmente fechada pela pressão da vazão reversa e o pelo peso do disco. Se o disco pode ser fechado logo antes do inicio da vazão reversa, o martelo d'água pode ser evitado. Porém, a maioria das válvulas de retenção precisa da ajuda da vazão reversa para fechar o disco. A massa e a velocidade do fluido da vazão reversa causam grande martelo d'água contra a sede do corpo da válvula. Podem ser usadas molas para proteger contra o martelo d'água, porém a adição da mola requer mais pressão para abrir o disco e aumenta a resistência do fluido e a queda de pressão.

Semelhante às válvulas de controle, as de retenção são disponíveis em diferentes materiais, como bronze, ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável, aços especiais .

As conexões podem ser rosqueadas, flangeadas, soldadas e tipo wafer. As modernas válvulas são disponíveis com corpo no estilo wafer; elas possuem extremidades planas e sem flanges e são instaladas entre flanges da tubulação.

Fig. 8. 31. Válvula de retenção tipo levantamento (lift)

143

15.2. Válvulas de Retenção Tipo Levantamento

Nas válvulas de retenção tipo levantamento (lift), um disco ou uma esfera é levantada da sede, dentro de guias, pela pressão de entrada da vazão. Quando a vazão para ou inverte de sentido, o disco volta para o assento, por causa da gravidade ou pela ação de uma mola e pela pressão da vazão.

A válvula de retenção tipo levantamento pode ser usada em ambas as posições, horizontal e vertical. Ela possui alta resistência à vazão e é usada principalmente em tubulações de 1 1/2" ou menores.

Em geral, a válvula de retenção lift requer queda de pressão relativamente alta. Elas possuem uma construção interna semelhante à da válvula globo. Suas características de operação são mudança freqüente do sentido da vazão e prevenção de vazão inversa. Elas são usadas com válvulas globo ou de ângulo.

15.3. Válvulas de Retenção Esfera Esta válvula de retenção é similar à válvula

lift, exceto que o disco é substituído por uma esfera, que pode girar livremente. Elas são limitadas a serviço de fluidos viscosos e são disponíveis apenas em pequenos diâmetros.

15.4. Válvulas de Retenção Borboleta

As válvulas de retenção tipo borboleta tem uma geometria similar à válvula de controle, de modo que elas podem ser usadas em conjunto. As características de operação da válvula de retenção borboleta são resistência mínima à vazão, mudança freqüente de sentido e uso em linhas equipadas com válvulas de controle borboleta. Elas podem ser usadas na posição vertical ou horizontal, com a vazão vertical subindo ou descendo.

15.5. Válvula de Retenção e Bloqueio A válvula de retenção e bloqueio (stop

check) combina as características de retenção (vazão em somente um sentido) e de bloqueio (vazão zero, quando totalmente fechada). Ela é composta de uma válvula de retenção com levantamento do disco e uma válvula globo. Quando a haste é levantada para a abertura total, a válvula opera como uma de retenção normal. Quando a haste move para baixo, para fazer o fechamento total, a válvula funciona como uma de bloqueio globo.

A válvula de retenção-bloqueio é usada particularmente em casas de força, para serviço com vapor. Ela possui um disco

flutuante que levanta sob condições de vazão, como a força da pressão da caldeira de vapor. Suas principais aplicações incluem

1. evitar a vazão reversa do vapor do header principal,

2. ajudar a colocar a caldeira em serviço, depois de ter sido desarmada (shutdown),

3. ajudar a desligar a caldeira, quando a queima parar,

4. agir como uma válvula de segurança imediata, evitando a vazão de vapor de volta para o header.

A norma API Spec. 6D "Pipeline valves" descreve os tipos regulares de válvulas de retenção tipo portinhola.

16. Válvula de Alívio de Pressão

16.1. Função do Equipamento A função básica de um equipamento de

alívio é a de aliviar uma condição de sobrepressão de um sistema de modo automático, econômico e eficiente. A função adicional é a de conter o sistema de pressão, durante o tempo em que a sobrepressão cai, voltando para a condição normal. Isto é conseguido por um sistema de balanço de forças agindo no fechamento da área de alívio. A área do orifício de alívio de pressão é selecionada para passar a vazão necessária, em condições específicas. Esta área é fechada por um disco, até que a pressão ajustada seja atingida. A pressão contida do sistema age em um lado do disco; do outro lado há uma força exercida diretamente por uma mola. Todo este conjunto é alojado dentro de um corpo, com conexões de entrada e de saída, um prendedor do disco e outros acessórios para prover a característica de desempenho especificada.

Fig. 8.32. Válvula de alívio

144

16.2. Definições e Conceitos Os termos válvula de segurança e válvula

de alívio são usados com o mesmo sentido, para designar válvulas que protegem contra a pressão excessiva. Porém, há diferença entre elas.

A válvula de segurança é projetada para ter uma ação de abertura total, provendo um alívio imediato. Ela está descrita no código ASME, que especifica capacidade, sobre-faixa de pressão e diferença entre pressão ajustada e de rearme. A válvula de alívio é projetada para abrir lentamente com aumento na pressão inicial. Estas válvulas não possuem um código de projeto. A válvula de alívio é normalmente usada para aliviar pressões excessivas desenvolvidas por fluidos não compressíveis, desde que uma pequena descarga deste fluido irá prover um alívio imediato. Sob estas condições não é necessário que a válvula de alívio abra total e imediatamente, mas que ela continua abrindo enquanto a pressão estiver subindo. Por causa destas diferenças na ação, as válvulas de segurança são usualmente empregadas para aliviar pressão excessiva causada por gases (fluidos compressíveis), enquanto as válvulas de alívio são usadas para aliviar a pressão excessiva causada por líquidos (fluidos não-compressíveis).

A válvula de segurança-alívio (safety-relief) tem um projeto de abertura total e pode ser usada em fluidos compressíveis e não-compressíveis.

16.3. Sobrepressão Os sistemas de alívio de pressão fornecem

os meios de proteção de pessoal e equipamento de operação anormal do processo. Algumas das condições que causam aumento excessivo da pressão são

1. exposição ao fogo ou outras fontes externas de calor,

2. aquecimento ou resfriamento de líquido bloqueado entre válvulas ou em alguma outra seção fechada do sistema, resultando em expansão hidráulica,

3. falha mecânica de equipamentos normais de segurança, funcionamento inadequado dos instrumentos de controle, falha na operação manual, resultando em enchimento ou esvaziamento do equipamento,

4. produção de mais vapor do que o sistema pode manipular, seguindo um distúrbio operacional,

5. geração inesperada de vapor, resultando no desequilíbrio de energia do processo,

6. reação química exotérmica e produção excessiva de gás do sistema.

Objetivos A partir destas situações e necessidades,

os objetivos do sistema de alívio de pressão são

1. atender as normas e leis governamentais, incluindo o controle ambiental,

2. proteger o pessoal de operação contra perigos causados de sobrepressão de equipamentos,

3. minimizar as perdas de material durante e após um distúrbio operacional, causado por uma sobrepressão rápida,

4. evitar danos a equipamentos e propriedades vizinhos,

5. reduzir os prêmios de seguro da planta.

Operação da Válvula de Alívio As válvulas de alívio tem discos

pressionados por mola, que fecham a abertura de entrada da válvula contra a pressão da fonte. O levantamento do disco é diretamente proporcional à sobrepressão acima da pressão ajustada. Quando a pressão de entrada se iguala a pressão ajustada, o disco pode subir um pouco acima da sede e permitir a passagem de uma pequena vazão do fluido. Quando uma maior pressão se acumula na entrada, a mola é mais comprimida, fazendo o disco subir mais, aumentando a área de passagem, aumentando a vazão do fluido.

O levantamento gradual do disco com o aumento da pressão de entrada, através de toda a faixa útil da válvula e a realização de sua capacidade de descarga total em 25% de sobrepressão são as principais características da válvula de alívio. Estas propriedades diferenciam a válvula de alívio da válvula de segurança, cujo disco obtém seu levantamento especificado com pequena sobrepressão. A válvula de alívio é usada principalmente para serviço de líquido.

16.4. Válvula de Segurança A válvula de segurança e a válvula de alívio de segurança são projetadas especificamente para dar uma abertura total com pequena sobrepressão. elas possuem discos pressionados por mola que fecham a abertura de entrada da válvula contra a pressão de entrada e são caracterizadas pela abertura rápida e completa, produzida por uma câmara que, a uma pressão predeterminada, aumenta a área entre o disco e a sede a um ponto onde a força da mola não mais supera a força de entrada.

145

O fluido vazante é dirigido para reagir contra o disco e a força da mola. Esta ação utiliza a energia cinética (proporcional à massa e à velocidade) para manter a válvula na posição aberta. Quando a vazão for menor que 25% da capacidade da válvula, a energia cinética não é suficiente para manter a válvula totalmente aberta e a mola faz a válvula se fechar. Esta repetição de abertura e fechamento é característica da válvula de segurança. A freqüência de repetição muito alta (chattering) é indesejável e ocorre com válvula super dimensionada.

É essencial o conhecimento da válvula de alívio. Por exemplo, o coeficiente de descarga é diferente para as várias válvulas dos fabricantes diferentes. A válvula pode ser instalada de modo que ela limita as condições nas quais foi feito o seu dimensionamento. As válvulas de alívio devem ser dimensionadas e instaladas de modo que elas controlem descarga do fluido e não sejam vitimas da descarga do fluido.

Quando dimensionada corretamente, a válvula de alívio continua a descarregar, até que a pressão de entrada caia de 4 a 5% abaixo do ponto de ajuste. A diferença entre a pressão em que a válvula de alívio abre a pressão de fechamento é chamada blowdown. A válvula de segurança possui um anel ajustável para controlar o blowdown.

Válvula de Alívio e Segurança A válvula de alívio e segurança é usada

como equipamento de alívio em refinarias de petróleo e indústrias químicas. Ela é descrita como uma válvula com um castelo fechado com todas as características da válvula de segurança.

Como o nome implica, ela pode ser usada em dois tipos de serviço como uma válvula de alívio ou como válvula de segurança. Quando usada como válvula de alívio, o anel de blowdown é retirado, de modo que a câmara não produz nenhum efeito, evitando a abertura rápida e total da válvula e fazendo a válvula operar exatamente como uma válvula de alívio. Ela pode ser usada também como válvula de segurança, exceto quando a temperatura é muito elevada e altera a característica da mola.

A vantagem da válvula de alívio e segurança é sua versatilidade, controlando rigorosamente ou evitando a emissão do fluido.

Dimensionamento A válvula de alívio deve proteger

equipamento sujeito a sobrepressão, provocada por várias causas distintas. Por exemplo, numa coluna de fracionamento, pode aparecer sobrepressão por causa de fogo

externo, descarga bloqueada, perda de refluxo, falha de alimentação elétrica, falha de resfriamento, falha de instrumentos de controle . A válvula de alívio deve ser dimensionada para cada uma das condições em separado e o tamanho final deve ser suficientemente grande para manipular a maior capacidade.

O primeiro passo é calcular a vazão necessária através da válvula de alívio de pressão para evitar acúmulo excessivo. Em reações exotérmicas, a válvula deve ser dimensionada para passar uma vazão capaz de aliviar a pressão na máxima pressão possível. Após a capacidade do fluido a ser aliviada é determinada, é necessário calcular a área do orifício necessário para aliviar a quantidade predeterminada de líquido ou vapor. Depois da determinação da área, pode-se fazer a seleção da válvula consultando tabelas de fabricantes, que listam várias válvulas com a área do orifício necessária. A seleção final será baseada na conformidade da área do orifício com a válvula que satisfaça a pressão, temperatura e materiais de construção.

A ASME apresenta formulas para determinar a área efetiva do orifício que irá determinar a capacidade especificada do fluido.

Construção da Válvula As válvulas de segurança e alívio são

normalmente mantidas na posição fechada por meio de um disco pressionado por uma mola. A pressão da mola é ajustada de modo que uma pressão predeterminada agindo sobre o disco da válvula (sede) levantará o disco da sede permitindo a passagem do fluido através da abertura.

Em válvulas de segurança, o disco se projeta sobre a sede, para fornecer uma área de passagem adicional após a abertura inicial e deste modo, levantando rapidamente o disco para a posição de totalmente aberta. A sede é usualmente cercada por um anel ajustável, de modo que, quando a válvula começa a abrir, a pressão é também aplicada a superfície exposta adicional e não apenas ao disco.

Pelo ajuste deste disco, regula-se a pressão de blowdown, que é a diferença entre a pressão de alívio e uma pressão levemente menor em que a válvula fecha. Um blowdow pequeno é inconveniente, pois a válvula irá abrir-fechar periodicamente e não irá abrir rapidamente.

As válvulas de alívio são projetadas de modo que a área exposta a sobrepressão é a mesma, com a válvula aberta ou fechada, fazendo com que o disco seja levantado da sede lentamente, quando a pressão subir, até que a válvula atinja a abertura total.

146

A maioria das válvulas de segura possuem mola. Uma minoria funciona com peso e alavanca externos.

As válvulas de alívio de pressão com mola tem a pressão de alívio ajustada por meio de um parafuso no topo do castelo, que varia a compressão da mola.

As válvulas de alívio são disponíveis para temperatura criogênicas até 750 oC e de alta pressão até 10 000 psig. A maioria das válvulas de segurança e algumas válvulas de alívio são equipadas com uma alavanca externa para verificação do alívio.

As válvulas de alívio são disponíveis em uma grande variedade de materiais ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável, bronze, Hastelloy®, Monel, revestida de Teflon.

Instalação e Manutenção A instalação da válvula de alívio de pressão

é descrita no código ASME, que deve ser estudado e entendido, para o dimensionamento, seleção e instalação.

Os pontos mais importantes são: 1. a válvula de alívio de pressão deve ser

localizada e instalada de modo que ela seja facilmente acessível para reparo.

2. Se o projeto de uma válvula de alívio de pressão ou de segurança é tal que é acumulado líquido no lado de descarga do disco, a válvula deve ser equipada com um dreno no ponto mais baixo.

3. A mola em uma válvula de alívio de segurança em serviço para pressões até 140 kPa (20 psig), não pode ser resetada para qualquer pressão além de 10% acima ou abaixo do valor marcado na válvula. Para pressões acima de 140 kPa (20 psig), a mola não deve ser reajustada para qualquer pressão além de 5% abaixo ou acima da marcação da válvula.

4. nenhuma válvula de alívio de líquido não pode ser menor que 1/2".

5. as válvulas de segurança e alívio devem ser ligadas ao vaso no espaço com vapor, acima do líquido ou em uma tubulação ligada ao espaço do vapor no tanque a ser protegido.

6. a abertura através de toda a tubulação e conexões entre um vaso de pressão e sua válvula de alívio de pressão deve ter, no mínimo, a área da entrada da válvula.

7. as válvulas de alívio de líquido devem ser ligadas abaixo do nível normal do líquido.

8. todas as linhas de descarga devem ir diretamente para o ponto do alívio final. Para linhas mais longas, deve-se usar cotovelos com raio grande, quando for

necessário mudar a direção. Deve-se evitar, no projeto da linha, conexões próximas e deve-se minimizar as tensões na linha , usando-se juntas de expansão.

9. é essencial fazer e seguir um programa de inspeção e manutenção preventiva para cada válvula de alívio de pressão. Toda e qualquer válvula de alívio de pressão em serviço limpo e não corrosivo deve ser inspecionada e testada, no mínimo, uma vez por ano. Válvula em serviço corrosivo ou severo deve ser inspecionada mais freqüentemente. Deve-se registrar e manter estes relatórios de teste e inspeção para saber quando e por quem cada válvula foi inspecionada e testada.

10. Os testes não devem envolver apenas o ponto de ajuste da pressão de alívio, mas também a capacidade de alívio da válvula, nas condições do processo.

11. A capacidade nominal de uma válvula de segurança ou de alívio deve ser conforme o que estiver gravado na plaqueta da válvula para as condições de projeto originais.

17. Válvulas Solenóides

17.1. Solenóide Solenóide elétrica é uma bobina de fio

energizada eletricamente para produzir um campo magnético no seu interior, que provoca um movimento mecânico em um núcleo ferromagnético, colocado no centro do campo. Quando a bobina é energizada, o núcleo está em uma posição, quando desenergizada, está em outra posição.

A solenóide pode ser de operação analógica ou digital. Exemplos de excitação analógica de solenóide é a ativação da bobina de um alto falante de áudio ou o controle de freios mecânicos em carros elétricos. Porém, a solenóide é mais usada em sistemas de controle como um dispositivo digital, onde uma potência constante é aplicada ou retirada de sua bobina.

147

Fig. 8. 33. Aplicação de válvula solenóide A solenóide pode estar acoplada a relé, para operar contatos elétricos. Os contatos são abertos ou fechados, conforme a energização-desenergização da bobina. Outra aplicação industrial importante é acoplar a solenóide ao corpo de uma válvula; tem-se a válvula solenóide.

17.2. Válvula Solenóide A válvula solenóide é a combinação de

duas unidades funcionais básicas a solenóide e a válvula. A válvula solenóide é usada para controlar a vazão de fluidos em tubulações, principalmente de modo digital (liga-desliga). Ela é aberta ou fechada pelo movimento do núcleo acionado na solenóide, quando a bobina é energizada.

As válvulas são disponíveis na construção normalmente fechada ou normalmente aberta. A válvula normalmente fechada abre, quando se aplica corrente (energiza) e fechada quando a corrente é cortada (desenergizada). A válvula normalmente aberta fecha quando a corrente é aplicada e abre quando a corrente é cortada. Os termos normalmente aberto ou normalmente fechado se referem à posição antes da aplicação da corrente.

As válvulas solenóides são projetadas para operação liga-desliga (on-off) ou totalmente aberta ou totalmente fechada. Como as válvulas solenóides são de ação rápida, deve-se cuidar que não haja golpe de aríete nas tubulações do processo, o que poderia danificar tubulação, medidores de vazão, válvulas.

Fig. 8. 34. Solenóide na válvula de controle

17.3. Operação e Ação As solenóides são usualmente empregadas

com válvulas globo liga-desliga com haste deslizante. Há basicamente quatro tipos de operação

1. ação direta, 2. operada por piloto interno 3. operada por piloto externo 4. com sede e disco semibalanceados Na válvula com ação direta o núcleo da

solenóide (plunger) é mecanicamente ligado ao disco da válvula e abre ou fecha diretamente a válvula. Uma mola normalmente mantém o plug na posição aberta ou fechada e é contra esta força que a solenóide deve mover o plug para a posição oposta. A operação não depende da pressão ou vazão da linha.

A válvula operada com piloto interno é equipada com um pequeno orifício piloto, utilizando a pressão da linha para sua operação. Quando a solenóide é energizada, ela abre o orifício piloto e alivia a pressão do tipo do diafragma ou plug da válvula para a saída da válvula. Isto resulta em um desequilibro de pressão através do plug ou diafragma, que abre o orifício principal. Quando a solenóide é desenergizada, o orifício piloto é fechado e toda a pressão da linha é aplicada ao topo do disco, fornecendo uma força de assento que fecha totalmente.

Fig. 8. 35. Operação da válvula solenóide

A válvula com piloto externo é operada

através de um diafragma ou cilindro. Esta válvula é equipada com um piloto solenóide de três vias, que alternadamente aplicada a pressão para ou aliviada a pressa do diafragma para a operação. A pressão da linha ou uma

148

fonte separada de pressão é usada para operar a válvula piloto.

A válvula com sede e disco semibalanceados é de dupla sede. O corpo contem duas sedes, uma acima da outra, com um espaço entre elas. O plug inferior é levemente menor do que o superior. Ambos os plugs são montados em uma única haste. A pressão da linha do lado da entrada da válvula é introduzida debaixo do plug inferior e acima do plug superior. A força para baixo no plug superior é maior do que a força para cima do plug inferior. Esta pequena diferença de força, mais a força exercida por uma mola, mantém os plugs inferior e superior em suas sedes. Quando a solenóide é energizada, os plugs são levantados, abrindo a válvula. Por causa da força que age para cima no plug inferior, a solenóide deve apenas superar estas pequenas diferenças e a força da mola.

As válvulas solenóides são também disponíveis em configurações de várias vias. As válvulas com duas vias são as convencionais, tendo uma conexão de entrada e outra de saída. A válvula abre ou fecha, dependendo da solenóide energizada ou desenergizada.

As válvulas solenóides de três vias tem três conexões com a tubulação e dois orifícios. Um orifício está sempre aberto e outro sempre fechado. Estas válvulas são usadas comumente para alternadamente aplicar pressão para e aliviar pressão de uma válvula. Elas servem também para convergir ou divergir a vazão nas conexões.

As válvulas solenóides com quatro vias são usadas para operar cilindros de ação dupla. Estas válvulas possuem quatro conexões uma pressão, dois cilindros e uma exaustão. Em uma posição da válvula, a pressão é aplicada a um cilindro, a outra é ligada a exaustão. Na outra posição, a pressão e a exaustão estão invertidas.

18. Válvula Redutora de Pressão

18.1. Conceito A válvula redutora de pressão serve para diminuir a pressão a jusante para um nível determinado dentro dos limites impostos pelo tipo de válvula usado.

Basicamente há dois tipos de redutoras: 1. operada diretamente, em que a válvula

principal é operada pela ação combinada de uma mola e da pressão de saída, que é aplicada ao lado inferior do diafragma. É válvula redutora mais simples e pode operar apenas em variações limitadas de vazão. A

pressão reduzida é dependente da pressão de entrada.

2. operada por piloto, em que a válvula principal é aberta por meio de um pistão, que é atuado pela pressão de uma válvula piloto. Esta válvula é internamente balanceada e controla a pressão reduzida de modo preciso, mesmo que haja variação na pressão de entrada. Ela manipula variações grandes de vazão.

18.2. Precisão da Regulação Há uma relação definida entre a precisão

da regulação e a capacidade da válvula redutora ou reguladora. A válvula redutora com mola deve ser ajustada enquanto passa uma vazão mínima. A pressão reduzida obtida, quando se aumenta lentamente a vazão, até chegar à capacidade especificada, é uma medida da precisão da regulação. Uma válvula redutora ajustada para entregar 600 kPa (100 psig) de pressão, na vazão mínima, possui precisão de regulação de 99%, se ela entrega 598 kPa na capacidade especificada.

18.3. Sensibilidade A sensibilidade de uma válvula redutora de

pressão usa a resposta das variações da pressão e a mantém constante a despeito das variações de carga. Sensibilidade é diferente de precisão de regulação. Para se obter a maior sensibilidade, as válvulas redutoras devem ser dimensionadas e selecionadas corretamente, instaladas e mantidas de acordo com as instruções do fabricante, de modo que suas peças internas se movam livremente.

18.4. Seleção da Válvula Redutora de Pressão

A determinação da melhor válvula redutora depende da a aplicação. Devem ser conhecidas as respostas das seguintes perguntas

1. Quais são as pressões máxima e mínima a montante?

A pressão a montante (upstream) é também referida como pressão de entrada ou suprimento.

2. Qual a pressão a jusante a ser mantida constante ou qual a faixa ajustável da pressão reduzida desejada?

A pressão a jusante (downstream) é a pressão na saída da válvula, ou pressão de descarga ou pressão reduzida. O seu valor é determinado pelo processo. Quando a pressão regulada é fixa, o dimensionamento da válvula se baseia na pressão diferencial estabelecida pela mínima pressão de entrada. Se a pressão

149

regulada é ajustável, a válvula é dimensionada de acordo com a mínima pressão diferencial disponível.

3. Quais as vazões mínima, máxima e media que passam pela válvula redutora?

Não escolha o tamanho da válvula redutora apenas fazendo-o igual ao diâmetro da tubulação. Cada fabricante possui sua tabela de capacidade própria.

4. Deve haver vedação total? Uma válvula de vedação fecha totalmente,

impedindo a vazão do fluido para a saída. Somente válvulas de sede simples podem prover vedação total. Nunca usar válvula de sede dupla para reduzir pressão e simultaneamente vedar.

5. Qual deve ser o tipo de conexão? Esta resposta é determinada pela boa

prática de tubulação e as condições reais de instalação. Se a válvula é rosqueada, é recomendado o uso de uniões em ambas as extremidades da válvula.

18.5. Instalação As regras gerais de instalação de válvulas

também se aplicam às válvulas redutoras de pressão, além do seguinte:

1. Deve sempre incluir um bypass para permitir a manutenção de emergência, sem desligar a alimentação.

2. Não instalar uma válvula redutora em um local inacessível, o que tornaria difícil ou impossível a manutenção e serviço.

3. Instalar indicadores locais de pressão na entrada e saída da válvula, facilitando o ajuste e a verificação da válvula redutora.

4. Se a linha tiver sujeira em suspensão no fluido, instalar um filtro antes da redutora.

5. Instalar uma válvula de segurança depois da válvula redutora de pressão.

Fig. 8.36. Válvula reguladora de pressão com piloto Há vários conceitos errados acerca, da

válvula redutora de pressão, nenhum sendo mais grave que fazer o tamanho da válvula

igual ao diâmetro interno da tubulação. Invariavelmente, o tamanho correto da válvula redutora de pressão é menor que a tubulação. Se este procedimento não for adotado, a válvula redutora será sempre superdimensionada e haverá instabilidade em baixas vazões.

Para grandes variações de capacidade, a operação de duas válvulas redutoras em paralelo pode ser a solução. Para grandes reduções de pressão, a operação de duas válvulas em série pode ser a solução.

7.150

4. Especificações

1. Informação do Produto Os fabricantes de instrumentos geralmente possuem definições para as especificações de seus produtos e como elas devem ser apresentadas. Muita coisa está mudando nos anos 90, principalmente por causa das exigências e da certificação das normas da série ISO 9000.

A informação do produto é um termo genérico para qualquer atributo usado para descrever um produto e suas capacidades. É o termo mais geral usado para discutir a propriedade de um produto. A informação inclui os dados que são registrados, publicados, organizados, relacionados ou interpretados dentro de um sistema de referência de modo que tenham significado. As informações de um instrumento possui a seguinte hierarquia de termos:

1. propriedades (features) 2. especificações 3. características

1.1. Propriedade (feature) Propriedade é um atributo do produto

oferecida como uma atração especial. As propriedades descrevem ou melhoram a utilidade do produto para o usuário. Uma propriedade não é necessariamente mensurável, mas ela pode ter um parâmetro associado mensurável.

Se uma propriedade com um parâmetro mensurável é de interesse do usuário, uma especificação do produto descreve e quantifica esta propriedade. Por exemplo, uma interface I/O de um medidor é uma propriedade e não é mensurável, mas o filtro de banda de passagem de resolução estreita é um atributo com um parâmetro mensurável, que é a largura da faixa de passagem.

As propriedades do instrumento são descritas com adjetivos e não com números. Os termos são vagos e promocionais, como

1. Qualidade superior, 2. Alta precisão, 3. Instalação simples. 4. Cápsula possui pequeno volume

1.2. Especificação A especificação é uma descrição

quantitativa das características requeridas de um equipamento, máquina, instrumento, estrutura, produto ou processo. Enquanto a propriedade diz que o instrumento tem alta precisão, a especificação diz que a precisão é de ±0,1% do valor medido, incluindo linearidade, repetitividade, reprodutibilidade e histerese.

Em engenharia, as especificações são uma lista organizada de exigências básicas para materiais de construção, composições de produto, dimensões ou condições de teste ou um número de normas publicadas por organizações (como ASME, API, ISA, ISO, ASTM) e muitas companhias possuem suas próprias especificações. Em inglês, é chamada abreviadamente de specs.

As especificações descrevem formalmente o desempenho do produto. Uma especificação é um valor numérico ou uma faixa de valores que limita o desempenho de um parâmetro do produto. A garantia do produto cobre o desempenho dos parâmetros descritos pelas especificações. Os produtos satisfazem todas as especificações quando despachado da fábrica.

Algumas especificações são somente válidas sobre um conjunto de condições externas limitado ou restrito mas em tais casos a especificação inclui uma descrição destas condições limitadas. As especificações ambientais também definem as condições que um produto pode ser submetido sem afetar permanentemente o seu desempenho ou causar estrago físico. Estas condições podem ser climáticas, eletromagnéticas (como susceptibilidade eletromagnética), mecânicas, elétricas ou precondições de operação, (como tempo para aquecimento, intervalo de calibração)

1.3. Característica As características descrevem o

desempenho do produto que é útil na aplicação do produto mas não são cobertas pela garantia do produto. Elas descrevem o desempenho que é típico da maioria de um dado produto,

Especificação dos Instrumentos

151

mas não está sujeita ao mesmo rigor associado com as especificações.

2. Propriedades do Instrumento As propriedades do sistema são agrupadas

juntas nas seguintes categorias: 1. Funcionalidade 2. Estabilidade 3. Precisão 4. Padronização 5. Operabilidade 6. Segurança 7. Não relacionada com a função

2.1. Funcionalidade Funcionalidade é a extensão na qual um

sistema é fornecido com uma estrutura básica inerente de hardware e software com que estruturas funcionais especificas possam ser formadas para controlar processos.

A funcionalidade compreende: 1. capacidade 2. operabilidade 3. compatibilidade 4. flexibilidade 5. configurabilidade

Capacidade A capacidade do sistema depende do

número e tamanhos dos elementos, estrutura do circuito, tamanho e estrutura do software.

Operabilidade Operabilidade é o grau em que um sistema

é fornecido com meios para observar e manipular a operação de um processo. A operabilidade inclui também a habilidade de observar e manipular a operação de um sistema. A operabilidade depende das ferramentas e procedimentos para dar comandos e chamar e representar os dados do processo e a velocidade de resposta para executar comandos e fornecer dados para um recipiente exigente. O termo velocidade de resposta está relacionado com a transmissão de informação de

1. processo (medição) para processo (atuador), como em uma malha de controle

2. um elemento do sistema para outro elemento do sistema

3. elemento do processo ou sistema para operador e vice-versa.

Compatibilidade A compatibilidade é a habilidade de um

equipamento poder ser usado em conjunto com outro. É também a habilidade de um

computador aceitar dados manipulados por outro equipamento sem conversão de dados ou modificação do código. De um modo geral, é a habilidade de um novo sistema servir a usuários de um sistema velho. Em computação, é a característica de um computador ou sistema operacional que permite ele rodar programas escritos para outro sistema. Por exemplo, os programas que rodam no Windows 3.1 rodam no Windows 3.11 e Windows 95 e os programas que rodam no Pentium® (novo) são compatíveis com o processador 80486 (velho).

Padronização A padronização é a redução dos

instrumentos a um só tipo, unificado e simplificado, segundo um consenso preestabelecido e universal.

Em instrumentação, a padronização se refere à mesma bitola e tipo de conexão com processo, mesmo sinal de transmissão de informação, mesmo nível de alimentação, mesmo tipo de montagem, mesma dimensões físicas, mesmas tomadas de encaixe.

A instrumentação pneumática apareceu cerca de duas décadas antes da eletrônica. Este maior tempo de aplicação, aliado à maior simplicidade e menor obsolescência, certamente é o fator determinante da sua padronização universal. Essa padronização se refere a:

1. nível do sinal de informação e de transmissão único: 20 a 100 kPa. Não há diferença significativa entre este sinal e os equivalentes: 0,2 a 1,0kg/cm2 ou. 3 a 15 psi Há apenas um pequeno detalhe de calibração do mesmo instrumento.

2. nível de alimentação único: 20 psi de ar comprimido, seco, limpo e filtrado. Mesmo o consumo de ar, em SCF (standard cubic feet) é similar para qualquer instrumento pneumático.

3. número de conexões pneumáticas requeridas, com designação única: ENTRADA, SAÍDA, SUPRIMENTO. O tamanho mais utilizado é rosca fêmea 1/2" NPT.

4. procedimentos de teste e calibração. 5. técnicas de montagem e instalação,

tanto no campo como no painel. Assim, a grande vantagem do sistema de

instrumentação pneumática é sua padronização, existindo apenas um sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig).

A instrumentação eletrônica ainda atingiu esse grau de padronização, já alcançado pela pneumática, porém se percebe uma tendência para a padronização. As dificuldades da


152

obtenção desta padronização são devidas aos seguintes fatores:

1. disponibilidade de duas configurações completamente distintas: à base de corrente e à base de tensão.

2. possibilidade de se usar fonte de alimentação regulada ou não comum a todo o sistema ou individual a cada instrumento.

3. possibilidade de transmissão com dois ou quatro fios. Atualmente, a maioria dos transmissores eletrônicos usa o sistema de apenas dois condutores. O mesmo condutor que leva o sinal de informação (4 a 20 mA cc) para o painel traz a alimentação (24 V cc). Os conceitos de fonte de tensão, fonte de corrente explicam facilmente esta possibilidade.

4. existência de sinais em corrente e tensão, contínua e alternados, analógicos ou digitais.

Mesmo com essas alternativas e dificuldades, atualmente há uma tendência para se padronizar o sinal de transmissão em corrente no nível de 4 a 20 mA cc, a tensão de alimentação é de 24 V cc, o sinal padrão para manipulação interna em 0-10 V cc, tensão de alimentação dos circuitos internos em +15 V cc, tensão de alimentação do sistema digital em +5 V cc.

Flexibilidade A flexibilidade é a qualidade de um

equipamento ser levemente alterado ou modificado para desempenhar sua função. Sistema flexível é aquele que pode ser facilmente alterado, como colocação, retirada ou alteração dos componentes. Modularidade é a propriedade de montar uma flexibilidade funcionado em um sistema pela montagem de unidades discretas que podem ser facilmente ligadas, combinadas ou arranjadas com outras unidades. Um sistema com módulos independentes é mais flexível que aquele com as partes integralizadas em um único equipamento.

Flexibilidade resulta em liberdade de escolha e de ligações de equipamentos. Um instrumento é considerado flexível quando pode ser interligado a uma grande variedade de outros instrumentos., mesmo de diferentes fabricantes ou de diferentes nacionalidades. Um sistema é considerado flexível quando as interligações podem ser modificadas, quando os componentes podem ser facilmente retirados ou acrescentados.

Paradoxalmente, a flexibilidade é conseguida pela padronização. A padronização na fabricação e fornecimento de instrumentos

possibilita uma grande flexibilidade na sua seleção e nas suas ligações com outros, pelo usuário final. Por exemplo, os instrumentos pneumáticos, por serem muito padronizados, podem ser interligados sem nenhuma restrição, mesmo sendo de origem diferentes, pois todos os sinais de saída e de entrada são iguais. Os únicos níveis de sinais são: 20 a 100 kPa para a informação, transmissão e controle e 140 kPa para a alimentação. Assim, um transmissor pneumático do fabricante F1 pode ser ligado à entrada do controlador do fabricante F2, cuja saída vai para a válvula do fabricante F3.

Fig. 4.1. Instrumento configurável (MTL)

Configurabilidade A configurabilidade do sistema é a

qualidade de se alterar o arranjo dos seus componentes, pela adição ou retirada de equipamentos auxiliares. Instrumento configurável é aquele cuja função é determinada pela configuração ou programação, que pode ser física (hardware) ou lógica (software). A configuração lógica pode também ser chamada de programação.

A configuração física é feita através de mudanças de fiação (hardwire) entre instrumentos entre si, entre instrumentos e equipamentos de entrada e saída, ou alteração de posição de jumpers e chaves thumbwheel no circuito do instrumento ou em sua parte frontal. A configuração lógica ou por programação é feita através de computadores pessoais ou de terminais dedicados proprietários portáteis (hand held) ou de mesa. Os transmissores inteligentes podem ser configurados através de terminais portáteis ou microcomputadores e os controladores lógicos


153

programáveis através de terminais de mesa ou microcomputadores.

Para um sistema de computador, configurar é relacionar os elementos do hardware entre si para executar uma determinação função do circuito.

Intercambiabilidade É a habilidade de substituir componentes,

peças ou equipamentos de um fabricante por outros sem perder a função ou a adequação ao uso, sem necessidade de reconfiguração. Por exemplo, dois transmissores pneumáticos de mesma variável de processo, calibrados na mesma faixa, são intercambiáveis entre si, mesmo que sejam de fabricantes diferentes. Um transmissor digital inteligente da Rosemount, com protocolo de comunicação HART não é intercambiável com um transmissor inteligente que não suporte este protocolo.

Também se entende efeito da intercambiabilidade como a variação na função do instrumento que aparece quando se troca o sensor do instrumento. Por exemplo, seja tolerância de um sensor é de ±1 oC em alguma temperatura, espera-se uma variação de 0 a 2 oC quando o sensor for substituído por outro tendo a mesma tolerância.

Interoperabilidade Interoperabilidade é a habilidade de

substituir componentes, peças ou equipamentos de um fabricante por outros sem perder a função ou a adequação ao uso, com necessidade de reconfiguração. Por exemplo, dois transmissores inteligentes de fabricantes diferentes, mas ambos com protocolo HART são interoperáveis, pois podem ser substituídos entre si, porém, há necessidade de pequenos ajustes na reconfiguração.

Seletividade Seletividade é a habilidade de um medidor

responder somente às alterações da variável que ele mede e ser imune às outras alterações e influências.

Uma medição pode ser alterada por modificação ou por influência.

Os erros sistemáticos de influência ou interferência são causados pelos efeitos externos ao instrumento, tais como as variações ambientais de temperatura, pressão barométrica e umidade. Os erros de influência são reversíveis e podem ser de natureza mecânica, elétrica, física e química.

Os erros mecânicos são devidos à posição, inclinação, vibração, choque e ação da gravidade.

Os erros elétricos são devidos às variações da voltagem e freqüência da alimentação. As medições elétricas sofrem influência dos ruídos e do acoplamento eletromagnético de campos.

Também o instrumento pneumático pode apresentar erros quando a pressão do ar de alimentação fica fora dos limites especificados. Sujeiras, umidade e óleo no ar de alimentação também podem provocar erros nos instrumentos pneumáticos.

Os efeitos físicos são notados pela dilatação térmica e da alteração das propriedades do material. Os efeitos químicos influem na alteração da composição química, potencial eletroquímico, no pH.

O sistema de medição também pode introduzir erro na medição, por causa do modelo, da configuração e da absorção da potência. Por exemplo, na medição da temperatura de um gás de exaustão de uma máquina,

a temperatura do gás pode ser não uniforme, produzindo erro por causa da posição do sensor,

a introdução do sensor, mesmo pequeno, pode alterar o perfil da velocidade da vazão,

o sensor pode absorver (RTD) ou emitir (termopar) potência, alterando a temperatura do gás.

Os efeitos da influência podem ser de curta duração, observáveis durante uma medição ou são demorados, sendo observados durante todo o conjunto das medições.

Os erros de influência podem ser eliminados ou diminuídos pela colocação de ar condicionado no ambiente, pela selagem de componentes críticos, pelo uso de reguladores de alimentação, pelo uso de blindagens elétricas e aterramento dos circuitos.

Fig. 4.2. Sinal e ruído


154

A diferença entre o erro de interferência e o de modificação, é que a interferência ocorre no instrumento de medição e o de modificação ocorre na variável sendo medida.

O erro sistemático de modificação é devido à influência de parâmetros externos que estão associados a variável sob medição. Por exemplo, a pressão exercida por uma coluna de liquido em um tanque depende da altura, da densidade do liquido e da aceleração da gravidade. Quando se mede o nível do liquido no tanque através da medição da pressão diferencial, o erro devido a variação da densidade do liquido é um erro de modificação. Outro exemplo, é na medição de temperatura através de termopar. A milivoltagem gerada pelo termopar depende da diferença de temperatura da medição e da junta de referência. As variações na temperatura da junta de referência provocam erros na medição. Finalmente, a medição da vazão volumétrica de gases é modificada pela pressão estática e temperatura.

O modo de eliminar os erros de modificação é fazer a compensação da medição. Compensar uma medição é medir continuamente a variável que provoca modificação na variável medida e eliminar seu efeito, através de computação matemática. No exemplo da medição de nível com pressão diferencial, mede-se também a densidade variável do liquido e divide-se este sinal pelo sinal correspondente ao da pressão diferencial. Na medição de temperatura por termopar, a temperatura da junta de referência é continuamente medida e o sinal correspondente é somado ao sinal da junta de medição. Na medição de vazão compensada de gases, medem-se a vazão, pressão e temperatura. Os sinais são computados de modo que as modificações da vazão volumétrica provocadas pela pressão e temperatura são canceladas.

2.2. Estabilidade Há vários modos diferentes de conceituar

estabilidade, tais como 1. Tendência de um sistema se manter

operando, de modo previsível, preciso, exato e seguro.

2. Extensão na qual um sistema pode ser confiável de desempenhar as funções que lhe foram atribuídas, de modo exclusivo e correto.

3. Probabilidade que um componente, equipamento ou sistema desempenhe satisfatoriamente sua função planejada, sob dadas circunstâncias, tais como as condições ambientais, valor da alimentação e através da manutenção

para um período de tempo especificado.

Atualmente se usa o termo dependabilidade (dependability) como sinônimo de estabilidade.

Alguns parâmetros da estabilidade podem ser quantificados por taxa de desvio (drift rate), por períodos de funcionamento, períodos de defeitos, duração de reparo. Como se vê, a estabilidade está diretamente ligada com o tempo e indiretamente com outros fatores externos, como temperatura e pressão ambientes, vibração, alimentação.

Na falta de estabilidade, o desempenho do instrumento se degrada. Alguns dos aspectos da estabilidade são probabilísticos e outros são determinísticos, por natureza. A estabilidade pode é muito aumentada pela adição da redundância ao sistema.

Pelas definições de estabilidade, devem ser incluídos os seguintes parâmetros:

1. integridade 2. disponibilidade 3. confiabilidade 4. robustez 5. calibração 6. mantenabilidade 7. segurança (safety e security)

2.3. Integridade

Conceitos Integridade é a propriedade de um

instrumento se manter inteiro, individido, completo, resistente e firme no seu funcionamento. A integridade do instrumento é ameaçada pelo ambiente onde o instrumento está montado e por isso ela é garantida através da especificação correta da classificação mecânica do seu invólucro, de conformidade com normas existentes.

Em computação de dados, é a propriedade dos dados que podem ser recuperados no caso de sua destruição através de falha do meio de registro, falta de cuidado do usuário, defeito do programa ou outro acidente.

A integridade se relaciona com a garantia de funcionamento especificado do sistema. O sistema que não perde sua integridade é confiável. A ausência de distúrbio e falha crítica é um aspecto da confiabilidade. O distúrbio atrapalha o funcionamento da malha, porém sem interromper completamente a operação do sistema. A falha crítica causa o desligamento do sistema ou a perda de controle da malha. Como exemplos: a flutuação da tensão ou da freqüência da alimentação do sistema, dentro de uma determinada faixa, pode provocar leitura ou controle pouco precisos, porém, o sistema contínua com a medição e com o


155

controle. O desligamento total da tensão de alimentação do sistema eletrônico que interrompe toda medição e todo controle é uma falha crítica. Pode haver falha crítica indireta: o desligamento da alimentação do compressor de ar comprimido do sistema pneumático pode, depois de um determinado tempo, causar o desligamento dos instrumentos pneumáticos. Sem energia elétrica não há ar comprimido, não há alimentação pneumática, não há medição e controle da instrumentação pneumática.

Classificação Mecânica A operação de um instrumento pode ser

afetada pela temperatura ambiente, umidade, interferência eletrônica, vibração mecânica e atmosfera circundante. Tipicamente, os instrumentos de medição e controle de processo podem estar montados ou na sala de controle ou na área industrial.

Fig. 4.3. Instrumento para uso externo A sala de controle é um local fechado, onde

a temperatura e umidade são geralmente controladas através de ar condicionado. O instrumento de campo pode estar totalmente desprotegido ou ter uma proteção rudimentar adicional contra o sol, a chuva ou o vento. De qualquer modo, quando usado no ar livre, a caixa do instrumento fica exposta aos efeitos da luz ultra violeta, da chuva, da umidade, do orvalho, das poeiras, dos respingos dos líquidos de processo e das sujeiras contaminantes que circulam no ar. Eles estão ainda submetidos a grande e rápidas variações de temperatura durante o dia, podendo haver um gradiente de temperatura entre o sol e a sombra do instrumento exposto. Por esses motivos, os invólucros dos instrumentos devem ser de alta qualidade, cuidadosamente testados

e precisamente classificados de acordo com normas concernentes, de modo que possam prover proteção contra ambientes potencialmente adversos. Os invólucros dos instrumento, mesmo montados em ambientes nocivos, devem protege-los, de modo que durem o máximo e que o ambiente não interfira na sua operação.

Existem basicamente duas normas para a classificação mecânica dos invólucros dos instrumentos: IEC e NEMA.

Norma NBR-IEC No Brasil, o órgão credenciado pelo

INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia e Qualidade Industrial) para emitir a maioria das normas técnicas é a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), empresa não governamental sem fins lucrativos. A maioria das normas elétricas brasileiras se baseia nas normas do IEC (International Electrotechnical Comission).

Fig. 4.4. Instrumento para uso interno A norma válida que fixa as condições

exigíveis aos graus de proteção dos invólucros de equipamentos elétricos de baixa voltagem é a NBR 6146, DEZ 90 - Invólucros de equipamentos elétricos - Proteção: Especificação, baseada na norma IEC 529/76. Ela substitui e cancela as NBR 5374, 5408 e 5423/77. Estas normas fornecem os métodos de classificar os instrumentos com relação aos ambientes em que eles podem ser usados e os procedimentos de teste para verificar se tal classificação é conveniente.

Os tipos de proteção cobertos pela norma são os seguintes:

1. contra o contato ou aproximação de pessoas às partes vivas, contra o contato às partes moveis no interior do invólucro e contra a penetração de corpos sólidos estranhos ao equipamento e

2. contra a penetração prejudicial de água no interior do invólucro onde está o equipamento.

7.156

Tab. 4.1. Proteção do equipamento contra ingresso de corpos sólidos e líquidos, conforme IEC IP

NEMA 1 Uso geral NEMA 2 Prova de respingos NEMA 3 Prova de tempo NEMA 4 Vedado a jatos d'água NEMA 5 Vedado a poeira NEMA 6 Uso imerso NEMA 7 Prova de explosão, Classe I NEMA 8 Prova de explosão, contato em óleo NEMA 9 Prova de explosão, Classe II NEMA 10 Prova de explosão, minas NEMA 11 Resistente a ácidos NEMA 12 Resistente a choque mecânico leve NEMA 13 Prova de poeira, não vedado.

Tab.4.3. Resumo da denominação NEMA

7.157

A norma não trata dos graus de proteção contra danos mecânicos, risco de explosão ou condições como umidade, vapores corrosivos, fungos, vermes ou animais daninhos.

A designação da norma começa com as letras IP (Ingress Protection - proteção de ingresso) e inclui um sufixo com dois números. Opcionalmente, pode ainda ter letra suplementar: S, M ou W, que significam:

S teste com equipamento em repouso, M teste com equipamento em operação

mecânica (A ausência das letras S e M significa que o

grau de proteção vale para todas as condições normais de serviço).

A letra W após as letras IP significa que o equipamento é apropriado para uso em condições de tempo especificadas e possui características adicionais de proteção, estabelecidas entre o fabricante e usuário.

Por exemplo, um instrumento que a prova de pó e a prova de jato fraco d'água tem a designação de IEC IP 55. A colocação de respiradouro para dreno pode alterar a classificação mecânica do invólucro, por exemplo, de IEC IP 65 para IEC IP 55.

É possível haver uma codificação com a omissão de um dos dois dígitos (substituído por X). Por exemplo, IEC IP X5 significa que o instrumento é protegido apenas de jato d'água. Outro exemplo, IEC IP 5X é uma proteção apenas contra pó.

Norma NEMA A norma NEMA (National Electrical

Manufacturers Association) fornece outro método de classificação do invólucro do instrumento para indicar os vários ambientes para os quais o instrumento é adequado. A norma cobre os detalhes de construção e os procedimentos de teste para verificação se o instrumento está conveniente com a classificação recebida. Todas as designações NEMA requerem invólucros resistentes à ferrugem. Basicamente, há dois locais de uso: interno ou externo. Os dígitos que designam a classe NEMA variam de 1 a 13.

Há 3 termos chave nas designações NEMA:

1. prova de - significa que o ambiente não atrapalha o funcionamento ou operação do instrumento. Por exemplo, instrumento à prova de tempo funciona normalmente mesmo quando submetido aos rigores do tempo: vento, umidade, orvalho. Ele não é necessariamente vedado ao tempo, porém, se garante que, mesmo que o ambiente entre no seu interior, ele continua funcionando normalmente.

2. resistente a - significa que o instrumento não se danifica quando na presença do determinado ambiente. O equipamento resistente a é mais frágil que o a prova de. O equipamento resistente a geralmente possui uma restrição, por exemplo, de pressão máxima. Por exemplo, um relógio resistente a água para 100 metros significa que funciona quando usado dentro d'água, sem se danificar, mas até uma profundidade de 100 metros. Além deste limite, ele pode se danificar e deixa de funcionar.

3. vedado a - significa que o instrumento é hermeticamente selado para aquele determinado ambiente. Por exemplo, instrumento vedado a pó evita a entrada de pó no seu interior.

NEMA 1 NEMA 4 NEMA 7 Fig. 4.5. Invólucros com classe NEMA


158

Tab.4.4. Conversão de Números Tipo NEMA para IEC

NEMA IEC 1 IP 10 2 IP 11 3 IP 54 3R IP 14 3S IP 54 4 e 4X IP 56 5 IP 52 6 e 6P IP 67 12 e

12K IP 52

13 IP 54

Observação: não pode ser usado para converter classificação IEC em NEMA.

Embora o NEC tenha algumas

classificações de invólucro que incluem a classificação elétrica, a classificação mecânica não pode ser confundida com a classificação elétrica. Elas são independentes. Por exemplo, o uso do instrumento em local externo nem sempre é necessário para um local de Zona 1. Assim como a classificação mecânica de uso externo não assegura que o instrumento possa ser montado em local perigoso, a classificação para uso em área classificada não garante que o instrumento possa ser montado em áreas externa.

2.4. Robustez A robustez é a característica de um

equipamento funcionar conforme esperado, mesmo quando submetido a condições adversas, pois ele é imune às agressões do meio onde ele está colocado. Instrumento robusto é aquele que funciona conforme previsto em ambiente hostil. A robustez de um instrumento é garantida por sua classificação mecânica de invólucro.

Controle robusto é aquele insensível à incerteza do modelo e ao comportamento dinâmico do processo. Programa robusto é aquele que funciona bem mesmo sob condições anormais.

2.5. Confiabilidade

Conceitos Confiabilidade é a habilidade ou

probabilidade de um instrumento se manter em operação, em um nível especificado de desempenho, sob condições ambientais

determinadas, durante um determinado período de tempo e com um mínimo de atenção.

A confiabilidade de um instrumento ou de uma malha de instrumentos é a consistência com que ele mede ou controla quando se supõe que hajam condições adequadas e de acordo com seu programa e ajuste. A confiabilidade de um instrumento depende do cuidado com que ele é instalado. Para um instrumento ser bem sucedido na sua operação, ele deve ser bem selecionado, montado no lugar apropriado e ser usado corretamente. As condições típicas que precisam ser consideradas incluem:

1. variações na tensão de alimentação e tamanho dos transientes de voltagem;

2. com alimentação de corrente alternada, as variações na freqüência e conteúdo harmônico;

3. o nível de energia de rádio freqüência indesejável radiada pelo equipamento não deve causar interferência nas comunicações de rádio;

4. o equipamento deve ser capaz de tolerar alguma radiação de rádio freqüência se é previsto seu uso próximo de fontes de alta potência de rádio ou radar;

5. valores máximo e mínimo da temperatura ambiente;

6. valores máximo e mínimo da umidade; 7. níveis de vibração e choque mecânico; 8. condições externas, como exposição a

pó, areia, chuva, radiação solar, respingo de água salgada ou outros líquidos

9. variações de carga, quando aplicável.

Confiabilidade e aceitação A confiabilidade é importante por que um

instrumento que necessita de manutenção ou calibração freqüentes para se manter em funcionamento preciso e exato, se torna mais caro do que um instrumento melhor que tem um maior custo inicial e um menor custo de manutenção. O modo correto de usar qualquer instrumento deve ser aprendido. Por isso, o pessoal de manutenção prefere usar uma mesma marca de instrumento. Marca que seja desconhecida geralmente é menos confiável, durante um determinado período de tempo.

Quando algo funciona bem para a gente antes, é apenas natural dar preferência para ele quando se tem ocorre a mesma aplicação. Mudar para um sistema ou método novo requer boa justificativa.

O desempenho passado conhecido não está necessariamente limitado à própria experiência em casa. Também inclui a experiência de outros que tenham tido de


159

eliminar problemas similares em aplicações iguais à sua própria planta e que tenha aprendido a duras penas com a instrumentação ou sistema que esteja sendo considerado. O que se deveria fazer para conseguir os resultados esperados quando se decidiu comprar isto?

A Fig. 4.6. mostra um padrão de aceitação que ocorre muito freqüentemente em plantas, especialmente na operação. A escala horizontal é o tempo e a vertical mostra os diferentes níveis de aceitação para novos equipamentos em operação. Quando o pessoal de operação primeiro escuta as novidades, usualmente do projeto, que se está adquirindo um equipamento novo que nunca foi usado na planta antes, a reação à idéia provavelmente fica entre a dúvida e a indiferença. Esta atitude prevalece até a época da partida, quando o operador se familiariza com o novo equipamento e os problemas usuais são eliminados, justo acerca de tudo que pode dar errado acontece. Há uma queda no nível de aceitação.

Este descontentamento continua, enquanto durarem os problemas de produção com o novo equipamento, até que numa reunião, o gerente da planta declara: algo tem que ser feito! Neste ponto, reclama-se do fabricante dos instrumentos e um especialista que realmente entende do equipamento, vem, corrige os problemas e fornece as respostas que os manuais de instrução não dão ou que os manuais fornecem mas que nunca foram lidos e o novo equipamento começa a operar exatamente como era o esperado.

O nível de aceitação se eleva às alturas e permanece lá por muito tempo. Eventualmente, porém, o processo natural de desgaste ocorre e aparecem alguns pequenos problemas que requerem manutenção. Estes problemas são facilmente corrigidos de modo que a aceitação do novo equipamento permanece em nível satisfatório.

Fig.4.6. Curva de aceitação de novos instrumentos

Por isso, quando se pergunta a alguém

acerca de sua opinião sobre o desempenho de um novo equipamento, é importante saber em que época ou ponto da curva que se está, pois a resposta depende deste ponto.

Confiabilidade e falhas Mesmo as falhas críticas podem ser

evitadas ou se pode eliminar os efeitos nocivos provocados por elas. Nos exemplos anteriores, a colocação de uma alimentação elétrica alternativa através de década de bateria pode suprir a energia ao sistema de instrumentação eletrônica durante um tempo limitado e determinado pela capacidade da bateria. No caso do sistema pneumático, o uso de compressor reserva ou de cilindro de pressão aumenta a integridade, portanto a confiabilidade do sistema.

Ao lado da preocupação de tornar o funcionamento do sistema mais confiável, há a colocação de dispositivos de alarme e de intertravamento, que podem desligar os equipamentos, interrompendo totalmente o processo. Quando é inevitável a perda do controle, deve se interromper o processo, evitando-se a perda inútil de material fora da especificação, protegendo-se o pessoal e o equipamento da operação.

Sob o aspecto da confiabilidade, o sistema que requer o uso freqüente do controle manual pelo operador é pouco confiável.

Um outro aspecto da confiabilidade do controle de processo se refere a ausência de falhas dos instrumentos.

Como regra, a confiabilidade do instrumento mecânico e pneumático é total quando o equipamento é novo e decresce com a idade. O instrumento pneumático requer manutenção periódica e ciclicamente ha picos de falta de confiabilidade. A manutenção preventiva pode evitar essas crises de confiabilidade.

Confiabilidade e tipo de instrumentos Os instrumentos eletrônicos possuem um

comportamento diferente. A instrumentação eletrônica pode operar, sem problemas, durante vários anos, desde que esteja instalada corretamente, alimentada por tensão regulada e operada adequadamente. Como o instrumento eletrônico possui raras peças moveis, pois mesmo as chaves liga-desliga podem ser estáticas, a sua confiabilidade independe da idade. O componente menos confiável do sistema eletrônico é o contato. O


160

capacitor eletrônico é um componente que pode apresentar problema, porém só é usado na fonte de alimentação.

Como segunda regra, ou como continuação da regra do instrumento pneumático, tem-se: o instrumento eletrônico pode apresentar problema assim que é ligado e nas primeiras horas de funcionamento. Depois que o instrumento entra em regime permanente, dificilmente apresentará defeito, com o uso e a aplicação correta.

Em eletrônica, se define como drift o afastamento gradual das características de um componente ou de um equipamento das especificadas originalmente. Atualmente, os componentes eletrônicos para uso industrial são submetidos a tratamento especial para minimizar os seus desvios, como o burn in. Este tratamento consiste em submeter o componente e o instrumento inteiro a temperaturas artificialmente elevadas, durante longo tempo (p. ex., 72 horas) de modo que eles ficam envelhecidos precocemente e não se alteram com a idade e com as condições ambientais.

Confiabilidade e condições ambientais A maioria dos problemas de funcionamento

dos instrumentos é causada pelas variações das condições de contorno e do ambiente, tais como a temperatura, a umidade, a pressão, a poeira, a atmosfera corrosiva, a maresia, o vento, a vibração e os choques mecânicos. Quando as especificações recomendadas pelo fabricante são excedidas pelas condições reais da operação, certamente aparecerão falhas no instrumento. No aspecto de ter o desempenho modificado pelas condições ambientais, o instrumento pneumático é menos sensível que o eletrônico. O instrumento eletrônico teme a alta temperatura e deixam de funcionar quando submetidos a temperaturas acima de 90 oC, por causa de seus circuitos que incorporam semicondutores. É recomendável o uso de ar condicionado, onde a temperatura e a umidade são controladas dentro de níveis satisfatórios nas salas de controle com instrumentação eletrônica. É mandatório o uso de ar condicionado no ambiente com computadores digitais.

Temperaturas muito baixas (criogênicas), também podem causar problemas aos circuitos eletrônicos, pela redução do ganho dos circuitos semicondutores e pelo fenômeno da supercondutividade. Por isso, a não ser que o sistema eletrônica tenho sido projetado e previsto para estas condições especiais, o seu uso deve ser evitado.

Quando há vibrações, os instrumentos mecânicos são mais afetados, por possuírem

peças moveis. As vibrações podem causar problemas de contato ou de ruptura dos condutores em equipamentos eletrônicos.

Quantificação da confiabilidade A confiabilidade pode ser quantificada com

números relacionados com os tempos envolvidos. Tem-se:

MTBF, que significa Mean Time Between Fails (Tempo Médio Entre Falhas). O MTBF de um dado tipo de instrumento ou sistema é determinado por teste, experiência ou ambos. Um grande MTBF é bom e depende de o fabricante do instrumento usar materiais de alta qualidade, projeto correto e cuidado na fabricação e de o usuário aplicar o instrumento para o tipo de serviço para o qual ele foi fabricado e fazer a manutenção de rotina recomendada.

MTTR, que significa Mean Time To Repair (Tempo Médio Para Reparar). O MTTR é determinado pela experiência. Um pequeno MTTR é bom e depende de o fabricante projetar um instrumento de fácil manutenção e de o usuário ter estocado ou conseguir rapidamente peças de reposição e ter uma equipe de manutenção bem treinada e capacitada com facilidade de acesso ao equipamento que precisa ser reparado.

MTFF (Mean Time First Fail - Tempo Médio Primeira Falha). Quando o instrumento é descartável, pois não pode ser reparado, a confiabilidade é dada pelo tempo para haver a primeira falha. Depois desta falha o instrumento é jogado fora e substituído por outro.

Número de componentes da malha A confiabilidade é melhorada pela redução

de número de elos na corrente de instrumentos. Quanto menos instrumentos tiver a malha, mais confiável ela é, pois cada instrumento individual tem algum risco de falha e contribui para o risco da falha da malha.

A precisão da malha de instrumentos também depende da quantidade de instrumentos componentes. Quanto mais instrumentos tiver a malha, maior é o erro total resultante, qualquer que seja o algoritmo de cálculo. O melhor projeto de malha de instrumentos é aquele que usa o mínimo número de instrumentos para executar a tarefa requerida. Seja o mais simples possível (em inglês: KISS: Keep it simple, stupid!)

Confiabilidade e redundância Deve-se ter redundância quando a falha da

instrumentação na planta resulta em um risco inaceitável de perigo físico ou perda momentânea. Redundância significa fornecer um segundo elemento alternativo para executar


161

uma função, quando o primeiro falha. A redundância pode ser aplicada a qualquer tipo de equipamento: sensor, controlador, computador, fonte de alimentação, trocador de calor, sistema completo, tubulação, cabos de comunicação.

Para uma redundância ser totalmente efetiva, cada canal deve operar totalmente independente do outro. Isto significa que nenhuma simples má operação, como abertura ou fechamento incorreto de uma chave e nenhuma simples falha, como a falha de uma fonte de alimentação, possa derrubar os dois canais. Quando dois controladores são alimentados por uma única linha elétrica, eles não são totalmente independentes pois a falta de energia desliga os dois controladores.

A falha de uma fonte de alimentação comum é um exemplo de falha de modo comum. A falha de modo comum pode também ser causada pela queda de um único objeto em cima de dois controladores redundantes, que desliga os dois canais. Para evitar este tipo de falha, os dois canais devem ser separados um do outro.

Outro modo de aumentar a confiabilidade da planta é pela diversidade. Diversidade é quando se tem dois canais fazendo a mesma coisa, mas de modos diferentes. É improvável que os diferentes canais sofram o mesmo tipo de falha. Por exemplo, a medição redundante de nível através de deslocador e de dispositivo a pressão diferencial: os dois sistemas são construídos diferentemente e tem princípios de funcionamento fisicamente diferentes.

Um bom princípio de projeto para seguir em todas as plantas é separar a função normal de controle da função de segurança. Separar significa ter diferentes sensores e transmissores. A Fig.4.7(a) mostra como devem ser o sistema de controle e segurança de nível de um tanque. O controle é conseguido através de um transmissor de nível, controlador e válvula de controle. A segurança é conseguida através de uma chave de nível, que desliga o motor da bomba que enche o tanque. O controlador regula normalmente o nível do tanque e normalmente o tanque não derrama. No caso de haver alto nível por causa de um grande distúrbio, a chave de nível alto desliga a bomba e a vazão de entrada do tanque fica zero, evitando que o nível do fique excessivamente alto. O tanque não derrama.

Todas as partes de um esquema provavelmente operam como o esperado. Porém, o esquema da Fig. 4.7 (a) tem uma fraqueza que pode potencialmente causar falha: tanto o controlador como a chave de nível dependem de um único transmissor e por

isso ambos estão sujeitos a uma falha de modo comum.

Fig. 4.7 Evitando transbordamento do tanque

(a) Mais confiável

LT 67

Tanque

Bomba

Trip da bomba

LSH 67

LC 67

(a) Menos confiável

LT 66

Tanque

Bomba

Trip da bomba

LSH 66

LIC 66


162

Na Fig. 4.7(b) tem-se um sistema mais confiável para evitar que o tanque derrame. Quase tudo é a mesma coisa, exceto que agora a chave de nível sente o nível diretamente e independente do controlador. Agora, se a malha de controle falhar, a chave não é afetada. Quando a chave falhar, a malha de controle não é afetada.

Um bom exemplo de redundância é o homem que usa cinto e suspensório para seguras suas calças. Se o cinto falha, o suspensório segura; se o suspensório falha, o cinto segura. Tem-se um sistema de segurança com redundância, diversidade e separação.

Em sistemas de medição críticos, como na indústria nuclear, os sensores são redundantes. Tem-se três sensores separados e um sistema de votação. O sistema de alarme é inicializado pelo sistema de votação um-dos-três e o desligamento é feito pelo sistema dois-dos-três. Se qualquer um dos três sensores é alto, o sistema de alarme toca para chamar a atenção do operador, que pode investigar e julgar qual ação deve ter tomada. Quando dois canais estirem altos, então o sistema é desligado automaticamente. A idéia deste sistema é que um único sinal alto pode ser aberração e falso e não deve ser considerado para se desligar o processo. Mas se a leitura alta é confirmada por uma segunda leitura, então ambas as leituras altas são consideradas válidas e o sistema é desligado automaticamente. Em sistemas mais conservativos pode-se usar um sistema de votação de dois-dos-quatro, que possuem quatro medições em vez de três.

Há sistema que mede disparidades entre dois ou mais instrumentos de processo que deveriam dar a mesma indicação. Se a disparidade se torna excessiva, é atuado um alarme de disparidade, mesmo que não se detecte nenhuma falha no processo.

Medições para aumentar a confiabilidade podem ser aplicadas a qualquer sistema de processo com grande perigo potencial, embora elas sejam mais usadas na indústria de energia nuclear.

Há um movimento no mundo da eletrônica, incluindo instrumentos, no desenvolvimento de equipamento tolerante a falha, que possui componentes ou circuitos internos redundantes. O efeito é possibilitar o instrumento ou sistema envolvido continuar funcionando corretamente mesmo se alguma peça do instrumento ou sistema falhar. Esta técnica é usada extensivamente em alguns sistemas de controle distribuído e controle lógico programado.

Para sistemas de processo importantes, pode-se fazer uma análise de falha. Análise de

falha é um estudo detalhado do que pode acontecer ao processo se as várias partes do sistema de equipamento e instrumento do processo falhar. O estudo pode revelar uma necessidade de equipamento reserva (backup), uma mudança na ação de falha-segura ou outras mudanças ou pode simplesmente confirmar a adequação do sistema existente.

2.6. Disponibilidade Disponibilidade é o tempo disponível do

instrumento em operação normal. É o tempo em que o instrumento está ligado, não está sob manutenção e é sabido ou acreditado que está operando corretamente. Relação de disponibilidade é relação da quantidade de tempo que um sistema está realmente disponível para uso para a quantidade de tempo que é suposto que ele esteja. Disponibilidade de dados, canais de dados e equipamentos I/O de computadores, é a condição de estar pronto para uso e não imediatamente colocado para fazer outras tarefas.

A disponibilidade ou disponibilidade no tempo pode ser determinada dos parâmetros MTBF e MTTR. Disponibilidade é a fração de tempo que o instrumento ou sistema pode estar pronto para usar e para funcionar corretamente. Costuma-se definir a Disponibilidade, D, como a relação matemática:

DMTBF

MTBF MTTR=

+

A disponibilidade de um instrumento

aumenta quando o MTBF aumenta e o MTTR diminui. Um instrumento muito disponível é aquele que demora para falhar e quando falha, é rapidamente consertado.

Às vezes, um fabricante não pode fornecer dados para o MTBF e MTTR para calcular a disponibilidade do instrumento, principalmente para equipamentos não eletrônicos. Porém, sempre pode-se tentar estimar a disponibilidade ou julgar a qualidade aparente dos equipamentos. Quando se considera a confiabilidade na escolha de um instrumento ou projeto de um sistema, obtém-se uma planta que tende a ter pequeno custo de manutenção e poucas paradas de produção por causa de falhas de instrumentos. Estes fatores devem ser considerados na escolha de determinado tipo de instrumento em favor daquele mais confiável e disponível, mesmo que seja o de mais custo inicial.


163

2.7. Calibração Calibração é a determinação, por medição

ou comparação com um padrão rastreado, do valor correto de cada leitura da escala de um instrumento ou do valor para cada ajuste do instrumento. Aferir é a determinação, por medição ou comparação com um padrão rastreado, do atributo de um elemento sensor ou de um instrumento Em alguma convenção, calibrar e aferir são a mesma coisa e são diferentes de ajustar; em outras, calibrar e ajustar são a mesma coisa e são diferentes de aferição. Curva de calibração é um registro dos dados de calibração, dando o valor correto para cada leitura indicada de um instrumento. Um ponto de calibração é aquele em que se faz uma verificação ou ajuste. Um material de referência certificado é um padrão que indica se um instrumento ou procedimento analítico está trabalhando dentro de limites prescritos ou uma solução com concentração conhecida (solução padrão) usada em instrumentação analítica.

A calibração garante a exatidão do instrumento ao longo do tempo. Como a idade dos componentes do instrumento altera seu desempenho, periodicamente o instrumento deve ser calibrado, para voltar a ter o desempenho deejado.

Fig. 4.8. Calibração de instrumento

pneumático A calibração confiável e válida requer: 1. padrões rastreados 2. procedimentos claros e escritos 3. ambiente conhecido 4. pessoal treinado 5. registros documentados 6. período de validade O intervalo entre duas calibrações

sucessivas é estabelecido pelo usuário e é função de:

1. tipo de instrumento 2. recomendação do fabricante 3. severidade do ambiente 4. precisão requerida pelo processo

5. penalidade resultante da medição inexata do instrumento

6. disponibilidade do instrumento pela operação

7. exigência contratual 8. exigência legal O intervalo é dinâmico e deve ser

aumentado, diminuído ou mantido em função do resultado das calibrações anteriores. Há regras de bolo (Schumacher, Grasmann) para administrar os períodos de calibração dos instrumentos.

2.8. Manutenção Manutenção é a ação e o custo de manter

algo em boa condição e trabalhando em ordem. Tempo de manutenção é o tempo requerido para a manutenção corretiva e preventiva do equipamento. A manutenção correta do instrumento garante que sua precisão não piore ao longo do tempo. Mantenabilidade é a habilidade do equipamento satisfazer os objetivos operacionais com um mínimo esforço de manutenção sob condições ambientais operacionais em que a manutenção programada e não programada seja feita. Quantitativamente, a probabilidade que um item seja restaurado para condições específicas dentro de um dado período de tempo quando a ação de manutenção é feita de acordo com procedimentos e fontes pré determinadas.

Fig. 4.9. Medições e teste em instrumento

eletrônico Os gostos e desgostos do pessoal de

manutenção de instrumentos também são fatores de seleção de instrumentos. Geralmente, o pessoal da manutenção de instrumentação quer instrumentos que

1. tenham suas leituras facilmente verificadas

2. possam ser calibrados no zero sem remoção do processo


164

3. mantenham sua calibração por longos períodos de tempo

4. possam ser instalados em locais de fácil acesso

5. sejam mantidos pelos próprios instrumentistas, sem a necessidade de enviá-los para o fabricante para reparo ou calibração.

O que o pessoal da instrumentação não quer é ser pioneiro no uso de uma nova instrumentação, especialmente se eles acreditam que o trabalho possa ser feito com instrumentos que eles já conhecem.

A questão de se fazer o serviço na própria planta ou enviar o instrumento para o fabricante deve ser decidida pelo usuário, considerando os aspectos de custo, tempo de entrega, qualidade do produto, materiais, técnicas e know-how.

Há usuários que fazem seus próprios termopares. O instrumentista corta dois comprimentos de fio termopar, por exemplo, um de ferro e outros de constantant (tipo J), enrola-os juntos com um alicate e depois solda a junta com um maçarico. O instrumentista então declara que o termopar é realmente um sensor de temperatura, ligando-o a um medidor que lê milivoltagem. O que foi esquecido é que um termopar é realmente uma pequena bateria cuja força eletromotriz (fem) da saída varia com a temperatura. O medidor lê uma fem e não a temperatura por si. A fem medida tem de ser convertida para temperatura usando uma tabela de correlação que é levantada por laboratórios nacionais, como o NIST americano e PTB alemão. As tabelas do NIST foram levantadas experimentalmente a partir de métodos rigorosamente controlados.

Um fabricante comercial tem método para montar um termopar muito mais cuidadoso que o do instrumentista. A pureza e a qualidade metalúrgica dos fios é cuidadosamente protegida para que a tabela de correlação seja válida, através de uso de alicate especial e método especial, evitando oxidação, stress termal e mudança na estrutura cristalina. Certamente o método usado pelo instrumentista em sua oficina de manutenção de instrumentos duma planta petroquímica ou siderúrgica não é tão rigoroso.

Quando se compra um termopar de um fabricante conceituado, ele fornece junto do termopar a sua especificação técnica, onde é declarada sua precisão. Por exemplo, para o termopar tipo J, a precisão é de ±2,2 oC ou ±0,75% do valor medido, o que for maior. Esta precisão é garantida pelos materiais e métodos empregados pelo fabricante. Qual seria a precisão do termopar construído pelo instrumentista? Para isto ser respondido, deve-

se aferir o termopar, comparando-o com um padrão certificado. Como conclusão, atualmente é raro se fazer um termopar, quando se quer uma medição com incerteza conhecida. O comum é comprar o termopar de fabricante conhecido e especialista e em aplicações onde há auditorias de qualidade para verificar a evidência da calibração, compra-se o termopar já rastreado e certificado e com o preço muito maior.

Quando a instalação de um novo sistema de medição ou controle é completada, a questão que se coloca é: quem vai fazer isto operar? A partida de um novo sistema geralmente é feita por especialista da companhia que vendeu o sistema. Porém, um dia ele vai embora e deixa a manutenção e o cuidado do sistema para o grupo de instrumentação da planta. Se este grupo não tem o know-how para fazer o trabalho ou se simplesmente ele não tem o tempo suficiente para manter o sistema operando conforme o esperado, depois de algum tempo o desempenho do sistema se deteriora até ficar totalmente inútil. O problema se complica mais ainda quando a produção depende da disponibilidade do sistema. Neste caso há chamadas freqüentes e caras do pessoal do fabricante.

A capacidade de manutenção é constituída de conhecimento, tempo e aceitação de responsabilidade. Se o pessoal de manutenção não tem estes três fatores, com relação à nova instrumentação, ou não está preparado para adquiri-los, então deve-se escolher algo bem simples para fazer o trabalho.

2.9. Resposta dinâmica A resposta dinâmica se refere aos tempos

de atraso, às freqüência de corte e ganhos do sinal de saída em função do sinal de entrada, ambos referidos ao tempo. De modo absoluto, a resposta do instrumento eletrônico é melhor (mais rápida) que a do instrumento pneumático. Tipicamente, a ordem de grandeza dos atrasos dos instrumentos eletrônicos é de micro segundos (10-6 s) e de décimos de segundo para os instrumentos pneumáticos (10-1 s)

Praticamente não há atraso na transmissão eletrônica, pois a transmissão se processa à velocidade da luz. A transmissão pneumática se processa à velocidade do som; tipicamente há um atraso de 0,25 segundos para cada 30 metros de tubulação de cobre de 1/4" diâmetro externo.

Não há limitação prática para a distancia quando o sinal transmitido é eletrônico. Por questões praticas de tamanho de industria, as distancias envolvidas na transmissão eletrônica vão até cerca de alguns kilômetros. Quando as


165

distancias envolvidas são maiores usam-se técnicas de transmissão sem fio, através de ondas de rádio-freqüência: é o campo da telemetria, que é outro departamento da instrumentação. Por causa dos atrasos envolvidos, as distancias para a transmissão pneumática são limitadas a algumas centenas de metros, tipicamente 300 metros. As soluções, imperfeitas, para se aumentar as distancia ou diminuir os atrasos na transmissão pneumática, envolvem o uso de tubulações de cobre em vez de plástico, tubulações com maiores diâmetros, uso de 4 tubos em vez de 2, uso de posicionadores na válvula de controle e uso de amplificadores pneumáticos (booster).

Fig. 4.10. Tempo de atraso A característica dinâmica dos

equipamentos e atualmente a base da aplicação de microprocessadores no controle de processo. As constantes de tempo dos processos industriais são tão maiores que as constantes de tempo dos equipamentos eletrônicos, que um único controlador analógico pode controlar simultaneamente todas as malhas da planta, desde que haja um conveniente sistema de interface processo-controlador. Na prática, essa interface existe e consiste num sistema de multiplexagem e conversões analógico-digital e digital-analógico.

Embora a resposta dinâmica dos instrumentos eletrônicos seja rápida que a dos pneumáticos, a dinâmica do processo a ser controlado é determinante. Quando as constantes de tempo da maioria das malhas do processo são grandes (processos lentos), é compatível e aceitável o uso de instrumentos pneumáticos, principalmente, para aplicações de montagem local.

Em processos que envolvem grandes distancias, o atraso da transmissão pode ser um fator decisivo e a escolha deve recair na instrumentação eletrônica.

As curvas de resposta em freqüência são equivalente para ambos os sistemas, talvez com pequena vantagem para o pneumático. Tipicamente, ambos os sistemas respondem até a freqüência de 10 Hz. A vantagem do sistema eletrônico é a facilidade de variação e ajuste dessa freqüência de corte, através da substituição de capacitores, que já são componentes naturais dos seus circuitos.

O ruído é um problema presente nos dois sistemas, pneumáticos e eletrônico. O ruído é uma interferência, de origem externa ou interna, que aparece misturado ao sinal de informação. O ruído é de mesma natureza física do sinal - por isso que ele interfere no sinal - e pode alterar sua informação. Em sistema pneumáticos, os ruídos são vibrações de estruturas mecânicas, vibrações ou pulsações de fluidos, tais como ar comprimido, água, vapor, líquido de processo. Essas turbulências dos fluidos podem ocorrer quando há restrições nas linhas, provocadas por válvulas de controle, placas de orifício para medição de vazão, reduções de pressão, curvas, cotovelos ou conexões de tubulações. Para se eliminar essas turbulências e ruídos, são usados o amortecimento mecânico, conseguido pelo uso de fluidos de enchimentos de diafragmas mais viscosos e os retificadores de vazão. A colocação de suportes e a melhor ancoragem das tubulações também elimina ou diminui os ruídos e perturbações. Finalmente, o dimensionamento correto de válvulas de controle, reduções e placas de orifício evita o aparecimento de cavitações, 'flasheamento" de gases e vibrações.

Em sistema eletrônico, os ruídos são captados das linhas de energia, motores e transformadores, que criam campos eletromagnéticos intensos. É o chamado ruído de 60 Hz. Esse ruído é facilmente evitado pela separação física das linhas de energia das linhas de instrumentação. Quando isso não é suficiente, usam-se fios blindados e trançados e bandejas metálicas. E, de qualquer modo, os ruídos remanescentes são filtrados nas entradas dos instrumentos receptores de sinais.


166

3. Especificações do instrumento

As especificações do instrumento incluem: 1. especificações de desempenho 2. condições de operação 3. especificações funcionais 4. especificações físicas 5. especificações de segurança 6. características opcionais 7. dimensões nominais 8. instruções para pedido

3.1. Especificações de Operação As especificações de operação consideram as influências do fluido do processo condições de operação de referência condições de operação normal limites de operação

onde são estabelecidos os valores de temperatura do processo, temperatura ambiente, umidade relativa, valor da alimentação, impedância da malha para sinal analógico e digital.

As condições de operação de referência são aquelas com que o instrumento foi testado e calibrado. As especificações de desempenho do instrumento são válidas para estas condições de referência. Estas faixas de operação são as mais estreitas e raramente são iguais às condições reais de processo.

Os limites de operação são mais alargados que os de referência e devem ser respeitados pelo usuário. Operar o instrumento fora destes limites de operação danifica irremediavelmente o instrumento.

Embora seja esquecidos pelo instrumento, os limites de transporte e armazenagem também devem ser considerados. Muitos instrumentos já chegam danificados ao usuário porque estes limites não foram respeitados pela empresa transportadora e não foram tomados os devidos cuidados pelo despachante do instrumento. A temperatura ambiente de transporte tem uma faixa pouco mais larga que a relativa à operação, a umidade relativa do ar tem os mesmos limites que os de operação.

A Tab. 4.5 mostra valores típicos de condições de transporte, armazenagem e operação de um transmissor eletrônico microprocessado, (Foxboro, PSS 2A-1A1 C, p. 3)

3.2. Especificação de desempenho

Introdução Desempenho é o ato de funcionamento do

instrumento, de modo previsível, estável, exato, preciso e seguro. É um termo muito amplo, que inclui operabilidade, previsibilidade, precisão, exatidão, estabilidade e segurança.

A operabilidade ou funcionamento inclui os parâmetros de capacidade, flexibilidade, configurabilidade, robustez, compatibilidade, intercambiabilidade e interoperabilidade.

Por sua vez, a precisão inclui os parâmetros de repetitividade, reprodutibilidade, linearidade, sensibilidade, rangeabilidade, resolução, banda morta, histerese. A precisão do instrumento é mantida por sua manutenção.

A estabilidade da operação inclui os parâmetros de confiabilidade, falibilidade, integridade e disponibilidade.

O desempenho do instrumento é influenciado por vários fatores, como temperatura do processo e ambiente, pressão do processo e ambiente, propriedade do fluido do processo (densidade, viscosidade, condutividade elétrica, calor específico), posição do instrumento, vibração da estrutura de suporte, alimentação e ruídos externos.

Nas especificações do instrumento, os parâmetros de desempenho geralmente são expressos de modo quantitativo.

Exatidão Exatidão é o grau de conformidade do valor

indicado para um valor verdadeiro ou ideal. Como o valor verdadeiro é desconhecido, usa se o valor verdadeiro convencional, dado por padrão reconhecidamente confiável. Para que o valor dado pelo padrão seja confiável, é necessário que o padrão seja rastreado, ou seja, comparado contra outro padrão superior também confiável.

A exatidão medida é expressa pelo desvio máximo observado no teste de um instrumento sob determinadas condições e através de um procedimento especifico. É usualmente medida como uma inexatidão e expressa como exatidão.

A exatidão do instrumento está relacionada com os erros sistemáticos. A exatidão do medidor é conseguida através da sua calibração periódica.


167

Precisão Precisão (precision) é o grau de

concordância mútua e consistente entre várias medições individuais replicadas. A precisão é uma medida do grau de liberdade dos erros aleatórios do instrumento. A precisão é a qualidade que caracteriza um instrumento de medição dar indicações equivalentes ao valor verdadeiro da quantidade medida. A precisão está relacionada com a qualidade do instrumento. Quando o instrumento deteriora a sua precisão, alargando a dispersão de suas medidas do mesmo valor, ele necessita de manutenção. A manutenção criteriosa do instrumento, utilizando peças originais e conservando o projeto original não melhora a precisão nominal do instrumento, fornecida pelo fabricante quando novo mas evita que ela se degrade e ultrapasse os limites originais.

Fig. 4.12. Precisão e exatidão

Geralmente, quanto mais preciso o instrumento, mais elevado é o seu custo. Um instrumento com grande precisão serve de padrão para calibração de um instrumento com menor precisão, ambos da mesma espécie. O mesmo tipo de medidor pode ter diferentes precisões em função do fabricante, projeto de construção e materiais empregados. Por exemplo, um medidor de vazão tipo turbina pode ter diferentes precisões em função de seu fabricante (Foxboro ou Hoffer), princípio de funcionamento (mecânica, detecção magnética ou de RF), geometria (axial, tangencial ou de inserção), fluido medido (gás ou líquido).

Exatidão e Precisão É tentador dizer que se uma medição é

conhecida com precisão, então ela é também conhecida com exatidão. Isto é perigoso e errado. Precisão e exatidão são conceitos diferentes.

A precisão é uma condição necessária para a exatidão, porém, não é suficiente. Pode-se ter um instrumento muito preciso, mas descalibrado, de modo que sua medição não é exata. Mas um instrumento com pequena precisão, mesmo que ele forneça uma medição exata, logo depois de calibrado, com o tempo ele se desvia e não mais fornece medições exatas. Para o instrumento ser sempre exato, é necessário ser preciso e estar calibrado.

No tiro ao alvo, quando se tem 1. todos os tiros agrupados, porém fora do

centro, tem-se boa precisão e ruim exatidão,

2. todos os tiros com grande espalhamento, mas com a média no centro, tem-se ruim precisão e boa exatidão,

3. todos os tiros com grande espalhamento e com a média fora do centro, tem-se ruim precisão e ruim exatidão

4. todos os tiros agrupados e com a média coincidindo com o centro, tem-se boa precisão e boa exatidão.

Outro exemplo, um relógio de boa qualidade é preciso. Para ele estar exato, ele precisa ter sido acertado (calibrado) corretamente. Desde que o relógio preciso esteja exato, ele marcará as horas, agora e no futuro com um pequeno erro. Seja agora um relógio de má qualidade e impreciso. Logo depois de calibrado, ele marcará a hora com exatidão, porém, com o passar do tempo, a sua imprecisão fará com ele marque o tempo com grandes erros. Um instrumento impreciso é também inexato. Mesmo que ele esteja exato, com o tempo ele se afasta do valor verdadeiro e dará grande erro.


168

Precisão estática e dinâmica A precisão de uma medição existe em duas

formas: estática e dinâmica. Ambos os tipos da precisão são importantes no controle e medição do processo, embora de modos diferentes. A precisão estática é geralmente requerida em situações de balanço, como em custódia, balanço de materiais e otimização de processo. A precisão dinâmica é importante em controle automático, desde que o desempenho do controle depende da velocidade com que os componentes reagem.

A precisão estática é o status de como as indicações se agrupam em torno do valor verdadeiro da variável de processo senso medida sob condições estáticas ou de regime permanente. A precisão estática é uma característica saída versus entrada, a entrada sendo o valor verdadeiro da variável medida e a saída sendo a leitura do medidor.

O tempo não entra na determinação da precisão estática. Quando o valor de uma variável medida se altera, o medidor tem todo o tempo que ele precisa para assumir sua nova leitura. A precisão estática é usualmente expressa em ternos do erro que se pode esperar. O erro potencial pode ser estabelecido em unidades de engenharia da variável do processo sendo medida ou em percentagem da largura de faixa medida.

Especificação da precisão A precisão pode ser especificada para toda

a faixa de operação, para uma faixa limitada de operação ou para um ponto especifico de trabalho. O comum é especificar a precisão associada com a rangeabilidade do instrumento. Por exemplo, a precisão do instrumento é de ±1% do valor medido para rangeabilidade de 10:1 e ±0,5% do valor medido para a rangeabilidade de 5:1.

Basicamente, a precisão dos instrumentos é expressa de dois modos diferentes, como:

percentagem do fundo de escala percentagem do valor medido As expressões em percentagem da largura

de faixa ou em unidade de engenharia são equivalentes à expressão de percentagem do fundo de escala. Instrumentos com precisão expressa em percentagem do fundo de escala possuem erro absoluto constante (igual ao produto da precisão pelo valor do fundo de escala) e o erro relativo aumento com a diminuição do valor medido.

Instrumentos com precisão expressa em percentagem do valor medido possuem erro relativo constante (igual ao valor nominal) e o erro absoluto diminui com a diminuição do valor medido. Instrumento com precisão expressa em percentagem do valor medido é melhor que

o instrumento com precisão expressa em percentagem do fundo de escala.

Erro de zero ocorre quando a curva de calibração está levemente fora do zero e faz toda a curva se afastar de igual valor. Há instrumentos que possuem a condição de zero definida e portanto não apresentam erro de zero. Erro de largura de faixa (span) ocorre quando a curva de calibração está com inclinação levemente diferente da teórica, e faz a curva se afastar de pouco no inicio e mais no fim da curva, ou seja, o erro é proporcional ao valor medido. Todo instrumento possui erro de largura de faixa ou de sensitividade.

Instrumento que possui apenas erro de largura de faixa (não tem erro de zero), tem imprecisão expressa em % do valor medido. Instrumento que possui os dois tipos de erro, de zero e de largura de faixa, deve ter imprecisão expressa em % do fim de escala.

A precisão expressa pelo fabricante nos catálogos do instrumento é válida apenas para o instrumento novo e nas condições de calibração.

Especificação do catálogo do fabricante A especificação da precisão do instrumento

publicada nos catálogos dos fabricantes, geralmente, é feita de modo ambíguo, incompleto ou confuso. Por exemplo, a precisão da medição de vazão com placa de orifício é de ± 3%. Há várias coisas erradas nesta especificação; por exemplo:

1. precisão de ±3% tecnicamente significa que o erro é de ±3% e a precisão é de ±97%.

2. independe do valor da medição, o erro é de ±3%. O correto é dizer que o erro é, no máximo, igual a ±3% ou a incerteza está dentro dos limites de ±3%.

3. a percentagem do erro deve estar relacionada com o valor medido ou com a largura de faixa. É incompleto e inútil somente escrever ±3%; o correto é dizer ±3% do fundo de escala. Quando se conhece a faixa calibrada, imediatamente se tem o erro em unidade de engenharia.

Comparação da precisão Em algumas organizações, o

estabelecimento da precisão do instrumento é feito em uma base específica. Para ser capaz de interpretar qualquer especificação de precisão feita é necessário entender a base.

Um sistema muito usado envolve o cálculo de um número estatístico chamado de desvio padrão. A confiabilidade dos valores da precisão determinados por este método


169

melhora quando o número de pontos de calibração aumenta. Assim, quanto maior o número de medições mais confiável é o valor do desvio padrão obtido.

Quando se tem o desvio padrão de um instrumento de medição, então se espera que 99% do tempo as leituras do instrumento caem dentro de três vezes o desvio padrão do valor verdadeiro, 95% do tempo delas estão dentro de duas vezes o desvio padrão do valor verdadeiro e 68% do tempo elas estão dentro de um desvio padrão do valor verdadeiro. Sempre existe um nível de confiança ou de probabilidade para as medições caírem dentro de um determinado intervalo de medição ou de tempo.

Os fabricantes de instrumento que fornecem as suas especificações, incluindo sua precisão e os laboratórios de calibração que usam padrões e especificam as incertezas da calibração devem informar claramente quais o nível de confiança e o número de desvios padrão usados.

Parâmetros da precisão Os parâmetros constituintes da precisão

são os seguintes: 1. linearidade 2. repetitividade 3. reprodutibilidade 4. sensitividade 5. banda morta 6. resolução 7. banda morta 8. histerese 9. quantização (se digital) 10. rangeabilidade O fabricante pode quantificar

individualmente cada um destes parâmetros ou simplesmente expressar o valor final da precisão e declarar que inclui todos estes parâmetros.

Linearidade A linearidade do instrumento é sua

conformidade com a linha reta de calibração. Ela é usualmente medida em não linearidade e expressa como linearidade.

Quando a medição é não linear aparecem desvios da linha reta de calibração. As formas mais comuns são: desvio de zero, desvio da largura de faixa e desvio intermediário, geralmente provocado pela angularidade ou pela histerese.

Quando a medição é uma linha reta não passando pela origem, o instrumento necessita de ajuste de zero. Em um sistema mecânico, o desvio de zero é usualmente devido ao deslize de um elo no mecanismo. Ele pode ser corrigido pelo reajuste do zero do instrumento.

Em um instrumento eletrônico, o desvio de zero é causado por variações no circuito devidas ao envelhecimento dos componentes, mudanças nas condições de contorno, como temperatura, umidade, campos eletromagnéticos.

Quando a medição é uma linha reta, passando pelo zero porém com inclinação diferente da ideal, o instrumento necessita de ajuste de largura de faixa ou de ganho. Um desvio de largura de faixa envolve uma variação gradual na calibração, quando a medição se move do zero para o fim da escala. Pode ser causada, em um sistema mecânico, pela variação na constante da mola de uma das partes do instrumento. Em um instrumento eletrônico, o desvio de largura de faixa pode ser provocado, como no desvio do zero, por uma variação da característica de algum componente.

Fig. 4.13. Expressão da linearidade Quando a medição se afasta da linha reta e

os valores da medição aumentando são diferentes dos valores tomados com a medição decrescendo, o instrumento apresenta erro de histerese. Tais erros podem ser provocados por folgas e desgastes de peças ou por erros de angularidade do circuito mecânico do instrumento. O desvio intermediário envolve um componente do instrumento, alterando sua calibração. Isto pode ocorrer quando uma parte mecânica é super forçada ou pela alteração da característica de um componente eletrônico. O desvio no instrumento eletrônico ou pneumático mecânico pode ser compensado e eliminado pela inspeção periódica e calibração do instrumento.

A vantagem de se ter uma curva linear de calibração é que a leitura do instrumento se


170

baseia somente um fator de conversão. Quando a curva é não linear:

1. usa se uma escala não-linear, com a função matemática inversa (impossível em indicadores digitais),

2. incorpora-se um circuito linearizador antes do fator de conversão,

3. usa se uma lógica para avaliar a relação não linear e gravam-se os pontos na memória digital (ROM, PROM) do instrumento, fazendo-se a linearização por segmentos de reta ou por polinômios.

Repetitividade A repetitividade de um instrumento é a sua

habilidade de reproduzir a mesma saída, quando a entrada é repetida. A repetitividade de uma malha de controle é a habilidade de toda a malha (transmissor, controlador, transdutor, atuador) reproduzir o sinal de controle, quando são repetidas as condições do processo.

Quando o instrumento é não repetitivo sua curva de resposta para valores crescentes é diferente da curva para valores decrescentes.

Fig. 4.14. Curva de repetitividade

Reprodutibilidade Reprodutibilidade tem vários sentidos: Amercian Society for Testing and Materials

(ASTM), a reprodutibilidade mede a habilidade de um segundo instrumento obter a mesma indicação de um termômetro usando o mesmo sensor e o mesmo método mas com equipamentos de teste diferentes.

Usuário: reprodutibilidade é a capacidade do sistema de medição indicar a mesma condição termal repetidamente e com a substituição de um novo sensor, sem olhar a precisão da temperatura absoluta.

Como parâmetro da precisão, reprodutibilidade é a habilidade de um instrumento dar a mesma medida toda vez que ele medir o mesmo valor.

A reprodutibilidade é uma expressão do agrupamento da medição do mesmo valor da mesma variável sob condições diferentes (método diferente, instrumento diferente, local diferente, observação diferente), durante um longo período de tempo.

A perfeita reprodutibilidade significa que o instrumento não apresenta desvio, com o decorrer do tempo, ou seja, a calibração do instrumento não se desvia gradualmente, depois de uma semana, um mês ou até um ano.

Pode-se também entender a reprodutibilidade como a repetitividade durante um longo período de tempo. A reprodutibilidade inclui repetitividade, histerese, banda morta e drift.

Sensitividade A sensitividade do medidor é a menor

alteração na variável de processo para a qual o medidor irá responder alterando sua saída. A sensitividade é usualmente expressa como uma percentagem da largura de faixa. Nenhum medidor industrial possui sensitividade infinita. Quando a alteração da variável do processo sendo medida se torna cada vez menor, atinge-se um ponto onde o medidor se recusa a responder.

Grande sensitividade não garante grande precisão, mas uma grande sensitividade reduz as demandas do sistema do display e aumenta a probabilidade de se conseguir alta precisão total do sistema. Uma sensitividade de 1 mV/oC é melhor que uma de 1 μV/ oC, pois é mais fácil manipular 1 mV do que 1 μV, como amplificar ou filtrar ruídos.

A maioria dos medidores industriais possuem uma sensitividade da ordem de 0,2% da largura de faixa. Assim, para um medidor cuja faixa é de 100 a 300 oC, a sensitividade seria de 0,2% de 200 oC, que vale 0,4 oC. Isto significa que se a variação da temperatura medida for menor que 0,4 oC, o medidor não irá responder.

Se a faixa acima pudesse ser diminuída para 150 a 250 oC, a sensitividade da medição seria melhorada para 0,2 oC (0,2% x 100 oC = 0,2 oC). A sensitividade da medição é importante para o controle automático. Se o sistema de medição do controlador não reage


171

às alterações na variável controlada, então o controlador não gerará nenhuma ação de controle.

Fig. 4.15. Expressão da sensitividade Em muitos casos, a alta sensitividade dos

instrumentos eletrônicos pode aumentar a chance de haver interferências e captação de ruídos. Por exemplo, sistema de medição de pH que manipulam níveis de tensão de microvolts são muito susceptíveis a ruídos.

A sensitividade é também a relação da variação do valor de saída para a variação do valor de entrada que a provoca, após se atingir o estado de regime permanente. É expressa como a relação das unidades das duas quantidades envolvidas. A relação é constante na faixa, se o instrumento for linear. Para um instrumento não-linear, deve-se estabelecer o valor da entrada. O inverso da sensitividade é o fator de deflexão do instrumento.

Resolução Quando o ponteiro está entre duas

graduações, qual é o valor correto? Sempre há um limite prático de número de graduações que podem ser marcadas em uma dada escala ou gráfico, por exemplo, 100. Um medidor com uma faixa de 0 a 300 oC normalmente tem uma escala com 100 divisões, com cada divisão representando 3 oC. Os valores aceitáveis para as divisões da escala são 1, 2 e 5 unidades ou algum fator de 10 destes valores. Deste modo, um indicador com faixa de 0-300 oC provavelmente tem 60 divisões na escala, com cada divisão representando 5 oC.

Se a faixa pudesse ser diminuída para 100 a 200 oC, seriam usadas 100 divisões e cada divisão seria de 1 oC, que melhora a resolução de cinco vezes, de 5 para 1 oC. Esta melhoria é

devida parcialmente a uma largura de faixa menor e parcialmente ao fato de se usar divisão de 1 oC em vez de divisão de 5 oC.

Menor resolução, menor precisão Maior resolução, maior precisão Fig. 4.16. Réguas com resoluções

diferentes Sejam duas réguas, de mesmo tamanho,

porém a régua (b) tem mais divisões entre os números. Assim, enquanto se lê 6,2 na régua (a) pode-se ler 6,25 na régua (b). Na primeira régua, o dígito 2 é duvidoso e na segunda, o dígito 2 é garantido e o duvidoso é o 5.

Não se deve pensar que há uma função entre a resolução e precisão. Qualquer instrumento pode ser feito com maior resolução, simplesmente expandindo sua escala e colocando mais graduações ou mais dígitos. Isto não melhora sua precisão. Um medidor honesto é aquele em que a resolução é comparável com a precisão. O indicador de nível de combustível de um automóvel é usualmente graduado em pontos de 25%. Como tal, ele é um bom exemplo de um instrumento honesto, desde que sua precisão provável é também de cerca de ±25%.

Seja um indicador compartilhado de temperatura, com um indicador compartilhado por dezenas de termopares. Este indicador tem uma longa escala circular com um grande número de graduações, gerando uma grande confiança na precisão do instrumento. Esta confiança é justificada?

Os sensores que estão ligados ao indicador multiponto de temperatura são termopares. Assim, o indicador não mede temperatura mas pequenas forças eletromotrizes ou milivoltagens. Cada milivoltagem deve ser convertida para uma leitura de temperatura usando uma correlação entre a saída do termopar e a temperatura. (Nos EUA, esta


172

correlação é produzida pelo National Institute of Standards and Technoogy - NIST).

Um indicador de temperatura multiponto numa siderúrgica tem uma faixa de 0 a 1200 oC, com divisões de escala de 2 oC. Isto significa que o indicador pode ler 1 oC, que é a maior resolução sobre uma faixa de 1200 oC. A precisão da medição da temperatura é tão boa assim?

Como um instrumento para medir milivoltagem, a precisão do indicador de temperatura é boa; o erro é provavelmente melhor do que 0,2 % da largura de faixa ou dentro de 2,4 oC. Porém, ainda fica a dúvida acerca do comportamento do termopar e a correlação temperatura x milivoltagem do NIST.

Os fabricantes que fazem termopares do modo cuidadoso e sob condições controladas, publicam as especificações de seus termopares como tendo uma precisão ±2,2 oC ou ±0,75 do valor medido (tipo J). Assim, o indicador de temperatura tem um erro de ±7 oC em qualquer temperatura medida.

Quando se consideram também os erros devidos aos fios de extensão de termopar e à junta de compensação, o erro total da malha chega até a 20 oC e por isso não tem nenhum sentido prático usar uma escala com resolução de ±2 oC.

Quando o indicador multiponto de temperatura é substituído por um display de console de computador a precisão não melhora, por que os sensores continuam sendo os termopares, a correlação continua sendo a da NIST, os fios de extensão continuam sendo usados.

Como conclusão, sempre deve se considerar a incerteza de toda a malha. É inútil e desperdício de dinheiro, usar um instrumento de display de painel com grande resolução (alto custo) quando se tem associado a ele uma malha com sensor e condicionador de sinal com incerteza muito maior que a do indicador. E quem faz a leitura do display deve saber o que está gerando e trazendo esta informação para o display.

Quantização O tratamento digital dos sinais analógicos

provenientes das medições do processo sempre resulta em um erro, chamado de erro de quantização. Por isso a precisão de um instrumento digital é expressa em % do valor medido (ou % do fundo de escala) ± n dígitos. Este ±n dígitos que é o erro de quantização.

O erro de quantização se refere a leitura digital e resulta do fato de tornar discreto o valor de saída da medida. O melhor modo de entender o erro de quantização, inerente a todo instrumento digital que sempre possui uma

incerteza de ±n dígitos em sua leitura é o erro da idade de uma pessoa. Assim que uma criança nasce, sua idade é expressa em dias. A idade expressa em dias tem erro em horas. No primeiro ano, a idade passa a ser expressa em meses. A idade expressa em meses em erro de quantização de semanas ou dias. Depois de uns 4 ou 5 anos, a idade da criança passa a ser expressa em anos e o erro de quantização passa a ser de meses. No dia do seu aniversário, a pessoa tem idade exata em anos, meses e dias. Logo depois do aniversário, por exemplo de 40 anos, a pessoa tem 40 anos. Um mês depois do aniversário, a idade continua de 40 anos, mas o erro de quantização é de um mês. Um mês antes de fazer 41 anos, a pessoa ainda tem 40 anos, mas o erro da idade já é de 11 meses. Então, a idade da pessoa sempre tem um erro, pois sua expressão é discreta; aumentando de 1 em 1 ano, passando de 40 para 41 anos.

Banda Morta O efeito da banda ou zona morta aparece

quando a medição cai nas extremidades das escalas. Quando se mede 100 volts, começando de 0 volt, o indicador mostra um pouco menos de 100 volts. Quando se mede 100 volts, partindo de 200 volts, o ponteiro marca um pouco mais de 100 volts. A diferença das indicações obtidas quando se aproxima por baixo e por cima é a zona morta. O erro de zona morta é devido a atritos, campos magnéticos assimétricos e folgas mecânicas. Rigorosamente zona morta é diferente de histerese, porém, a maioria das pessoas consideram zona morta e histerese o mesmo fenômeno.

Na prática, a aplicação repentina de uma grande voltagem pode causar um erro de leitura, pois o ponteiro produz uma ultrapassagem (overshoot), oscila e estabiliza em um valor. Se a última oscilação ocorreu acima do valor, a indicação pode ser maior que o valor verdadeiro; se ocorreu abaixo do valor, a indicação pode ser menor que o valor verdadeiro. O bom projeto do instrumento e o uso de materiais especiais para suportes, magnetos e molas, pode reduzir a zona morta. Um modo efetivo para diminuir o efeito da zona morta é tomar várias medições e fazer a média delas.

Rangeabilidade Tão importante quanto à precisão e

exatidão do instrumento, é sua rangeabilidade. Em inglês, há duas palavras, rangeability e turndown para expressar aproximadamente a extensão de faixa que um instrumento pode medir dentro de uma determinada


173

especificação. Usamos o neologismo de rangeabilidade para expressar esta propriedade.

Para expressar a faixa de medição adequada do instrumento define-se o parâmetro rangeabilidade. Rangeabilidade é a relação da máxima medição sobre a mínima medição, dentro uma determinada precisão. Na prática, a rangeabilidade estabelece a menor medição a ser feita, depois que a máxima é determinada. A rangeabilidade está ligada à relação matemática entre a saída do medidor e a variável medida. Instrumentos lineares possuem maior rangeabilidade que os medidores quadráticos (saída do medidor proporcional ao quadrado da medição).

Fig. 4.17. Escala raiz quadrática,

rangeabilidade 3:1 Na medição de qualquer quantidade se

escolhe um instrumento pensando que ele tem o mesmo desempenho em toda a faixa. Na prática, isso não acontece, pois o comportamento do instrumento depende do valor medido. A maioria dos instrumentos tem um desempenho pior na medição de pequenos valores. Sempre há um limite inferior da medição, abaixo do qual é possível se fazer a medição, porém, a precisão se degrada e aumenta muito.

Por exemplo, o instrumento com precisão expressa em percentagem do fundo de escala tem o erro relativo aumentando quando se diminui o valor medido. Para estabelecer a faixa aceitável de medição, associa-se a precisão do instrumento com sua rangeabilidade. Por exemplo, a medição de

vazão com placa de orifício, tem precisão de ±3% com rangeabilidade de 3:1. Ou seja, a precisão da medição é igual ao menor que 3% apenas nas medições acima de 30% e até 100% da medição. Pode-se medir valores abaixo de 30%, porém, o erro é maior que ±,3%. Por exemplo, o erro é de 10% quando se mede 10% do valor máximo; o erro é de 100% quando se mede 1% do valor máximo.

Fig. 4.18. Precisão em percentagem do

fundo de escala, rangeabilidade de 3:1 Não se pode medir em toda a faixa por que

o instrumento é não linear e tem um comportamento diferenciado no início e no fim da faixa de medição. Geralmente, a dificuldade está na medição de pequenos valores. Um instrumento com pequena rangeabilidade é incapaz de fazer medições de pequenos valores da variável. A sua faixa útil de trabalho é acima de determinado valor; por exemplo, acima de 10% (rangeabilidade 10:1), ou de 33% (3:1).

Em medição, a rangeabilidade se aplica principalmente a medidores de vazão. Sempre que se dimensiona um medidor de vazão e se determina a vazão máxima, automaticamente há um limite de vazão mínima medida, abaixo do qual é possível fazer medição, porém, com precisão degradada.

Em controle de processo, o conceito de rangeabilidade é também muito usado em válvulas de controle. De modo análogo, define-se rangeabilidade da válvula de controle a relação matemática entre a máxima vazão controlada sobre a mínima vazão controlada, com o mesmo desempenho. A rangeabilidade da válvula está associada à sua característica inerente. Na válvula linear, cujo ganho é uniforme em toda a faixa de abertura da válvula, sua rangeabilidade é cerca de 10:1. Ou


174

seja, a mesma dificuldade e precisão que se tem para medir e controlar 100% da vazão, tem se em 10%. A válvula de abertura rápida tem uma ganho muito grande em vazão pequena, logo é instável o controle para vazão baixa. Sua rangeabilidade vale 3:1. A válvula com igual percentagem, cujo ganho em vazão baixa é pequeno, tem rangeabilidade de 100:1.

Histerese A histerese ocorre quando a saída de um

sistema de medição depende do valor prévio indicado pelo sistema. Tal dependência pode ser provocada por alguma limitação realística do sistema, como atrito e amortecimento viscoso em partes móveis ou carga residual em componentes elétricos. Alguma histerese é normal em algum sistema e afeta a precisão do sistema.

A histerese afeta a repetitividade, quando há histerese não se tem repetitividade.

Fig. 4.19. Histerese

3.3. Especificações funcionais As especificações funcionais consideram 1. tipo do sinal de saída, se analógico ou

digital 2. ação da saída, se direta ou inversa 3. tipos de ajuste de supressão ou

elevação de zero 4. tipos e modos de amortecimento dos

sinais manipulados 5. limites de faixa largura de faixa e

sobrefaixa aceitável sem danificar o instrumento

6. limites da pressão estática do instrumento, para os diferentes sensores

7. pressão de prova (proof pressure), que é aplicada em teste do instrumento conforme norma SAMA 27.1. O instrumento pode ficar sem funcionar logo depois deste teste.

8. tempo de resposta do instrumento, depois de ligado. Atualmente, poucos instrumentos eletrônicos requerem tempo de aquecimento (warm up) para operar em regime permanente.

9. posição de montagem. Instrumentos mecânicos ou cujo princípio de funcionamento envolve a aceleração da gravidade devem ter definida a posição de uso. A calibração do instrumento deve ser feita na mesma posição que ele irá operar no processo, quando a posição afeta seu desempenho.

10. fiação de alimentação e de sinal, definindo suas trajetórias, terminais, separação, tipos de tampas e modos de acesso.

11. exigências e limitações da alimentação do instrumento. Os transmissores eletrônicos podem operar com uma larga faixa de tensões de alimentação, em função da impedância da malha, do valor do sinal de saída e do uso do terminal de programação portátil. Geralmente, estes valores são mostrados em um gráfico com saída (mA) vs tensão de alimentação (V cc). Pelo gráfico, para uma determinada impedância da malha, a tensão pode variar em uma faixa ou para uma determinada tensão, a impedância pode variar em uma faixa. Por exemplo, para 24 V cc e sinal de saída de 4 a 20 mA, a impedância da malha pode variar de 200 a 565 Ω.

Comunicações remotas. Com o advento dos transmissores sabidos e inteligentes, o sinal de saída pode ter vários formatos. A definição do protocolo a ser usado é definida por programação no próprio transmissor ou através do terminal portátil ou através de um microcomputador, dedicado ou proprietário.

proteção contra alta voltagem e transientes faixa de freqüência do sinal de entrada mínima e máxima velocidade mensuráveis


175

3.4. Especificações físicas As especificações físicas definem as

dimensões, peso, cor e materiais das peças secas e molhadas do instrumento.

Plaqueta de identificação A plaqueta de identificação, chamada de

tag pelo instrumentista, é de aço inoxidável, afixadas de modo permanente e difícil de ser tirada, com dados do processo e do instrumento escritos indelevelmente. Ele tem um tamanho padronizado pelo fabricante que pode ser alterado a pedido do usuário, a um custo extra. Aliás, tudo que não seja padrão do fabricante deve ser pago adicionalmente pelo usuário. Geralmente há uma limitação de caracteres por linha da etiqueta e cuidado, que espaço também tem tamanho.

Nesta plaqueta deve ter: 1. nome e logotipo do fabricante 2. número de série do instrumento (serial) 3. modelo completo do instrumento, em

um código alfanumérico compreensível apenas pelo pessoal envolvido

4. dados do processo, como temperatura, pressão, propriedades do fluido

5. dados do instrumento, como sinal de saída, alimentação, faixa calibrada, URL do sensor (limites físicos de calibração)

Proteção contra o ambiente A classificação mecânica do invólucro,

segundo normas IEC IP ou NEMA. Por exemplo, instrumento a prova de tempo, vedado a pó, resistente à corrosão como definido por IEC IP 65 e NEMA tipo 4X. Esta proteção ambiental não tem nada a ver com a classificação elétrica do instrumento, que evita que a presença do instrumento cause uma explosão ou incêndio no local.

Materiais São listados os materiais do sensor, das

partes em contato com o processo (partes molhadas), dos invólucros, tampas, parafusos, fluidos de enchimento e de selagem, conexões com o processo.

Os sensores geralmente estão em contato direto com o fluido do processo e o seu material deve ser compatível com o fluido, para não haver corrosão. O projeto correto garante também que não haverá erosão, cavitação e desgaste físico. O material mais usado para construir sensores é o aço inoxidável AISI 316. Outros usados incluem ligas especiais como Co-Ni-Cr, Hastelloy C, Monel, tântalo, prata, platina.

O material dos invólucros pode ser metal, plásticos reforçados com fibra de vidro. O

material padrão é uma liga metálica de cobre e alumínio, que tenha pequeno peso e seja resistente mecanicamente. O invólucro à prova de explosão tem limitação de conteúdo de alumínio e magnésio, por questão de segurança.

A cerâmica é um material muito pesquisado e usado, por causa de suas vantagens de resistência à corrosão e erosão, embora seja quebradiço. A cerâmica é um material muito usado, atualmente, para substituir o teflon® como revestimento de tubos magnéticos de vazão.

Os invólucros geralmente são pintados ou revestidos de epoxy e outros materiais plásticos resistentes à corrosão. Também devem ser definidos os materiais de gaxetas e juntas de tampas de instrumentos, que devem ser compatíveis com a atmosfera contaminante do ambiente. Buna-N é o material padrão para aneis-O (O-ring).

O invólucro à prova de tempo deve ter gaxetas que vedem a entrada d'água e umidade; o invólucro à prova de chama não pode ter gaxetas entre seus espaçamentos críticos e esta incompatibilidade deve ser verificada. É possível, embora difícil, a compatibilização de prova de tempo e prova de explosão. Geralmente tampa à prova de tempo tem gaxeta e parafuso; tampa à prova de explosão e de tempo tem tampa aparafusada, com número mínimo de filete e anel-O especial.

O material dos parafusos de fixação não necessariamente é igual ao material do invólucro. O material padrão dos parafusos é aço carbono; quando se quiser aço inoxidável, deve-se especificar.

Os sensores de pressão diferencial e os selos de pressão são cheios de óleo. O silicone é o material padrão. Aplicações especiais como manipulação de oxidante (oxigênio, cloro) requerem o uso de Fluorinert®.

Geralmente a especificação informa a massa aproximada do instrumento. Esta informação é útil para saber como transportar, armazenar ou suportar na instalação do processo. Um transmissor eletrônico, sem indicador, pesa tipicamente de 2,0 a 5,0 kg.


176

3.5. Especificação de segurança

Segurança Segurança é a extensão em que um

sistema é provido com facilidade que excluem perigos a pessoas, equipamentos da planta e ambiente. A segurança depende da exclusão de e proteção contra choques elétricos, temperaturas excepcionalmente elevadas, radiação, emissão de gases perigosos ou venenosos, explosão e implosão e fogo. Os aspectos de segurança são em geral sujeitos a regras bem definidas e rigorosas para aprovação.

Seguridade (security) é a existência e causa de técnicas que restringem acesso a dados e a condições sob as quais os dados podem ser obtidos. É a habilidade de um sistema de potência elétrica responder adequadamente a distúrbios que aparecem dentro do sistema.

Segurança e saúde Nos Estados Unidos da América, o assunto

que envolve segurança e saúde ocupacionais é de lei. Em 29/12/70 foi promulgada pelo Congresso a lei publica 91-596 do OSHA (Occupational Safety and Health Act). Este ato define o local seguro para todos os americanos trabalharem nele. O OSHA afeta todos profissionais envolvidos em projeto. Os engenheiros, arquitetos e construtores de equipamentos e prédios devem incluir em seus planos e projetos tudo que deva satisfazer as normas de segurança e saúde, a fim de evitar as penalidades pelo seu não cumprimento. As penalidades podem ser as de refazer os projetos, alterar prédios e equipamentos já acabados, pagar pesadas multas financeiras e até fechar plantas. O OSHA compreende sete grandes áreas: local do trabalho, maquina e equipamentos, materiais, empregados, fontes de energia, processos e regras administrativas. O OSHA incorpora as normas existentes elaboradas por outras organizações privadas ou governamentais, como NFPA (National Fire Protection Association), ANSI (American National Standards Institute) API (American Petroleum Institute), ASME (American Society of Mechanical Engineers), ASTM (American Society for Testing and Materials), NEMA (National Electrical Manufacturers Association), AEC (Atomic Energy Commission) e outras.

De um modo simplificado, o instrumento é construído por um fabricante, especificado por uma firma de engenharia e aplicado pelo usuário final. Quando se considera essa cadeia de eventos: fabricação, especificação e uso do instrumento, há cuidados que devem ser considerados para garantir a integridade e

funcionamento do instrumento. Deve ser entendido e aceito que um instrumento, antes de desempenhar sua função desejada, deve sobreviver. Nenhum amontoado de sofisticação na sua fabricação ou especificação compensa a incapacidade do instrumento viver em um ambiente hostil.

Há duas razões fundamentais para justificar a harmonia de cooperação na fabricação, especificação e uso do instrumento: segurança e economia.

A segurança de um local pode ser comprometida com a simples presença de um instrumento. É o caso do uso de um instrumento elétrico de uso geral, em um local onde existe um gás flamável ou explosivo. Em casos menos aparentes, um processo pode falhar ou se romper, por causa de um instrumento mal especificado. Essa ruptura pode desprender alguma coisa indesejável às pessoas ou aos equipamentos que estejam próximos, tais como pressão, vapor, gás toxico, liquido corrosivo ou pó explosivo. Isso pode provocar mortes, danos físicos, perda de materiais e de equipamentos.

O instrumento, em virtude de sua natureza funcional, pode ser o elo mais frágil em uma linha de processo, com relação à capacidade de conter o processo rigoroso e resistir à corrosão.

A economia, embora menos visível, é também fundamental. É quase impossível colocar em números o quanto custa a corrosão do instrumento. Porem, é fácil entender que ela custa a todos. A corrosão custa ao fabricante, em termos de vantagem de competição, ela custa ao usuário final em termos de manutenção, paradas forçadas, mau funcionamento do instrumento e pobre eficiência do processo e finalmente, ela custa ao consumidor por causa do maior custo final do produto.

Classificação de Área De um modo geral, diz-se que uma área

industrial é perigosa quando nesse local é processado, armazenado, transportado e manuseado material que possua vapor, gás ou pó flamável ou explosivo. Como isso é vago e pouco operacional, classifica-se uma área perigosa considerando todos os parâmetros relacionados com o grau de perigo, atribuindo-lhe números e letras relacionados com Classe, Grupo e Zona (Divisão).

A Classe da área se relaciona com o estado físico da substância: gás (I), pó (II) e fibras (III).

O Grupo é uma subdivisão da Classe. Ele é mais especifico e agrupa os produtos de mesma Classe, levando em consideração as


177

propriedades químicas relacionadas com a segurança: temperatura de auto-ignição, nível de energia necessário para a combustão, mínima corrente e tensão elétricas de ignição, velocidade de queima de chama, facilidade de vazamento entre espaçamentos, estrutura química, pressão final de explosão.

Zona expressa a probabilidade relativa do material perigoso estar presente no ar ambiente, formando uma mistura em concentração perigosa.

As normas européias e a brasileira se referem a três zonas: Zonas 0, 1 e 2. As normas americanas se referem à Divisão e definem apenas duas áreas: Divisão 1 (Zonas 0 + 1) e Divisão 2 (Zona 2). Zona 0 é um local onde a presença do gás perigoso é praticamente constante ou 100%.

Tipicamente, é o interior de um tanque ou de uma vaso. Zona 1 é um local de alta probabilidade relativa de haver gás. É um local onde pode existir o gás, mesmo em condição normal de operação do processo. Zona 2 é um local de pequena probabilidade relativa da presença do gás. É um local onde a existência do gás só ocorre em condição anormal do processo, como ruptura de flange, falha de bomba. Mesmo que a probabilidade da presença do gás seja pequena, Zona 2 é ainda uma área perigosa. O local que não é nem Zona 0, 1 ou 2 é por exclusão e definição, área segura. Exemplo clássico de área segura é a sala de controle. Porem, há normas relacionadas com as condições interiores da sala de controle para garantir sua segurança. Essas normas estabelecem e exigem a pressurização da sala, vedação das portas e janelas, selos nos cabos que se comunicam com as áreas classificadas, ventilação e temperatura adequadas.

A classificação de área é de responsabilidade exclusiva do usuário final, pois apenas ele pode garantir a observância de normas de operação, manutenção, bem como de fazer inspeções periódicas no local.

O conhecimento da classificação da área é fundamental e é o ponto de partida para a especificação correta dos instrumentos. A especificação do instrumento, encaminhada do fabricante pela firma de engenharia ou pelo pessoal do processo da planta, deve determinar claramente qual a classificação do local onde será montado o instrumento: Classe, Grupo e Zona.

Instrumento Elétrico Na pratica e no presente trabalho,

instrumento elétrico e eletrônico possuem o mesmo significado. Instrumento elétrico é todo aquele que, por algum motivo, recebe uma alimentação elétrica. Geralmente são alimentados com 110 V, ca ou 24 V, cc. O sinal padrão de transmissão em corrente é de 4-20 mA cc. Em instrumentação, há ainda circuitos que envolvem termopares, resistência para determinação de temperatura, células de carga, eletrodos de pH. São circuitos que geram sinais de milivoltagem continua e que são polarizados com tensões de alguns volts.

Para efeito de classificação elétrica, o enfoque é mais amplo. Por exemplo, um registrador pneumático ou mecânico, com acionamento elétrico do gráfico é considerado como instrumento elétrico. Quando se incorporam alarmes acionados eletricamente por microchaves a instrumentos mecânicos ou pneumáticos, também se muda sua classificação para elétrica. Finalmente, a opção extra de aquecimento elétrico, quando se tem, o risco de congelamento ou quando se quer reduzir a viscosidade do fluido de enchimento, torna-se o instrumento envolvido em elétrico. Como conclusão, instrumento elétrico é todo aquele que incorpora um circuito funcional ou auxiliar de natureza elétrica.

Classificação de Temperatura A eletricidade, por causa do efeito Joule,

pode provocar aquecimento. A alta temperatura, por sua vez, pode se constituir em fonte de energia, capaz de inflamar ou provocar explosão de determinada mistura ar + gás perigoso. Em vista desses fatos, todo instrumento elétrico deve também possuir uma classificação de temperatura. A classificação de temperatura está relacionada com a máxima temperatura que a superfície ou qualquer componente interno do instrumento pode atingir, em funcionamento normal, quando a temperatura ambiente é de 40oC.

A classe de temperatura do instrumento deve ser marcada na sua plaqueta de identificação. Equipamentos cujas superfícies ou componentes não excedem a 100 oC não necessitam de marcação explícita (Classes T5 e T6).


178

Tab.4.8. Classificação de Temperatura Para se usar um instrumento elétrico em

área perigosa é importante se comparar sua classe de temperatura com a mínima temperatura de auto-ignição do gás presente. É obvio que a máxima temperatura alcançada pelo instrumento deve estar abaixo da mínima temperatura de auto-ignição do gás presente. A norma brasileira (ABNT EB 239) estabelece que a temperatura máxima que o instrumento pode alcançar deve ser igual ou menor que 70% da mínima temperatura de ignição do gás flamável.

Certificação da Classificação Elétrica Todo instrumento que tenha alguma

alimentação elétrica deve ter uma classificação elétrica associada com sua segurança. A presença de um instrumento elétrico em um local não pode aumentar o risco de haver explosão ou incêndio no local. Em outras palavras, a presença do instrumento em um local não pode aumentar o perigo deste local. Este problema de segurança está envolvido, principalmente em plantas que processam produtos flamáveis. Quando há vapores, gases, pós e fibras em um local, em condição normal ou devido a um vazamento anormal, o instrumento elétrico pode fornecer a fonte de ignição necessária para criar uma explosão ou um incêndio. Isto já aconteceu.

Há diferenças filosóficas nos enfoques tomados com este problema em função do país. Nos Estados Unidos da América, a questão da segurança do equipamento alimentado eletricamente é uma questão entre o usuário e sua companhia de seguro. Por isso os principais laboratórios de teste e certificação, Factory Mutual e Underwriters, são

suportados por companhias de seguro, particulares.

No Canadá, porém, o governo federal está envolvido. É contra a lei canadense energizar qualquer equipamento operado eletricamente a não ser que ele tenha sido certificado para uso por um laboratório governamental, que é o CSA (Canadian Standards Association).

O CSA é um laboratório suportado pelo governo, cuja diretiva é garantir que os equipamentos oferecidos para venda ao público são realmente seguros para serem usados. Embora a maior parte do trabalho do laboratório pareça considerar os equipamento elétricos, também são considerados materiais de construção, conexões e outros produtos. O CSA funciona testando produtos em seus laboratórios, enviando inspetores qualificados para examinar produtos e publicando normas.

O CSA não tem autoridade para escrever leis, porém, é possível e muito provável que qualquer estado canadense (província) requeira que produtos ou trabalhos estejam de conformidade com uma determinada norma CSA, que, em efeito, torna esta norma uma lei.

Muitos inspetores estaduais não se sentem qualificados para avaliar a segurança de instrumentos de processo construídos por cartões de circuito integrados, chips de microprocessadores e por isso eles requerem que os instrumentos tenham certificação CSA. Se um produto tem um selo CSA, ele passa. Se ele não tem o selo CSA, ele é devolvido.

A obtenção de um certificado CSA não é muito fácil. Antes de tudo, o CSA tem muitos instrumentos para certificar. Um instrumento do modelo a ser certificado deve ser submetido a teste de laboratório para verificar sua segurança causada por falha elétrica. O instrumento pode ser destruído durante o processo do teste. Finalmente, o CSA tem tanto trabalho, que um teste e sua certificação podem levar mais de um ano para serem realizados.

A situação brasileira é teoricamente igual à do Canadá. Aqui há o Labex, no Cepel.

Classes de proteção O instrumento elétrico, mesmo de uso geral

em área segura, deve prover proteção pessoal contra choque elétrico, contra efeito de temperatura excessiva, contra propagação de fogo, contra os efeitos de explosão ou implosão, contra os efeitos de ionização e radiação de microondas, pressão de ultra-som. Um instrumento elétrico para uso em área perigosa deve prover todas as proteções dos instrumentos de uso geral mais a proteção contra a ignição da atmosfera externa.


179

Qual a classificação da área, quais as normas aplicáveis e qual a aprovação da agência de teste: tudo isso deve ser definido e informado para a compra de um instrumento elétrico.

Há vários tipos de proteção para evitar que um instrumento elétrico provoque ignição ou explosão de misturas gasosas perigosas. Qualquer proteção é aceitável, desde que o instrumento seja adequadamente instalado e todas as instruções mencionadas nos certificados e relatórios sejam seguidas. Deve ser levado em conta que a classificação elétrica do instrumento deve garantir que a sua simples presença não compromete a segurança do local. As normas de segurança nada dizem, nem poderiam dizer, acerca do funcionamento operacional do instrumento de controle.

Fundamentalmente, há duas grandes categorias de proteção: 1. Há explosão, porem a explosão é

confinada ou controlada no interior do instrumento, de modo que não se propaga para o seu exterior. Por exemplo, prova de explosão (ou prova de chama).

2. Não há explosão. Nesse caso, pode se evitar a explosão ou cuidando-se da mistura gasosa (purga/pressurização) ou cuidando-se da fonte de energia (segurança intrínseca e não-incenditivo).

Prova de explosão ou prova de chama Prova de explosão (linguagem norte

americana) ou prova de chama (linguagem européia) é uma técnica de proteção alternativa que permite a ocorrência de uma explosão no interior do instrumento. Porem, o invólucro do instrumento é tão resistente que a explosão fica confinada no seu interior.

De outro modo, o instrumento à prova de chama possui aberturas de escape de modo que, quando houver um incêndio no seu interior, a chama é resfriada quando vai para fora. Embora os enfoques sejam diferentes, o resultado final é o mesmo: a explosão ou a chama no interior do instrumento não se propaga para a área externa. Em qualquer situação há segurança, o instrumento continua operando normalmente, sem interrupção, mesmo com a ocorrência de explosão ou chama no seu interior.

O instrumento não é, não pode e nem precisa ser, totalmente vedado e contem em seu interior um circuito elétrico perigoso. As superfícies do instrumento que estão em contato direto com a atmosfera flamável exterior devem ter a máxima temperatura abaixo da temperatura de ignição da mistura gasosa especifica.

Caixa Princípio de funcionamento Fig. 4.21. Invólucro á prova de explosão A prova de explosão é uma técnica

geralmente aplicada a instrumentos ou equipamentos de pequeno volume físico. Extensivamente, pode ser aplicada a motores, luminárias, conexões. O instrumento deve ter uma marcação que o identifique como tal. Deve ainda haver advertências relacionadas com a operação e manutenção do instrumento. O instrumento à prova de explosão só pode ser aberto ou desligado eletricamente ou quando se garante, por analisadores locais, que não há a presença do gás perigoso no local de montagem do instrumento.

Um instrumento à prova de explosão pode ser usado normalmente em Zona 2 em todas as Classes e Grupos e em Zona 1, com algumas restrições de Grupos. Não se pode usar instrumento à prova de explosão em Zona 0.

Purga ou pressurização Na pratica e para efeito de proteção, purga

(vazão) e pressurização (pressão) possuem o mesmo significado. A proteção é conseguida pela aplicação de uma pressão positiva em relação à pressão externa, através da vazão de um gás inerte ou ar puro, no interior da caixa do instrumento. Esta pressão interna positiva impede a entrada dos gases perigosos existentes na atmosfera circundante. A


180

pressurização impede o contato da mistura perigosa com a fonte de ignição. A pressão aplicada é da ordem de 5 a 10 mm de coluna d’água.

Um instrumento com purga pode ser usado em Zona 1 ou Zona 2, dependendo do tipo do circuito interior, se de uso geral ou não-incenditivo. Dependendo da Zona do local e do tipo do circuito interno, são necessárias salvaguardas adicionais ao sistema de pressurização, tais como, chaves de desligamento com abertura da porta, temporizadores, portas trancada, fusíveis, pressostatos.

A técnica de purga/pressurização pode ser aplicada a instrumentos de grande volume, onde a técnica de prova de explosão é impraticável.

Fig. 4.22. Sistema com pressurização ou purga

Segurança intrínseca Um sistema intrinsecamente seguro é

constituído pelo equipamento e sua respectiva fiação, onde a energia elétrica ou térmica é insuficiente para provocar a ignição ou explosão de uma mistura gasosa especifica, em condições normais e anormais determinadas. A segurança intrínseca inclui considerações combinadas de limitação de tensão (diodos Zener), limitações de corrente (resistores e fusíveis) e máxima indutância e capacitância reais e parasitas da carga e da fiação. O sistema se baseia na colocação de barreira de energia elétrica entre o local seguro e o local perigoso. Desse modo, o sistema inclui equipamentos montados na área perigosa e alguns equipamentos (geralmente a barreira de energia) montados na área segura. No sistema podem ser combinados instrumentos de fabricantes diferentes, porem, todos os equipamentos com aprovação devem ter certificados do mesmo laboratório de teste.

Fig. 4.23. Sistema com segurança intrínseca

Pelo próprio principio, o conceito de

segurança intrínseca só se aplica a sistema de instrumentação de controle de processo e de comunicação, que naturalmente podem operar com baixo nível de energia. Os instrumentos intrinsecamente seguros podem ser montados em Zona 2, Zona 1 e até Zona 0.

Os instrumentos com classificação de segurança intrínseca devem ter marcação que os identifique como tais. Na plaqueta de aprovação deve haver a recomendação de que a segurança pode ser perdida com a substituição não criteriosa de alguns componentes críticos.

Não-incenditivo e outros Um circuito não-incenditivo pode conter

componentes que produzam faisca em condições normal, porem, a energia entregue por tais componentes é limitada a valores incapazes de provocar ignição na mistura perigosa especifica. O circuito não-incenditivo só é seguro em condição normal de operação. O instrumento não-incenditivo só pode ser usado em Zona 2, sem restrições. Quando usado em Zona 1, deve ser pressurizado com gás inerte.

Circuito não-faiscadores contem componentes que não produzem faisca em operação normal. Isso é conseguido através de encapsulamento de componentes, imersão em óleo.

Circuito com segurança aumentada envolvem componentes de equipamento com selagem, encapsulamento, dupla isolação, espaçamentos maiores que os normais, resistência à corrosão e controle de qualidade mais severo e individual.


181

Fig. 4.24. Sistema com segurança intrínseca

Critérios da classificação elétrica A classificação elétrica do instrumentos

deve ser compatível com a classificação do local perigoso. Um principio básico comum a todos os tipos de proteção e aceito por todos é o de que há segurança quando e somente quando são providos dois eventos independentes, cada um de baixa probabilidade, entre a probabilidade de haver a presença do gás perigoso com a probabilidade de falha do equipamento elétrico.

Desse modo, há segurança nos seguintes casos combinatórios:

1. Local seguro (probabilidade zero de haver gás perigoso) com um instrumento de uso geral (probabilidade 1 de haver fonte perigosa).

2. Local de Zona 2 (pequena probabilidade de haver gás) com um instrumento não incenditivo (pequena probabilidade de falhar).

3. Local de Zona 1 (grande probabilidade de haver gás) com um instrumento intrinsecamente seguro (só se torna inseguro quando houver duas falhas independentes e de pequena probabilidade individual).

4. Local de Zona 1 (grande probabilidade de haver gás) com um instrumento não incenditivo (pequena probabilidade de falha) com pressurização (pequena probabilidade de falha no sistema de pressão).

5. Local de Zona 1 (grande probabilidade de haver gás) com um instrumento de uso geral (grande probabilidade de perigo) com pressurização (pequena probabilidade de falha) e com salvaguarda adicional, tal como colocação de pressostato (pequena probabilidade de falha).

De qualquer modo, em um local com determinada classificação só pode ser montado um instrumento elétrico que possua uma classificação elétrica e de temperatura,

marcada em sua etiqueta e compatível com a do local.

Obviamente, um instrumento para Zona 1 pode ser usado em Zona 2, assim como um instrumento para Grupo B pode ser usado em Grupo C e D. Porem, qualquer exagero de classificação do instrumento é inconveniente. Só se deve usar um instrumento com classificação elétrica especial quando exigido, pois a classificação elétrica especial pode custar mais e principalmente, exige cuidados de operação e manutenção mais rigorosos e restritivos.

Há vários aspectos relacionados com a segurança do controle do processo e a instrumentação:

1. projeto incorreto do sistema, 2. mau funcionamento dos equipamentos 3. presença dos instrumentos no local. Quando o sistema é mal projetado, ele não

funcionará, quer seja pneumático, quer seja eletrônico. E o mau projeto pode levar o sistema para uma condição insegura.

A probabilidade de um instrumento pneumático levar o sistema bem projetado para uma situação perigosa, por causa de seu mau funcionamento é equivalente à do instrumento eletrônico.

A probabilidade da presença do instrumento pneumático provocar um incêndio ou uma explosão num local perigoso é praticamente zero e por isso não há nenhuma restrição de uso de instrumentos pneumáticos em áreas classificadas, onde há a presença de gases, pós e fibras inflamáveis e explosivas.

O instrumento eletrônico pode constituir a fonte de energia suficiente para provocar o incêndio ou a explosão de atmosferas perigosas. Deste modo, a não ser que o instrumento eletrônico tenha uma classificação elétrica e de temperatura de conformidade com a classificação do local onde ele é instalado, é vedado o seu uso em locais perigosos.

Para tornar permitido e seguro o uso de instrumentos eletrônicos em áreas perigosas foram desenvolvidas técnicas especiais e alternativas de proteção, incorporadas aos seus circuitos e aos seus invólucros. As técnicas de proteção mais conhecidas e usadas são: à prova de explosão ou de chama, a purga ou a pressurização e a segurança intrínseca.

Como regra tem-se: o instrumento eletrônico só pode ser usado em local perigoso, onde há a probabilidade da existência contínua ou intermitente de gases, pós e fibras inflamáveis e explosivas, quando tiver uma classificação elétrica especial, atribuída por um laboratório independente do fabricante, que seja compatível com esta atmosfera específica.

7.182

Tab. 4.9. Tipos de Proteção para Equipamentos Elétricos Tipo de Proteção Ex IEC NBR EUA

Uso geral 79-0 9518 NEC Prova de explosão ou de Chama d 79-1 5363 UL 698/886 Segurança aumentada e 79-7 9883 Não aceita Segurança intrínseca i 79-11 8446/8447 NFPA 493/UL 913 Hermeticamente selado h 3-36 FM 3610 Encapsulamento (potting) m 79-5 EN 50017 Não incenditivo (no-sparking) n 31-49 Não aceita Imersão em óleo o 79-6 8601 UL 698 Pressurização ou Purga p 79-2 e 79-13 169 NFPA 496 e ISA 12.4 Enchimento de areia q 79-5 Não aceita Especial s Placa protegida Respiração restrita Suíça BS 4137 Instalação 79-14 158 NFPA 70 e ISA RP 12.6

Tab. 4.10. Especificações de Segurança do Produto

Laboratório de Teste, Tipo de Proteção e Classificação de Área

Condições de Aplicação Código

CENELEC, Segurança intrínseca, Gás Grupo IIC, Zona 0

Classe de Temperatura T4-T6 E

CENELEC, Prova de chama, Gás Grupo IIC, Zona 1

Classe de Temperatura T6 D

Europa, não faiscador, Zona 2 Classe de Temperatura T4-T6 N CSA, Segurança intrínseca, Classe I, Divisão 1, Grupos A, B, C e D, Classe II, Divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 1

Classe de Temperatura T6 em ambiente máximo de 40 oC e T4 em ambiente máximo de 85 oC

C

CSA, Prova de explosão para Classe I, Divisão 1, Grupos B, C e D e a prova de ignição de pó para Classe II, Divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 1

CSA, Não incenditivo para Classe I, Divisão 2, Grupos B, C e D e a prova de ignição de pó para Classe II, Divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 2

Ligar a fonte não excedendo 42,4 V. Classe de Temperatura T6 em ambiente máximo de 40 oC e T4 em ambiente máximo de 85 oC

FM, Segurança intrínseca, Classe I, Divisão 1, Grupos A, B, C e D, Classe II, divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 1

Classe de Temperatura T6 em ambiente máximo de 40 oC e T4 em ambiente máximo de 85 oC

F

FM, Prova de explosão para Classe I, Divisão 1, Grupos B, C e D e a prova de ignição de pó para Classe II, Divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 1

Classe de Temperatura T6

FM, Não incenditivo para Classe I, Divisão 2, Grupos B, C e D e a prova de ignição de pó para Classe II, Divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 2

Ligar a fonte não excedendo 42,4 V. Classe de Temperatura T6 em ambiente máximo de 40 oC e T4 em ambiente máximo de 85 oC


183

Fig. 4.25. Código de certificação

Fig. 4.26. Marcação de proteção de instrumento em área classificada


184

3.6. Corrosão dos Instrumentos

Tipos de Corrosão De um modo simplificado, a corrosão é o

ataque destrutivo sofrido por um material e causado por um produto químico. Os engenheiros de corrosão conhecem de 50 a 60 tipos diferentes de corrosão, embora as diferenças entre alguns tipos sejam mais técnicas do que praticas. Sob o ponto de vista de instrumentação3 são importantes e mais encontradas três modalidades de corrosão: química, galvânica e ruptura por tensão (stress cracking).

A corrosão química é, muito simplesmente, o que o nome implica: o produto químico de ataque dissolve ou reage com o material com o qual ele está em contato direto. Essa é a corrosão que ocorre com as partes molhadas que estão em contato com o processo industrial.

A corrosão galvânica ocorre quando dois metais diferentes são colocados em contato e expostos a uma solução condutora. O efeito final é a destruição do metal mais reativo e proteção do metal menos reativo. Essa propriedade pode ser usada, beneficamente, para proteção contra corrosão.

A corrosão galvânica pode ocorrer em tubulações com isolação térmica , simplesmente se forem usados dois metais levemente diferentes, por exemplo, aço carbono e aço inoxidável, um para o tubo interno e outro para o externo. A corrosão galvânica pode ainda acontecer entre diferentes partes de um mesmo metal. Ou seja, quando se tem um mesmo material, porem, com diferentes níveis de tensão mecânica, com efeitos térmicos de solda ou de tratamento, com impurezas, pode se ter a corrosão galvânica entre suas partes. A corrosão galvânica é mais importante para as partes do instrumento expostas à atmosfera.

A corrosão por ruptura de tensão é a falha do metal devida à combinação da tensão mecânica e um ambiente corrosivo especifico. Ela é a causa de muitas falhas em ligas metálicas. A corrosão por ruptura de tensão ocorre comumente em materiais metálicos que entram em contato com produtos de exploração de petróleo, óleo ou gás, que possuam enxofre ou acido sulfídrico como impurezas.

Efeitos da corrosão nos instrumentos Os resultados da corrosão de um

instrumento dependem tanto do tipo da corrosão como do tipo ou função do instrumento. Para efeitos didáticos pode-se dividir em duas grandes categorias as falhas

resultantes da corrosão: contenção do processo e funcionais do instrumento.

A válvula de controle e alguns medidores de vazão contem em seu interior o próprio processo a ser controlado,. com todos os seus rigores. Quando tais instrumentos sofrem corrosão, de modo a perder sua integridade física, a linha onde o instrumento está montado certamente vaza produto para o exterior. Os resultados desse tipo de falha podem variar desde um pequeno inconveniente, facilmente reparável, até um prejuízo pessoal, envolvendo fogo e explosão, com perda de vidas e destruição de equipamentos.

As falhas funcionais podem, ainda, ser de dois tipos distintos:

perda total da função, exigindo reparo ou substituição do instrumento completo ou

perda parcial da função, que pode resultar na queda da eficiência do processo. A falha funcional parcial pode, inclusive, ficar totalmente desconhecida durante grandes períodos de tempo ou degradar continua e vagarosamente a eficiência do processo.

Os fatores que estimulam e aumentam a corrosão são: não homogeneidade dos metais, solda imprópria, acabamento rugoso, tensão mecânica, impureza, maior concentração na solução eletrolítica, solução gasosa na fase liquida, turbulência, uso de metais muito diferentes, presença de oxigênio, maior umidade e mofo. Os fatores que inibem a corrosão são: melhor acabamento, alivio de tensões mecânicas, passivação de metais e revestimento de superfícies e proteção catódica. Alias, a proteção catódica é feita por métodos envolvendo eletricidade e portanto há restrições de aplicação, quando aplicada em área perigosas classificadas.

Partes molhadas em contato com o processo

As partes molhadas pelo processo são geralmente os elementos sensores, selos, poços de temperatura, bulbos, internos das válvulas e o interior de alguns medidores de vazão. As partes molhadas devem suportar temperatura e pressão extremas e devem resistir ao ataque corrosivo dos produtos químicos manipulados. O principal problema é que os produtos de processo aparecem em uma variedade infinita e os materiais de construção não.

Para piorar a situação, a corrosão das partes molhadas geralmente provoca falha do tipo contenção do processo, cuja conseqüência é a pior possível.

Para evitar ou limitar a ocorrência da corrosão, quatro áreas devem ser consideradas: seleção de materiais,


185

procedimento de fabricação, projeto do sistema e inspeção de campo. As partes envolvidas continuam sendo as três já mencionadas: fabricantes, engenheiro de especificação e usuário.

A seleção do material é a mais complexa das áreas a serem definidas, tanto por causa da atribuição da responsabilidade como pelo problema em si.

Pela lei de Paretto, 10% das aplicações envolvem cerca de 90% dos problemas. Mesmo que isso possa ser considerado uma pequena percentagem, é necessária e suficiente uma única má aplicação para causar um número elevado de problemas e grandes prejuízos. O problema da seleção do material poderia parecer de fácil solução, pois todo técnico tem conhecimento de tabelas de corrosão4, que mostram como se comporta um determinado material na presença de certo produto químico. Seria apenas uma fácil e simples questão de casamento do processo com o material do instrumento. Infelizmente as coisas não ocorrem de modo tão simples., É difícil o próprio conhecimento do processo real. Certamente se conhece o principal produto, porem, há subprodutos, contaminantes variáveis com o tempo e o lugar, há diferenças de composição da matéria prima, há diferentes fornecedores de materiais, há variações não controladas de pressão e temperatura. O material para um simples tanque é selecionado considerando-se a corrosão tolerável durante toda sua vida útil. As coisas se complicam quando se seleciona material das partes de um instrumento. Os materiais devem ser resistentes à corrosão e paralelamente devem satisfazer as necessidades funcionais, tais como resistência mecânica, constante de mola, flexibilidade, ductilidade e elasticidade. Muitas vezes, se reconhece que determinado material é o mais indicado para uma aplicação corrosiva, porem, ou ele não é processável ou suas propriedades inerentes não satisfazem a tarefa a que seria destinado.

Depois de escolhido o material mais adequado, os procedimentos de fabricação envolvem tratamentos térmicos, manipulação física das peças, com cortes, usinagem e acabamento que podem estimular ou inibir a corrosão.

A responsabilidade da escolha do material, porem, é do usuário final.

O fabricante não tem nenhum controle sobre o que acontece aos instrumentos depois que eles são entregues ao usuário. Apenas o usuário final tem condições de fazer as sucessivas inspeções aos equipamentos, essenciais à garantia da integridade dos instrumentos.

Fig. 4.24. Corrosão em conexão metálica

Materiais de revestimento Alem do material de fabricação, é

interessante a aplicação de materiais de revestimento. É uma pratica comum o revestimento de cápsula de transmissor, por causa de um dos seguintes motivos: 1) proteção contra corrosão provocada pelo fluido do processo ou 2) proteção contra aderência e deposição dos produtos sólidos, também provocada pelo fluido do processo.

Um produto típico para revestimento de superfícies de contato é o Ryton® (®Phillips Petroleum Co) porque apresenta uma boa resistência à corrosão e tem a habilidade de formar uma película fina, não porosa. Em algumas aplicações que envolvam fortemente oxidantes, tais como flúor, cloro, acido nítrico, o Ryton® não é recomendado. A alternativa ideal é o uso de Kel-F® (® Kellogg) para finas de corrosão. Kel-F é um polímero de trifluoretileno. O revestimento de teflon® (®E.I. Du Pont de Nemours) é excelente para aplicações onde se quer evitar a deposição de materiais lodosos. Embora o teflon seja inerte à maioria dos produtos corrosivos, o seu revestimento não é adequado para proteção da corrosão da cápsula, por causa da dificuldade de se conseguir uma camada fina e não porosa.

Partes expostas ao ambiente O invólucro do instrumento deve ser de um

material que resista à corrosão ambiental e também deve prover as necessidades estruturais. O invólucro é sempre protegido pelo seu próprio acabamento. Superfícies polidas resistem melhor à corrosão que as rugosas. A tendência atual para materiais de caixa de instrumentos é na direção dos plásticos. O plástico tem demonstrado um desempenho satisfatório em vários ambientes nocivos. Muitos técnicos ainda pensam,


186

erradamente, que os invólucros à prova de explosão devam ser metálicos. Também é muito comum a associação das vantagens do metal com as do plástico: tem-se uma caixa metálica, excelente para fins estruturais, revestida com produto plástico, adequado para resistir à corrosão química.

As partes internas do instrumento apresentam problemas diferentes daqueles das partes em contato com o processo e da caixa do instrumento.

Embora as peças internas do instrumento não estejam submetidas às condições desfavoráveis do ambiente externo e do processo, elas possuem uma função muito mais importante. Assim, a corrosão da tampa ou mesmo do corpo de um transmissor provavelmente não afetará sua operação, enquanto que uma leve deposição de material orgânico na sua cápsula ou no seu conjunto bico-palheta, pode introduzir erros grosseiros de medição ou transmissão.

Geralmente, não se pode usar revestimento de proteção nas partes internas do instrumento. Barras de força, elos de ligação, foles, conjuntos bico-palheta, molas, flexores, fulcros de apoio, todas essas peças não podem ter nenhum tipo de revestimento que lhes daria maior resistência à corrosão, por causa de suas funções associadas ao principio de funcionamento.

A resistência dessas peças é provida apenas pelo material e seu acabamento.

Instrumentos pneumáticos Do ponto de vista de corrosão, os

instrumentos pneumáticos levam vantagem nítida sobre os correspondentes instrumentos eletrônicos. A razão é simples: há sempre um suprimento de ar puro ao instrumento, geralmente suficiente para manter a sua caixa purgada dos materiais contaminados externos. Mesmo assim, quando aplicável, é necessária a seleção de materiais especiais, principalmente dos elementos sensores.

Algo que deve ser considerado é a tubulação de interligação do sistema pneumático. Os instrumentos pneumáticos são alimentados e interligados por tubos, tipicamente de cobre (caro, porem mais fácil de ser trabalhado) aço inoxidável, aço carbono ou plástico.

A presença de um instrumento pneumático não compromete a segurança, quando usado em locais perigosos. Não faz sentido, por exemplo, associar o instrumento pneumático puro com o conceito de prova de explosão.

Instrumentos eletrônicos A corrosão ocorre em muitas áreas da

instrumentação eletrônica. Ela pode ocorrer na isolação dos cabos, nos contatos elétricos, nos conectores e chaves. Os componentes passivos e ativos podem se deteriorar, por causa da corrosão através de seus encapsulamentos ou terminais. Os circuitos impressos, usados para suportar e interligar os componentes, podem ser corroídos, principalmente por respingos e ataque de produtos químicos.

A corrosão do circuito impresso pode provocar, inclusive, a pior falha possível: a falha intermitente. Esta falha é aquela prevista pela lei de Murphy: ela não aparece na hora do teste e manutenção mas somente quando o instrumento está em operação e provoca prejuízo ao processo.

Os primeiros instrumentos eletrônicos apresentam uma proteção inerente à sua natureza: fonte de calor no seu interior. Essa fonte de calor natural tornava baixíssima a umidade relativa do ar dentro do instrumento.

Infelizmente, o progresso do uso de circuitos integrados a semicondutores reduziu tremendamente a potência dos circuitos, aumentou sua versatilidade e eficiência, porem tirou a maior proteção à corrosão do circuito, que era o calor. A proteção dos circuitos eletrônicos, componentes, circuitos integrados, circuitos impressos e contatos, nas condições do processo é um grande desafio. Há soluções mecânicas: uso de ouro em contatos de precisão e há soluções eletrônicas: uso de chaves estáticas a semicondutores e sem contatos moveis. O encapsulamento dos componentes críticos torna o modulo encapsulado inerte a muitas atmosferas nocivas, alem de diminuir a influência da umidade e da temperatura ambientes. É uma boa pratica de proteção o revestimento de todo o circuito eletrônico da placa5. Há vários materiais apropriados para tal revestimento: silicone, epoxy e poliuretano. Quando seco e curado, tal revestimento é transparente, estável e resistente à abrasão e à corrosão de vários produtos. A escolha do produto, a espessura e o número de camadas protetoras são funções do tipo do ambiente, da umidade relativa e da temperatura.

Em locais de alta temperatura ambiente e elevada umidade relativa, como nos trópicos, fala-se da tropicalização do circuito eletrônico. Este termo nunca foi claramente definido e historicamente, foi primeiro usado em equipamentos militares. Na tropicalização, nenhum componente é modificado ou protegido individualmente, mas a placa do circuito é totalmente revestida por uma resina de


187

poliuretano. Tal resina é transparente, inerte à umidade e principalmente, não nutriente para fungos.

A principal desvantagem de todos esses revestimentos de proteção e tropicalização aparece quando se faz manutenção. Geralmente, é necessário destruir parte do revestimento durante a manutenção. Obviamente, deve se ter cuidado na remoção da proteção, para não se danificar o circuito impresso, principalmente quando se usa ferro de solda de grande potência.

Depois da manutenção, é necessária nova aplicação do revestimento para recuperar a proteção ou tropicalização do circuito.

As vezes se usa ventilador externo para a dissipação de calor de alguns equipamentos, como a fonte de alimentação. Nessas aplicações, deve se anular a possibilidade do ventilador ser um agente concentrador de impurezas e causador de corrosão aos componentes do circuito. É recomendado o uso de um sistema de alarme, para indicar a falha do ventilador.

Outra pratica para diminuir os efeitos do ambiente industrial é a fabricação de duas caixas de ligação nos transmissores eletrônicos. Uma caixa aloja o circuito eletrônico e raramente é aberta no campo. Na outra, separada da primeira caixa, há o bloco terminal de ligações, onde se requer maior número de aberturas para a manutenção. Ambas as caixas são seladas e vedadas à entrada de umidade e de atmosferas corrosivas.

Deve ser entendido que uma caixa vedada à entrada de umidade, o é também para a saída de condensados. Se por algum motivo houve entrada de água no interior da caixa, essa água ficará retida no instrumento e certamente interferirá no seu funcionamento. A solução é proteger a entrada de água, através de selos nos conduítes de ligação e da tampa. Quando a entrada da água é causada pela remoção da tampa do instrumento, a recomendação é o uso de sílica gel no interior da caixa, que deve ser renovada periodicamente. Outra alternativa é a de se fazer a manutenção do instrumento em horários com menor umidade relativa, tipicamente no começo e no fim do dia.

3.7. Processos Marginais

Serviço com Oxigênio O oxigênio puro, quando na presença de

traços de óleo e poeira, pode provocar incêndio. Por isso, qualquer equipamento que possa entrar em contato direto com o oxigênio deve ser manipulado em sala especial de limpeza. O instrumento é limpo, montado, calibrado e embalado em condições de limpeza especiais. Suas peças de reposição são empacotadas individualmente em sacos de polietileno e são manuseadas sempre com luvas de polietileno. O material de limpeza usado normalmente é o tricloroetileno. Adicionalmente, alem da ausência de lubrificação, quando a cápsula do transmissor possui liquido de enchimento, deve se cuidar da natureza desse liquido. O fluido normal de enchimento é o silicone DC 200 (Dow Corning). Quando há a possibilidade de vazamento ou entrada de contato do silicone com um meio oxidante (oxigênio, cloro, acido nítrico, e.g.) deve se usar um fluido especial, totalmente livre de hidrogênio. Recomenda-se o uso de fluorlube® (® Hooker Chemical), que é um polímero de cloreto de trifluorvinil. Esse novo liquido de enchimento, embora apresente segurança, sob o ponto de vista de medição apresenta uma grande variação da viscosidade com relação à variação da temperatura do processo e ambiente. Assim, seu uso é recomendado para faixas de temperatura de -20 oC a +10 oC e em condições aceitáveis entre +10 oC e +45 oC.

Serviço com Hidrogênio O gás hidrogênio puro, em alta pressão

estática, é uma aplicação difícil, pois ele é capaz de vazar através de diminutos buracos e através de pares finíssimos. Em aplicação com pressão acima de 20 kg/cm2, o hidrogênio pode vazar diretamente através da parede do diafragma de aço inoxidável de um transmissor. Quando se remove ou se reduz a pressão estática do processo, o hidrogênio difuso no interior da cápsula danifica-a.

O método de proteção é revestir a superfície do diafragma da cápsula com uma finíssima camada de ouro. A nova superfície criada prove um potencial eletroquímico suficiente para aumentar a dissociação e adicionalmente, oferece uma estrutura mais densa que dificulta a difusão do ion H+.

Estatisticamente, uma cápsula de aço inoxidável normal, submetida à pressão de 20 kg/cm2, em atmosfera de hidrogênio dura cerca de 1 a 5 semanas.

Quando, nas mesmas condições, usa se uma cápsula de aço inoxidável revestida de


188

ouro, a duração da cápsula passa para vários anos.

O revestimento de ouro representa a melhor solução disponível para a aplicação de hidrogênio. Porem, sempre deve se ter bem claro tal revestimento não é por questão de corrosão, mas apenas impedir ou diminuir grandemente a penetração do hidrogênio no interior da cápsula.

Serviço com Cloro O cloro, nas condições ambientais de

temperatura e pressão, é um gás pesado, de cheiro pungente, verde-amarelo (patriota?), altamente toxico aos animais de sangue quente. É um forte agente oxidante.

Para efeito de manipulação e corrosão, o cloro seco é bem comportado.

Tipicamente, o cloro seco é armazenado em tanque de aço carbono. Quando o cloro é úmido, poucos materiais comerciais podem lhe resistir satisfatoriamente. Em instrumentação, os materiais de interesse são: prata, tungstênio, tântalo e Hastelloy C® (®Haynes Stellite). O instrumento para trabalho com cloro é também limpo, montado, calibrado e embalado em sala limpa.

O eventual liquido de enchimento é também isento de hidrogênio e tipicamente se usa o fluorolube® ou fluorinert®.

A seleção da válvula que manipula cloro é controversa. A filosofia da pratica de proteção, porem, é comum a vários processos corrosivos. Ou se usam equipamentos baratos com materiais pouco resistentes e tem-se manutenção e substituição freqüentes ou se usam equipamentos caríssimos com materiais resistentes, com manutenção e substituição de peças pouco freqüentes. Aplicando-se tal filosofia na manipulação de cloro, pode-se ter: válvula barata de corpo de ferro fundido, com haste de aço inoxidável, com planejamento de substituição em curtos períodos ou válvula de Hastelloy com selo de teflon para evitar a entrada do cloro no seu interior, sem necessidade de troca de peças ou equipamentos.

Serviço com traços de enxofre Quando um material metálico,

principalmente o aço, entra em contato com carbohidratos com traços de enxofre, é possível o aparecimento do acido sulfídrico (H2S). Tal produto se torna agudamente toxico

acima de 100 ppm e considerado o segundo gás comercial mais perigoso (o campeão é o acido cianídrico, HCN). Desde que 85% do petróleo do mundo, inclusive o do Brasil, possuem traços ou alta percentagem de enxofre, a manipulação segura desses materiais interessa tanto ao fabricante como ao usuário final.

Nos Estados Unidos há uma norma6 de NACE, que é um guia completo para a seleção de materiais para resistir à corrosão. Seu objetivo é o de limitar os materiais metálicos que estão diretamente expostos aos produtos de petróleo que contenham enxofre ou já o acido sulfídrico. A NACE não certifica o material, mas apenas define as especificações de alguns materiais. Embora seja custoso e demorado, novos materiais podem ser analisados. Os materiais comumente envolvidos são: aço carbono, aço inoxidável de várias classes, monel®, Hastelloy® e Havar®.

A norma se refere à construção de elementos sensores, selos, parafusos, poço termal, conjuntos distribuidores de contorno e equalização de vazão.

Os tratamentos especiais que os materiais são submetidos podem comprometer a sua resistência original. Ou seja, um parafuso construído de conformidade com a norma NACE MR-01-75, Classe I e Classe II (expostos diretamente à atmosfera nociva) tem uma menor resistência que o normal. O projetista e usuário do equipamento devem conhecer a menor resistência do parafuso e aplica-lo adequadamente.

A norma NACE MR-01-75 deve ser aplicada a todo equipamento exposto a produtos com enxofre e que fica sujeito à corrosão do tipo ruptura por tensão pelo enxofre. A ruptura do material seria extremamente perniciosa, pois impediria o equipamento de ser reparado sob pressão, tornaria perigoso qualquer sistema sob pressão e comprometeria o funcionamento básico do instrumento. A observância da norma evita o aparecimento da corrosão tipo ruptura por tensão do enxofre. O equipamento construído com material de conformidade com a norma deverá ser marcado com NACE MR-01-75.

189

7. Variáveis do Processo

Objetivos de Ensino 1. Conceituar quantidades físicas de quantidade, energia, propriedades, intensivas, extensivas,

variáveis, constantes, contínuas, discretas, mecânicas, elétricas, dependentes e independentes.

2. Apresentar os conceitos e notação da função e da correlação. Mostrar a função linear. 3. Apresentar os conceitos básicos e as unidades das principais variáveis de processo, como

pressão, temperatura, vazão e nível. 4. Listar e descrever os principais mecanismos de medição, de natureza mecânica e eletrônica,

mostrando as vantagens e desvantagens para fins de seleção. 5. Descrever os cuidados para a instalação, interpretação dos dados coletados e a necessidade

de uso de acessórios.

1. Introdução A variável de processo é uma grandeza

física que altera seu valor em função de outras variáveis e principalmente em relação ao tempo. O objetivo do controle de processo é o de manter uma variável constante ou, no mínimo, variando dentro de certos limites estabelecidos. Antes de ser controlada, uma variável deve ser medida, dentro de uma classe de precisão requerida pelo pessoal do processo. A partir da medição da variável, o operador de processo pode efetuar o controle manual, como aumentar uma pressão, diminuir uma temperatura, encher um tanque (nível) ou fechar uma válvula (vazão). Em sistema de controle automático, o sinal medido é contínua e automaticamente comparado com um valor de referência e este erro é usado como função de controle, sem a interferência do operador humano.

Em um processo industrial típico, mais de 90% das medições envolvem apenas quatro variáveis: pressão, temperatura, vazão e nível. As outras variáveis menos comuns incluem: posição, condutividade, densidade, análise, pH e vibração.

2. Conceito Quantidade é qualquer coisa que possa ser

expressa por um valor numérico e uma unidade de engenharia. Por exemplo,

massa é uma quantidade física expressa em kilogramas;

velocidade é uma quantidade expressa em metros por segundo e

densidade relativa é uma quantidade física adimensional.

O círculo não é uma quantidade física, pois é caracterizado por uma certa forma geométrica que não pode ser expressa por números. O círculo é uma figura geométrica. Porém, a sua área é uma quantidade física que pode ser expressa por um valor numérico (p. ex., π, 5) e uma unidade (p. ex., metro quadrado).

Muitas noções que antes eram consideradas somente sob o aspecto qualitativo foram recentemente transferidas para a classe de quantidade, como eficiência, informação e probabilidade.

Vazão 41%

Temperatura 30%

Nível16%

Pressão 13%

Variáveis do Processo

190

3. Faixa das Variáveis

3.1. Faixa e Amplitude de Faixa O conjunto de todos os valores que podem

ser assumidos pela variável é chamado de faixa da variável (range). A faixa da variável é expressa por dois números: limite inferior (0%) e limite superior (100%).

O intervalo finito, dado pela diferença algébrica dos dois limites, é chamado de amplitude de faixa da variável (span). A amplitude de faixa é expressa por um único número positivo.

Por exemplo, a faixa de temperatura de 15 a 30 oC tem amplitude de faixa de 15 oC; (30 - 15 oC = 15 oC). A faixa de -15 a 30 oC tem amplitude de faixa de 45 oC; [30 - (-15) oC = 45 oC].

A faixa de medição sempre vai de 0 a 100%, porém o 0% pode ser igual ou diferente de zero. A terminologia das faixas é a seguinte:

0 a 100 oC - faixa normal 10 a 100 oC - faixa com zero suprimido -10 a 100 oC - faixa com zero elevado O conceito de faixa com zero elevado ou

suprimido é particularmente importante na calibração de transmissores de nível.

3.2. Limites de Faixa Na prática, uma variável pode ter limites de

operação normal e limites de operação anormal. Os limites de operação normal são aqueles assumidos pela variável quando não há problemas no controle automático do processo. Quando há falhas no controle automático e estes limites são atingidos, geralmente existem alarmes que chamam a atenção do operador para assumir o controle manual do processo. O operador deve levar os valores da variável novamente para dentro dos limites de operação normal, atuando manualmente nos instrumentos e equipamentos do processo. Quando, por motivos de falha em algum equipamento ou instrumento da malha de controle automático, a variável contínua se afastando dos limites de operação normal, geralmente são estabelecidos outros limites de desligamento (trip ou shut down). Quando a variável atinge os valores de desligamento, todo o processo é desligado, para proteger o operador ou os equipamentos envolvidos.

Há variáveis que podem assumir valores negativos e positivos, em função do processo e da unidade usada. Por exemplo, a pressão manométrica pode ter valores positivos e negativos (vácuo). Porém, a pressão absoluta só pode assumir valores positivos. A

temperatura na escala Celsius pode assumir valores negativos ou positivos; porém, a temperatura absoluta ou termodinâmica só pode assumir valores positivos, em kelvin.

3.3. Faixa e Desempenho do Instrumento

Em Metrologia, é fundamental se conhecer a faixa calibrada do instrumento e o seu ponto de trabalho, pois tipicamente, a precisão do instrumento é expressa ou em percentagem do fundo de escala ou em percentagem do valor medido.

O instrumento com erro de zero e de amplitude de faixa possui precisão expressa em percentagem do fundo de escala. Por exemplo, a medição de vazão com placa de orifício tem incerteza expressa em percentagem da vazão máxima medida ou do fundo de escala.

Instrumento com erro devido apenas à amplitude de faixa possui precisão expressa em percentagem do valor medido. Por exemplo, transmissor inteligente de pressão diferencial, turbina medidora de vazão.

Fig. 7.1. O manômetro deve trabalhar entre

25 e 75%, onde é melhor sua repetitividade


191

4. Pressão

4.1. Definição Pressão é uma grandeza derivada,

expressa como força por unidade de área. Dimensionalmente, tem-se

[P] = [M][T-2][L-1] onde [P] é a dimensão de pressão [M] é a dimensão de massa [T] é a dimensão de tempo [L] é a dimensão de comprimento A pressão do fluido é transmitida com igual

intensidade em todas as direções e age perpendicular a qualquer plano.

4.2. Unidades A unidade SI para pressão é o pascal (Pa). 1 pascal é a pressão de uma força de 1

newton exercida numa superfície de 1 metro quadrado.

O pascal é uma unidade muito pequena. Um pascal equivale à pressão exercida por uma coluna d'água de altura de 0,1 mm. Ela equivale a pressão de uma cédula de dinheiro sobre uma superfície plana. Na prática, usa-se o kilopascal (kPa) e o megapascal (MPa).

A área que causou (e ainda causa) mais confusão na mudança para unidades SI foi a medição de pressão. A nova unidade de pressão, pascal, definida como newton por metro quadrado é estranha mesmo para técnicos e engenheiros. Assim que o pascal seja aceito e entendido, fica fácil lidar com as pressões extremas de vácuo a altíssimas pressões.

A grande vantagem do uso do pascal, no lugar do psi (lbf/in2), kgf/cm2 e mm de coluna liquida é que o pascal não depende da aceleração da gravidade do local e da densidade do líquido. A gravidade não está envolvida na definição de pascal. O pascal tem o mesmo valor em qualquer lugar da Terra, enquanto as unidades como psi, kgf/cm2 e mm H2O dependem da aceleração da gravidade do local.

(a) Pressão em tanque (a) Pressão em tubulação

Fig. 7.2. Conceito de pressão O pascal é também usado para expressar a

tensão mecânica e o módulo de elasticidade dos materiais. Os altos valores de tensão mecânica são dados em MPa e os valores de módulo de elasticidade em GPa.

É comum se usar altura de coluna d'água ou de mercúrio para expressar pequenas pressões. Dimensionalmente é errado expressar a pressão em comprimento de coluna líquida, mas subentende-se que a pressão de 100 mm H2O significa a pressão igual à pressão exercida por uma coluna de água com altura de 100 mm.

Em Instrumentação é comum ainda se usar psi (pound square inch) como unidade de pressão, às vezes, modificada como psig e psia, para indicar respectivamente pressão manométrica (gauge) e absoluta.

Na borracharia da esquina, a calibração dos pneus é expressa em psi, mas se fala simplesmente libra, que é o modo preguiçoso de dizer libra-força por polegada quadrado. O sugerido pelo SI é pedir ao borracheiro para calibrar o pneu com 169 kPa, em vez de 26 libras.

F (N)

A (m2)

P (N/m2)

F (N) A (m2)

P (N/m2)


192

4.3. Tipos As medições de vazão são geralmente

classificadas como pressão manométrica, pressão absoluta ou pressão diferencial. Para evitar confusão, é conveniente colocar o sufixo na unidade, para cada tipo de medição: manométrica (g), absoluta (a) ou diferencial (d).

Pressão manométrica A pressão manométrica (gauge) é referida

à pressão atmosférica. Ela pode assumir valores positivos (maiores que o da pressão atmosférica) e negativos, também chamado de vácuo. A maioria dos instrumentos industriais mede a pressão manométrica.

Pressão absoluta A pressão absoluta é a pressão total,

incluindo a pressão atmosférica e referida ao zero absoluto. Ela só pode assumir valores positivos. Mesmo quando se necessita do valor da pressão absoluta, usa-se o medidor de pressão manométrica que é mais simples e barato, bastando acrescentar o valor da pressão atmosférica ao valor lido ou transmitido. Só se deve usar o medidor com elemento sensor absoluto para faixas próximas à pressão atmosférica; por exemplo, abaixo de 100 kPa. Fig. 7.3. Conceitos e tipos de pressão

Pressão atmosférica A pressão atmosférica é a pressão exercida

pelos gases da atmosfera terrestre e foi a primeira pressão a ser realmente medida.

Pressão faixa composta É aquela que tem pressões de vácuo e

pressões positivas em sua faixa de medição. Por exemplo, a faixa de -200 a 200 mm H2O.

Pressão diferencial A pressão diferencial é a diferença entre

duas pressões, exceto a pressão atmosférica. O transmissor de pressão diferencial para a medição de vazão e de nível é simultaneamente sensível e robusto, pois deve ser capaz de detectar faixas de pressão diferencial da ordem de centímetros de coluna d'água e suportar pressão estática de até 400 kgf/cm2.

Pressão dinâmica A pressão dinâmica da tubulação é a

pressão devida a velocidade do fluido ( 1/2 p v2). Chamada de pressão de impacto.

Pressão estagnação A pressão de estagnação é obtida quando

um fluido em movimento é desacelerado para a velocidade zero, em um processo sem atrito e sem compressão. Matematicamente, ela é igual a soma da pressão estática e da pressão dinâmica. Tem-se a pressão de estagnação na parte central do medidor tipo pitot.

Pressão estática A pressão estática do processo é a pressão

transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou do vaso. Ela não varia na direção perpendicular a tubulação, quando a vazão é laminar.

Pressão hidrostática Pressão hidrostática é a pressão exercida

por líquidos no interior de vasos e tanques. Neste caso, a pressão é normal à superfície que contem o líquido. No mesmo plano horizontal, as pressões em um líquido são iguais

Pressão de vapor Quando há evaporação dentro de um

espaço fechado, a pressão parcial criada pelas moléculas do vapor é chamada de pressão de vapor. A pressão de vapor de um líquido ou sólido é a pressão em que há equilíbrio vapor-líquido ou vapor-sólido.

A pressão de vapor depende da temperatura e aumenta quando a temperatura aumenta. Esta função entre a pressão de vapor e a temperatura é a base da medição da temperatura através da medição da pressão de vapor de líquido volátil (classe SAMA II)

Pressão Atmosférica

Zero Absoluto

Pressão manométrica

Pressão absoluta

Pressão atmosférica

Pressão absoluta

Vácuo ou pressão manométrica negativa

Pressão medida

Pressão medida


193

4.4. Medição da pressão A medição e o controle da pressão servem

para atender algum ou vários dos seguintes objetivos

1. a proteção de equipamento, 2. a proteção de pessoal, 3. a medição de outra variável, por

inferência, 4. o controle do processo, para a

obtenção do produto dentro das especificações exigidas.

São disponíveis comercialmente vários elementos sensores de pressão. Os critérios de escolha devem considerar os aspectos econômicos e técnicos do processo.

Sob o ponto de vista de custos, devem ser considerados os custos da instalação, da manutenção, da energia, além do custo inicial do instrumento.

Como critérios técnicos, devem ser considerados a faixa da medição, a aplicação do sistema e as condições do processo O primeiro ponto a esclarecer é qual o tipo da pressão a ser medida, se absoluta, manométrica ou relativa. Depois os valores máximo e mínimo da faixa, a largura da faixa e finalmente o grau de preciso, a repetitividade, a rangeabilidade e outros parâmetros associados ao desempenho.

A escolha do mecanismo básico de medição da pressão depende da aplicação do sistema indicação local, indicação remota, controle, alarme, proteção. Existem elementos sensores que são limitados quanto ao torque mecânico, ao movimento, ao espaço e não podem ser usados em sistemas que requerem transmissão remota.

Fig. 7.4. Transmissor de pressão diferencial e sensor

Como o elemento sensor da pressão fica

em contato direto com o processo ou a pressão entra dentro do elemento sensor, é importante considerar o grau de corrosão, toxidez e sujeira do fluido do processo, para a escolha adequada do material de construção do

elemento. As vezes, deve-se usar o selo de pressão para isolar o fluido do processo do elemento sensor.

Em muitos processos as variáveis pressão e temperatura são dependentes, e por isso deve-se conhecer a faixa da temperatura na medição da pressão. Quando a temperatura é elevada, exige-se que o instrumento fique afastado do processo, principalmente quando o instrumento é eletrônico. Para resolver este problema, usa-se um tubo capilar de ligação e selagem.

Ainda com relação ao processo, é importante definir a exigência de proteção de sobre faixa (over range). Há elementos sensores que naturalmente apresentam proteção para sobre faixa; eles são especificados para operar em uma faixa normal de trabalho e podem ser submetidos a pressões mais elevadas, durante curtos períodos de tempo de situações anormais.

Os sensores podem ser divididos em duas grandes categorias mecânicos e eletrônicos 1. os sensores mecânicos sentem a variável

de processo e geram na saída uma força ou um deslocamento mecânico;

2. os sensores eletrônicos sentem a variável de processo e geram na saída uma militensão ou alteram o valor de um parâmetro passivo, como resistência elétrica, capacidade, indutância.

4.5. Sensores Mecânicos A pressão é determinada pelo balanço de

um sensor contra uma força desconhecida. Isto pode ser feito por outra pressão (balanço de pressão) ou força (balanço de força).

Os sensores a balanço de força mais usados são aqueles que requerem deformação elástica, como bourdon, espiral, helicoidais, foles e diafragmas. Os sensores a balanço de pressão mais conhecidos são o manômetro de coluna líquida e o detector de peso morto.

Tubo bourdon C O tubo Bourdon é o mais comum e antigo

elemento sensor de pressão, que sofre deformação elástica proporcional à pressão. Este elemento não é adequado para baixas pressões, vácuo ou medições compostas (pressões negativa e positiva), porque o gradiente da mola do tubo Bourdon é muito pequeno para medições de pressões menores que 200 kPa (30 psig) .

Os materiais usados para a confecção dos tubos Bourdon incluem Ni-Span C, bronze, monel, ligas (Be-Cu) e aços inoxidáveis (316 e 304) e sua escolha depende da faixa de pressão a ser medida. Usam-se materiais de


194

Teflon® ou nylon® para minimizar os desgastes e as folgas.

Fig. 7.5. Bourdon C e mecanismos associados

A pressão de processo a ser medida é

ligada na extremidade do tubo através de um soquete enquanto que a outra extremidade é selada hermeticamente. Por causa da diferença entre os raios interno e externo, o tubo Bourdon-C apresenta áreas diferentes para a pressão, logo, as forças exercidas são diferentes e tendem a tornar reto o tubo C. Obviamente, a faixa de pressão medida deve ser conveniente de modo a provocar deformações elásticas reversíveis. Quando se aplica uma pressão excessiva, o tubo se deforma definitivamente e pode haver até ruptura do tubo.

O movimento do tubo-C é não linear e deve-se projetar um sistema de acoplamento mecânico para linearizar este movimento com a pressão medida. Isto é conseguido através do sistema do ângulo caminhante, do pinhão, do pivô e de engrenagens ou setores de engrenagens (cams).

A precisão dos dispositivos é uma função do diâmetro do tubo Bourdon, da qualidade do projeto e dos procedimentos de calibração. Ela varia de ± 0,1% a ± 5% da amplitude de faixa, com a maioria caindo na faixa de ± 1%.

Fig. 7.6. Sensor de pressão espiral simples e dupla

Os tubos Bourdon podem ser secos ou cheios de algum líquido (e. g., glicerina).

O tubo Bourdon-C pode também ser em um transmissor de balanço de força. A pressão aplicada ao tubo tende a "retifica-lo". O tubo transmite a força resultante para a extremidade inferior da barra de força do transmissor. O mecanismo do transmissor de balanço de força pode incorporar um mecanismo de proteção de sobre faixa (overrange). Basta colocar um limitador do movimento da barra de força. Há proteção de 150% de sobre faixa.

O formato do tubo Bourdon é também variável e dependente da faixa de pressão medida tipo C, espiral, helicoidal e a hélice de quartzo fundido.

Os elementos sensores do tipo Bourdon C são os recomendados para instrumentos de medição local de pressão no gasoduto e em city gate.

Nos casos em que a pressão máxima do processo possa ultrapassar o limite de sobrepressão do instrumento, estes devem ser fornecidos com limitadores de sobrepressão ajustados para 100 % do valor de fundo de escala.

Os ranges de operação dos instrumentos devem ser escolhidos de maneira que a pressão de operação normal do processo esteja situada no segundo terço desta faixa, observada também a pressão máxima de operação.

Diafragma Os sensores de pressão cujo

funcionamento depende da deflexão de um diafragma são usados, há mais de um século. Nos últimos anos, os efeitos da histerese elástica, atrito e desvio foram reduzidos, conseguindo-se precisões de até ± 0,1% da amplitude de faixa. Novos materiais com melhores qualidades elásticas tem sido usados, como ligas de Berílio-Cobre e com pequenos coeficientes térmicos tais como ligas de Niquel-Span C. Quando se tem duras condições de trabalho, temperaturas extremas e atmosferas corrosivas, os materiais usados são Incomel® e aço inoxidável 304 e 316.

O diafragma é flexível, liso ou com corrugações concêntricas, feito de uma lâmina metálica com dimensões exatas. As vezes, usam-se dois diafragmas, soldados juntos pelas extremidades, constituindo uma cápsula. Fazendo-se o vácuo destas cápsulas, consegue-se a detecção da pressão absoluta.

A sensibilidade da cápsula ou do diafragma aumenta proporcionalmente ao seu diâmetro. Quanto maior a cápsula ou o diafragma, menores faixas e diferenças de faixa de pressão podem ser medidas.


195

Os diafragmas podem ser usados em unidades de transmissão e controle a base de balanço de movimento e de força.

Fig. 7.7. Sensores de pressão tipo fole

Fole Em geral, o fole transmite maior força e

pode detectar pressões levemente maiores que a cápsula de diafragma. As desvantagens do fole são sua dependência das variações da temperatura ambiente e sua fragilidade em ambientes pesados de trabalho. Como a cápsula de diafragma, o fole pode ser usado para medir pressões absolutas e relativas e em sistemas de balanço de movimentos ou de forças.

Coluna Líquida O sistema de balanço de pressão mais

simples é o manômetro ou indicador de pressão com coluna líquida. O princípio de funcionamento é simples a pressão criada pela coluna do líquido é usada para balancear a pressão a ser medida. A leitura da coluna líquida dá o valor da pressão desconhecida medida. A pressão exercida num ponto do líquido é igual à densidade do líquido multiplicada pela altura da coluna de líquido acima do ponto. O líquido mais usado no enchimento da coluna é o mercúrio por ter alta densidade e portanto exigir colunas pequenas. As características desejáveis do líquido são 1. ser quimicamente inerte e compatível com

o meio do processo, 2. ter interface visível e clara, sem revestir a

superfície do vidro, 3. ter tensão superficial pequena para

minimizar efeitos capilares, 4. ser fisicamente estável, não volátil sob as

condições de temperatura e vácuo de trabalho,

5. não congelar em baixas temperaturas, 6. ter densidade constante com temperatura e

pressão. Os fluidos normalmente usados possuem

faixa de densidade relativa entre 0,8 (álcool) e 13,6 (mercúrio).

Dentro da categoria dos manômetros visuais há uma grande variedade de barômetros: tubo-U e tubo inclinado.

Fig. 7.8. Diferentes colunas líquidas

4.6. Sensores Elétricos Os sensores de pressão eletrônicos podem

ser de todos tipos distintos ativos e passivos. O sensor ativo é aquele que gera uma militensão sem necessitar de nenhuma polarização ou alimentação. O sensor eletrônico passivo é aquele que varia a resistência, capacitância ou indutância em função da pressão aplicada. Ele necessita de uma tensão de alimentação para funcionar.

Cristal piezoelétrico O cristal piezoelétrico é um elemento

sensor de pressão eletrônico que gera uma militensão em função da pressão mecânica aplicada. Na prática, ele é pouco usado em medições industriais, por causa de seu alto custo. Ele é tipicamente usado em agulhas de toca-discos.

Strain gauge O strain gauge é elemento sensor de

pressão eletrônico mais usado. Ele varia sua resistência elétrica quando submetido à pressão positiva (compressão) ou negativa (descompressão). O strain gauge pode ser usado para medir torque, peso, velocidade, aceleração, além da pressão. O strain gauge é ligado ao circuito detector clássico da Ponte de Wheatstone, que requer a tensão de polarização em corrente contínua ou alternada.

Fig. 7.9. Strain gauge


196

4.7. Selo de pressão Selo é algo que isola dois componentes;

por exemplo, o fluido do processo isolado do sensor.

As funções principais de um selo são as de 1. proteger o fluido de processo de

congelamento e endurecimento devidos às variações da temperatura.

2. isolar materiais de processo venenoso, tóxico, corrosivo, mal cheiroso do sensor de pressão que é de material de construção padrão, não compatível com o fluido do processo.

3. evitar que fluidos viscosos e sujos entrem e entupam o elemento detector de pressão.

As características do líquido de selagem devem ser

1. líquido não-compressível, para transmitir a pressão.

2. pequeno coeficiente de temperatura 3. baixa viscosidade para operar mesmo

em baixas temperaturas 4. quimicamente estável, mesmo em altas

temperaturas

Fig. 7.10. Selos de pressão As três partes principais de um selo padrão

são as seguintes 1. recipiente superior, em contato com o

líquido de selagem e colocado na atmosfera não corrosiva, de material padrão, não especial. As vezes, possui um parafuso para enchimento do selo.

2. cápsula de diafragma, cheia com líquido de selagem. Está em contato com o fluido corrosivo do processo e por isso deve ser de metal resistente a corrosão ou revestido de Teflon® ou KEL-F®. A parte superior e a cápsula podem ser removidas sem desconectar a parte inferior, possibilitando ao operador limpar o conjunto sem reencher a unidade.

3. recipiente inferior, em contato direto com o fluido do processo, deve ser de metal ou

plástico resistente à corrosão. Pode haver uma conexão para permitir a purga contínua ou intermitente do fluido. Os selos podem ser soldados,

aparafusados ou flangeados nas linhas de processo.

4.8. Pressostato O pressostato é uma chave elétrica

acionada pela pressão, usado para energizar ou desenergizar circuitos elétricos, como uma função da relação entre a pressão de processo e um valor ajustado pré-determinado.

Fig. 7.14. Pressostato Os pressostatos são disponíveis para

detectar pressão absoluta, composta, manométrica ou diferencial, com precisões típicas de ±0,5% da amplitude de faixa e mudar o estado de um contato (geralmente elétrico), na saída.

O conjunto de chaveamento elétrico pode ser chave a mercúrio ou microswitch mecânica liga-desliga. A chave de mercúrio não contém partes mecânicas móveis e deve ser usada em lugares livres de vibrações e montada em nível.

A faixa ajustável é a faixa de pressão dentro da qual o ponto de ajuste pode ser referido. O ponto de ajuste é a pressão que atua a chave para abrir ou fechar um circuito elétrico. O pressostato pode atuar em seu ponto de ajuste pelo aumento da pressão (PSH) ou pela sua diminuição (PSL).

As características elétricas de um pressostato típico são: 115 V, com correntes de 0,3 a 10A em corrente continua ou alternada.

Os pressostatos devem possuir diferencial ajustável. O ajuste deve ser externo, e dotado de tampa protetora.

Os manômetros devem atender os seguintes requisitos:

a) mostrador de no mínimo 100 mm de diâmetro;

b) conexão de 1/2” NPT;


197

c) caixa em AISI 304 com grau de proteção IP 55;

d) ponteiro balanceado e com ajuste micrométrico;

e) disco de ruptura na parte traseira; f) material do soquete deve ser o mesmo

do elemento sensor, no mínimo aço inoxidável AISI 316.

4.9. Calibração da pressão Os padrões industriais para calibração de

pressão dependem da faixa medida, desde vácuo médio (10-1 mm Hg) até 103 MPa. Para pressões na faixa de 10-1 a 10-3 mm Hg, o indicador de vácuo McLeod é o padrão. Para pressões menores que 10-3, usam-se técnicas especiais envolvendo vazão através de sucessivos orifícios precisos e o manômetro McLeod.

Bomba padrão de peso morto O manômetro ou bomba de tempo morto

opera sob o princípio de se suportar um peso (força) conhecido por meio de uma pressão agindo sobre uma área conhecida. Isso satisfaz a definição de um padrão primário baseado em massa, comprimento e tempo. Os pesos para um dado instrumento de teste são normalmente identificados em termos de pressão, em vez de peso.

O manômetro a pistão ou peso morto é usado como padrão para a calibração de manômetros industriais. O instrumento a ser calibrado é ligado a uma câmara cheia de fluido cuja pressão pode ser ajustada por uma bomba ou válvula. A câmara também se liga com um pistão vertical em que vários pesos padrão são aplicados. A pressão é lentamente aumentada até que o pistão e os pesos pareçam flutuar, no ponto em que a pressão manométrica do fluido é igual ao peso morto suportado pelo pistão, dividido por sua área. Para maiores precisões, tomam-se cuidados especiais, como a diminuição do atrito entre o pistão e o cilindro, diminuição da área entre o cilindro e pistão, correção dos efeitos da temperatura, correção dos efeitos de deslocamento (buoyancy) do ar e do meio da pressão, condições da gravidade local, diferenças das alturas.

O método do peso morto só poderia medir pressões acima da pressão correspondente ao peso morto colocado (pressão de tara). Esta dificuldade é superada através de um arranjo físico especial.

A bomba de peso morto depende da aceleração da gravidade. Para um trabalho preciso, a gravidade sob a qual a bomba está sendo usada como padrão deve ser considerada. Se uma bomba de peso morto e a massa padrão de 1 kilograma são

transportados ao redor do mundo, a pressão gerada em cada ponto da terra variará com a variação da aceleração da gravidade. O mesmo se aplica a unidades como altura de coluna líquida. A força no fundo de cada coluna é proporcional à altura, densidade e aceleração da gravidade. A variação da aceleração da gravidade em redor do mundo é aproximadamente de ±0,1%. Isto pode ser desprezível em muitas aplicações práticas, porém, quando se tem transmissores com precisão especificada de ±0,25%, deve-se considerar os efeitos da diferença da gravidade induzida.

A bomba de peso morto permite calibrações na faixa de 104 a 5 x 106 Pa (0,1 a 50 bar) até 2 x 105 a 108 Pa (2,0 a 1000 bar), com incertezas da ordem de ±0,03% da pressão indicada com dados certificados fornecidos e rastreáveis com o laboratório nacional. Com cuidado, ela pode manter sua precisão durante longo período de tempo.

Coluna líquida em U Para padrão de pressão pequena,

principalmente para calibração de instrumentos de medição de vazão e nível, usa-se o manômetro da coluna em U. O uso da coluna líquida para a medição de pressão se baseia no princípio que uma pressão aplicada suporta uma coluna líquida contra a atração gravitacional. Quanto maior a pressão, maior a coluna líquida suportada.

A unidade de pressão da coluna líquida é o comprimento. Mesmo que o comprimento não seja reconhecido pelas normas ISO como unidade de pressão, por uma questão de conveniência e tradição, ele ainda é muito usado para medir pequenas pressões.

A área da seção transversal do tubo não afeta a medição e por isso pode ser não-uniforme. Em um determinado local, com g constante e conhecido, a sensitividade depende somente da densidade do fluido. Água e mercúrio são os líquidos mais usados; a água por ser o mais disponível e o mercúrio por ter uma altíssima densidade e como conseqüência, implicar em pequenas alturas de coluna.


198

Fig. 7.12. Manômetro digital para calibração Para melhorar a precisão devem ser

considerados os seguintes parâmetros: 1. a expansão da escala graduada 2. valor exato do g local 3. não verticalidade do tubo 4. dificuldade da leitura do menisco do

líquido formado pela capilaridade. 5. densidade do fluido cuja pressão está

sendo medida. Isto ainda depende da temperatura e da pressão. No caso de gases, depende também do conteúdo da umidade.

Para trabalho de alta precisão, todos estes fatores devem ser considerados. Tipicamente, para uma coluna d'água:

1. uma diferença de temperatura de 16 oC varia o fator de conversão para pascal de 0,18%.

2. diferenças devidas a gravidade são cerca de 0,1%.

3. o fator devido à densidade do ar é de 0,12%.

Com tais cuidados, pode-se ter precisão de até 0,01 mm Hg. Quando se usa coluna d'água para medir pressões diferenciais em altas pressões estáticas (ordem de 100 atmosferas), o erro devido ao desprezo da densidade do ar é da ordem de 10%.

O manômetro da coluna U pode ter várias formas, para aumentar sua precisão, como manômetro com poço, com escala inclinada e com micrômetro.

Manômetro de precisão Em instrumentação, é também comum usar

manômetros para calibrar outros manômetros. A ANSI, por exemplo, classifica os manômetros em sete classes de precisão.

O manômetro mais preciso (classe ANSI 4A) tem precisão de ±0,1% do fundo de escala. Eles tem diâmetro de 12 ou 16". Eles necessariamente devem ter grande tamanho físico, para possibilitar a leitura de 0,1%. Estes

manômetros tem compensação de temperatura. Eles devem ser manuseados com cuidado para preservar a precisão. Quando usando manômetros de faixa pequena com líquido como meio de pressão, o efeito da altura líquida entre a fonte de pressão e o dentro do manômetro deve ser considerado. É chamado de Manômetro de Precisão de Laboratório.

O manômetro com classe 3A é calibrado para uma precisão de ±0,25% do fundo de escala. Ele tem diâmetro de 6". Geralmente não tem compensação de temperatura e deve ser usado em temperaturas próximas de 23 oC. É chamado de Manômetro de Teste.

O manômetro com classe 2A, com precisão de ±0,5% do fundo de escala, também com diâmetro de 4 1/2" e sem compensação de temperatura, é chamado de Manômetro de Processo. É usado para a medição contínua do processo.

Outros manômetros, com classes A, B, C e D, tem precisões respectivas de ±1%, ±2%, 3-4% e 5% do fundo de escala.

Fig. 7.13. Uso do manômetro padrão para calibração

Quanto maior a precisão do manômetro,

maior é o seu custo, mais cuidado se requer em seu manuseio e maior freqüência de recalibração é necessária para manter sua precisão. Os manômetros de pior precisão geralmente são substituídos, quando quebrados, em vez de serem consertados.

O uso de manômetro de alta precisão com bourdon como padrão secundário ou de teste é conveniente e prático. Ele deve ter um certificado indicando o erro real, de modo que se possa aplicar a correção adequada. Porém, ele é sujeito a desgaste e requer calibrações freqüentes.


199

5. Temperatura

5.1. Definições A temperatura é uma quantidade de base

do SI, conceitualmente diferente na natureza do comprimento, tempo e massa. Quando dois corpos de mesmo comprimento são combinados, tem-se o comprimento total igual ao dobro do original. O mesmo vale para dois intervalos de tempo ou para duas massas. Assim, os padrões de massa, comprimento e tempo podem ser indefinidamente divididos e multiplicados para gerar tamanhos arbitrários. O comprimento, massa e tempo são grandezas extensivas. A temperatura é uma grandeza intensiva. A combinação de dois corpos à mesma temperatura resulta exatamente na mesma temperatura.

A maioria das grandezas mecânicas, como massa, comprimento, volume e peso, pode ser medida diretamente. A temperatura é uma propriedade da energia e a energia não pode ser medida diretamente. A temperatura pode ser medida através dos efeitos da energia calorífica em um corpo. Infelizmente estes efeitos são diferentes nos diferentes materiais. Por exemplo, a expansão termal dos materiais depende do tipo do material. Porém, é possível obter a mesma temperatura de dois materiais diferentes, se eles forem calibrados. Esta calibração consiste em se tomar dois materiais diferentes e aquecê-los a uma determinada temperatura, que possa ser repetida. Coloca-se uma marca em algum material de referência que não tenha se expandido ou contraído. Depois, aqueça os materiais em outra temperatura determinada e repetível e coloque uma nova marca, como antes. Agora, se iguais divisões são feitas entre estes dois pontos, a leitura da temperatura determinada ao longo da região calibrada deve ser igual, mesmo se as divisões reais nos comprimentos dos materiais sejam diferentes.

Um aspecto interessante da medição de temperatura é que a calibração é consistente através de diferentes tipos de fenômenos físicos. Assim, uma vez se tenha calibrado dois ou mais pontos determinados para temperaturas específicas, os vários fenômenos físicos de expansão, resistência elétrica, força eletromotriz e outras propriedades físicas termais, irá dar a mesma leitura da temperatura.

A lei zero da termodinâmica estabelece que dois corpos tendo a mesma temperatura devem estar em equilíbrio termal. Quando há comunicação termal entre eles, não há troca de coordenadas termodinâmicas entre eles. A mesma lei ainda estabelece que dois corpos em equilíbrio termal com um terceiro corpo, estão em equilíbrio termal entre si. Por definição, os três corpos estão à mesma temperatura. Assim, pode-se construir um meio reprodutível de estabelecer uma faixa de temperaturas, onde temperaturas desconhecidas de outros corpos podem ser comparadas com o padrão, colocando-se qualquer tipo de termômetro sucessivamente no padrão e nas temperaturas desconhecidas e permitindo a ocorrência do equilíbrio em cada caso. Isto é, o termômetro é calibrado contra um padrão e depois pode ser usado para ler temperaturas desconhecidas. Não se quer dizer que todas estas técnicas de medição de temperatura sejam lineares mas que conhecidas as variações, elas podem ser consideradas e calibradas.

Escolhendo-se os meios de definir a escala padrão de temperatura, pode-se empregar qualquer uma das muitas propriedades físicas dos materiais que variam de modo reprodutível com a temperatura. Por exemplo, o comprimento de uma barra metálica, a resistência elétrica de um fio fino, a militensão gerada por uma junção com dois materiais distintos, a temperatura de fusão do sólido e de vaporização do líquido.

5.2. Unidades A 9a CGPM (1948) escolheu o ponto

tríplice da água como ponto fixo de referência, em lugar do ponto de gelo usado anteriormente, atribuindo-lhe a temperatura termodinâmica de 273,16 K. Foi escolhido o kelvin (anteriormente chamado de grau kelvin) como unidade base SI de temperatura.Permite-se o uso do grau Celsius (oC), escolhido entre as opções de grau centígrado e grau centesimal para expressar intervalos e diferenças de temperatura e também para indicar temperaturas em uso prático.

Em 1960, houve pequenas alterações na escala Celsius, quando foram estabelecidos dois novos pontos de referência: zero absoluto e ponto tríplice da água substituindo os pontos de congelamento e ebulição da água.


200

A 13a CGPM (1967) adotou o kelvin no lugar do grau kelvin e decidiu que o kelvin fosse usado para expressar intervalo e diferença de temperaturas.

Atualmente, kelvin é a unidade SI base da temperatura termodinâmica e o seu símbolo é K. O correto é falar simplesmente kelvin e não, grau kelvin. O kelvin é a fração de 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água.

Na prática, usa-se o grau Celsius e o kelvin é limitado ao uso científico ou a cálculos que envolvam a temperatura absoluta. Um grau Celsius é igual a um kelvin, porém as escalas estão defasadas de 273,15. A temperatura Celsius (Tc) está relacionada com a temperatura kelvin (Tk) pela equação:

Tc = Tk - 273,15 A constante numérica na equação (273,15)

representa o ponto tríplice da água 273,16 menos 0,01. O ponto de 0 oC tem um desvio de 0,01 da escala Kelvin, ou seja, o ponto tríplice da água ocorre a 0,01 oC ou a 0,00 K.

Os intervalos de temperatura das duas escalas são iguais, isto é, 1 oC é exatamente igual a 1 K.

O símbolo do grau Celsius é oC. A letra maiúscula do grau Celsius é, às vezes, questionada como uma violação da lei de estilo para unidades com nomes de pessoas. A justificativa para usar letra maiúscula é que a unidade é o grau e Celsius (C) é o modificador.

A temperatura pode ser realizada através do uso de células de ponto tríplice da água, com precisão de 1 parte em 104. Medições práticas tem precisão de 2 partes em 103. A escala e os pontos fixos são definidos em convenções internacionais que ocorrem periodicamente.

5.3. Escalas Para definir numericamente uma escala de

temperatura, deve-se escolher uma temperatura de referência e estabelecer uma regra para definir a diferença entre a referência e outras temperaturas. As medições de massa, comprimento e tempo não requerem concordância universal de um ponto de referência em que cada quantidade é assumida ter um valor numérico particular. Cada milímetro em um metro, por exemplo, é o mesmo que qualquer outro milímetro. Escalas de temperatura baseadas em pontos notáveis de propriedades de substâncias dependem da substância escolhida. Ou seja, a dilatação termal do cobre é diferente da dilatação da prata. A dependência da resistência elétrica

com a temperatura do cobre é diferente da prata.

Assim, é desejável que a escala de temperatura seja independente de qualquer substância. A escala termodinâmica proposta pelo barão Kelvin, em 1848, fornece uma base teórica para a escala de temperatura independente de qualquer propriedade de material e se baseia no ciclo de Carnot.

5.4. Escala Prática Internacional de Temperatura (EPIT)

O estabelecimento ou fixação de pontos para as escalas de temperatura é feito para que qualquer pessoa, em qualquer lugar ou tempo possa replicar uma temperatura específica para criar ou verificar um termômetro. Os pontos específicos de temperatura se tornam efetivamente nos protótipos internacionais de calor. A Conferência Geral de Pesos e Medidas aceitou esta EPIT, em 1948, emendou-a em 1960, e estabeleceu uma nova em 1968 (com 13 pontos) e em 1990 (com 17 pontos).

A Escala Prática Internacional de Temperatura (EPIT) foi estabelecida para ficar de conformidade, de modo aproximado e prático, com a escala termodinâmica. No ponto tríplice da água, as duas escalas coincidem exatamente, por definição. A EPIT é baseada em pontos fixos, que cobrem a faixa de temperatura de -270,15 a 1084,62 oC. Muitos destes pontos correspondem ao estado de equilíbrio durante a transformação de fase de determinado material. Os pontos fixos associados com o ponto de solidificação ou fusão dos material são determinados à pressão de uma atmosfera padrão (101,325 Pa)

Fig. 6.1. Termômetro de vidro


201

Além destes pontos de referência primários, foram estabelecidos outros pontos secundários de referência, que são mais facilmente obtidos e usados, pois requerem menos equipamentos. Porém, alguns pontos secundários da EPIT 1968 se tornaram primários na EPIT 1990.

Fig. 7.15. – Escalas de temperatura Há dois motivos para se ter tantos pontos

para fixar uma escala de temperatura: 1. poucos materiais afetados pelo calor

mudam o comprimento linearmente ou uniformemente. Tendo-se vários pontos, a escala pode ser calibrada em faixas estreitas, onde os efeitos não linearidade podem ser desprezados.

2. nenhum termômetro pode ler todas as temperaturas. Muitos pontos fixos permite um sistema robusto de calibração.

Tab. 3.1 - Pontos Fixos da Escala Prática Internacional de Temperatura (1990)

# Material Estado Temperatura

OC

1 He Vapor -270,15 a -268,15

2 e-H2a Ponto triplob -259,346 7 3 e-H2 Vapor ~-256,16 4 e-H2 Vapor ~-252,85 5 Ne Ponto triplo -248,593 9 6 O2 Ponto triplo -218,791 6 7 Ar Ponto triplo -189,344 2 8 Hg Ponto triplo -38,834 4 9 H20 Ponto triplo 0,01 10 Ga Fusão 27,764 6 11 In Fusão 156,598 5

12 Sn Fusão 231,928 13 Zn Fusão 419,527 14 Al Fusão 660,323 15 Ag Fusão 961,78 16 Au Fusão 1064,18 17 Cu Fusão 1084,62

Notas:

a - eH2 hidrogênio em concentração de equilíbrio das formas ortomolecular e paramolecular,

b - Ponto triplo: temperatura em que as fases sólida, líquida e gasosa estão em equilíbrio. Entre os pontos fixos selecionados, a

temperatura é definida pela resposta de sensores específicos com equações experimentais para fornecer a interpolação da temperatura. Várias definições diferentes são fornecidas, na EPIT de 1990 para temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto. Nestas temperaturas, usa-se um termômetro de gás He para medir a pressão e a temperatura é inferida desta pressão. Na faixa de 13,8033 K e 961,78 oC a temperatura é definida por um termômetro de resistência de platina, que é calibrado em conjuntos específicos de pontos fixos com equações de interpolação cuidadosamente definidas.

Acima de 1064,18 oC, a temperatura é definida por pirômetro óptico de radiação, onde a lei de Planck relaciona esta radiação com a temperatura.

A EPIT é continuamente revista e uma nova versão pode estender a faixa para o extremo inferior de 0,5 K, substituindo o instrumento de interpolação a termopar com uma resistência de platina especial e atribuir valores com proximidade termodinâmica para os pontos fixos. Atualmente o mínimo valor definido na EPIT é 13,81 K.

A calibração de um dado instrumento medidor de temperatura é geralmente feita submetendo-o a algum ponto fixo estabelecido ou comparando suas leituras com outros padrões secundários mais precisos, que tenham sido rastreados com padrões primários. A calibração com outro instrumento padrão é feita através do seguinte procedimento: 1. colocam-se os sensores dos dois

instrumentos em contato íntimo, ambos em um banho de temperatura,

2. varia a temperatura do banho na faixa desejada,

3. permite que haja equilíbrio em cada ponto e

4. determinam-se as correções necessárias.

32 oF (492 oR) 0 oF (460 oR)

0 oC (273 K)

oC (K) oF (oR)

212 oF (672 oR) 100 (373)

OC = (oF - 32)/1,8 F=1,8C+32

escalas

sensor

180 oF (492 oR ) 100 oC – 100 K


202

Termômetros com sensores de resistência de platina e termopares geralmente são usados como padrões secundários.

Fig. 7.16. Indicador de temperatura com enchimento termal

5.5. Medição da Temperatura

Introdução A medição pode ser medida por sensores

mecânicos e elétricos. Os principais sensores mecânicos são o bimetal e o sistema de enchimento termal. Os principais sensores elétricos são o termopar e o detector de temperatura e resistência (RTD).

O sensor bimetal funciona baseando-se na dilatação diferente para metais diferentes. A variação da temperatura medida causa variação no comprimento e no formato da barra bimetal, que pode ser usada para posicionar o ponteiro na escala de indicação de temperatura.

O sistema de enchimento termal é formado por um bulbo sensível, um sensor de pressão, um tubo capilar de interligação e um fluido de enchimento. O fluido pode ser gás (tipicamente nitrogênio), fluido não volátil (glicerina ou óleo de silicone) ou um fluido volátil (éter etílico). A temperatura é medida através da variação da pressão do gás ou da pressão de dilatação do fluido não volátil ou da pressão de vapor do fluido volátil.

A medição de temperatura por termopar se baseia na militensão gerada pela diferença de temperatura entre as duas junções de dois metais diferentes. A medição de temperatura por resistência elétrica se baseia na variação da resistência elétrica de metais ou termistores depender da variação da temperatura medida.

Sensores Existem vários modos de se determinar a

temperatura, incluindo o termômetro a gás, o termômetro paramagnético, o termômetro de radiação de Planck. Porém, são métodos para a determinação termodinâmica da temperatura e só possuem interesse científico e teórico e por isso, são restritos a laboratórios de pesquisa.

Em siderurgia e metalurgia, quando se tem altas temperaturas, são utilizados medidores de temperatura tipo radiação de energia. Alguns que utilizam o olho humano como detector e todos servem para medir temperaturas entre 1 200 e 3 000 oC. Há ainda pirômetros com detectores de infravermelho e com padrões de referência objetivos.

Em laboratórios, é comum o uso de termômetros de hastes de vidro. São tubos de vidro transparente, contendo um fluido no seu interior capilar. A dilatação do fluido é proporcional à temperatura sentida no bulbo. São simples e baratos, porém são frágeis e fornecem apenas leitura local. São aplicados em laboratórios, oficina de instrumentação e para medição clínica da temperatura do corpo humano.

Os sensores de temperatura podem ser classificados, de um modo geral, em mecânicos e eletrônicos. Os sensores mecânicos mais usados são os seguintes:

1. bimetal 2. enchimento termal 3. haste de vidro Os sensores elétricos mais usados são: 1. termopar 2. resistência metálica 3. termistores ou resistência a

semicondutor Há ainda os pirômetros ópticos e de

radiação, para medição de temperatura sem contato direto.

Tab. 3.2 - Faixas e métodos de medição

Métodos Faixa de Medição oC

Termopares -200 a 1700 Enchimento -195 a 760 RTD -250 a 650 Termistores -195 a 450 Radiação -40 a 3000


203

A seleção do elemento sensor de temperatura mais adequada é parecida com a escolha dos elementos de pressão. É uma tarefa mais simples pois não envolve necessariamente as características do fluido do processo, como ocorre na do medição de nível e vazão. Um método de medição de vazão ou nível pode não funcionar, o que também é diferente do meio de medição de temperatura. Geralmente, o meio de medição de temperatura escolhido funciona e, na escolha, deve-se preocupar mais com os aspectos de custo, precisão, tempo de resposta, faixa de medição, preferência e vantagens de manutenção.

Os parâmetros da escolha são 1. função requerida indicação, registro ou

controle. 2. local de montagem e display 3. a faixa de medição, com os valores de

trabalho, máximo e mínimo da faixa. As medições de temperaturas muito baixas (< -50 oC) e elevadas (>150 oC), requerem cuidados especiais.

Termômetros de vidro Em um termômetro com haste de vidro, a

variação volumétrica resultante da expansão termal é interpretada como temperatura. Este termômetro foi o primeiro sistema de expansão termal fechado e foi conhecido desde o século XVIII, quando Gabriel Daniel fahrenheit investigava a expansão do mercúrio.

O termômetro de vidro é constituído de: 1. bulbo sensor 2. haste de vidro com escala graduada e

com um tubo capilar interno 3. fluido de enchimento O bulbo sensor é a parte sensível do

termômetro e deve ser colocado no local onde se quer medir a temperatura. A maioria do fluido fica no bulbo.

A haste de vidro possui um tubo capilar interno, onde o fluido irá se expandir. Embora o bulbo e o tubo capilar possam ser do mesmo material, é mais conveniente usar um vidro para o bulbo com um bom fator de estabilidade e para o capilar usa-se um vidro fácil de ser trabalhado.

Para garantir a precisão do termômetro de vidro, o tubo capilar deve ter uma área anelar uniforme ou então, o termômetro deve ser calibrado em muitos pontos.

Fig. 7.17. Termômetro de haste de vidro O termômetro de haste de vidro pode medir

faixas estreitas de temperatura. Por exemplo, o termômetro clínico tem

1. comprimento útil de 100 mm, 2. faixa de medição de 35,0 e 42,0 oC 3. volume do bulbo de 0,5 cm3 4. diâmetro do capilar de 0,025 mm A haste é freqüentemente projetada e

construída com uma escala amplificadora, para melhorar a leitura.

O fluido de enchimento pode ser líquido ou gás. Os líquidos mais usados são:

1. mercúrio, cujo fator de expansão é de 0,005%/oC e é linear. Assim, o volume do bulbo deve ser cerca de 10 000 vezes o volume do capilar entre duas marcações separadas por 0,5 oC.

2. álcool 3. pentano 4. éter O termômetro de mercúrio pode ser usado

entre –39 oC (ponto de solidificação) e 538 oC (ponto de ebulição). A desvantagem do mercúrio é sua toxidez.

Os termômetros com álcool e éter são usados em temperaturas mais baixas. Geralmente adiciona-se tinta colorida (azul, verde, vermelha) para aumentar a visibilidade.

O espaço acima da coluna de mercúrio até o topo selado da escala é evacuado, mas pode ser preenchido com gás inerte seco, como nitrogênio, para aumentar a faixa de medição de temperatura.

Outra característica importante do termômetro de haste, principalmente do clínico, é uma restrição colocada no tubo capilar, que evita a volta do fluido para o bulbo, quando a temperatura baixa. Esta restrição torna o


204

termômetro um indicador de máximo. Assim, para possibilitar a leitura de qualquer temperatura, deve-se zerar ou resetar o termômetro, sacudindo-o antes do uso.

Para minimizar a quebra acidental do bulbo de vidro, é comum se usar um poço termal metálico para proteger o bulbo.

As vantagens do termômetro de vidro são: 1. baixo custo 2. simplicidade 3. grande duração, se manipulado

corretamente As desvantagens são: 1. leitura difícil 2. confinamento ao local de medição 3. não adaptável para transmissão,

registro ou controle automático 4. susceptível de quebra, pois é de vidro

frágil Mesmo um termômetro de haste de vidro

deve ser calibrado periodicamente, onde se inspecionam visualmente e verificam as dimensões, permanência do pigmento, estabilidade do bulbo e precisão da escala. Depois da calibração, podem ser feitas correções, aplicados fatores de correção ou o termômetro pode ser descartado.

Norma de referência: ASTM E 77 – 92: Standard Test Method for Inspection and Verification of Thermometers. Várias normas ASTM cobrem os termômetros clínicos.

Bimetal O termômetro a bimetal possui todos os

componentes de medição – sensor, condicionador e indicador – em um único invólucro.

O princípio de funcionamento é simples dois metais com coeficientes de dilatação térmica diferentes são soldados formando uma única haste. à uma determinada temperatura, a haste dos dois metais está numa posição; quando a temperatura varia, a haste modifica a sua posição produzindo uma força ou um movimento.

As partes do termômetro a bimetal são 1. o sensor, em contato direto com a

temperatura 2. os elos mecânicos, para amplificar

mecanicamente os movimentos gerados pela variação da temperatura, detectada pelo bimetal.

3. a escala acoplada diretamente aos elos mecânicos, para a indicação da temperatura medida.

4. opcionalmente, pode-se usar o sistema de transmissão.

As vantagens do bimetal são: 1. baixo custo, 2. simplicidade do funcionamento

3. facilidade de instalação e de manutenção

4. largas faixas de medição 5. possibilidade de ser usado com os

mecanismos de transmissão.

Fig. 7.18. Bimetal

As desvantagens são 1. precisão ruim 2. não linearidade de indicação 3. grande histerese 4. presença de peças moveis que se

desgastam 5. facilidade de perder calibração A principal aplicação para o termômetro a

bimetal é em indicação local de temperaturas de processo industrial. É muito usado para controle comercial e residencial de temperatura associado a ar condicionado e refrigeração.

O sensor a bimetal integral ao instrumento não pode ser calibrado isoladamente mas somente pode ser inspecionado visualmente, para verificar corrosão ou danos físicos evidentes.

O que se faz é calibrar o sistema de indicação, colocando-se o termômetro em um banho de temperatura e comparando as indicações do termômetro com as indicações de um termômetro padrão colocado junto. O termômetro a bimetal pode ser calibrado e, se necessário, ajustado nos pontos de zero e de amplitude de faixa.

Termômetros para city gate Os termômetros bimetálicos devem ter as

seguintes características gerais: a) mostrador de no mínimo l00 mm de

diâmetro; b) conexão ao poço de 1/2” NPT; c) haste de aço inoxidável AISI 316 com

diâmetro externo de 6 mm; d) incerteza de medição: 1 % do “span”; e) caixa de AISI 304, com grau de proteção

IP -55; f) ajuste de zero no ponteiro. As escalas devem ser de fundo branco com

caracteres pretos. Recomenda-se os seguintes


205

valores padronizados para os ranges, em °C: -50/0/50; 0/100; 0/150; 0/200; 0/300; 0/400; 0/500; 0/600.

O diâmetro mínimo de linha para instalação de poços para instrumentos de temperatura será 2".

5.6. Termopar

Princípio de funcionamento Os termopares transformam calor em

eletricidade. As duas extremidades de dois fios de metais diferentes (e.g., ferro e constantant®), são trançadas juntas para formar duas junções: uma de medição e outra de referência. Um voltímetro ligado em paralelo irá mostrar uma tensão termelétrica gerada pelo calor. Esta tensão é função da 1. diferença de temperatura entre a junção de

medição e a junção de referência, que é o princípio da medição da temperatura.

2. tipo do termopar usado. Pesquisas são desenvolvidas para se encontrar pares de metais que tenham a capacidade de gerar a máxima militensão quando submetidos a temperaturas diferentes.

3. homogeneidade dos metais. As instalações de termopar requerem calibrações e inspeções periódicas para verificação do estado dos fios termopares. A degradação do termopar introduz erros na medição.

Circuito de medição O circuito de medição completo deve

possuir os seguintes componentes básicos 1. o termopar, que está em contato com o

processo. O ponto de junção dos dois metais distintos é chamado de junta quente ou junta de medição.

2. a junta de referência ou junta fria ou junta de compensação, localizada no instrumento receptor. Como a militensão é proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções, a junta de referência deve ser constante. Como nos primeiros circuitos havia um recipiente com água + gelo, para manter a junta de referência em 0 oC, a junta de referência é também chamada de junta fria. Mesmo quando se mede temperatura abaixo de 0 oC, portanto quando a junta quente é mais fria que a junta fria, os nomes permanecem, por questões históricas. Atualmente, em vez de se colocar um pouco prático balde com água + gelo, utiliza-se o circuito de compensação com termistores e resistências.

3. circuito de detecção do sinal de militensão, geralmente a clássica ponte de Wheatstone, com as quatro resistências de balanço. Na prática o circuito é mais complexo, colocando-se potenciômetros ajustáveis no lugar de resistências fixas. Os ajustes correspondem aos ajustes de zero e de amplitude de faixa.

4. a fonte de alimentação elétrica, de corrente contínua, para a polarização dos circuitos elétricos de detecção, amplificação e condicionamento do sinais.

Configurações As configurações de ligações podem ser de

três tipos básicos 1. o termopar é ligado diretamente do

processo para o instrumento receptor remoto. Os fios de ligação devem ser de termopar, do mesmo tipo que a junta de medição, a fim de não introduzir erros de medição. Atualmente, são desenvolvidos fios de extensão feitas de ligas com características termelétricas iguais as do termopar e de menor custo.

2. o termopar é ligado ao transmissor eletrônico de temperatura. A entrada do transmissor é o termopar, ligado ao processo e a saída é o sinal padrão de corrente, de 4 a 20 mA cc. A vantagem dessa ligação é que o fio de transmissão é de cobre comum mais econômico que o fio de termopar.

3. O termopar é ligado ao transmissor pneumático de temperatura. A entrada do transmissor é o termopar, em contato com o processo e a saída do transmissor é o sinal pneumático padrão, de 20 a 100 kPa. Essa configuração é adequada quando se tem o instrumento receptor de natureza pneumática.

Fig. 7.19. Transmissor inteligente de temperatura


206

Tipos de termopares Existem vários tipos de termopares,

designados por letras; cada tipo apresentando maior linearidade em determinada faixa de medição. Essa variedade de tipos facilita a escolha, principalmente porque há muita superposição de faixa, havendo uma mesma faixa possível de ser medida por vários termopares.

A militensão gerada é de corrente contínua. O termopar é polarizado e cada metal corresponde a uma polaridade. Convenciona-se que o primeiro nome do termo corresponde ao pólo (+).

Os tipos mais utilizados são 1. tipo J, de Ferro (+) e Constantant (-),

com faixa de medição até 900 oC. Para a identificação, o Fe é o fio magnético.

2. tipo K, de Cromel (+) e Alume1 (-), para a faixa de medição até 1.200 oC, sendo o Cromel levemente magnético.

3. tipo T, de Cobre (+) e Constantant (-), para faixa até 300 oC. É fácil a identificação do cobre por causa de sua cor característica.

4. tipo S, com a liga (+) de Platina (90%) + Ródio (10%) e Platina pura (-). Atinge até medição de 1.500 oC e para identificação, platina pura é a mais maleável.

5. tipo R, também liga (+) de Platina (87%) + Ródio (13%) e Platina (-), com a mesma faixa de medição até 1.500 oC e identificando-se a platina pura pela maior maleabilidade.

Fig. 7.20. Sistema completo: bulbo, sensor e poço

Cada curva de termopar é diferente entre si

e todas possuem regiões não-lineares. As curvas são necessárias e úteis para a calibração do receptor de termopar. Quando se quer calibrar um instrumento indicador-registrador de temperatura a termopar, em vez de se ter um banho de temperatura, simula-se

diretamente um sinal de militensão substituindo-se o termopar.

Fig. 7.21. Instalação do sensor

Fig. 7.22. Curvas dos vários tipos de termopar

Vantagens e limitações O termopar apresenta todas as vantagens

inerentes ao sistema elétrico. Por isso, quando comparado ao sistema mecânico de enchimento termal tem-se

1. menor tempo de atraso, 2. maiores distâncias de transmissão, 3. maior flexibilidade para alterar as faixas

de medição, 4. maior facilidade para reposição do

elemento sensor, quando danificado 5. maior precisão. Quando comparado com a resistência

detectora de temperatura, tem-se 1. o custo do elemento termopar é menor, 2. o tamanho do elemento sensor é menor,

portanto com tempo de resposta menor e mais conveniente para montagem.

3. calibração é is fácl.


207

4. verificações de calibração mais fáceis. Aliás, a medição de temperatura com termopar é autoverificável, quando se tem o dispositivo de proteção de queima (burnout) do termopar. Incorpora-se no circuito de medição, um sistema para levar a indicação da leitura para o fim ou para o início da escala, quando ocorrer o rompimento da junta de medição.

5. flexibilidade para modificação do circuito, para medição de soma ou subtração de temperaturas.

6. as larguras de faixas medidas são maiores que as conseguidas no sistema mecânico e com o bulbo de resistência. Porém, ele apresenta desvantagens, com

relação ao sistema de enchimento mecânico e com relação ao bulbo de resistência elétrica 1. a característica temperatura x militensão

não é linear totalmente. 2. o sinal de militensão pode captar ruídos na

linha de transmissão. 3. o circuito de medição é polarizado, quando

o da resistência não o é. 4. requer circuito de compensação das

variações da temperatura ambiente. 5. a junta de medição pode se deteriorar, se

oxidar e envelhecer com o tempo. Os termopares são aplicados em medições

de temperaturas em um ponto e não em uma região média) onde se requer pequenos atrasos. Ele é conveniente em sistemas que envolvem muitos pontos de medição, sendo selecionado instantaneamente um único ponto para indicação ou registro.

Calibração do termopar Como a homogeneidade dos fios

componentes do termopar pode se modificar, o termopar e os fios de extensão de termopar devem ser periodicamente calibrados. A calibração consiste em verificar se as suas características se afastaram dentro da tolerância (termopar bom) ou além da tolerância (termopar deve ser descartado).

As técnicas de calibração do termopar tem sido melhoradas constantemente em velocidade e confiabilidade, por causa do uso do microprocessador. A técnica antiga consistia em ligar o instrumento receptor do termopar aos terminais de um potenciômetro portátil de militensão, medir a temperatura destes terminais com um termômetro padrão, ajustar a saída do potenciômetro para dar a indicação teórica no receptor e anotar o ajuste do potenciômetro. Finalmente, se procurava a temperatura correspondente em tabelas padrão. Este processo consumia muito tempo e era susceptível a erros potenciais.

A medição de temperatura nos terminais é necessária porque um termopar contem inerentemente duas junções de metais diferentes e não apenas uma. A saída de tensão deste sistema de termopar é afetada pelas temperaturas de ambas as junções. A medição da temperatura da junção de medição, deste modo, requer o conhecimento da temperatura da junção de referência. Em muitos instrumentos, a junção de referência ocorre nos terminais de ligação neste instrumento receptor.

O microprocessador simplificou muito a calibração do termopar. Sua memória pode conter as curvas de temperatura (tensão x temperatura) para os diferentes termopares. Estas curvas são geradas usando-se equações publicadas pelo National Institute of Standards and Technology. Um instrumento a microprocessador também faz a medição da temperatura da junção de referência, incorporando-a em um resultado compensado corretamente. Quando a calibração do instrumento baseado em microprocessador recebe uma tensão, ele imediatamente translada para a unidade de temperatura (oC), de acordo com tabelas contidas na sua memória e indica digitalmente estes valores.

Para calibrar instrumentos com termopar, a técnica básica é fornecer um sinal conhecido para o instrumento receptor para garantir que ele está dando uma indicação precisa e exata. O calibrador fornece este sinal de uma fonte estável e monitora, ao mesmo tempo, o sinal com o sistema de medição do próprio calibrador. A curva temperatura versus tensão armazenada no sistema do microprocessador do calibrador é o ponto de referência para gerar uma saída correta. Assim, o calibrador simula o termopar, gerando uma tensão correspondente à temperatura e indicando temperatura (e não tensão).

Além de calibrar e ajustar o instrumento receptor (registrador, indicador, controlador), deve-se calibrar o sensor em si. O sensor pode ser substituído por um sensor novo calibrado ou pode ser removido e calibrado em um laboratório de temperatura. Ele também pode ser calibrado no local se um sensor padrão de referência puder ser instalado temporariamente próximo do termopar de trabalho. Este caso nem sempre é possível, mas quando possível, ele deve ser preferido. Sua vantagem é que o sensor instalado é aferido em sua condição real de operação. Um calibrador tendo dois canais de entrada torna este método prático.


208

Tab.16.3. Características dos Termopares Padrão ISA

Tipo Material +/-

Sensitividade mV/K

Temperatura K

Incerteza % v.m.

F.e.m. (mV)

T Cobre/Constantant 0,05 3 a 675 0,5 -6,258 a 20,869 J Ferro/Constantant 0,05 63 a 1475 1,0 -8,096 a 42,922 K Cromel/Alumel 0,04 3 a 1645 1,0 -6,458 a 54,875 E Cromel/Constantant 0,08 3 a 1275 1,0 -9,835 a 76,358 R Pt + 10% Rh/Pt 0,01 224 a 2035 0,5 -0,226 a 21,108 S Pt + 13%Rh/Pt 0,01 224 a 2035 0,5 -0,236 a 18,698 B Pt + 30%Rh/Pt + 6%Rh 273 a 2000 0,5 0 a 13,814

Notas:

1. Conforme Norma ISA MC 96.1, Temperature Measurement Thermocouples, 1975. 2. Cromel® e Alumel® são marcas registradas de Hoskins Co. 3. A militensão se refere à junção de referência a 0 oC.

5.7. Resistência detectora de temperatura (RTD)

Princípio de funcionamento A resistência elétrica dos metais depende

da temperatura; este é o princípio de operação do sensor de temperatura a resistência elétrica (RTD - Resistance Temperature Detector). Quando se conhece a característica temperatura x resistência e se quer a medição da temperatura, basta medir a resistência elétrica. Essa medição é fácil e prática.

Normalmente, a resistência metálica possui o coeficiente térmico positivo, ou seja, o aumento da temperatura implica no aumento da resistência elétrica. A resistência de material semicondutor (Si e Ge) e as soluções eletrolíticas possuem coeficientes térmicos negativos, onde o aumento da temperatura provoca a diminuição da resistência. A resistência elétrica a semicondutor, com coeficientes negativos, é chamada de termistor e é usada também como sensor de temperatura e nos circuitos de compensação de temperatura ambiente das juntas de referência do termopar.

Os tipos mais comuns de resistência metálica são a platina, níquel e cobre.

Fig. 7.24. Curvas de resistência x temperatura .

Materiais da RTD Teoricamente, qualquer metal pode ser

usado como sensor de temperatura, porém, na prática industrial, são usados apenas aqueles que apresentam propriedades convenientes, tais como:

1. linearidade entre variação da resistência termal e temperatura

2. estabilidade termal 3. ductilidade (propriedade de ser

transformado em fio fino) 4. disponibilidade comercial 5. preço acessível Os metais mais usados são: platina, níquel

e cobre. Também é usado material semicondutor (termistor).


209

Platina A platina (Pt) é usada para medição de

faixas entre 0 e 650 oC. A característica resistência x temperatura é linear nesta faixa e apresenta grande coeficiente de temperatura. O sensor Pt 100 tem resistência de 100 Ω à 0 oC e de aproximadamente 139 Ω à 100 oC.

Embora a mais cara, a platina possui as seguintes vantagens

1. é disponível em elevado grau de pureza,

2. é resistente à oxidação, mesmo à alta temperatura,

3. é capaz de se transformar em fio (dúctil).

Níquel O níquel (Ni) é o segundo metal mais

utilizado para a medição de temperatura. É também encontrado em forma quase pura, entre 0 oC a 100 oC apresenta um grande coeficiente termal. Porém, a sua sensibilidade decresce bruscamente em temperaturas acima de 300 oC. A sua curva resistência x temperatura é não linear.

Cobre O cobre (Cu) é outra resistência utilizada,

porém em menor freqüência que as resistências de Platina e de Níquel.

Quando comparada com o termopar, a resistência detectora de temperatura de platina apresenta as seguintes vantagens 1. altíssima precisão. Provavelmente a

medição de temperatura através da platina é a mais precisa em todo o campo da instrumentação.

2. não apresenta polaridade (+) e (-). 3. apropriada para medição de temperatura

média enquanto o termopar é adequado para medição de temperaturas em um ponto.

4. capaz de medir amplitude de faixa estreita; de até 5 oC

5. mantém-se estável, precisa e calibrada durante muitos anos. As desvantagens são

1. o alto custo, 2. os bulbos maiores, 3. o tempo de resposta é mais demorado, 4. o auto-aquecimento da resistência

constitui um problema 5. a exigência de fiação com 3 ou 4 fios para

a compensação da temperatura ambiente. A resistência detectora de temperatura é

aplicado quando se quer uma medição com altíssima precisão e estabilidade e quando a amplitude de faixa de medição é estreita.

Fig. 7.25. Resistências dentro de bulbos, com os cabeçotes de acesso

Termistor O termistor é considerado um detector de

temperatura a resistência (RTD). As diferenças básicas entre o termistor e uma resistência convencional são as seguintes

1. o coeficiente de temperatura é negativo,

2. sua resposta é mais rápida e seu tamanho é menor,

3. seu custo é muito menor que o da resistência de Pt ou Ni,

As suas desvantagem são a limitação das faixas de medição (-50 a 300 oC) e a menor precisão.

A maior aplicação do termistor é em circuitos de compensação de temperatura ambiente na junta de termopar.

Configurações O RTD pode ser ligado diretamente ao

receptor. A ligação pode ser feita através de 2, 3 ou 4 fios. O terceiro e o quarto fio são usados para compensar as variações da resistência dos fios de transmissão do sinal provocadas pela temperatura ambiente variável.

O RTD é elemento sensor do transmissor eletrônico de temperatura. A entrada do transmissor é a resistência e sua saída é o sinal padronizado de corrente, entre 4 a 20 mA cc. A vantagem dessa fiação é que o fio de transmissão é comum e não requer compensação.

O RTD é também o elemento sensor do transmissor pneumático de temperatura. A entrada do transmissor é a resistência e a saída é o sinal pneumático padrão de 20 a 100 kPa. Esta instalação é típica para instrumentação pneumática de painel e medição de temperatura com detector de temperatura a resistência.


210

5.8. Acessórios

Bulbo O bulbo termal serve para encerrar o fluido de enchimento do sistema

termal mecânico. Nessa configuração, o elemento de temperatura é formado pelo conjunto bulbo + capilar + elemento sensor de pressão. O sistema é totalmente selado, sem vazamento e sem bolhas de ar,

proteger o termopar ou o fio de resistência detectora de temperatura dos rigores do processo.

Em qualquer situação o bulbo está em contato direto com o processo, quando não há poço. Os seus materiais de construção são o aço inoxidável AISI 316 e ligas especiais, como Monel®, Hastelloy® e metais nobres como Ti, Pt, Ta.

Fig. 7.26. Bulbos de temperatura A geometria do bulbo de temperatura varia

com o fabricante e com as exigências do processo. Há recomendações da Scientific Apparatus Manufacturer Association (SAMA) para normalizar os nomes das partes notáveis do bulbo:

parte sensível (X), é a parte que envolve o elemento sensor (termopar ou resistência) ou a parte que sente a temperatura, ficando em contato com o ponto que se quer medir a temperatura. A parte sensível pode ser ajustável (50 a 450 mm).

extensão (J) é a distância que vai do ponto onde é fixado o bulbo até o início da parte sensível. A extensão pode ser rígida ou dobrável.

inserção (U) é a soma da extensão e da parte sensível; é toda a parte que fica mergulhada ou no interior do processo. Tem-se U = X + J.

diâmetro (Y) do bulbo, ou mais precisamente, o diâmetro da parte sensível, que é função do tamanho do bulbo e da amplitude de faixa de temperatura medida, quando de enchimento termal.

união, que é opcional. Quando há união, ela pode ser fixa ou ajustável. A união é uma rosca macho e sua finalidade é a de fixar o bulbo na parede do processo ou no poço.

Fig. 7.27. Bulbo e suas dimensões Os bulbos são usados nas seguintes

configurações bulbo plano, o mais simples possível. É

usado em recipiente raso, em tanques abertos, onde nenhum suporte é disponível. Não existe em Classe III de enchimento termal.

bulbo plano com extensão dobrável, também usado sem união, em aplicações que sejam necessárias curvaturas da porção sensível do bulbo para melhor resultado.

bulbo de união, fixa ou ajustável, com extensão dobrável, para uso em vasos fechados e pressurizados, sem proteção, com pressões até 70 MPa.

bulbo de união, fixa ou ajustável, com extensão rígida, para uso com bulbo sem proteção, onde há forças provocadas por agitações no tanque.

bulbo capilar, para aplicação em medição de temperaturas médias, no interior de dutos, fornos, secadores, estufas.

Poço de temperatura O poço de temperatura é um receptáculo

metálico, rosqueado, soldado ou flangeado ao equipamento do processo, que recebe o bulbo de medição. Os objetivos do poço são os de

1. proteger o bulbo de medição da corrosão química e do impacto mecânico;

2. possibilitar a remoção do bulbo de medição sem interrupção do processo;

3. diminuir a probabilidade de vazamento nas tomadas de temperatura, aumentando também sua resistência mecânica;


211

4. tornar praticável a medição de fluidos de alta temperatura, corrosivos, sujos e tóxicos e submetidos à pressão elevada.

A principal desvantagem do poço de temperatura é o aumento do tempo morto da resposta do sistema, pois o poço introduz uma camada de ar entre o bulbo, além de introduzir a resistência de sua parede. Para diminuir essa influência deve se minimizar a distância entre o bulbo e o poço, ou então se colocar uma substância condutora para substituir o ar, que é um mau condutor térmico.

Existem poços de temperatura feitos de vários materiais aço inoxidável, ligas especiais de Monel®, Hastelloy®, Tântalo, bronze e outros. Quando se utiliza o poço, ele funciona como um selo, podendo-se usar bulbos de materiais padronizados. O poço de temperatura evita que o bulbo entre diretamente em contato com o processo.

Fig. 7.28. Poços de temperatura Há algumas diferenças de montagem do

poço 1. Montado em tubulações, podendo ser

montado rosqueado diretamente ao tubo, recebendo o bulbo, que é aparafusado no seu interior. O poço possui uma rosca externa para a ligação com a tabulação e possui no interior outra rosca, onde fica conectado o bulbo de medição. Quando a parede do tubo é grande, o poço deve possuir uma extensão de atraso. Quando em tabulação, o bulbo pode ser ligado ao processo através de uma conexão tipo T;

2. Montado em vasos, através de roscas ou de flanges, nas paredes laterais ou no topo.

Fig. 7.29. Instalação do poço em tubulação

Quanto ao formato, o poço pode ser classificado como: 1. poço padrão, rosqueado, de formato

cilíndrico, com comprimentos acima de 150 mm e rosca externa de 1/2" a 1" NPT;

2. poço padrão, com rosca externa afastada da rosca interna, apresentando um "atraso", apropriado para superfícies com revestimento de isolação;

3. poço cônico, usado em tubulações com fluidos em alta velocidade, serviços abrasivos, linhas de vapor ou qualquer outra instalação que requeira alta resistência lateral; 4. poço flangeado, mais prático que o

rosqueado, usado quando a tomada do processo é feita em flange.


212

6. Análise por cromatografia

6.1. Introdução e Histórico A cromatografia é um processo físico pelo

qual uma mistura de produtos químicos pode ser separada e se tornou rapidamente uma das técnicas analíticas mais bem sucedidas, tanto em laboratório como em linha com processo.

O processo cromatográfico trabalha de um modo descontinuo, semelhante a uma distilação em batelada. Uma pequena amostra é tomada e os componentes individuais da mistura são retidos em uma coluna em diferentes larguras, como se eles tivessem sido distilados um a um. Por causa de sua natureza, a separação normalmente ocorre de 1 a 10 minutos. Quando os componentes emergem do processo, eles são individualmente medidos e relatados.

Note que isto é um processo físico; nenhuma mudança química é envolvida. Na pratica, usualmente se trata de gases dissolvidos em líquidos ou sendo atraídos para a superfície de materiais sólidos.

A invenção da cromatografia é atribuída ao trabalho do bioquímico russo Tswett, que estava interessado na substância de cor verde encontrada nas plantas. Em 1903 ele escreveu um relatório sobre a separação de diferentes pigmentos da planta que eram visíveis como faixas coloridas quando uma solução de clorofila era lavada por um solvente conveniente através de um tubo contendo um adsorvente, como um pó de giz. Em um paper publicado em 1906, Tswett chamou esta técnica de cromatografia (literalmente, escrevendo colorido).

Nada mais foi escutado acerca de cromatografia até uma técnica conhecida como cromatografia de partição foi introduzida por Martin e Synge em 1941, usando uma fase líquida móvel. O método foi mais desenvolvido por Martin e seus colaboradores para uma forma especial de técnica conhecida como cromatografia de papel. Por esta contribuição muito útil no campo da biologia e medicina, Martin e Synge receberam o Prêmio Nobel em 1952.

A possibilidade de usar uma fase móvel gasosa em vez de um líquido foi mencionado em 1941, por Martin e Synge, mas não havia seguimento desta sugestão. Eventualmente, James e Margin começaram a elabora-la em 1949 e os resultados foram apresentados no Congresso de Química Analítica, em Oxford, Inglaterra, em 1952. Uma das características deste método foi as amostras muito pequenas usadas para os cálculos.

A simplicidade e potência analítica do método foram reconhecida imediatamente. Por causa de sua promessa, a técnica recebeu muito atenção e seu desenvolvimento foi muito rápido. Desde 1952, o crescimento nos aspectos teóricos e práticos da técnica foram enormes. Não somente se verificou que era uma solução simples para muitas análises complexas de rotina de laboratório, mas era um método eficiente para ser usado em controle de processo em linha.

A cromatografia é hoje reconhecida como uma das mais importantes ferramentas analíticas, com a grande vantagem de fazer a separação e o cálculo quantitativo de componentes em uma amostra de modo rápido e simples.

6.2. Tipos de Cromatografia A base da cromatografia é que uma

amostra da mistura a ser analisada é transportada através de um meio estático por um portador móvel. Os vários tipos de cromatografia são classificados pela natureza do portador (ou fase móvel) e a natureza do meio estático (ou fase estacionaria). Há portanto quatro possibilidades possíveis:

Fase móvel Fase estacionária

Líquida Líquida LLC Líquida Sólida LSC Gasosa Líquida GLC Gasosa Sólida GSC

Fig. 7.30. Cromotograma


213

6.3. Cromatografia Gás-Líquido Os componentes básicos de um

cromatógrafo simples gás-líquido são mostrados na Fig. 1.1. O gás portador, que é normalmente nitrogênio, hélio ou hidrogênio, flui continuamente através da coluna, onde ocorre a separação. As amostras, que podem ser gás (volume típico de 0.5 mL) ou líquido (volume típico de 1 μL), são injetadas periodicamente no gás portador por uma válvula especialmente projetada chamada de válvula de injeção da amostra. As amostras líquidas devem ser vaporizadas logo depois da injeção e passar através do sistema na fase de vapor.

Após a separação, os componentes emergem da coluna e passam pelo detetor que produz um sinal proporcional à concentração instantânea dos componentes da amostra no gás portador. Quando este sinal é registrado em função do tempo da injeção da amostra, obtém-se o registro do cromatograma característico.

Desde que o volume da amostra, as colunas e o detetor tem a operação dependente da temperatura, eles são instalados em um invólucro com temperatura controlada, chamado de forno.

Fig. 7.31 Cromatógrafo gás-líquido básico

6.4. Cromatógrafo para gás natural

Composição do gás de entrada

Componente Mol Faixa Metano 84.2963 75-100 Ethano 10.2517 0-12 Propano 0.62070 0-10 i-Butano 0.000 0-5 n-Butano 0.000 0-5 i-Pentano 0.000 0-5

n-Pentano 0.000 0-5 Hexano plus 0.000 0-5 Nitrogênio 1,80950 0-5 Oxygênio 0.000 0-5 CO2 3,00870 0-5 H2O 0,01310 0-5 Total 100,00

Condições de operação do gás: Temperatura 20 a 25 ºC Pressão 3,3 a 3,5 MPa Temperatura de projeto 55 ºC Pressão de Projeto 4,2 MPa

Condições do abrigo Elevação 0 m acima do nível do mar Temperatura 16 a 33 oC Fig. 7.32. Cromatógrafo de laboratório

6.5. Cromatógrafo em linha O cromatógrafo deve ser capaz de operar

com a composição do gás mostrada na Tab. e deve discriminar os seguintes componentes: metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, hexano+ e gases inertes, como CO2 e N2.

A amostra do gás deve ser tomada de um header no lado de fora do skid de regulação de pressão, nas condições de operação do gás.

O amostrador do cromatógrafo deve garantir que a amostra on line do gás representa a composição real do gás na linha principal. Para isto, deve haver um sistema complexo constituído de sensor de inserção, válvulas agulha, filtro, regulador de pressão, aquecedor.


214

O sistema deve ter um regulador de pressão para reduzir a pressão de seu valor alto para um mais maleável. Deve-se ter cuidado com a temperatura do gás para que ela não caia abaixo de -4 oC, quando for reduzida à pressão atmosférica, sem aquecimento e ela pode também ter condensando nesta temperatura.

O cromatógrafo deve dar um novo resultado a cada 6 horas. O tempo do ciclo entre as amostras deve ser menor que este.

O gás de arraste deve ser o hélio (He). O cilindro de gás de arraste deve garantir, no mínimo, 30 dias de operação.

O cromatógrafo deve ser instalado em um abrigo. Os gases de calibração, distribuidor, tubulação, devem ser montados na parte externa do shelter, mas não sujeita a chuva ou sol.

O cromatógrafo deve ser aprovado para uso em Classe 1, Grupo IIA e Zona 2.

A precisão tolerada nos resultados da análise do cromatógrafo deve estar de acordo com a norma ASTM D 1945.

Falha no cromatógrafo deve ser alarmada pelo CLP e o último valor valido deve ser mantido no Computador de Vazão.

O sistema deve incluir os acessórios necessários para a calibração automática com misturas padrão. O fabricante deve indicar todas as características destas misturas.

O cromatógrafo deve ter uma porta RS 485 para comunicação externa. Ele deve ser capaz de acessar todos os valores internos coletados e calculados, status e alarmes operacionais.

O cromatógrafo deve ser alimentado por um sistema de fonte ininterruptível (UPS).

O cromatógrafo e sua fonte de alimentação devem ser montados em um skid, que será instalado em um abrigo, próximo da estação de medição de gás do city gate e do computador de vazão.

Fig. 7.33. Cromatógrafo de linha (Yamatake)

Fig. 7.34. Cromatógrafo em linha (Emerson)

215

8. Nível

1. Introdução

Conceito de Nível O nível pode ser considerado a altura da

coluna de líquido ou de sólido no interior de um tanque ou vaso. O nível não se aplica a gases em tanque de teto fixo, pois o gás sempre ocupa todo o espaço.

Porém, em quando se armazena líquidos voláteis (p. ex., gasolina), é comum o uso de tanque com teto flutuante. O teto flutua exatamente para minimizar o nível de gás contido.

Em aplicações industriais, pode se ter ainda um único vaso armazenando dois líquidos não miscíveis e se quer medir a interface desses dois líquidos.

Unidades de Nível A unidade de nível deve ser a unidade de

comprimento do Sistema Internacional de Unidades (SI), que é o metro (m), pois o nível é a altura de uma coluna de líquido.

Porém, é prática comum se referir ao nível como percentagem (%): o nível tem um nível que varia entre 0 e 100%, podendo assumir todos os valores intermediários.

Também se usa a massa ou o volume ocupado pelo produto no tanque para se referir ao seu nível. Nestes casos, o nível seria expresso em kilograma (kg) ou metro cúbico (m3), respectivamente.

Medição de Nível Os motivos e justificativas para se medir o

nível são, principalmente: 1. Inventário 2. Transferência de custódia 3. Segurança 4. Fornecimento consistente 5. Economia

Inventário Uma razão importante para medir nível é

para manter histórico de inventários em termos de massa ou volume. O usuário quer saber a

quantidade disponível para um processo ou para venda.

Por exemplo, no automóvel é importante haver um medidor de nível do combustível do tanque, para que o motorista saiba quando é oportuno se abastecer.

Fig. 8.1. Tanques de armazenagem

Transferência de custódia Na industria de petróleo, é comum a

compra e venda de produtos baseadas na medição de nível de tanques de armazenagem. Obviamente, estes tanques devem ser, a priori, arqueados pelo órgão nacional regulador, no Brasil, o INMETRO.

Arquear um tanque é construir uma tabela de capacidade do tanque, fazendo uma correspondência precisa entre o seu nível e o volume contido no tanque. Também são arqueados caminhões tanque, vazões tanque e tanques de navio.

Há métodos geométricos e volumétricos para arquear um tanque de armazenamento.

Nível

216

Fig. 8.2. Medição de nível

Segurança O nível é medido também por questão de

segurança. Encher um tanque além de sua capacidade nominal pode causar perigos de segurança, como vazamentos de tanques abertos ou aumento perigoso de pressão em tanques fechados. Pressão excessiva pode resultar em ruptura. Se o tanque estiver armazenando produto corrosivo, tóxico, inflamável ou explosivo, vazamentos e rupturas podem resultar em catástrofes.

Fornecimento consistente Muitos processos industriais requerem o

suprimento estável de entradas e saídas. Uma alimentação consistente é difícil de se manter se houver flutuação e oscilação na linha de alimentação. Um vaso de armazenagem entre o suprimento e o processo pode agir como um filtro amortecedor, garantindo uma alimentação estável e consistente. Se o nível do tanque de armazenagem é mantido constante, a alimentação do processo também se mantém constante e estável.

Em industria de papel e celulose, a alimentação consistente está diretamente relacionada com a qualidade do produto, pois uma alimentação consistente garante que cada folha de papel tem a mesma espessura, sempre.

Economia A medição precisa do nível pode aumentar

a eficiência e economia da planta de processo. Por exemplo, pode-se armazenar matéria prima para a produção programada e também para a produção, antes de ser entregue ao cliente.

Na indústria, é comum o armazenamento de óleos combustíveis e outras utilidades.

Fig. 8.3. Tanque de armazenagem e nível

Fig. 8.4. Tanque com medidores de nível

Nível

217

2. Medição Manual

Introdução O nível pode ser medido de modo manual

ou automático. A medição manual de nível geralmente

envolve o uso de uma régua, vareta, trena ou fita acoplada a um peso de imersão.

As vantagens da medição manual são 1. Simplicidade, pois envolve uma régua

ou trena rastreada 2. Facilidade por ser uma medição direta As desvantagens são:

1. O operador deve ir ao local, que às vezes é alto, perigoso e pode ocorrer em horas inoportunas, como madrugadas, momentos de chuva ou ventania.

2. Medições de produtos tóxicos requerem uso de mascara apropriada e cuidados adicionais

3. Para que a medição seja sempre precisa, o operador deve seguir sempre um procedimento, senão haverá uma variabilidade devida ao operador.

4. Para que a medição seja sempre exata, a régua ou trena de medição requer calibração ou troca periódica por uma nova certificada. A norma internacional que trata da medição

manual de nível é a ISO 4512 (15 DEZ 2000): Petróleo e produtos líquidos de petróleo – Equipamentos para a medição de níveis de líquido em tanques de armazenagem – Métodos manuais. Os principais pontos desta norma serão mostrados, a seguir.

Geral É necessário um certificado de calibração

para qualquer um dos equipamentos de medição, tais como réguas graduadas, pesos, réguas para ullage. O certificado deve ser emitido por uma autoridade competente, como INMETRO ou órgão credenciado por ele e deve ser rastreável a padrões nacionais ou internacionais, com um limite de confiança de 95%, que está dentro do máximo erro permissível especificado.

Equipamento que foi sujeito a reparo não pode ser usado como referência, mas pode ser usado para outros objetivos se ele for verificado por uma autoridade competente e foi considerado conforme com as exigências da norma ISO 4512.

Fita de imersão

Geral A fita ou trena de imersão deve ser usada

em conjunto com um peso de imersão (dip-weight), régua de ullage ou régua para detectar água. A fita é enrolada em um tambor contido dentro de uma estrutura equipada com uma manivela.

É recomendada que os pesos, régua de ullage e régua de detectar água sejam destacadas da fita, quando transportada ou armazenada para evitar a flexão constante no ponto de fixação, facilitando a quebra da fita neste ponto.

O conjunto fita, dispositivo de fixação e peso, que forma um sistema contínuo e completo, deve ser construído de modo que o zero do sistema seja a face inferior do peso. Há graduação em todo comprimento da fita

Construção A fita deve ser construída como um

comprimento contínuo de aço.

Materiais O material da fita deve ter as seguintes

especificações: 1. alto conteúdo de carbono (0,8 %) 2. resistência de tensão entre 1 600 a 1

850 N/mm2 3. Coeficiente linear de expansão:

(11 ± 1) x 10-6 oC-1 Para determinados produtos petroquímicos,

deve-se usar outros materiais, tais como aço inoxidável, quando é necessário corrigir o comprimento da régua por causa da variação da temperatura do processo.

Fig. 8.5. Fitas de imersão com pesos

Nível

218

Revestimento A fita deve ser revestida com um material

anticorrosivo para proteção durante a armazenagem. Este material não pode isolar eletricamente a fita.

Fixação A fita deve ser enrolada de modo adequado

em um sistema com polia, em uma extremidade. Na outra extremidade, deve ser fixado o peso, régua de ullage ou régua para detectar água. O dispositivo de fixação deve ter um meio de evitar o desprendimento acidental do peso, régua de ullage ou régua para detectar água.

Dimensões As dimensões da fita devem ser: 1. Largura: (13,0 ± 0,5) mm 2. Espessura (não esticada):

(0,25 ± 0,05) mm 3. Comprimentos recomendados:

5 m, 10 m, 15 m, 25 m, 30 m, 40 m e 50 m

Graduação As fitas devem ser graduadas em uma

única face. Elas devem ser graduadas em m, cm e mm, em toda sua extensão. As marcas da graduação devem se relacionar às condições de referência especificadas de temperatura e tensão mecânica, onde a tensão é igual àquela que a fita experimenta devido à massa do peso de imersão, quando a combinação fita-peso é suspensa verticalmente no ar (±10 %).

As marcas de graduação devem de largura uniforme e não mais que 0,5 mm e devem ser perpendiculares à borda da fita.

As marcas de graduação devem ser permanentes e indeléveis. O processo de marcação não pode isolar eletricamente a fita de imersão.

A marcação pode ser por gravação, serigrafia ou qualquer outro meio permanente e indelével e resistente a solventes.

As marcas da escala devem ter largura uniforme, devem ser normais à extremidade da fita de imersão. O comprimento da escala deve estar relacionado com a unidade de medição correspondente. As marcas da escala devem ser tais que formem uma escala distinta e clara e que sua espessura não cause qualquer incerteza na medição.

As marcas da escala devem ser claramente numeradas, como mostrado na Tab. 1.

Tab. 1: Numeração das fitas de imersão

Graduações intermediárias Numerada em cada cm

Números maiores em cada cm

Graduações principais Números maiores em cada metro ou fita numerada em uma tabela brilhante ressaltada

Numeração repetida em números menores em cada dm após o primeiro metro

Referência zero A referência zero (zero datum) do conjunto

fita de imersão e peso de imersão deve estar na face inferior do peso de imersão.

Precisão (erro máximo permissível) O erro máximo permissível para qualquer

distância da referência zero do peso de imersão até a marca de graduação de 30 m não pode exceder ±1,5 mm para uma combinação nova de fita-peso, na condição de referência especificada de temperatura e tensão, quando comparada contra um instrumento de medição de referência. O erro máximo permissível para a marca de graduação de 30 m nunca pode exceder ±2,0 mm para uma combinação de fita-peso, em serviço. (Ver Tab. 2).

A incerteza com limite de confiança rastreável certificado de 95 % do instrumento de medição de referência usado para verificar o erro máximo permissível da combinação fita-peso de imersão não pode exceder ±0,5 mm para qualquer distância entre 0 e 30 m.

A precisão de calibração de cada combinação de trabalho fita-peso de imersão deve ser verificada antes do primeiro uso e depois, em intervalos regulares (por exemplo, 6 meses). Tipicamente, esta verificação deve incluir:

A distância entre a referência de zero do conjunto fita-peso e uma graduação conveniente da fita (por exemplo, 300 mm) deve ser verificada usando um microscópio móvel com vernier ou um dispositivo de medição de referência similar (com a incerteza com limites de confiança de 95 % não excedendo ±0,20 mm em qualquer ponto até 500 mm), quando o conjunto fita-peso é suspenso verticalmente no ar.

A distância da marca de graduação escolhida da fita para uma série de outras marcas de graduação em intervalos aproximados de 5 m deve ser verificada por comparação direta com uma fita mestre de

Nível

219

referência ou outro padrão (com a incerteza com limites de confiança de 95 % não excedendo ±0,25 mm em qualquer ponto até 30 m), quando o conjunto fita-peso é suspenso verticalmente no ar ou, como alternativa, é suportada horizontalmente em sua tensão e temperatura de referência.

Em um procedimento típico de verificação, a incerteza combinada das duas incertezas dos instrumentos de medição, no limite de confiança de 95 %, é estimada pela raiz quadrada da soma dos quadrados das incertezas individuais, como:

22 25,020,0( +± = ±0,32 mm, que está dentro do limite máximo

especificado de ±0,5 mm. Uma tensão de referência de 10 ou 15 N é

recomendada para conjunto típico de fita-peso, quando isto representa um boa aproximação da tensão de uma fita padrão de 30 m, quando suspensa verticalmente no ar com um peso de imersão padrão de 0,7 kg fixado. Correções de comprimento devem ser feitas quando a fita que é fabricada ou calibrada em outras tensões de referência são sujeitas a diferentes tensões, quando em uso.

Tab. 2. Erro máximo permissível para

conjuntos de fita e peso de imersão

Comprimento fita/peso, m

Conjunto novo fita-peso, mm

0,000 a 30,000 ±1,5 30,001 a 60,000 ±2,25 60,001 a 90,000 ±3,0

Comprimento fita/peso, m

Conjunto usado fita-peso, mm

0,000 a 30,000 ±2,0 30,001 a 60,000 ±3,0 60,001 a 90,000 ±4,0

Marcação Cada fita deve ser marcada em sua

extremidade com o seguinte: 1. Número desta norma ISO 4512 2. Nome do fabricante 3. Condições padrão de calibração: 4. Temperatura, padrão 20 oC 5. Tensão aplicada na calibração, normal

10 ou 15 N 6. Qualquer marca oficial necessária de

conformidade

Sistema de enrolamento A capacidade do sistema de enrolamento

da fita deve ser suficiente para enrolar o comprimento total da fita sem uma tensão, na fita ou na polia.

O sistema de enrolamento deve ser construído com algum material resistente a faísca (e.g., latão).

O comprimento da fita para o qual o sistema de polia é projetado deve ser claramente marcado.

O tambor de enrolamento não deve ser menor que 28 mm em diâmetro e deve ser fornecido com uma manopla de enrolamento.

O tambor de enrolamento deve ter um pino adequado em que a bobina seja presa, na extremidade interna da fita.

Fig. 8.6. Sistema típico de enrolamento A fita deve ser enrolada de modo que

passe livremente através do espaço entre o tambor e a manivela, com as marcas de graduação visíveis na fita enrolada.

A fita e o sistema de enrolamento devem ser eletricamente aterrados, quando em uso.

Peso de imersão

Geral O peso de imersão é projetado e construído

para ser usado em combinação com a fita de imersão.

Material O material do peso de imersão deve ser

resistente a faísca e com densidade adequada (material típico: latão)

Construção O peso de imersão deve ter formato

cilíndrico no meio e cônico na extremidade inferior. A base deve ser chata, com uma superfície normal ao eixo maior.

Nível

220

O formato cilíndrico afinado na ponta fornece a sensitividade em imergir e penetrar em depósitos mais facilmente que um formato totalmente cilíndrico.

Um peso com uma extremidade muito pontiaguda não é recomendado, pois é susceptível a dano mecânico que afeta a precisão da medição e pode se desgastar rapidamente, quando em uso.

A extremidade superior deve ser projetada para permitir a fixação da fita de imersão. Esta fixação não deve afetar a precisão do conjunto fita-peso.

Uma face chata, não menor que 10 cm, deve ser provida para ter uma escala gravada, continuando a escala da fita.

Massa A massa do peso de imersão deve ser, no

mínimo, de 0,6 kg, para manter a fita sempre esticada, quando em uso.

Quando medindo nível de tanque que pode conter uma camada no fundo de sedimento separado, é desejável usar um peso mais pesado (e.g., 1,5 kg), para ele penetrar mais facilmente no sedimento. Porém, a precisão de calibração da fita assume que a fita é calibrada com um peso normal de 0,7 kg. Assim, uma pequena correção do peso pode ser requerida para compensar a tensão maior que a fita experimenta, se é usado um peso maior.

Precisão da graduação O peso de imersão deve ser graduado em

toda a extensão de seu corpo. O erro máximo permissível para qualquer

distância da referência zero do peso de imersão até a escala graduada do peso não pode exceder ±0,5 m. Se a precisão das graduações da escala precisar ser certificada, a escala deve ser calibrada usando-se um microscópio portátil com vernier ou um dispositivo de medição de referência similar, com uma incerteza com limites de confiança de 95 %, que não excede ±0,20 mm, em qualquer ponto de 0 a 500 mm.

Marcação de zero A face inferior do peso deve agir como uma

referência de zero para graduação do conjunto fita-peso de imersão.

Marcação da escala As marcas da escala devem ser gravadas e

não podem exceder a largura de ±0,50 mm. As marcas da escala devem ser normais ao

eixo principal do peso e deve ser uma projeção das distancias correspondentes do eixo do peso.

Marcação Cada peso deve ter a seguinte marcação: 1. O número da norma ISO 4512 2. Qualquer marca oficial de conformidade

necessária

Régua Ullage

Geral A régua de ullage deve ser projetada e

construída para uso combinado com a fita de imersão.

A régua de ullage pode ser graduada em mais de uma face, mas as graduações devem estar no mesmo nível em relação à referência de zero (zero datum) da régua. O normal é ter graduação somente em uma face.

As graduações na régua ullage que são gravadas abaixo da marca zero são suplementares às marcações da fita de imersão.

Não se pode combinar réguas ullage com réguas de detecção de água porque os seus pontos de referência zero são diferentes.

Material As réguas ullage devem ser de material

conveniente, resistente a faísca; o material típico é latão.

Construção As réguas ullage devem ser fabricadas de

uma barra tendo faces planas, sobre a qual é gravada a escala e todos os cantos são suaves.

O topo da régua ullage deve ser projetado para permitir a fixação firme da fita. A fixação não deve atrapalhar a precisão do conjunto completa fita-régua ullage.

Massa A massa da régua ullage deve ser de, no

mínimo, 0,6 kg, para manter a fita continuamente tensa, quando em uso.

Nível

221

Fig. 8.7. Peso de imersão típico Dimensões em mm

Fig. 8.8. Exemplo de uma régua ullage

Fig. 8.11. Barra ullage volumétrica típica

Precisão da graduação A régua ullage deve ser graduada em cm e

mm, a partir da marca zero, aproximadamente no meio da régua para a face inferior da régua.

O erro máximo permissível para qualquer distância a partir da referência zero para qualquer outro ponto na escala graduada não deve exceder 0,5 mm. Quando a precisão das graduações da escala precisa ser certificada, a escala deve ser calibrada usando um microscópio portátil com vernier ou dispositivo de medição de referência similar com uma incerteza com limites de confiança de 95 %, que não exceda ±0,20 mm, em qualquer ponto de 0 a 500 mm.

Nível

222

Marca de zero A marca de referência zero (zero datum) do

conjunto fita e régua ullage deve estar na marca zero gravada na régua ullage.

Marcação da escala As marcas da escala devem ser normais ao


As marcas da escala devem ser gravadas e não podem exceder a largura de ±0,50 mm.

A marcação da escala deve ser normal aos cantos das faces da régua ullage.

Numeração Cada marca principal de graduação deve

ser feita para baixo, a partir do zero.

Marcação Cada régua ullage deve ter a seguinte

marcação: 1. Número da norma ISO 4512 2. Qualquer marca oficial de conformidade

necessária.

Régua detectora de água

Geral A régua detectora de água deve ser

projetada e construída para uso combinado com a fita de imersão.

A régua detectora de água pode ser graduada em mais de uma face, mas as graduações devem estar no mesmo nível em relação à referência de zero (zero datum) da régua.

Nota: O normal é ter graduação somente em uma face.

As graduações na régua detectora de água devem ser gravadas a partir da marca zero da régua.

As graduações não são precisam ser diretamente relacionadas com as graduações da fita de imersão fixada nela, porque a régua detectora de água normalmente é maior do que o peso padrão combinado com a fita.

Não se pode combinar réguas ullage com réguas de detecção de água porque os seus pontos de referência zero são diferentes.

A régua detectora de água é projetada para uso com pasta detectora de água.

Nota: a informação na detecção de interface por meio da pasta detectora de água é dada na norma ISO 4511.

Material A régua detectora de água deve ser de

material conveniente, resistente a faísca; como

o latão. O espaçador e o conjunto externo devem ser feitos de material não condutor, plástico transparente que deve ser resistente aos produtos que entrarão em contato com ele.

Construção Os espaçadores plásticos transparentes

devem dimensionados de modo que não apresentem perigo potencial eletrostático e ainda devem permitir a reação da pasta detectora de água, que deve ser observada através da régua.

A área da superfície de qualquer espaçador plástico deve ser menor que 2,8 x 10-3 m2

O topo da régua detectora d’água deve ser projetado para permitir a fixação firme da fita. A fixação não deve atrapalhar a precisão do conjunto completa fita-régua detectora d’água.

Precisão da graduação A régua detectora d’água deve ser

graduada em cm e mm, através de todo seu comprimento de trabalho, tipicamente de 350 mm.

O erro máximo permissível para qualquer distância a partir da referência zero para qualquer outro ponto na escala graduada não devem exceder 0,5 mm. Quando a precisão das graduações da escala precisa ser certificada, a escala deve ser calibrada usando um microscópio portátil com vernier ou dispositivo de medição de referência similar com uma incerteza com limites de confiança de 95 %, que não exceda ±0,20 mm, em qualquer ponto de 0 a 500 mm.

Marcas da escala As marcas da escala devem ser normais ao


As marcas da escala devem ser gravadas e não podem exceder a largura de ±0,50 mm.

A marcação da escala deve ser normal aos cantos das faces da régua.

Marcação Cada régua detectora d’água deve ter a

seguinte marcação: Número da norma ISO 4512 Qualquer marca oficial de conformidade

necessária.

Nível

223

3. Medição Automática

3.1. Introdução O nível pode ser medido de modo manual

ou automático. A medição automática é contínua e com

nenhuma ou com uma mínima interferência do operador.

As principais vantagens da medição automática de nível são:

1. Feita com a mínima intervenção do operador e por isso sujeita a menor variabilidade.

2. Operador pode se ocupar de funções mais nobres do que a de fazer a medição rotineira de nível.

3. Operador não necessita ir ao topo do tanque fazer medição, se expondo às intempéries e às emanações dos produtos.

4. O sinal de medição automática pode ser facilmente integrado a outros sistemas da empresa, como faturamento, contabilidade, produção, Receita Federal, sistema de medição fiscal.

As desvantagens da medição automática de nível são:

1. O sistema de medição, composto de sensor, condicionador e mostrador, precisa ser calibrado periodicamente.

2. Geralmente a aquisição e manutenção do sistema automático de nível são mais caras.

3. O sistema de medição precisa ser validado para a Receita Federal ou outros órgãos governamentais, como ANP.

4. O sistema de medição automática é mais complexo, requer maior treinamento e envolvimento do operador.

As normas que tratam da medição automática de nível são: 1. OIML R 85 (1998): Medidor automático de

nível para medir o nível de líquido em tanque de armazenagem fixo Parte 1: Exigências metrológicas e técnicas – Testes Parte 2: Formato do relatório de teste

2. ISO 4266 (15 DEZ 1994): Petróleo e produtos líquidos de petróleo – Medição direta de temperatura e nível em tanques de armazenagem – Métodos automáticos

3.2. Exigências metrológicas

Componentes do medidor Um medidor automático de nível é

constituído, no mínimo, de: 1. Um elemento detector do nível do

líquido 2. Um instrumento transmissor 3. Um instrumento mostrador

Materiais Todos os materiais usados no medidor

automático de nível devem ser de boa qualidade e adequados para sua aplicação.

Instrumento de indicação As unidades de medição autorizadas são

as do SI (Sistema Internacional de Unidades). Indicações do innage ou ullage devem ser em unidade de comprimento, acompanhada do nome ou símbolo da unidade. Pode-se usar a indicação de informação não-metrológica, desde que não seja confundida com a informação metrológica.

Intervalo da escala não pode exceder 1 mm.

Para uma indicação analógica, a distância entre marcas sucessivas da escala não podem ser menores que 1 mm.

Um medidor automático de nível pode ter mais de um dispositivo de indicação. Normas nacionais podem requerer uma saída para ligação com um indicador local no tanque.

Pode haver um indicador adicional ao medidor automático de nível.

Uma indicação remota deve ser identificada de modo claro com relação ao medidor automático de nível que ela pertence.

Por motivos metrológicos, deve ser disponível uma indicação do innage ou ullage, dependendo do princípio de medição do medidor automático de nível.

Erros máximos permissíveis O medidor automático de nível é

classificado conforme sua precisão em

Classe 2 Aplicável a todo tanque não refrigerado,

dentro do escopo da norma.

Classe 3 Aplicável apenas a tanque com fluido

(hidrocarboneto) refrigerado. Os erros máximos permissíveis relativos e

absolutos, positivos e negativos, nas condições de operação especificadas, estão mostrados na Tab. 1.

Tab.1. Classes de precisão

Nível

224

Classe de Precisão

2 3 A ±0,02% ±0,03% B ±0,04% ±0,06% C 2 mm 3 mm D 3 mm 4 mm

Os erros máximos permissíveis da Tab. 1

se aplicam a 1. Indicação de um innage ou ullage de

acordo com o princípio de medição do medidor automático de nível.

2. Indicação de uma diferença entre dois níveis medidos em uma direção de operação.

Na Tab. 1, as linhas A e C se aplicam ao medidor automático de nível em si, antes de ser instalado no tanque, para aprovação do padrão e para verificação inicial. O erro máximo permissível é o valor maior de:

1. Valor absoluto calculado da linha A para a indicação correspondente

2. Valor absoluto da linha C Na Tab. 1, as linhas B e D se aplicam ao

medidor automático de nível, depois de ser instalado no tanque de armazenagem, para verificação inicial e subseqüente. O erro máximo permissível é o valor maior de:

1. Valor absoluto calculado da linha B para a indicação correspondente

2. Valor absoluto da linha D O erro de histerese, quando mudando a

direção do movimento do nível não pode exceder a :

2 mm Classe 2 3 mm Classe 3

Normas nacionais podem prescrever que a provisão do primeiro item de 3.4.2.1 seja aplicável à indicação de um dip. A discriminação do medidor automático de nível em si deve ser tal que a variação da indicação de 1 mm, no mínimo, na ocorrência de uma variação no nível de:

2 mm Classe 2 3 mm Classe 3

Se um medidor automático de nível dá mais que uma indicação e impressão, cada indicação deve estar conforme com o erro máximo permissível da Tab. 1. A diferença entre quaisquer duas indicações não pode ser maior que 1 mm, sob condições estáveis de nível.

Campo de operação O campo de operação é determinado pelas

seguintes características: 1. Temperaturas mínima e máxima do

líquido 2. Pressões mínima e máxima do líquido 3. Características do líquido e o meio

acima do líquido 4. Densidades mínima e máxima do

líquido e do meio acima do líquido 5. Capacidades mínima e máxima do

medidor automático de nível

Condições especiais As normas nacionais podem permitir o uso

de um medidor automático de nível sob condições diferentes e fora das condições de operação especificadas, desde que sejam feitas as devidas correções dos valores medidos.

Equipamentos auxiliares Equipamentos auxiliares, tais como alarme,

desarme, não podem afetar os resultados da medição e não podem ter características que facilitem o uso fraudulento.

Marcações O medidor automático de nível deve ser

marcado de modo legível e claro com as seguintes informações:

1. Nome do fabricante 2. Número de série e ano de fabricação 3. Marca de aprovação do modelo 4. Designação da classe de precisão 5. Faixas definindo o campo de operação 6. Qualquer outra informação requerida

no certificado de aprovação do modelo As marcas descritivas devem ser indeléveis e de um tamanho, formato e claridade que permitam a leitura fácil, nas condições de operação do medidor automático de nível. Elas podem ser agrupadas juntas em um local visível do medidor automático de nível em si ou em uma placa de dados fixada nele.

Marcas de verificação O medidor automático de nível deve ter um

local para a marca de verificação que seja visível e permita a aplicação fácil da marca. Deve ser impossível remover a marca sem danificá-la.

Selagem Deve ser possível selar a placa de dados de marcação. A placa de marcação só pode ser removida sendo destruída. Deve-se selar as partes e componentes que

Nível

225

possam afetar a precisão da medição e cujo acesso não seja autorizado pelo operador.

3.3. Exigências técnicas

Mecanismo de suspensão Para facilitar as verificações do mecanismo

do medidor e quando aplicável, o medidor automático de nível deve ter meios de permitir dar um movimento às peças de operação do medidor, quando necessário.

Posição estática Se o elemento detector de nível pode ser

posicionado estaticamente acima ou abaixo do nível do líquido, deve ser claro que a indicação não está apresentando uma medição real.

3.4. Exigências da instalação O medidor automático de nível deve ser

instalado atendendo as exigências dos equipamentos auxiliares, marcação, marcas de verificação e selagem.

A indicação deve ser facilmente acessível e legível.

Exceto no caso de tanques com alta pressão, o medidor automático de nível deve ser equipado e instalado de modo que possa ser facilmente verificado quando instalado no tanque.

Um medidor automático de nível deve indicar o nível (innage) ou continuamente ou quando solicitado.

Se existir certas regiões do nível do líquido no tanque onde não podem ser usadas indicações do medidor automático de nível em combinação com a tabela de calibração, os valores mostrados nestas regiões devem ser claramente identificados ou estas regiões devem ser claramente marcadas na tabela de calibração do tanque.

O elemento detector do nível do líquido deve estar próximo da abertura do medidor principal. O sensor deve ser instalado de modo que a operação correta não possa ser obstruída por obstáculo.

O elemento sensor do nível do líquido deve ser colocado de modo que nenhuma interferência mútua possa ocorrer durante a indicação, amostragem ou outras operações.

O elemento sensor do nível do líquido deve ser instalado de modo que a influência de redemoinho, turbulência, espuma, aquecimento assimétrico, vento e outros efeitos na detecção do nível sejam desprezíveis. Se necessário, deve-se usar alguma proteção.

O medidor automático de nível deve ser instalado no tanque de modo que a variação no comprimento de referência do medidor devido

ao movimento da estrutura, fundo ou tampa do tanque seja minimizada ou compensada.

Nas condições de referência, o comprimento de referência do medidor não deve variar mais que 0,02% devido a variação na altura do líquido, pressão de vapor e influencia do teto ou plataforma.

Em especial, 1. Medidor automático de nível localizado

no topo do tanque deve ser montado em um tubo suporte de construção adequada se a parte superior do tanque é abaixada mais de 0,02% da altura do tanque, quando o tanque estiver completamente cheio do líquido com densidade de 1 000 kg/m3 ou de densidade maior do campo de operação, o que for maior.

2. O tubo suporte deve ser fixado de modo que seu movimento vertical com relação ao ponto de referência do nível seja menor que 0,02% do nível medido.

Se usado, o detector de correção deve ser situado do modo que um valor confiável seja obtido das propriedades que se quer medir. Se necessário, deve se instalar mais de um detector, para se obter o valor médio correto.

A expansão termal da estrutura do tanque ou se aplicável, do tubo suporte, deve ser tal que o desvio total para uma variação de temperatura de 10 oC caia dentro do erro máximo permissível para o medidor automático de nível instalado ou se necessário, seja compensado.

Medidor automático de nível localizado ao nível do olho deve ser fixado a um ponto estável da estrutura do tanque ou à terra por um suporte rígido.

3.5. Exigências para medidor eletrônico

Geral Um medidor automático de nível eletrônico

deve ser projetado e fabricado de modo que, quando exposto a distúrbios, não haja ocorrência de falha significativa ou a falha significativa seja detectada e o operador tome as providências cabíveis. O fabricante decide qual alternativa escolher.

Se uma falha significativa é detectada, uma indicação visual ou sonora deve ocorrer automaticamente e deve continuar até que o usuário tome ação ou a falha seja corrigida.

Facilidade de verificação Deve ser possível determinar a presença e

o funcionamento correto de facilidades de verificação.

Nível

226

Se a falha de um elemento de indicação do mostrada pode causar uma falsa indicação, então o instrumento deve ter uma facilidade de teste da indicação, que mostre todos os sinais relevantes do indicador, quando requerido, em seus estados ativo e não ativo para um tempo suficiente e sejam facilmente observados pelo operador.

No inicio e fim da medição, todos componentes de armazenagem de dados devem ser verificados automaticamente para certificar que os valores de todas as instruções memorizadas de modo permanente sejam corretas, através de:

1. Somando todas as instruções e códigos de dados e comparando a soma com um valor fixo

2. Vendo as linhas e colunas dos bits de paridade (LRC, VRC, ISO 2111)

3. Verificação cíclica de redundância (CRC 16, ISO 2111)

4. Dupla armazenagem de dados, ambas no mesmo código

5. Dupla armazenagem de dados, a segunda em código inverso ou desviado

6. Armazenagem de dados em código seguro, por exemplo, por check sum, bits de linha e paridade.

Porém, não é obrigatório que esta verificação seja feita com freqüência maior que uma por minuto, se a medição é automática.

Todos os dados relevantes da medição devem ser verificados se estão corretos sempre que forem transferidos ou armazenados internamente ou transmitidos para equipamentos periféricos por interface, por meios como: bit paridade, check sum, armazenagem dupla independente ou outra rotina handshake com retransmissão.

Nota: O uso apenas do bit de paridade não é suficiente no caso de armazenar ou ler os dados metrológicos para um medidor automático de nível eletrônico.

3.6. Controle metrológico

Aplicação para aprovação de padrão A aplicação para aprovação do padrão

deve incluir o número requerido de instrumentos (geralmente um a três) e os seguintes documentos e informações:

1. Características metrológicas incluindo uma definição do campo de operação, valores de referência, faixa de trabalho.

2. Desenhos de arranjos gerais e detalhes de interesse metrológico, tais como

alarme, intertravamento, proteções, restrições, limites.

3. Uma curta descrição funcional do instrumento

4. Uma curta descrição técnica, incluindo, se necessário, diagramas esquemáticos do método de operação para processamento interno e troca externa através da interface de dados e instruções

5. Modos de instalação 6. Todas outras informações metrológicas

interessantes.

Avaliação do padrão Os documentos submetidos devem ser

examinados para verificar a conformidade com as exigências desta norma.

Deve-se fazer testes para estabelecer a confiança que as funções são realizadas corretamente de acordo com os documentos submetidos.

Os instrumentos devem ser submetidos para procedimentos de testes desta norma (Anexos A e B).

Se o teste completo do instrumento não é possível, pode-se fazer testes, de comum acordo com as autoridades legais,

1. Em uma configuração simulada 2. Em módulos ou com os principais

componentes separadamente. A avaliação do padrão deve ser feita

geralmente no laboratório da autoridade. A autoridade pode requerer até três instrumentos instalados no local, para testes nas condições de operação e um teste de resistência de três meses em um instrumento instalado. Para estes testes no local deve se dar atenção às características dos líquidos medidos.

Verificação inicial Deve-se fazer uma verificação inicial, em

dois estágios, como segue: Para o exame e teste do medidor

automático de nível antes da instalação no tanque (exame preliminar),

1. O medidor automático de nível deve ser verificado para conformidade com o padrão aprovado.

2. Devem ser feitos testes na precisão, discriminação e histerese para verificar conformidade com as exigências da norma. Os testes devem ser feitos dentro das condições da operação de campo.

Para o exame da instalação e ajuste do medidor automático de nível no tanque:

Nível

227

1. verificar identificação da indicação remota, diferença máxima de 1 mm se houver mais de uma indicação e a instalação correta.

2. verificar se as condições do tanque satisfazem as características do campo de operação especificado.

As condições de operação reais devem ser verificadas. Se a legislação nacional permite o uso de um medidor automático de nível sob condições fora as condições de operação especificadas, toda informação necessária para fazer as correções necessárias deve ser dada para o usuário.

O método de teste deve estar de acordo com o Apêndice D desta norma. O instrumento deve permanecer dentro dos erros máximos permissíveis especificados para medidor automático de nível instalado no tanque.

O instrumento deve ser estampado e selado de acordo com a legislação nacional.

Verificações subseqüentes É recomendado se fazer verificações

periódicas com um intervalo de validade de um ano.

O medidor automático de nível deve ser inspecionado e examinado para estabelecer que esteja em ordem correta de operação.

3.7. Procedimentos de teste

Testes de desempenho Estes testes são feitos nos instrumentos

antes de serem instalados no tanque. O equipamento sob teste deve estar limpo

e livre de umidade. Ele deve ser montado e colocado em operação de acordo com as especificações do fabricante antes de começar o teste. O equipamento sob teste deve estar em operação normal, durante todo o teste. O equipamento sob teste deve ser totalmente verificado após o término de cada teste e deve-se deixar um tempo suficiente para recuperação.

Os testes devem ser feitos nas condições normais de teste. Quando o efeito de um fator está sendo avaliado, todos os outros fatores devem ser mantidos relativamente constantes, em um valor próximo às condições de referência. As condições de referência para este objetivo são:

1. 20 ± 5 oC 2. pressão atmosférica ambiente (101,325

kPa) 3. umidade relativa de 60 ± 15 % 4. tensão nominal.

O ambiente eletromagnético do laboratório não deve influenciar os resultados do teste.

A temperatura é considerada constante quando a diferença entre as temperaturas extremas notadas durante o teste não deve exceder 5 oC e a taxa de variação não deve exceder 5 oC por hora.

Quando sujeito ao efeito de fatores de influencia, como fornecido em A.2, o instrumento deve continuar a operar corretamente e as indicações devem estar dentro dos erros máximos permitidos.

Precisão Constituir níveis aumentando de 0 até um

valor próximo da faixa de medição e depois aplicar diminuindo. Quando determinando o erro intrínseco inicial, no mínimo, dez (10) níveis devem ser selecionados e para outras determinações, no mínimo, três (3) níveis devem ser selecionados. Das indicações do medidor automático de nível o erro da medição de nível do medidor e de todas as diferenças de nível devem ser calculadas pela comparação com um padrão certificado.

Discriminação Constituir três níveis diferentes, igualmente

distribuídos na faixa de medição, subindo e descendo. De uma posição estável, o nível deve ser variado na mesma direção com o valor de sub-cláusula 3.4.3, de acordo com a classe de precisão. A alteração da indicação deve ser notada.

Histerese Este teste deve ser feito em três níveis

diferentes, igualmente distribuídos entre o primeiro de verificação e o limite da faixa de medição, altura superior e inferior de acordo com o movimento do medidor automático de nível.

Começando de um valor próximo a zero, aumentar o nível sobre uma distância de, no mínimo, 1/5 da faixa de medição, permitindo a estabilização e lendo a indicação. Depois, aumentar o nível sobre 1/10 da faixa de medição e depois disto, abaixar o nível até o primeiro nível estabilizado ser atingido. De novo, permitir a estabilização e ler a indicação. Fazer esta seqüência duas vezes mais, agora começando do nível estabilizado anterior.

Repetir estas medições, começando de um valor próximo da faixa de medição e fazer o mesmo, invertendo a direção dos movimentos. Avaliar o erro.

Instrumentos com mais de uma indicação Se o instrumento tem mais de uma

indicação, as indicações dos vários

Nível

228

equipamentos devem ser comparadas durante os testes de desempenho e devem estar de conformidade com 3.4.4.

Testes do fator de influência Estes testes têm o objetivo de garantir que

o instrumento irá funcionar como pretendido, dentro das condições de operação especificadas. Estes testes são obrigatórios para qualquer medidor automático de nível, eletrônico ou não.

Temperaturas estáticas O teste consiste de expor o equipamento

sob teste a temperaturas constantes por um período de 2 horas depois que o equipamento sob teste tenha atingido a estabilidade de temperatura.

Para a temperatura alta, 55 oC deve ser tomado como uma regra geral, exceto para instrumento usado em ambiente fechado, quando deve-se considerar 40 oC. Para aplicações onde a temperatura excede muito de 55 oC por causa da radiação solar, o teste deve ser feito a 85 oC.

Para a temperatura baixa, -25 oC deve ser tomado, exceto para instrumento usado em ambiente fechado, quando deve-se considerar +5 oC. Para aplicações em áreas com baixa temperatura, o teste deve ser feito a -40 oC.

Os seguintes testes devem ser feitos após o período de 2 horas:

1. Teste de precisão em 3 níveis: alto, médio e baixo.

2. Teste de discriminação em um nível qualquer dentro da faixa de medição

3. Teste de histerese em um nível qualquer dentro da faixa de medição

Os testes devem ser feitos na seguinte seqüência: 1. Na temperatura de referência 2. Na temperatura alta especificada 3. Na temperatura baixa especificada 4. Na temperatura de referência A mudança da temperatura não deve

exceder 1 oC/min, durante o aquecimento e o resfriamento.

A umidade absoluta da atmosfera do teste não deve exceder 0,020 kg/m3, a não ser que o manual de operação dê especificação diferente.

Calor amortecido, estado de regime (não aplicável a equipamentos usados internamente)

Este teste pode ser omitido se o calor de amortecimento, teste cíclico é estendido para 6 ciclos.

O teste consiste de expor o equipamento sob teste a uma temperatura constante de 40 oC e uma umidade relativa de 93 % por um período de 4 dias. O manuseio do equipamento sob teste deve ser tal que nenhuma condensação de água ocorra nele.

Durante o quarto dia, os seguintes testes devem ser feitos:




Calor amortecido, cíclico (não aplicável a equipamentos usados internamente)

O teste consiste de expor o equipamento sob teste a 2 ciclos de variação de temperatura entre 25 e 55 oC, mantida a umidade relativa acima de 95 % durante a variação de temperatura e fases de baixa temperatura e a 93 ± 3 % nas fases superiores de temperatura. Deve ocorrer condensação no equipamento sob teste durante o aumento da temperatura.

Durante a última fase de baixa temperatura, os seguintes testes devem ser feitos:




Variação da tensão de alimentação alternada

O teste consiste de expor o equipamento sob teste a uma tensão de alimentação que varia entre 110 % de V e 85 % de V, onde V é o valor marcado no instrumento. Se a faixa de tensões (Vmin, Vmax) é marcada, então o teste deve ser feito em Vmax + 10 % e Vmin – 15%.

A variação de freqüência fica entre ±2 % da freqüência nominal do circuito de alimentação.

Onde um instrumento é alimentado por uma linha trifásica, as variações de tensão devem ser aplicadas para cada fase, sucessivamente.

Variação da tensão de alimentação contínua O teste consiste de expor o equipamento

sob teste aos limites das condições de alimentação especificadas.

Depois da estabilização nas condições de tensão especificadas, devem ser feitos os testes de precisão, discriminação e histerese.

Todas as funções devem operar como especificado.

Nível

229

3.8. Testes adicionais

Geral Os testes devem ser feitos nas condições

ambientais seguintes. 1. 20 ± 5 oC 2. Pressão atmosférica ambiente

(101,325 kPa) 3. Umidade relativa de 60 ± 15 % 4. Tensão nominal. Energizar o equipamento sob teste por um

período suficientemente longo para atingir a estabilidade.

Os testes devem ser feitos enquanto o instrumento é colocado para medir um nível fixo.

Reduções rápidas de alimentação Deve-se usar um gerador de teste capaz de

reduzir a amplitude de um ou mais meio-ciclos da tensão alternada. O gerador de teste deve ser ajustado antes de ser ligado ao equipamento sob teste. As reduções da tensão principal devem ser repetidas 10 vezes com um intervalo mínimo de 10 segundos.

Severidade do teste: Redução

100 % 50 %

Número de meio-ciclos 1 2

Picos de tensão (burst) O teste consiste de expor o equipamento

sob teste a picos específicos de tensão. A configuração do teste, instrumentação e

procedimento devem estar de conformidade com a norma IEC 61 000-4-4.

O teste deve ser aplicado separadamente a: 1. Linhas de alimentação, usando o circuito

de acoplamento em modo comum e uma interferência em modo diferencial.

2. Circuitos de entrada e saída e linhas de comunicação, usando o acoplamento capacitivo.

Severidade do teste: nível 2 Tensão de teste da saída com circuito

aberto para 1. Linhas de alimentação: 1 kV 2. Sinal E/S, dados e linhas de controle: 0,5

kV No mínimo, 10 picos positivos e 10 picos

negativos, aleatoriamente defasados, devem ser aplicados em cada modo, como especificado.

Descarga eletrostática O teste consiste de expor o equipamento

sob teste a descargas eletrostáticas especificadas, diretas e indiretas. A configuração do teste, instrumentação e procedimento devem estar de conformidade com a norma IEC 61 000-4-2.

Para descargas diretas, deve-se usar a descarga de ar, onde o método da descarga de contato não pode ser aplicado.

No mínimo, devem ser aplicadas 10 descargas diretas e 10 indiretas. O intervalo entre descargas sucessivas deve ser de, no mínimo, 10 segundos.

Severidade do teste: nível 4 Tensão corrente continua menor ou igual a

8 kV para descargas de contato e 15 kV para descargas no ar.

Descarga indireta: menor ou igual a 8 kV. É necessário consultar as normas IEC

correspondentes, antes do teste.

Campos de RF e eletromagnéticos O teste consiste de expor o equipamento

sob teste a campos eletromagnéticos específicos na banda de freqüência de 26 MHz até e incluindo 1 000 MHz.

A configuração do teste, instrumentação e procedimento deve estar de conformidade com a norma IEC 61 000-4-3 e IEC 61 000-4-6).

3.9. Instalação e operação

Precauções gerais Independente do equipamento usado para

a medição do nível e temperatura do líquido, é recomendado que as seguintes precauções gerais sejam observadas, quando aplicável:

1. As medições de temperatura devem ser feitas ao mesmo tempo em que as medições de nível.

2. Estas leituras devem ser registradas ao mesmo tempo em que são feitas.

3. Quando são feitas determinações do volume do tanque antes e depois da movimentação de uma grande quantidade de líquido, o mesmo procedimento geral deve ser seguido em cada caso.

4. Todos os materiais em contato com o produto ou seus vapores devem ser quimicamente compatíveis com o produto, de modo que o produto não seja contaminado nem o equipamento afetado.

Nível

230

5. Equipamento instalado em navios deve ser testado no ambiente, conforme normas aplicáveis.

É recomendado que, para aplicações criticas de esferas de GLP, dois medidores de nível sejam instalados, o principal para a indicação e o secundário para alarme, embora ambos sejam disponíveis para indicação, se requerido. Eles devem ser instalados permanentemente e se houver indicações remotas na sala de controle, ambos devem ser transmitidos para a sala.

Precauções de segurança As precauções de segurança, dadas

abaixo, constituem boa pratica, mas a lista não é necessariamente completa. É recomendado que a lista seja lida em conjunto com outras normas de segurança. Estas precauções devem ser tomadas sempre que elas não conflitem com normas nacionais, que têm prioridade.

Todo equipamento de medição automática de nível e temperatura deve ser capaz de suportar a pressão, temperatura e condições ambientais específicas do projeto do tanque.

Todos os componentes elétricos usados em conjunto com o equipamento de medição automática situados em área classificada devem estar de conformidade com a classificação da área e devem estar de conformidade com as normas aplicáveis (p. ex., IEC 70-0).

Todas as partes metálicas do equipamento de medição montado no campo devem ser firmemente conectados a um terra elétrico, de modo que a resistência elétrica não seja maior do que o valor especificado pela norma nacional.

Quando se emprega equipamento com segurança intrínseca, o terra para tal equipamento é normalmente mantido separado de outros terras.

Todas as normas cobrindo entradas em áreas classificadas devem ser rigorosamente observadas.

Antes de um tanque contendo hidrocarboneto líquido ou material tóxico, um certificado livre de gás e uma permissão de trabalho devem ser obtidos.

As instalações e os equipamentos devem ser mantidos corretamente e devem ser feitas inspeções periódicas por pessoal competente.

Se forem usados materiais radiativos, devem ser observadas todas as normas concernentes.

Tanques de tetos flutuantes devem ser medidos da plataforma, mas em condições excepcionais, pode ser necessário descer o teto. Vapores tóxicos e inflamáveis podem se

acumular acima do teto e se for necessário um operador descer para o teto, ele ser mantido sob observação, durante todo o tempo, por outro operador da plataforma do topo. É essencial que o operador que faz a medição e o observador estejam ambos equipados com toda segurança, inclusive com máscaras, quando:

1. O produto no tanque contiver H2S ou mercaptano volátil.

2. O teto estiver em repouso sobre seu suporte ou não estiver totalmente flutuante.

3. Se o teto estiver descentralizado ou se o selo falhar freqüentemente.

4. Quando houver vapores presentes em concentrações perigosas.

Eixos rotativos podem entrar na instalação do medidor que estiver ligado efetivamente no espaço de vapor. Se um transmissor eletricamente energizado for ligado ao medidor, deve haver um espaço ventilado entre o medidor e o transmissor.

Todos os condutores entrando em Zona 0 (dentro do tanque) devem ser protegidos contra flash-over, que pode ocorrer durante raios em tempestades.

3.10. Seleção do medidor

Geral Os instrumentos de medição são

requeridos para prover uma leitura local e equipados com transmissor para fornecer indicação remota. Os medidores automáticos de nível podem ser montados no topo ou perto do fundo do tanque. Eles podem também detectar interfaces de líquidos não miscíveis (óleo e água, por exemplo).

Para conseguir confiabilidade de operação, é essencial seguir todas as normas e recomendações de engenharia.

Mecânico ou elétrico Os medidores automáticos de nível, na

maioria dos casos, usam um dos seguintes princípios de operação:

1. Mecânica 2. Elétrica

Medidor mecânico No medidor mecânico, o elemento

sensor é normalmente uma bóia ou a potência para atuação do mecanismo é derivada diretamente da mudança no nível do líquido.

Nível

231

Medidor elétrico No medidor elétrico, o elemento sensor

de nível segue a variação do nível por meio de um servomecanismo.

Parâmetros de seleção Os seguintes fatores devem ser

considerados na seleção do sistema de medição de nível:

Grau de precisão requerido O grau de precisão necessário depende da

aplicação: medição interna, medição para transferência de custódia, medição de apropriação, medição para controle ou alarme.

Deve-se conhecer o mínimo incremento do nível do líquido indicado pelo medidor

A precisão de um medidor automático de nível deve estar de acordo com as exigências das normas nacionais.

A precisão da medição de nível está contida no Regulamento Técnico da ANP e na norma OIML R 85.

O fabricante deve estabelecer os erros típicos para o medidor em questão e, em adição, deve dar a variação na leitura do nível para o medidor que ocorrerá com as variações na densidade do produto e temperatura ambiente.

A precisão do medidor não pode ser afetada significativamente pela quantidade de fita ou fio enrolado e deve haver um mecanismo de contrabalanço nos sistemas de medição mecânica.

Se houver uma fita ou fio no sistema automático de medição de nível, é recomendado que o material da fita e fio tenha um coeficiente termal aproximadamente igual ao do material da estrutura do tanque.

Se o indicador automático de nível é provido com uma indicação remota, deve-se garantir a integridade dos dados apresentados. Se a indicação remota é usada por vários medidores automáticos de nível, o tempo de atualização da varredura de cada indicação deve ser considerado.

Se for usada uma indicação analógica, o comprimento do espaço entre duas divisões correspondendo a um incremento de 1 mm no nível do líquido não deve ser menor que 1 mm. Se o mostrador for digital, o digito final deve ser igual ao mínimo incremento.

Tolerância da precisão em termos de altura de líquido.

Devem ser consideradas as especificações do fabricante, relatórios de teste de competência, aplicações do medidor, exigências de normas e de órgãos governamentais.

Características do produto Faixa de características do produto

freqüentemente encontradas em serviço normal e os efeitos permissíveis de tais variações das características na precisão do medidor. Qualquer alteração futura no uso do tanque deve ser considerada.

Deve-se verificar a corrosividade, volatilidade, densidade, viscosidade e condutividade do produto cujo nível se quer medir.

Número de tanques A escolha do medidor depende da

quantidade de tanques envolvidos. Atualmente todas as medições devem ser integradas em uma base de dados relacional.

Quando se têm vários tanques, deve-se definir se as leituras serão compartilhadas em um único mostrador ou não. Deve-se definir se haverá leitura local e na sala de controle ou apenas uma delas.

Tipo do tanque Quanto ao tipo de tanque, deve-se verificar

se o tanque é refrigerado, aquecido ou usado na temperatura ambiente. Deve-se também conhecer a pressão do interior do tanque, se é atmosférica, vácuo ou pressão positiva (quanto?). Devem ser conhecidas: faixa de pressão e temperatura de operação, temperatura ambiente, turbulência na superfície e tipo de produtos a serem medidos.

Deve-se verificar o efeito no mecanismo do medidor e em sua montagem com relação à expansão termal da estrutura do tanque.

Uso de bóia Variações na densidade do líquido no

tanque irão afetar a imersão da bóia e como conseqüência, afetam a medição.

Normas brasileiras permitem o uso de bóia, em medição fiscal ou de apropriação, apenas para tanques pequenos (menor que 100 000 L).

Localização do medidor O equipamento de medição automática

deve ser localizado separadamente de qualquer facilidade de amostragem. A localização do medidor deve considerar as facilidades de amostragem.

O elemento detector do nível do líquido deve ser localizado de modo que nenhuma parte do elemento esteja menos que 500 m da estrutura do tanque. Em tanques de teto flutuante, o canto externo do elemento detector de nível deve estar o mais próximo possível de 500 mm do tanque.

Nível

232

O elemento detector de nível deve estar localizado próximo da boca de medição e deve ser acessível da plataforma de medição.

A mínima distância entre o elemento sensor de nível e a linha de centro da boca de medição e da boca de amostragem depende do tipo de equipamento e da instalação. Porém, deve-se ter cuidado em fixar estas distancias de modo que não haja interferência entre estes elementos e a medição manual ou a amostragem.

O elemento detector de nível do líquido do tanque deve estar afastado das conexões de entrada e saída para minimizar os efeitos de redemoinhos, correntes e turbulências provenientes destas fontes. Se isto não for suficientemente efetivo, o elemento detector deve ser protegido por meio de um tubo acalmador. Onde são instalados agitadores de tanque, o fabricante do medidor deve ser consultado.

A indicação local e os equipamentos auxiliares devem ser facilmente acessíveis para leitura e manutenção.

Ponto de montagem Deve se dar atenção especial ao ponto de

montagem do medidor no tanque, de modo que a distância entre este ponto e a referência não mude como resultado da distorção da estrutura do tanque causada pelo coluna hidrostática do produto. Assim, o medidor deve ser preferivelmente montado em um tubo suporte de construção adequada ou na parte inferior da estrutura do tanque.

Enquanto um tubo suporte de montagem seja preferido, especialmente para tanques grandes, a escolha final dependerá do tipo do medidor e se o tanque é de teto fixo ou de teto flutuante.

Se o medidor não está sendo instalado inicialmente, em novo tanque, é recomendado que os encaixes para se adequar um tipo preferido de medidor sejam incluídos no tanque no estagio de construção.

A placa de referência usada para a referência da medição manual deve estar abaixo da boca de medição o mais próximo possível do elemento detector de nível automático.

Uma placa de 500 x 500 x 8 mm de material resistente à corrosão com suportes horizontais e diagonais colocados não mais que 700 mm acima do fundo é a mais adequada.

Depois que o tanque é testado hidrostaticamente, deve-se verificar se o tubo suporte está torto e que os fios guia estejam em suas posições corretas antes de ajustar o medidor.

Qualquer instalação especial especificada pelo fabricante ou por normas deve ser seguida.

São incluídas figuras para ilustrar os princípios recomendados para instalar os medidores de nível e certos termômetros.

Medidores montados em tubos suportes O tubo suporte usado para montar a tampa

do medidor deve ter um mínimo de 200 mm diâmetro nominal. Ele deve ser fixado na parte inferior do tanque ou na parte superior, de modo que as recomendações desta norma sejam atendidas.

O tubo suporte deve ter uma ou mais fileiras de furos ou aberturas que devem se estender acima do nível máximo.

Se o tubo suporte é montado no fundo do tanque, sua massa deve ser distribuída no fundo do tanque de modo que não imponha uma carga acima do equivalente a 3 m de produto.

A montagem de uma placa para aumentar a resistência sob o tubo suporte é recomendada.

Medidores montados na estrutura do tanque A braçadeira suporte para a cabeça do

medidor e o tubo deve ser ligada à estrutura do tanque em uma altura típica de 2 m, em que a deflexão angular da estrutura do tanque da vertical devida ao enchimento seja um mínimo. As braçadeiras do tubo suporte devem ter guias deslizantes para garantir que o tubo do medidor seja, tanto quanto possível, independente dos movimentos da estrutura do tanque.

Os conduites da fita devem ser do tamanho especificado pelo fabricante e devem estar alinhados em todos os pontos para evitar a fita tocar ou roçar o interior do conduite. Se o conduite da fita horizontal requer guia lateral, um ponto para ancorar o guia é o topo da estrutura do tanque e outro ponto é o tubo acalmador usado para a medição manual.

Os conduites da fita devem ser tratados internamente para evitar a formação de ferrugem. Se necessário, deve se ter um reservatório de condensado para drenar qualquer condensado formado.

Tanque com teto fixo Ver Fig. 3.1. A montagem do medidor e qualquer

conduite de fita em tanques de teto fixo deve ser tal que qualquer deflexão do teto do tanque com uma mudança na pressão de vapor ou deformação da parede devida às forças hidrostáticas não provoquem erros na medição.

Nível

233

Meios de isolação entre a tampa do medidor e a atmosfera do tanque devem ser considerados para permitir a tampa do medidor ser aberta sem perda da pressão do tanque.

Todos os componentes da tampa do medidor, elemento sensor e conduites associados devem ser capazes de suportar a pressão projetada do tanque, sem vazamento.

Tanque de teto flutuante Ver Fig. 8.3. Para novas instalações de tanque de teto

flutuante, um tubo suporte deve ser instalado além da polia guia. Para tanques existentes, pode ser necessário usar a polia guia como tubo suporte.

A construção do tubo suporte não deve restringir o movimento vertical do teto.

As funções do tubo suporte, poço acalmador e polia guia podem ser combinadas em uma única construção.

Se um poço flutuador é requerido no teto flutuante para o elemento sensor de nível, ele deve ser construído de acordo com as exigências da instalação do fabricante do medidor. O poço deve permitir a medição dos níveis operacionais do líquido e deve ser construído de modo que as perdas de vapor sejam minimizadas.

Tanques com tampas flutuantes Ver Fig. 3.4 Uma abertura na tampa deve ser fornecida

para agir como um poço para o elemento detector de nível em tanques com tampas flutuantes. A abertura deve ser construída de acordo com as exigências da instalação fornecidas pelo fabricante do medidor e deve ter uma tampa adequada. É essencial que a tampa não produza nenhum atrito no sistema de medição e nem toque nele.

Tanque de alta pressão Ver Fig. 8.5 e Fig. 8.6. A instalação de medidores em tanques de

alta pressão deve ser feita considerando as condições de operação. O elemento detector de nível pode precisar da proteção de um tubo acalmador ou deve se incluir outras características especiais recomendadas pelo fabricante.

Deve-se fazer inspeções e calibrações periódicas no medidor e possibilitar a manutenção sem interromper a operação do tanque. Isto envolve a instalação de uma válvula de isolação na entrada para o tanque com uma câmara acima dela, de modo que a leitura na tampa do medidor possa ser feita em um nível conhecido.

Nível

234

Fig. 8.12 Instalação de medidor automático

de nível em um tanque de teto fixo

Fig. 8.13 Instalação de medidor automático de nível em um tanque de teto fixo

Fig. 8.14 Instalação de medidor automático de nível em tanque com teto fixo

Fig. 8.15 Instalação de medidor automático de nível em esfera

235

4. Medidores da ANP

4.1. Medidores aprovados Os métodos de medição de nível são

numerosos. Há dezenas de diferentes princípios de operação, alguns muito antigos e outros recentes e ainda não comprovados.

Os medidores industriais aceitos pela ANP são:

1. Bóia 2. Deslocador (displacer) 3. Radar 4. Ultra-sônico

4.2. Medidor com Bóia A medição de nível por bóia é direta e

extremamente simples e usada em tanque aberto para a atmosfera. A bóia ou flutuador está em contato direto com o líquido do processo e é presa por um cabo a um contrapeso, passando por uma polia.

Há sistema onde o próprio contrapeso estabelece o valor do nível Tem-se uma escala invertida de 100 a 0%. Quando o tanque está vazio, o flutuador está baixo, o contrapeso está na altura máxima. Quando o tanque está cheio, o flutuador está no topo do tanque e o contrapeso no ponto mais baixo.

Fig. 8.16. Bóia ligada à régua Outros sistemas acoplam engrenagens

mecânicas na polia, de modo que a rotação da polia estabelece o nível do líquido.

Há ainda a possibilidade de se acoplar um potenciômetro elétrico à polia, de modo que a rotação da polia estabelece a posição do terminal do potenciômetro, possibilitando a geração de um sinal elétrico dependente do nível.

O sistema de medição de nível com bóia pode ser aplicado a tanque pressurizado, quando se coloca um selo entre o processo e o indicador. Na maioria dos casos, o movimento da bóia é transferido para o mecanismo de indicação por acoplamento magnético ou por foles pneumáticos e links mecânicos.

Fig. 8.17. Indicador e chave com bóia Finalmente existe a chave de nível, tipo

bóia. Ou seja, tem-se o acionamento de elemento final de controle, diretamente pela posição de uma bóia de nível. Esse sistema é utilizado extensivamente a toda alimentação de água, em instalações caseiras. Quando o nível da caixa d'água atinge o seu máximo, ele eleva a posição de uma bóia, que está acoplada mecanicamente a um dispositivo para abrir-fechar a tubulação de alimentação da caixa.

A bóia é importante porque pode ser associada com outros sensores de nível, como ultra-sônico e capacitivo.

Embora simples, os sistemas com bóia são de precisão media (±1% do fundo de escala) e são usados principalmente para proteção.

4.3. Medição com Deslocador É também um método muito popular e

conhecido. Seu princípio de funcionamento é a lei de Arquimedes, o da eureka: quando um corpo é submerso em um líquido, ele perde peso igual ao peso do líquido deslocado. O sistema de medição de nível por deslocador se resume na detecção e medição de um peso que varia com o nível.

Há quem chame esse sistema de medição de nível de medidor com flutuador. O nome é incorreto, pois, na realidade o elemento sensor não flutua, mas fica submersa no líquido cujo nível está sendo medido. Quem flutua é a bóia, também usada como sensor de nível, porém, com outro princípio de operação.

Escala Chave

Nível

236

Fig. 8.18. Medição de nível com deslocador: topo, lateral e gaiola

Deslocador fixo O deslocador é suspenso de um

transmissor de nível, que detecta a força (peso) variável. Quando o nível é mínimo, o deslocador está imediatamente acima do nível e totalmente fora do líquido. Seu peso é máximo e o sinal transmitido deve corresponder ao zero da escala de medição. Quando o nível sobe, o peso aparente do deslocador diminui, mantendo assim uma relação linear e proporcional entre o peso e o nível do líquido. Quando o nível atinge o valor máximo calibrado, o deslocador deve estar totalmente submerso. Nessa posição ele apresenta o mínimo peso aparente e o transmissor deve gerar sinal correspondente a 100% do nível.

Os problemas práticos que aparecem e devem ser superados são:

1. a selagem do sistema detector do transmissor com o tanque de processo, que não deve ter atrito, deve suportar as pressões e temperatura do processo e não sofrer corrosão do líquido.

2. o tipo de tomada de nível, geralmente feito através de flanges com face ressaltada. Há tomadas através de três tipos básicos: lateral, topo e de gaiola. A gaiola é uma extensão do tanque principal. Ela é usada para facilitar a retirada e manutenção do sistema e quando há muita onda no interior do tanque. Ela é limitada quando a pressão é elevada ou pode haver vazamentos.

o cálculo correto do peso e do tamanho do deslocador. As vezes, é conveniente adicionar ao sistema uma proteção ao transmissor, de modo que o peso do deslocador não lhe fique aplicado durante muito tempo.

O comprimento do deslocador nunca pode ser menor que o nível a ser medido.

A densidade do material do deslocador deve ser sempre maior que a densidade do líquido do tanque.

O desempenho do sistema com deslocador possui as seguintes características:

1. pode ser aplicado para medição de nível de líquido, interface do líquido-vapor, densidade de líquido, interface entre dois líquidos.

2. o sistema é simples, confiável e relativamente preciso.

3. como há uma grande variedade de materiais para a construção do deslocador e das braçadeiras de ligação com o transmissor, o sistema pode ser usado para medir líquidos corrosivos.

Como limitações tem-se: 1. Uso restrito para tanque não

pressurizado 2. Aplicação apenas para líquidos limpos,

pois não se pode ter deposição ou incrustarão de material no deslocador (alterando seu peso).

3. Dificuldades e restrições nos selos 4. Custo elevado, principalmente quando

o deslocador é de material especial. A precisão do sistema de medição de nível

com deslocador fixo é tipicamente de ±0,5% do fundo de escala.

Deslocador móvel É possível se medir nível com um

deslocador móvel, em vez de fixo. Neste sistema o deslocador tem o formato de bóia e se move como se fosse uma bóia, acompanhando a superfície livre do líquido. Porém, o que faz ele se mover é um sistema de servomecanismo acoplado a ele. Quando o fio que aciona o deslocador se parte, ele vai para o fundo do vaso, pois ele é muito mais pesado que o líquido. Este sistema de medição de nível foi desenvolvida pela ENRAF.

O medidor de nível utiliza como elemento sensor um pequeno deslocador com densidade maior que a do líquido cujo nível é medido. O deslocador é suspenso por um cabo flexível que se enrola em um tambor de medição com ranhuras. Na condição de equilíbrio, o deslocador fica parcialmente imerso no líquido permitindo a sua aplicação em líquidos com turbulência na superfície e com variações de densidade do produto.

Um circuito integrador com ajuste de tempo permite a medição estável do nível, mesmo com turbulência na superfície do fluído, já que a ação do integrador proporciona um nível de leitura médio e preciso. Esta

Nível

237

característica permite que os medidores de nível possam operar com precisão em tanques com agitadores e com altas vazões de bombeamento.

Utiliza-se o princípio de servomecanismo para eliminar os efeitos de atrito mecânico que prejudicam a sensibilidade e a precisão do sistema. O eixo do tambor de medição está acoplado a uma balança capacitiva de equilíbrio, que mede continuamente o peso aparente do deslocador, que é o seu peso real modificado pela força de empuxo exercida pelo produto sobre o deslocador parcialmente imerso.

Fig. 8.19. Sistema de medição de nível com deslocador móvel

As variações de nível provocam alterações

no peso aparente do deslocador, que são detectadas pela balança capacitiva de equilíbrio através do deslocamento das placas centrais. Variando sua capacitância em relação às placas laterais ativas, através de um circuito eletrônico com servomotor reversível. Este servo motor está acoplado ao eixo sem fim que aciona a coroa dentada e conseqüentemente, o tambor de medição, de modo a fazer subir ou descer o deslocador, até que seja obtida novamente a imersão correta.

A tensão mecânica do fio que sustenta o deslocador é igual à diferença entre o peso do deslocador e o empuxo correspondente ao volume do líquido deslocado pela parte submersa. Na balança de equilíbrio, as placas centrais são tensionadas por duas molas para contrabalançar a tensão do fio e manter o deslocador em equilíbrio. O peso do deslocador, mesmo quando totalmente imerso mantém o cabo de medição sempre tensionado.

O eixo do servomotor aciona o indicador mecânico de nível integral e o codificador óptico utilizado para transmissão remota de nível e temperatura.

Para a indicação remota do nível e temperatura os medidores são equipados opcionalmente com um transmissor integral. São disponíveis dois sistemas de transmissão: um para a transmissão individual ao indicador digital de nível e de temperatura instalado no pé do tanque via RS 422 e outro de freqüência por PWM (modulação de largura de pulso) onde todos os medidores são ligados ao receptor central seletivo.

4.4. Medição com Radar

Introdução O sistema de medição de nível com radar

usa ondas eletromagnéticas, tipicamente microondas na faixa de 10 GHz (banda X). Geralmente a medição é contínua e se aplica à medição de nível de líquido.

As emissões são de baixa potência, tipicamente menores que 0,015 mW/cm2 pois as aplicações industriais requerem geralmente faixas menores que 30 m, que é uma distância pequena para a técnica de radar. Nesta faixa de energia, não há problema de saúde, segurança, licença ou considerações de contaminação. Os dispositivos envolvidos são os prosaicos transistores e diodos para gerar e detectar as microondas.

O sensor radar é montado no topo do vaso e é dirigido para baixo, perpendicular à superfície do líquido. Isto faz o sinal ser refletido da fonte para retornar diretamente para o sensor. O caminho do sinal é afetado pelo tamanho da antena.

Fig. 8.20. Medição de nível a radar

Nível

238

Vantagens e desvantagens As principais vantagens da técnica de

medição de nível com radar são: 1. Pode medir nível de líquidos complexos

(tóxicos, perigosos, sanitários) 2. Não requer licença legal (como o

radiativo) 3. É uma medição sem contato 4. Apresenta alta precisão em faixa de 1,5

a 60 m. 5. A antena pode ser colocada

externamente, totalmente isolada do processo.

6. A operação é verificável através do monitor

7. Nenhuma recalibração é requerida quando se altera as condições de processo, pois a mudança do líquido não afeta a velocidade e freqüência e processamento do sinal.

8. A operação do sistema pode tolerar revestimento do sensor, turbulência da superfície e espuma no líquido (melhor que laser e ultra-som).

Como desvantagem, tem-se 1. É a técnica de medição de nível

mais cara. 2. Só é aplicada em processo com

líquido limpo. 3. Não pode ser usado em aplicação

com sólido, por causa do sinal fraco de reflexão.

4. Possui menor número de aplicações que o sistema com radiação nuclear.

Fig. 8.21. Montagem do medidor a radar

Fig. 8.22. Montagem do radar no tanque

Fig. 8.23. Montagem do radar no tanque

Influência do vapor no radar Para alguns produtos específicos, pode

haver uma influencia mensurável na precisão da medição de nível, se a composição do vapor varia entre a condição de sem vapor até vapor totalmente saturado. Porém, não há influencia detectável se a variação do vapor é pequena.

Para estes produtos específicos, é suficiente que a pressão e a temperatura sejam medidas e o programa no Medidor de Tanque a Radar corrija a influência do vapor automaticamente. Isto é feito, por exemplo, quando se mede o nível de GLP.Gases que conhecidamente afetam a transmissão das ondas de radar são: Oxido de propileno, Éter etílico, Éter propílico, Acetaldeido, Proionaldeido, Isotubiraldeido, Acetona, Metanol, Amônia

239

9. Vazão

1. Introdução A medição da vazão é essencial a todas as

fases da manipulação dos fluidos, incluindo a produção, o processamento, a distribuição dos produtos e das utilidades. Ela está associada com o balanço do processo e está diretamente ligada aos aspectos de compra e venda dos produtos. A medição confiável e precisa requer uma correta engenharia que envolve a seleção do instrumento de medição, a sua instalação, a sua operação, a sua manutenção e a interpretação dos resultados obtidos.

O conjunto formado pelo medidor e os trechos da tubulação antes e depois do medidor deve ser considerado globalmente e não apenas o medidor isolado. Este conjunto pode incluir retificadores de vazão, reguladores do perfil da velocidade, filtros e tomadas de medições.

A vazão de fluidos é complexa e nem sempre sujeita à análise matemática exata. Diferente do sólido, os elementos de um fluido vazando podem mover em velocidades diferentes e podem ser sujeitos a acelerações diferentes.

Os três conceitos mais importantes na vazão de um fluido já foram vistos em Mecânica dos Fluidos e são:

1. princípio da conservação da massa, do qual é desenvolvida a equação da continuidade,

2. princípio da energia cinética, que dá origem a certas equações da vazão,

3. princípio do momentum, que trata das forças dinâmicas exercidas pelos fluidos da vazão.

2. Conceito de Vazão Quando se toma um ponto de referência, a

vazão é a quantidade do produto ou da utilidade, expressa em massa ou em volume, que passa por ele, na unidade de tempo. A unidade de vazão é a unidade de volume por unidade de tempo ou a unidade de massa por unidade de tempo.

A vazão volumétrica é igual ao produto da velocidade do fluido pela área da seção transversal da tubulação.

A vazão mássica é igual ao produto da vazão volumétrica pela densidade do fluido . Na prática, como é difícil a medição direta da densidade do fluido e a composição dos gases é constante, usam se as medições da temperatura e da pressão para inferir a densidade.

A partir da vazão volumétrica ou mássica pode se obter a sua totalização, através da integral da vazão instantânea.

Outra dificuldade apresentada na medição da vazão está relacionada com a grande variedade de fluidos manipulados e com o elevado número de configurações diferentes. Por isso, é freqüente na medição da vazão o uso de extrapolações e de similaridades geométricas, dinâmicas e cinemáticas entre os diferentes modelos.

3. Vazão em Tubulação Em aplicações industriais de medição da

vazão, o mais comum é se ter fluidos em tubulações fechadas. O caminho mais empregado para transportar o fluido entre dois pontos da planta é a tubulação com seção circular. O círculo fornece a maior resistência estrutural e apresenta a maior área transversal por unidade de superfície da parede. Por isso, a não ser que seja dito diferente, as palavras tubo e tubulação sempre serão referidas a um conduíte fechado, com seção circular e com diâmetro interno constante.

Ocasionalmente são encontrados conduites com seção transversal não circular ou tubulações com seção circular porém não totalmente preenchidas pelo fluido. Quando se calcula o número de Reynolds, nestas situações, utiliza se o conceito de raio hidráulico, que é a relação entre a área transversal da vazão e o perímetro molhado.

Vazão

240

Fig. 9.1. Medição de vazão em tubulações

Fig. 9.2. Comportamento do fluido dentro da tubulação Muitas fórmulas empíricas propostas para a

medição da vazão em tubo são muito limitadas e podem ser aplicadas apenas quando as condições reais do processo se aproximam das condições do laboratório.

Para transferir o fluido de A para B, coloca se uma tubulação ligando os dois pontos e instala se uma bomba nesta tubulação. Por causa do atrito entre o fluido móvel e a tubulação fixa, o fluido deve ser pressurizado, para que escoe. Ou seja, para haver vazão do fluido através da tubulação, a pressão na saída da bomba deve ser maior que a pressão na entrada do tanque B. Esta diferença de pressão produz a força que faz o fluido escoar através da tubulação. O fluido atinge um equilíbrio ou fica em vazão de regime permanente quando a força requerida para move-lo através da tubulação é igual a força produzida pela diferença de pressão.

Vários parâmetros influem na queda de pressão ao longo da tubulação: o seu comprimento, o seu diâmetro interno, a velocidade , a densidade e a viscosidade do fluido que se move através da tubulação e o atrito provocado pela rugosidade da parede interna da tubulação no fluido. Existem equações teóricas e experimentais relacionando todos estes parâmetros.

Mesmo quando se usam as unidades métricas, é comum usar a polegada para expressar o diâmetro nominal da tubulação. O tamanho nominal de tubulações iguais e maiores que 14" representa o diâmetro externa da tubulação e os tamanhos nominais menores são aproximações do diâmetro interno.

A espessura da parede da tubulação, determinada pelo Schedule do tubo, pode variar substancialmente para um determinado diâmetro da tubulação, enquanto o diâmetro externo permanece constante. Como conseqüência, o diâmetro interno pode variar e por isso há ábacos e tabelas na literatura técnica (Crane, por exemplo) para a sua obtenção. Em geral, quando o número do Schedule aumenta, a espessura da parede aumenta e o diâmetro interno diminui.

4. Tipos de Vazão A vazão pode ser classificada de muitos

modos, tais como 1. laminar ou turbulenta, 2. ideal ou real, 3. compressível ou incompressível, 4. homogênea ou com mais de uma fase, 5. viscosa ou sem viscosidade, 6. regime estável ou instável, 7. rotacional ou irrotacional, Para cada vazão, há hipóteses

simplificadoras e as correspondentes equações permitem a sua análise. As simplificações se referem à viscosidade, densidade, pressão, temperatura, compressibilidade e energia em suas diferentes formas. Sempre há aspectos teóricos e informações experimentais.

Em qualquer situação existem três condições:

1. a lei de Newton do movimento se aplica para cada partícula em cada instante,

2. a equação da continuidade é válida e 3. nas paredes do tubo, a componente

normal da velocidade é igual à velocidade do tubo. Para o fluido real, a componente tangencial da velocidade do fluido na parede é zero, em relação à parede.

Vazão

241

Vazão Ideal ou Real O fluido ideal não tem viscosidade e por

isso não pode haver movimento rotacional das partículas em torno de seus centros de massa e nem tensão de cisalhamento. A vazão de um fluido sem viscosidade é chamada de vazão ideal e pode ser representada por uma única vazão resultante. A vazão ideal é irrotacional. Na vazão ideal as forças internas em qualquer seção são sempre perpendiculares a seção. As forças são puramente forças de pressão. Tal vazão é aproximada e nunca é conseguida na prática.

A vazão de um fluido viscoso é chamada de vazão real. Vazão viscosa e vazão real são sinônimos. Todos os fluidos reais possuem algum grau de viscosidade.

(a) Fluido não viscoso b) Fluido viscoso

Fig. 9.3. Vazão ideal ou não ideal

Vazão Laminar ou Turbulenta A vazão laminar é assim chamada por que

todas as partículas do fluido se movem em linhas distintas e separadas. As partículas do fluido se movem em linhas retas paralelas ao eixo da tubulação, de modo ordenado. A ação é como se as lâminas do fluido escorregassem relativamente entre si. No caso da vazão laminar em uma tubulação circular, a velocidade adjacente a parede é zero e aumenta para um máximo no centro do tubo. O perfil da velocidade é uma parábola e a velocidade média da vazão volumétrica é a metade da velocidade máxima do centro.

A vazão laminar é governada pela Lei de Newton da viscosidade. Ela pode ser considerada como a vazão em que toda a turbulência é amortecida pela ação da viscosidade. Por isso, os termos vazão laminar e vazão viscosa são equivalentes.

A vazão laminar é caracterizada por um movimento suave e contínuo do fluido, com pouca deformação. A vazão laminar é conseguida de vários modos: 1. fluido com pequena densidade, 2. movimento em baixa velocidade, 3. pequenos tamanhos dos corpos como os

microrganismos nadando no mar ou

4. fluido com alta viscosidade, tais como os óleos lubrificantes. A vazão laminar ocorre para vazões com

Re menor que 2.000. (a) vários filamentos (b) único filamento

Fig. 9.4. Fluido dentro da tubulação:

Um modo experimental de verificar quando

um fluido está em vazão laminar é introduzir um filamento fino de um líquido colorido na vazão do fluido, através de um tubo de vidro. As trajetórias de todas as partículas do fluido serão paralelas as paredes do tubo e portanto o líquido se move em uma linha reta, como se estivesse dentro de um tubo fino mergulhado no fluido. Este estado da vazão depende da viscosidade, da densidade e da velocidade do fluido. Quando se aumenta a velocidade, a vazão continua laminar até se atingir um valor crítico, acima do qual, o líquido colorido começa a se dispersar e misturar com o fluido vazante. Neste ponto, as partículas do líquido colorido não são mais paralelas as paredes do tubo mas sua velocidade possui componentes transversais. Esta forma de vazão é chamada de turbulenta.

A teoria dos fluidos viscosos lubrificantes em rolamentos se baseia na análise da vazão laminar. Mesmo em vazões com elevados números de Reynolds, como no vôo do avião, há regiões de vazão laminar próximas das superfícies.

A perda da energia na vazão laminar varia linearmente com a velocidade e não com o quadrado da velocidade, como na vazão turbulenta. Esta relação matemática é a base do funcionamento do medidor com resistência linear usado para a medição de vazão laminar.

Na vazão turbulenta não se tem linhas de vazão distintas mas o fluido consiste de uma massa de redemoinhos. As partículas não seguem a mesma trajetória. O perfil de velocidade mostra a velocidade máxima também no centro, mas a velocidade próxima das paredes da tubulação é igual a metade da máxima velocidade. O perfil é mais chato para um tubo liso do que para um tubo rugoso. A velocidade média no centro de um tubo rugoso é de 0,74 da máxima e no tubo liso vale 0,88 da máxima.

Vazão

242

1. Vazão laminar 2. Início da turbulência 3. Vazão turbulenta

Fig. 9.5. Vazão laminar ou turbulenta No caso de um corpo sólido imerso em

fluido vazando, há uma turbulência atrás do corpo, resultando em uma força de arraste no corpo (drag).

Na vazão turbulenta as velocidades locais e as pressões flutuam aleatoriamente de modo que as soluções do problema de turbulência requer a mecânica estatística.

Os efeitos da viscosidade ainda estão presentes na vazão turbulenta, mas eles são geralmente mascarados pelas tensões de cisalhamento turbulentas. A difusão, a transferência de calor e as tensões de cisalhamento estão relacionadas diretamente com a turbulência. Turbulência muito acentuada pode provocar a separação da vazão.

Quando a água é bombeada através de tubo em vazão muito elevada, a vazão se torna turbulenta. Para uma determinada pressão aplicada, a vazão pode ser aumentada muitas vezes, simplesmente pela adição de uma pequeníssima quantidade (poucas partes por milhão) de um polímero de altíssimo peso molecular (maior que 1 milhão). Este fenômeno é chamado de redução do arraste e é usado, por exemplo, nas estações de bombeamento nos oleodutos do Alasca.

Erroneamente se pensa que é mais fácil medir vazões laminares. Na prática industrial e na natureza, a maioria das vazões é turbulenta e muitos medidores só conseguir medir vazões com número de Reynolds acima de um determinado limite, tipicamente de 104.

Vazão Estável ou Instável A vazão estável, também chamada de

vazão em regime, é aquela conseguida quando, em qualquer ponto, a velocidade de partículas sucessivas do fluido é a mesma em períodos sucessivos de tempo (∂ ∂v t = 0 ). Na vazão estável a velocidade é constante em relação ao tempo, mas pode variar em diferentes pontos ou com relação à distância

(∂ ∂v x ≠ 0). Na vazão estável a velocidade é constante com o tempo, e por isso as outras variáveis (pressão, densidade) também não variam com o tempo.

Obtém-se vazão estável somente quando a profundidade, inclinação, velocidade, área da seção transversal da tubulação são constantes ao longo do comprimento da tubulação. A vazão estável é obtida somente com a vazão laminar. Na vazão turbulenta há flutuações continuas na velocidade e na pressão em cada ponto. Porém, se os valores flutuam em torno de um valor médio constante, de modo simétrico, a vazão pode ser considerada estável. Na vazão estável, as condições são usualmente constantes no tempo, embora, em determinado momento, elas não sejam necessariamente as mesmas em seções diferentes.

Na vazão instável, a velocidade varia com o tempo ( 0tv ≠∂∂ ) e como conseqüência, as outras condições (pressão, densidade, viscosidade) também variam em relação ao tempo. Depois de muito tempo, a vazão instável pode se estabilizar ou ficar zero. Esta variação da vazão pode ser lenta, como resultado da ação de uma válvula de controle proporcional ou pode ser rápida, como o resultado do fechamento repentino, que pode produzir o fenômeno conhecido como golpe de aríete ou martelo d'água. A vazão instável acontece também quando se tem a vazão de um reservatório para outro, em que o equilíbrio é conseguido somente quando os dois níveis se igualam.

A vazão instável também inclui o movimento periódico ou cíclico, tal como o das ondas do mar ou o movimento do mar em estuários e outras oscilações. A diferença entre tais casos e a vazão média de regime em vazões turbulentas é que os desvios da média da vazão instável e a escala de tempo são muito maiores.

Vazão Uniforme e Não Uniforme Tem-se uma vazão uniforme quando o

valor e a direção da velocidade não mudam de um ponto a outro no fluido, ou seja, a velocidade não varia com a distância percorrida (∂ ∂v x = 0). Na vazão uniforme, as outras variáveis do fluido (pressão, densidade, viscosidade) também não variam com a distancia.

A vazão de líquidos sob pressão através de tubulações longas com diâmetro constante é uniforme, com a vazão estável ou instável.

Ocorre a vazão não uniforme quando a velocidade, profundidade, pressão ou densidade do fluido varia de um ponto a outro

Vazão

243

na vazão (∂ ∂v x ≠ 0). A vazão em um tubo com seção variável é não uniforme.

Vazão Volumétrica ou Mássica Os medidores industriais podem medir a

vazão volumétrica (volume/tempo) ou mássica (massa/tempo).

A massa, junto com as unidades de comprimento e de tempo, constitui a base para todas as medidas físicas. Como um padrão fundamental de medição, a unidade de massa não é derivada de nenhuma outra fonte. As variações de temperatura, pressão, densidade, viscosidade, condutividade térmica ou elétrica não afetam a massa do fluido cuja vazão está sendo medida. Por exemplo, em determinadas temperaturas e pressões, a água é sólida, líquida ou gás. Qualquer que seja o estado da água, porém, 1,0 kilograma de massa de água, gelo ou vapor permanece exatamente 1,0 kilograma.

Fig. 9.6. Relação entre volume medido e volume à condição padrão (standard)

Atualmente, já é disponível comercialmente

medidores diretos de vazão mássica, como o tipo Coriolis, o termal e o medidor com dois rotores. Como a massa do fluido independe de medições de outras variáveis do processo, como pressão, temperatura ou densidade, a medição da vazão mássica é mais vantajosa que a medição da volumétrica, na maioria das aplicações. Porém, em sistemas envolvendo tanques de armazenagem, é essencial que seja medida a vazão volumétrica.

A maioria dos medidores industriais mede a velocidade e infere a vazão volumétrica do fluido. A partir da velocidade e da área da seção transversal da tubulação tem-se a vazão volumétrica. Como o volume do fluido compressível depende umbilicalmente da pressão e da temperatura, deve-se conhecer continuamente os valores da pressão e da temperatura para que o valor do volume tenha

significado pratico. Como a pressão estática e a temperatura do processo variam continuamente, para compensar estes desvios dos valores padrão de projeto, medem-se a pressão e a temperatura e fazem-se as correções, obtendo-se a vazão volumétrica compensada. Na prática, a maioria das medições de vazão de líquidos não tem nenhuma compensação, a minoria das vazões de líquidos possui apenas compensação da temperatura. A maioria absoluta das vazões de gases necessita da compensação da pressão e da temperatura, uma minoria reduzida não faz qualquer compensação e algumas aplicações requerem ainda a medição e compensação da densidade, além das medições de pressão e temperatura. Há aplicações onde se mede a temperatura e usa o seu valor para compensar a variação provocada simultaneamente no volume e na densidade do fluido.

Fig. 9.7. Relação entre volume e massa

Vazão Incompressível e Compressível

Na vazão incompressível o fluido se move com a densidade constante. Nenhum fluido é verdadeiramente incompressível, desde que até os líquidos podem variar a densidade quando submetidos à altíssima pressão. Na prática, para fluidos com número de Mach menor que 0,3 a vazão pode ser considerada incompressível. É quase impossível se atingir a velocidade de líquido de 100 m/s, por causa da altíssima pressão requerida. Por isso o líquido é considerado incompressível.

A diferença essencial entre um fluido compressível e um incompressível está na velocidade do som. Em um fluido incompressível a propagação da variação de pressão é praticamente instantânea; em um fluido compressível a velocidade é finita. Um pequeno distúrbio se propaga na velocidade do som.

Quando a velocidade do fluido se iguala a velocidade do som no fluido, a variação da densidade (ou do volume) é igual a variação da

metro cúbico medido

3,8 m3, @ 100 kPa A e 15 oC

1 m3, 400 kPa G e 100 oC

metro cúbico padrão

W = Q ρ = Q ρ (P,T)

Massa direta

Mede Volume e Densidade

Mede Volume e infere Densidade

Vazão

244

velocidade. Ou seja, grande variação da velocidade, em vazão de alta velocidade, causa grande variação na densidade do fluido.

A vazão do gás pode facilmente atingir velocidades compressíveis. Por exemplo, dobrando a pressão do ar de 1 para 2 atmosferas, pode-se ter velocidade supersônica.

Para a vazão turbulenta de um fluido incompressível, o efeito da variação da densidade na expressão da turbulência é desprezível. Porém, este efeito deve ser considerado em fluido compressível. O estudo da vazão turbulenta de um fluido compressível requer a correlação das componentes da velocidade, da densidade e da pressão

Os gases são compressíveis e as equações básicas da vazão devem considerar as variações na densidade, provocadas pela pressão e temperatura.

Para os fluidos compressíveis, como os gases e vapores, é necessário adicionar os termos térmicos à equação de Bernoulli para obter uma equação que considere a energia total e não apenas a energia mecânica.

A vazão mássica de um fluido compressível em uma tubulação, com uma dada pressão de entrada, se aproxima de uma determinada vazão limite, que não pode ser excedida, por mais que reduza a pressão da saída.

A máxima velocidade de um fluido compressível em uma tubulação é limitada pela velocidade de propagação da onda de pressão que se desloca a velocidade do som no fluido. Como a pressão cai e a velocidade aumenta ao longo da tubulação, com área da seção transversal constante, a máxima velocidade ocorre na extremidade final da tubulação. Se a queda da pressão é muito alta, a velocidade da saída atingirá a velocidade do som. A diminuição adicional da pressão de saída não é sentida a montante porque a onda de pressão pode se deslocar, no máximo, a velocidade do som. A queda de pressão adicional, obtida pela diminuição da pressão de saída após se atingir a máxima descarga ocorre além do fim da tubulação. Esta pressão é perdida em ondas de choque e turbulências do jato do fluido.

Pode se mostrar teoricamente que a relação das pressões antes e depois de um elemento primário de medição de vazão não pode ser menor que um valor crítico. Quando a pressão através da restrição é igual a esta fração crítica multiplicada pela pressão antes do elemento, a vazão é máxima e não pode ser aumentada, a não ser que se aumente a pressão antes do elemento.

A vazão máxima de um fluido compressível depende do expoente isentrópico, da

densidade e da relação das pressões antes e depois do elemento de vazão.

Vazão Rotacional e Irrotacional Na vazão rotacional, a velocidade de cada

partícula varia diretamente com a sua distância do centro de rotação. Na vazão rotacional, cada pequena partícula do fluido parece rodar em torno de seu próprio eixo, para um observador fixo. Por exemplo, a vazão em um cilindro girando em torno de seu eixo, a vazão do fluido no interior da bomba.

Fig. 9.8. Perturbações que criam distorção do perfil,

vazões secundárias e redemoinhos Na vazão irrotacional, cada pequena

parcela ou elemento do fluido preserva sua orientação original. Como um elemento do fluido pode ser girado em torno de seu eixo somente com aplicação de forças viscosas, o fluido rotacional é possível somente com fluido real viscoso e a vazão irrotacional só pode ser obtida de fluido ideal não viscoso. Para fluido com pequena viscosidade, tal como ar e água, a vazão irrotacional pode ser aproximada em um vórtice livre. Em um vórtice livre, um corpo de fluido gira sem a aplicação de torque externo por causa do momentum angular previamente aplicado nele Exemplos são a rotação do fluido que sai de um bomba centrífuga, um furacão de ar ou a rotação da água entrando no dreno de um vaso.

Uma vazão irrotacional se torna rotacional quando a tubulação muda de direção, formando ângulos de 90o.

Há medidores de vazão, como o tipo vortex e efeito Coanda que provocam artificialmente vórtices para a medição do valor da vazão.

Quando for indesejável e geralmente o é, a rotação da vazão, usam-se retificadores de vazão para eliminar os redemoinhos.

Vazão monofásica e bifásica Nenhum medidor de vazão pode distinguir

entre um líquido puro e um líquido contendo ar ou gás entranhado. O gás entranhado pode

Vazão

245

resultar em medição com grande erro, mesmo quando a quantidade de ar for pequena. Quando se tem um medidor de vazão para medir líquido e há gás em suspensão ou quando se tem um medidor para gás e há líquido condensado, há erros grosseiros de medição. Para se garantir medições com pequenos erros devidos a vazão multifásica, deve-se instalar eliminador de gás.

O eliminador de gás reduz a velocidade do fluido em uma câmara para dar tempo ao gás escapar antes de reentrar na tubulação. Quando o gás se acumula, o nível do líquido cai, baixando uma bóia que abre um vent para liberar o gás do eliminador. Deve-se manter uma pressão de retorno na saída suficientemente grande para garantir uma vazão de descarga correta do gás.

Atualmente, há desenvolvimento de medidores para a indústria de petróleo para medir e distinguir as vazões de diferentes fases, mas estes medidores ainda não estão disponíveis comercialmente ou ainda possuem preços elevados. Realmente, são vários medidores em um único invólucro, cada medidor com um princípio de funcionamento diferente e cada um detectando e medindo uma fase. O receptor microprocessado faz a separação dos sinais e dá o resultado da vazão de cada fase.

Fig. 9.9. Tipos de vazão multifásica As vazões com duas fases, líquida e

gasosa, ocorrem quando há instabilidade e

turbulência na tubulação e dependem da velocidade do fluido. As vazões bifásicas mais comuns são:

1. Vazão de bolha (bubble), quando há bolhas de gás dispersas através do líquido

2. Vazão plug, quando há grande bolha de gás na fase líquida

3. Vazão estratificada, quando há uma camada de líquido abaixo de uma camada de gás

4. Vazão ondulada, parecida com a estratificada, porém a interface gás-líquido é ondulada por causa da alta velocidade da vazão

5. Vazão anular, quando há um filme líquido nas paredes internas com gás no centro

Vazão Crítica Quando um gás é acelerado através de

uma restrição, sua velocidade aumenta, a pressão diminui e sua densidade diminui. Desde que a vazão mássica é uma função da densidade e da velocidade, existe uma área crítica em que o fluxo de massa é máximo. Nesta área, a velocidade é sônica e a vazão é chamada de crítica ou de choque. Para líquidos, se a pressão na área mínima é reduzida à pressão de vapor, forma-se uma zona de cavitação que restringe a vazão, de modo que a diminuição da pressão a jusante não aumenta a vazão. Em ambos os casos, a vazão mássica pode somente ser aumentada pela aumento da pressão a montante.

Quando o gás passa através de um bocal com uma grande diferença de pressão entre a entrada e a garganta do bocal, de modo que a velocidade do fluido atinge a velocidade do som neste fluido, a vazão através desta restrição é a crítica. A vazão crítica independe das condições a jusante, sendo função apenas das condições a montante. Ou seja, pode-se diminuir a pressão depois do bocal que a vazão não aumenta. A velocidade do som no gás é a maior velocidade obtível e a vazão mássica é dada por:

pFKYd035,0W a

2 Δρ= ou

ρ= w

a2 hFKYd035,0Q

onde ΔP é a queda de pressão no bocal Y é o fator de expansão do gás Fa é o fator de expansão termal da área hw é pressão diferencial em coluna d é o diâmetro do bocal

Vazão

246

ρ é a densidade do gás, nas condições reais

K é uma constante de calibração

41

CKβ−

=

onde C é o coeficiente de descarga do bocal β é a relação d/D do bocal Por causa da vazão crítica ser

caracterizada pela velocidade do gás na garganta ser igual à velocidade do som, existe uma relação fixa das pressões na entrada (P1) e na garganta (P2) para qualquer pressão de entrada, desde que a condição crítica seja mantida. Como conseqüência, não se necessita de tomada de pressão e a vazão mássica depende apenas de P1 e T1. Como a velocidade é sônica, a pressão a jusante (P3) não afeta a pressão a montante (P1), mas para se manter a vazão crítica, deve-se ter a relação:

8,0PP

1

3 <

Fig. 9.10. Bocal, onde há vazão crítica Este fenômeno só acontece com o bocal. A

vazão crítica não ocorre com a placa de orifício de canto reto, pois a diminuição da pressão a jusante sempre faz a vazão aumentar. O bocal de vazão é usado como padrão secundário na calibração de medidores de vazão de gases, pois ele pode gerar vazões constantes e previamente calculadas pelo seu formato. Tubos venturi de cavitação (com melhor rendimento) ou orifícios de restrição (com pequena precisão) são usados como limitadores de vazão de líquidos no caso de falhas a jusante do sistema.

5. Perfil da Velocidade O termo velocidade, a não ser quando dito

diferente, se refere a velocidade média em uma dada seção transversal e é expressa pela equação da continuidade para uma vazão em regime:

AQv =

ou

AWvρ

=

O perfil da velocidade da vazão é

provavelmente o mais importante e menos conhecido parâmetro de influência da vazão. A velocidade através do diâmetro da tubulação varia e a distribuição é chamada de perfil de velocidade do sistema.

Osborne Reynolds observou que um fluido newtoniano pode possuir dois perfis distintos de velocidade, quando em vazão uniforme: vazão laminar e vazão turbulenta.

Para a vazão laminar, o perfil é parabólico e a velocidade no centro da tubulação é cerca de duas vezes a velocidade média. Para a vazão turbulenta, depois de um trecho reto de tubulação suficientemente longo, o perfil da vazão se torna totalmente desenvolvido e a velocidade no centro da tubulação é cerca de somente 1,2 vezes a velocidade média e somente nesta região se pode fazer medição suficientemente precisa.

(a) Laminar (b) Turbulenta

Fig. 9.11. Perfis de velocidade

A vazão é dita turbulenta quando os jatos

se misturam, se agitam e se movem aleatoriamente. Ocorre tipicamente para fluido com baixa viscosidade e alta velocidade.

Os valores razoáveis das velocidades dos fluidos nas tubulações, nas bombas, nas linhas de drenagem são dadas em tabelas, variando de 1,2 m/s (bomba de sucção) até 4,6 m/s (água de alimentação de caldeira). Para vapor d'água, as velocidades variam de 1 200 m/m (vapor saturado e com pressão abaixo de 14 kgf/cm2) até 6 000 m/m (vapor superaquecido, com pressão acima de 14 kgf/cm2).

Para os medidores, a velocidade muito baixa do fluido pode provocar deposição de lodo e a velocidade muito elevada pode provocar a erosão e o desgaste dos seus internos.

Se o fluido tivesse viscosidade zero, a velocidade dele quando em movimento dentro

Vazão

247

de uma tubulação teria uma seção transversal uniforme, ou seja, a velocidade seria a mesma, qualquer que fosse a posição da partícula do fluido. A existência da viscosidade, mesmo pequena, induz uma ação de cisalhamento entre as partículas adjacentes do fluido, reduzindo a velocidade para zero, na parede da tubulação e tendo um valor máximo no centro da tubulação, formando um perfil não uniforme.

Quando um fluido entra na tubulação, sua velocidade é uniforme na entrada. A camada limite aumenta com a distância da entrada até que a vazão fique totalmente desenvolvida. Da equação da continuidade e de Bernoulli, pode-se mostrar que a pressão diminui ao longo da tubulação. O comprimento para que a vazão fique totalmente desenvolvida é dada pela equação de Boussinesq:

XL = 0,03 ReD onde XL é a distância para a vazão estar

totalmente desenvolvida, Re é o número de Reynolds, D é o diâmetro interno da tubulação Há vários critérios para definir quando a

vazão está totalmente desenvolvida: 1. queda da pressão, 2. distribuição da velocidade média 3. quantidades turbulentas. Porém, estes critérios dão valores muito

diferentes; o critério do gradiente de pressão estabelece 3 a 4D depois da entrada da vazão, a velocidade média dá de 30 a 60 D e as quantidades turbulentas dão valores acima de 60 D. Geralmente, o critério adotado para o desenvolvimento completo da vazão é o ponto onde os perfis da velocidade média não variam com a distância na direção da vazão.

6. Seleção do Medidor

6.1. Sistema de Medição Um sistema de medição, incluindo o de medição de vazão, é constituído de

1. elemento sensor 2. condicionador de sinal 3. apresentador de sinal O elemento sensor ou primário geralmente

está em contato direto com o fluido (parte molhada), resultando em alguma interação entre a vazão medida e a saída do sensor. Esta interação pode ser, mas não se restringe a

1. separação do jato do fluido, 2. aceleração, 3. queda de pressão, 4. alteração da temperatura,

5. formação de vórtices, 6. indução de força eletromotriz, 7. rotação de impellers, 8. criação de uma força de impacto, 9. criação de momentum angular, 10. aparecimento de força de Coriolis, 11. alteração no tempo de propagação O condicionador de sinal tem a função de

medir a grandeza física gerada pela interação do sensor com a vazão do fluido e transformá-la em forma mais conveniente para o display de volume, peso ou vazão instantânea. O condicionador de sinal é finalmente ligado a um instrumento receptor de display, como indicador, registrador ou totalizador. Na medição de vazão, o condicionador é também chamado de elemento secundário.

As condições para a instalação apropriada e a operação correta, os erros e as outras características do elemento primário são independentes e diferentes das características do elemento secundário, de modo que eles devem ser tratados separadamente. O elemento primário se refere especificamente à medição de vazão e o elemento secundário se refere à instrumentação em geral. A placa de orifício é o elemento primário que mede a vazão gerando uma pressão diferencial e será estuda aqui. O transmissor de pressão diferencial, que é o elemento secundário associado a ela, será visto aqui muito superficialmente, para completar o estudo do sistema de medição. Este mesmo transmissor pode ser usado em outras aplicações, para medir nível ou pressão manométrica.

6.2. Tipos de Medidores As classificações dos medidores de vazão

se baseia somente no tipo do elemento primário ou no princípio físico envolvido.

Os medidores de vazão podem ser divididos em dois grandes grupos funcionais:

1. medidores de quantidade 2. medidores de vazão instantânea. Os medidores de vazão podem ser ainda

classificados sob vários aspectos, como 1. relação matemática entre a vazão e o

sinal gerado, se linear ou não-linear; 2. tamanho físico do medidor em relação ao

diâmetro da tubulação, igual ou diferente; 3. fator K, com ou sem 4. tipo da vazão medida, volumétrica ou

mássica, 5. manipulação da energia, aditiva ou

extrativa. Obviamente, há superposições das

classes. Por exemplo, a medição de vazão com placa de orifício envolve um medidor de vazão

1. volumétrica instantânea,

Vazão

248

2. com saída proporcional ao quadrado da v

3. vazão, com diâmetro total, 4. sem fator K e 5. com extração de energia. O medidor de deslocamento positivo com

pistão reciprocante é um medidor de 1. quantidade, 2. linear, 3. com fator K, 4. com diâmetro total e 5. com extração de energia.

O medidor magnético é um medidor de vazão 1. volumétrica instantânea, 2. com fator K, 3. diâmetro total 4. com adição de energia.

Quantidade ou Vazão Instantânea No medidor de quantidade, o fluido passa

em quantidades sucessivas, completamente isoladas, em peso ou em volumes, enchendo e esvaziando alternadamente câmaras de capacidade fixa e conhecida, que são o elemento primário. O elemento secundário do medidor de quantidade consiste de um contador para indicar ou registrar a quantidade total que passou através do medidor.

O medidor de quantidade é, naturalmente, um totalizador de vazão. Quando se adiciona um relógio para contar o tempo, obtém-se também o registro da vazão instantânea.

No medidor de vazão instantânea, o fluido passa em um jato contínuo. O movimento deste fluido através do elemento primário é utilizado diretamente ou indiretamente para atuar o elemento secundário. A vazão instantânea, ou relação da quantidade de vazão por unidade de tempo, é derivada das interações do jato e o elemento primário por conhecidas leis físicas teóricas suplementadas por relações experimentais.

Linear e não linear A maioria dos medidores de vazão possui

uma relação linear entre a vazão e a grandeza física gerada. São exemplos de medidores lineares: turbina, magnético, área variável, resistência linear para vazão laminar, deslocamento positivo.

O sistema de medição de vazão mais aplicado, com placa de orifício é não linear. A pressão diferencial gerada pela restrição é proporcional ao quadrado da vazão medida. Exemplo de outro medidor não-linear é o tipo alvo, onde a força de impacto é proporcional ao quadrado da vazão.

A rangeabilidade do medidor, que é a relação entre a máxima vazão medida dividida pela mínima vazão medida, com o mesmo

desempenho é uma função inerente da linearidade. Os medidores lineares possuem a rangeabilidade típica de 10:1 e os medidores com grandeza física proporcional ao quadrado da vazão possuem a rangeabilidade de 3:1.

Exemplos típicos de medidores de vazão não-lineares: placa de orifício, venturi, bocal, target, calha Parshall (exponencial); medidores lineares: turbina, deslocamento positivo, magnético, coriolis, área variável.

Diâmetros Totais e Parciais do Medidor Sob o aspecto da instalação do medidor na

tubulação, há dois tipos básicos: com buraco pleno (full bore) ou de inserção.

A maioria dos medidores possuem aproximadamente o mesmo diâmetro que a tubulação onde ele é instalado. A tubulação é cortada, retira-se um carretel do tamanho do medidor e o instala, entre flanges ou rosqueado.

Tipicamente o seu diâmetro é aproximadamente igual ao da tubulação, e ele é colocado direto na tubulação, cortando a tubulação e inserindo o medidor alinhado com ela. Esta classe de medidores é mais cara e com melhor desempenho. Exemplos de medidores com diâmetro pleno: placa, venturi, bocal, turbina, medidor magnético, deslocamento positivo, target, vortex.

A outra opção de montagem é através da inserção do medidor na tubulação. Os medidores de inserção podem ser portáteis e são geralmente mais baratos porém possuem desempenho e precisão piores. Exemplos de medidores: tubo pitot e turbina de inserção.

Medidores Com e Sem Fator K Há medidores que possuem o fator K, que

relaciona a vazão com a grandeza física gerada. A desvantagem desta classe de medidores é a necessidade de outro medidor padrão de vazão para a sua aferição periódica. São exemplos de medidores com fator K: turbina, magnético, Vortex.

O sistema de medição de vazão com placa de orifício é calibrado e dimensionado a partir de equações matemáticas e dados experimentais disponíveis. A grande vantagem da medição com placa de orifício é a sua calibração direta, sem necessidade de simulação de vazão conhecida ou de medidor padrão de referência.

Medidores volumétricos ou mássicos A maioria dos medidores industriais mede a

velocidade do fluido. A partir da velocidade se infere o valor da vazão volumétrica (volume = velocidade x área). A vazão volumétrica dos fluidos compressíveis depende da pressão e da

Vazão

249

temperatura. Na prática, o que mais interessa é a vazão mássica, que independe da pressão e da temperatura.

Tendo-se a vazão volumétrica e a densidade do fluido pode-se deduzir a vazão mássica. Porém, na instrumentação, a medição direta e em linha da densidade é difícil e complexa. Na prática, medem-se a vazão volumétrica, a pressão estática e a temperatura do processo para se obter a vazão mássica, desde que a composição do fluido seja constante.

Atualmente, já são disponíveis instrumentos comerciais que medem diretamente a vazão mássica. O mais comum é o baseado no princípio de Coriolis.

Energia Extrativa ou Aditiva Em termos simples, os medidores de vazão

podem ser categorizados sob dois enfoques diferentes relacionados com a energia: ou extraem energia do processo medido ou adicionam energia ao processo medido.

Como o fluido através da tubulação possui energia, sob várias formas diferentes, como cinética, potencial, de pressão e interna, pode-se medir a sua vazão extraindo alguma fração de sua energia. Este enfoque de medição envolve a colocação de um elemento sensor no jato da vazão. O elemento primário extrai alguma energia do fluido suficiente para fazê-lo operar.

A vantagem desta filosofia é a não necessidade de uma fonte externa de energia. Porém, o medidor é intrusivo e oferece algum bloqueio a vazão, o que é uma desvantagem inerente a classe de medição.

Exemplos de medidores extratores de energia: placa de orifício, venturi, bocal, alvo, cotovelo, área variável, pitot, resistência linear, vertedor, calha, deslocamento positivo, turbina e vortex.

O segundo enfoque básico para medir a vazão é chamado de energia aditiva. Neste enfoque, alguma fonte externa de energia é introduzida no fluido vazante e o efeito interativo da fonte e do fluido é monitorizado para a medição da vazão. A medição com adição de energia é não intrusivo e o elemento primário oferece nenhum ou pequeno bloqueio a vazão. Como desvantagem, é necessário o uso de uma fonte externa de energia.

Exemplos de medidores aditivos de energia: magnético, sônico, termal.

O número de medidores baseados na adição da energia é menor que o de medidores com extração da energia. Isto é apenas a indicação do desenvolvimento mais recente destes medidores e este fato não deve ser interpretado de modo enganoso, como se os

medidores baseados na adição da energia sejam piores ou menos favoráveis que os medidores baseados na extração da energia.

6.3. Parâmetros da Seleção Quanto maior o número de opções, mais

difícil é a escolha. A seleção do medidor de vazão é uma tarefa difícil e complexa, geralmente exigindo várias iterações para se chegar à melhor escolha. Para dificultar a escolha, a vazão é a variável do processo industrial que possui o maior número de diferentes elementos sensores e de medidores.

São disponíveis tabelas relacionando os tipos dos medidores e as suas aplicações ideais, aceitáveis e proibidas. Porém, tais tabelas não são completas e não consideram todas as exigências e aplicações. Às vezes, elas são apresentadas pelo suspeito fabricante de determinado medidor e relacionam imparcialmente as principais vantagens do medidor especifico. A seleção do medidor é algo tão complicado que não se deve limitar a uma tabela bidimensional.

Os parâmetros que devem ser considerados na escolha e na especificação do medidor de vazão são os seguintes:

Dados da Vazão Antes da seleção do medidor de vazão

mais conveniente e para qualquer medidor escolhido é mandatório se ter todos os dados disponíveis da vazão de modo claro, confiável e definitivo. A vazão requer mais dados que a temperatura e a pressão, pois devem ser conhecidas as condições e instalações do processo e do fluido medido.

É necessário o conhecimento dos seguintes dados da vazão 1. o tamanho da linha a ser usada. Este dado

pode ser usado como verificação do dimensionamento do medidor. Nunca se poderá ter um medidor de vazão com diâmetro maior que o diâmetro da linha onde ele será montado. Quando se obtém o diâmetro do medidor maior do que o da linha, geralmente há um erro relacionado com a vazão máxima do processo, que está superdimensionada.

2. a faixa de medição vazão máxima, mínima e normal. A vazão é a variável de processo mais afetada pela rangeabilidade, que é a habilidade do medidor operar desde vazão muito pequena até vazão muito elevada, com o mesmo desempenho. A maioria dos erros de vazão é devida à medição de baixas vazões em um medidor dimensionado para elevada vazão máxima.

3. a precisão requerida, que depende do uso da medição, se para uma verificação

Vazão

250

interna, se para compra e venda de produto. Deve ser bem determinado o que se está medindo (massa, velocidade ou volume), o que se está cobrando, quais as correções necessárias a serem feitas (temperatura, densidade), qual a classe de precisão e a rangeabilidade das medições (linear, não-linear).

4. a função do instrumento indicação, registro, controle, totalização.

5. a responsabilidade e a integridade do instrumento simples verificação, cobrança, ligado a segurança.

6. o tipo de vazão se pulsante, constante, com golpe de aríete, turbulenta, laminar.

7. as características e tipo do fluido medido (líquido, vapor ou gás), qualidade do vapor (saturado ou superaquecido), condições (sujeira, sólidos em suspensão, abrasividade), pressão estática, temperatura do processo, perda de carga permissível, velocidade, número de Reynolds correspondente, densidade, viscosidade, compressibilidade, peso molecular do gás ou do vapor e pressão de vapor do líquido.

8. os efeitos de corrosão química do fluido, para a escolha dos materiais em contato direto com o processo,

Custo de Propriedade O custo do sistema de medição incluem os

relativos a instalação, operação e manutenção. A maioria das pessoas só considera os custos diretos e imediatos da compra dos instrumentos, o que é incompleto.

Por exemplo, os custos de um sistema de medição com placa de orifício incluem:

1. placa (dimensionamento, confecção) 2. instalação da placa: flange com furo ou

furos na tubulação. 3. transmissor pneumático, eletrônico

convencional ou inteligente. Se pneumático, ainda há custos do filtro regulador de pressão de alimentação,

4. tomada do transmissor à tubulação, com distribuidor de três ou cinco válvulas para bloqueio e equalização,

5. instrumento receptor com escala raiz quadrática ou com escala linear mais um instrumento ou circuito extrator de raiz quadrada.

6. se não houver trecho reto suficiente para a instalação da placa, deve-se adicionar um retificador de vazão, que é muito caro.

7. quando se quer uma maior precisão do sistema de medição, pode-se montar a placa em um trecho reto especial, com as tomadas prontas, com acabamentos

especiais, com centralização garantida da placa, porém este kit de medição é caríssimo.

Quando a perda de pressão permanente provocada pela placa é muito grande, deve-se aumentar a pressão na entrada do sistema (que custa algo) ou então trocar a placa de orifício por um tubo venturi, que provoca uma perda de carga muito menor mas que custa muito mais que a placa.

Existem ainda custos invisíveis relacionados com a manutenção futura e com as calibrações posteriores. Instrumentos sem peças móveis (p. ex., medidor magnético e vortex) normalmente requerem menos manutenção que instrumentos com peças móveis (p. ex., turbina e deslocamento positivo). A calibração do medidor de vazão pode requerer um padrão de vazão com classe de precisão superior a do medidor, que pode custar mais caro que o próprio medidor. O sistema com placa de orifício é calibrado em relação à pressão diferencial e por isso requer um padrão de pressão e não requer padrão de vazão.

Quando se tem uma grande quantidade de medidores com fator K, que requerem calibrações periódicas, deve-se fazer um estudo econômico para implantação de um laboratório de vazão, em vez de enviar todos os medidores para o laboratório do fabricante ou um laboratório especializado.

Função A função associada à vazão, a ser

fornecida pelo instrumento receptor: indicação instantânea; registro para totalização posterior ou apenas para verificação; controle continuo ou liga-desliga ou a totalização direta da vazão, no local ou remotamente é um fator determinante na escolha do medidor.

Medidores com saída em pulso são convenientes para totalização; medidores com saída analógica são mais apropriados para registro e controle. Para a indicação, é indiferente se o sinal é analógico ou digital. Medidores com deslocamento positivo são totalizadores naturais de vazão. Rotâmetros são adequados para indicação local e a indicação remota requer o uso do sinal de transmissão padrão.

Desempenho A precisão do medidor inclui a

repetitividade, reprodutitividade, linearidade, sensibilidade, rangeabilidade e estabilidade da operação. A exatidão do medidor se refere à calibração e à necessidade de recalibrações ou aferições freqüentes.

Vazão

251

Existem medidores cuja precisão é expressa pelo fabricante como percentagem do fundo de escala, como percentagem do valor medido ou como percentagem da largura de faixa. A precisão expressa pelo fabricante é válida apenas para o instrumento novo e nas condições de calibração. A precisão total da malha é a resultante da soma das precisões do elemento sensor, do elemento secundário, do instrumento receptor, dos padrões de calibração envolvidos e das condições de calibração.

Geralmente, quanto mais preciso o instrumento, mais elevado é o seu custo. O medidor mais preciso é a turbina medidora de vazão, usada como padrão de calibração de outros medidores. Porém, o mesmo tipo de medidor pode ter diferentes precisões em função do fabricante, projeto de construção e materiais empregados.

Geometria A geometria do processo inclui a tubulação

fechada, esteira ou canal aberto; a disponibilidade de trechos retos antes e depois do local do medidor; a necessidade de uso adicional de retificadores de vazão e modificações das instalações existentes.

Medidores diferentes requerem trechos retos a montante e a jusante do medidor diferentes. Geralmente o trecho reto a montante é maior que o trecho reto a jusante. Quando o trecho reto for insuficiente, deve-se usar retificadores de vazão.

Quando o medidor é muito pesado, deve-se usar suporte para ele. Também, o medidor de vazão não pode provocar tensões mecânicas na tubulação onde ele é inserido.

As dimensões e o peso do medidor estão relacionadas com a facilidade de armazenagem, a manipulação e a montagem do medidor na tubulação. A maioria dos medidores é instalada entre flanges e pelas especificações do fabricante, pode-se planejar os cortes na tubulação e a colocação das flanges adequadas para montar o medidor. É essencial que o medidor esteja alinhado com a tubulação, ou seja, que os eixos do medidor e da tubulação sejam coincidentes.

Instalação A instalação do medidor inclui todos os

acessórios, tomadas, filtros, retificadores, suportes e miscelânea do medidor. Antes de escolher o medidor, deve-se avaliar a facilidade da instalação na tubulação já existente, a simplicidade da operação futura e a possibilidade de retirada e de colocação do medidor sem interrupção do processo.

Todo medidor de vazão deve ser montado em local de fácil acesso para o operador de campo do processo e principalmente, para o instrumentista reparador. Quando a retirada do medidor não pode afetar a operação do processo, deve-se prover um bypass para o medidor. Medidores de vazão para compra e venda de material não deve ter by pass. É disponível dispositivo para retirar e colocar placa de orifício na tubulação, sem interrupção do processo (válvula ou porta placa Daniel ou Pecos).

Medidores frágeis, com peças móveis e que manipulem fluidos com sólidos em suspensão geralmente requerem filtros a montante. Os inconveniente do filtro são o seu custo em si e o aumento da perda de carga permanente.

Faixa de Medição A faixa de medição da vazão inclui os

valores máximo e mínimo, largura de faixa, condições de pressão estática e de temperatura do processo. Embora toda faixa teórica de medição seja de 0 até a vazão máxima, a rangeabilidade do medidor define a vazão mínima que pode ser medida com a mesma precisão que a máxima. Os medidores lineares possuem maior rangeabilidade que os medidores com saída proporcional ao quadrado da vazão, como a placa de orifício. Os medidores digitais possuem maior rangeabilidade que os analógicos.

O diâmetro do medidor de vazão é sempre menor que o diâmetro da tubulação; em raros casos ambos os diâmetros são iguais. Um medidor deve ser dimensionado ter capacidade de, no máximo, 80% da vazão máxima de projeto e a vazão normal de trabalho deve estar entre 75 a 80% da vazão máxima do medidor. Quanto maior a vazão medida, menor é o erro relativo da medição, principalmente quando o medidor tem precisão expressa em percentagem do fundo de escala. Medidor de vazão com peças móveis que trabalhe muito tempo em sua vazão máxima tem vida útil diminuída drasticamente. Quando o medidor trabalha próximo da sua capacidade máxima, a velocidade do fluido é a máxima e há maior chance de haver cavitação do fluido dentro do medidor, que pode destruí-lo rapidamente.

Fluido As características químicas e físicas do

fluido que entra em contato direto com o medidor: corrosividade, viscosidade, abrasividade, sólidos em suspensão, valor e perfil da velocidade são determinantes na escolha do medidor de vazão e dos seus materiais constituintes.

Vazão

252

O fluido serve para eliminar medidores. Por exemplo, o medidor magnético mede somente fluidos eletricamente condutores; a turbina mede somente fluidos limpos, o medidor ultra-sônico mede somente fluidos com partículas em suspensão. Dependendo do tipo da sujeira e do medidor, a solução é usar filtro antes do medidor, com os seus inconvenientes inerentes.

O problema da corrosão química pode ser eliminado com a escolha adequada do material das partes molhadas e do fluido. Na literatura técnica, são disponíveis tabelas com a lista de materiais recomendados, aceitáveis e proibidos para uso com determinados produtos. No aspecto de corrosão e compatibilidade com fluidos, o melhor medidor é o magnético, por causa da grande variedade do material de revestimento e dos eletrodos.

O problema de erosão física pode ser eliminado com o dimensionamento correto do medidor, que resulte em velocidades baixas. Às vezes, a solução também envolve o uso de filtro para eliminar partículas abrasivas em suspensão. Medidores com peça móvel e com elemento intrusivo geralmente são mais susceptíveis à erosão e desgaste que os medidores sem peça móvel e não intrusivos.

O perfil de velocidade é muito importante quando se tem medidores de inserção, onde a posição do medidor deve ser matematicamente estabelecida.

Perda de Carga A perda de carga permanente é a queda de

pressão que o medidor provoca irrecuperavelmente na pressão estática da tubulação. Os medidores intrusivos provocam grande perda de carga e os medidores não intrusivos provocam pequena ou nenhuma perda de carga. Quanto maior a perda de carga provocada pelo medidor, maior deve ser a pressão a montante do medidor e como conseqüência, maior a pressão de bombeamento.

O medidor magnético praticamente não provoca queda de pressão adicional; o medidor ultra-sônico pode ser colocado externamente à tubulação (clamp on) para medir a vazão. O outro inconveniente de se provocar grande perda de carga, além da maior pressão a montante, é a possibilidade de haver cavitação no líquido, que pode destruir o medidor. A cavitação é provocada por baixa pressão.

Tecnologia A tecnologia empregada está associada à

manutenção, tradição e número de peças de reposição. É uma boa prática de engenharia padronizar um medidor de vazão, pois isso

facilita a manutenção e diminui o número de peças de reposição. Nota-se que os medidores à base de energia extrativa são mais numerosos e mais usados que os medidores de energia aditiva. No Brasil, há medidores que tiveram um bom trabalho de marketing e são muito vendidos, como o medidor mássico coriolis. Outros medidores, com excelente desempenho, como o tipo vortex, são pouco conhecidos e pouco usados.

6.4. Medidores aprovados pela ANP Os medidores de vazão aprovados pela

ANP para a medição de óleo e petróleo são: 1. o medidor de vazão com deslocamento

positivo; usado para a totalização direta da vazão,

2. o medidor direto de massa de Coriolis, 3. o medidor ultra-sônico por tempo de

trânsito, multifeixe Os medidores de vazão aprovados pela

ANP para a medição de gás natural são: 4. sistema de medição de vazão com

placa de orifício (ISO 5167 e AGA 3) 5. a turbina medidora de vazão com eixo

longitudinal (ISO 9951 e AGA 7) 6. o medidor ultra-sônico por tempo de

trânsito, multifeixe (ISO 12 765 e AGA 9)

Outros medidores que podem ser usados, desde que aprovados previamente são:

7. o sistema de medição magnética da vazão, com excitação senoidal e corrente contínua pulsada. Usado para a medição de fluidos eletricamente condutores, como água salgada.

8. o medidor com geração de vórtices de Von Karmann, chamado genericamente de vortex,

253

Placa de Orifício

1. Introdução histórica O estimulo do uso do medidor de vazão

gerador de pressão diferencial se deve a vários fatores: a simplicidade de confecção, a possibilidade de medir grandes volumes de fluidos a grandes velocidades, a fácil adaptação ao controle de vazões em processos contínuos, a facilidade de calibração sem a necessidade de outro medidor de vazão como referência, ao grande acervo de dados e coeficientes experimentais acumulados e registrados.

O sistema de medição de vazão com a geração de pressão diferencial é usado para indicar, registrar, integrar, controlar e fazer a compensação da vazão. O sistema baseado na pressão diferencial corresponde a mais de 50% das instalações de medição de vazão.

O registro da primeira aplicação da medição e controle de vazão com o gerador da pressão diferencial se perde na antigüidade. Antes da era cristã, os romanos usavam a placa de orifício para a medição da vazão da água de consumo.

O desenvolvimento do projeto e a teoria atual são mais recentes.

Em 1732, Henry Pitot inventou o tubo Pitot.

1738 John Bernoulli desenvolveu o teorema básico das equações hidráulicas.

Em 1791, Giovanni Venturi desenvolveu seu trabalho básico do tubo medidor e desenvolveu a base teórica da atual computação dos medidores.

Em 1887, Clemens Herschel, usando o trabalho básico de Venturi, desenvolveu o tubo Venturi comercial.

Em 1903, Thomas Weymonth, usou a placa de orifício na medição de vazão de gás natural, usando tomadas tipo flange, a 1" a jusante e 1" a montante da placa. Weymonth também desenvolveu os coeficientes empíricos dos dados relacionado com o beta da placa.

Em 1916, Horace Judd apresentou um trabalho em um encontro da ASME, com o uso das tomadas de pressão na vena

contracta. Este trabalho se referiu, pela primeira vez, ao uso de placas excêntricas e segmentares, para manipulação de ar sujo e líquido com ar entranhado.

Embora a placa de orifício fosse largamente usada com diferentes fluidos, foi em 1970 que a associação da AGA/ASME/NIST (ex-NBS) estabeleceu um programa de testes para a obtenção de dados suficientes para desenvolver uma equação para a predição do coeficiente de vazão. Foi a possibilidade de prever um coeficiente de vazão que levou a total comercialização e aplicação industrial da placa de orifício.

Fig. 8.1. Placas de orifício

Em fins de 1950, houve a consolidação

de normas americanas e européias para originar uma norma internacional ISO R541 (1967) para placas e bocais e ISO R781 (1968) para tubos venturi. Estas normas foram combinadas, e fundidas na ISO 5167 (1991), que é cada vez mais aceita e usada, por causa de sua simplicidade, precisão melhorada e aplicabilidade para uma larga faixa de números de Reynolds.

A ASME/ANSI está desenvolvendo e preparando uma norma ANSI que inclui esta equação (MFC, 1982). Para a medição de gás natural, a norma AGA 3, ANSI/API 2530, (1990) é usualmente requerida para fins comerciais.

O sucesso comercial da placa de orifício, do tubo Venturi e do bocal motiva e induz o

Placa de Orifício

254

desenvolvimento continuo e a melhoria dos elementos secundários. Isto, associado com os trabalhos de teste e a familiaridade do usuário, também induz ao desenvolvimento e ao uso de outros elementos primários, tais como as placas excêntricas e segmentares, lo-loss®, o cotovelo, o orifício integral e o orifício anular.

2. Princípio de Operação e Equações

Os medidores de vazão que geram pressão diferencial são descritos pela equação de Bernoulli, que estabelece que a soma da energia estática, da energia cinética e da energia potencial do fluido se conserva na vazão através de uma restrição em uma tubulação e pela continuidade.

Fig. 10.2. Medição de vazão com placa A equação de Bernoulli estabelece

constante zg2

vg

P 2=++

×ρ

onde

ρ é a densidade do fluido g é aceleração da gravidade do local v é a velocidade do fluido z é a elevação da tubulação P é a pressão estática da tubulação A equação da continuidade fornece a

relação entre a velocidade e vazão instantânea de um fluido incompressível. Quando a área da tubulação varia de A1 para A2, a velocidade do fluido também se altera de v1 para v2, valendo a seguinte relação:

2211 vAvAQ ×=×= onde Q é a vazão volumétrica instantânea A1 e A2, são as áreas das seções

transversais da tubulação

v1 e v2 são respectivamente, as velocidades do fluido nas seções A1 e A2.

Fig. 10.3. Tubulação e continuidade Quando um fluido dentro de uma

tubulação com seção circular A1 passa por uma restrição com área A2 menor, a velocidade aumenta de v2 para v1. Este aumento de energia cinética (velocidade) ocorre às custas da diminuição da energia de pressão. Ou seja, a pressão P1 é menor que P2.

Assumindo que a tubulação é horizontal (mesma energia potencial), aplicando a equação de Bernoulli a montante e a jusante da placa, combinando o resultado com a equação da continuidade e rearranjando os termos obtém-se:

21

224

21AQ1

dD

21PP ×

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ρ=−

A equação mostra que a pressão

diferencial gerada através do orifício é proporcional ao quadrado da vazão que passa através da placa de orifício. Esta relação ainda é válida, com algumas modificações para fluidos compressíveis. A pressão diferencial através da placa de orifício é chamada de pressão dinâmica e a pressão presente em toda a tubulação é chamada de pressão estática.

De um modo geral, a vazão volumétrica, Q, através da placa de orifício pode ser representada empiricamente por:

ρΔ

=PkAQ

onde

A é a área da seção transversal da tubulação ΔP é a pressão diferencial gerada pela placa ρ é a densidade do fluido k é uma constante que faz ajustes devidos a

Placa de Orifício

255

1. unidades das dimensões, 2. comportamento e perdas do fluido 3. coeficiente de descarga 4. localização das tomadas de pressão 5. condições de operação 6. fator de expansão dos gases 7. número de Reynolds Rescrita de modo mais completo, tem-se,

em (m3/s):

GpZThFKYd 431 059 000,0Q

1

11wa

21 =

Como

11

11b ZT

p6 222 033,1

16,288QQ =

tem-se

11

1wa

2b ZGT

hFKYd 575 016,0Q ρ=

Pode-se mostrar que a vazão mássica,

W, vale, em kg/s:

ρΔ= PkAW ou de um modo mais completo

1a2 pFKYd 783 034,0W ρΔ=

Como

11

11 ZT

Gp85 341,0=ρ

tem-se

pZTGp

FKYd 339 020,0W11

1a

2 Δ=

As quantidades anteriores são: D = diâmetro da tubulação, em cm d = diâmetro da placa, em cm gc = 980,652 (adimensional) hw = pressão diferencial, em cm de coluna

d'água, @ 20 oC p = pressão, em Pa Δp pressão diferencial, em Pa

41

CKβ−

= = CE = coeficiente de vazão

C = coeficiente de descarga

3. Elementos dos Sistema O sistema de medição de vazão consiste

de dois elementos separados e combinados: 1. o elemento primário e 2. o elemento secundário. O elemento primário está em contato

direto com o processo, sendo molhado pelo fluido. Ele detecta a vazão, gerando a pressão diferencial. Seu tag é FE.

Estão associados com o elemento primário os seguintes parâmetros básicos:

1. sua geometria fixa, 2. o comprimento reto da tubulação

antes e depois do ponto da sua instalação,

3. as condições da vazão, 4. a localização das tomadas da

pressão. O elemento secundário detecta a pressão

gerada pelo elemento primário. O elemento secundário mais usado é o transmissor, cujo tag é FT. A pressão diferencial gerada pelo elemento primário é medida através das tomadas pelo elemento secundário. O elemento secundário é montado externamente ao processo.

Fig. 10.4. Sistema de medição com placa

Estão associados com o elemento secundário os seguintes parâmetros:

1. as linhas da tomadas, 2. as válvulas de bloqueio e de

equalização 3. o instrumento condicionador do sinal

de pressão diferencial. O instrumento condicionador pode ser: extrator de raiz quadrada, indicador, totalizador, registrador, computador de vazão ou controlador.

O valor medido da pressão diferencial depende da localização das tomadas, da restrição (abrupta ou gradual), do tamanho do orifício, do projeto do elemento primário, da tubulação a montante (antes) e a jusante (depois) do elemento primário.

Placa de Orifício

256

3.1. Elemento Primário Os termos elemento primário de vazão a

pressão diferencial, elemento tipo head, elemento gerador de pressão diferencial, elemento deprimogênio (?) possuem o mesmo significado e designam o tipo especifico de restrição: a placa de orifício, o tubo venturi, o tubo pitot, o bocal, o tubo Dall®, o elemento de resistência linear, o anular, o annubar.

O fluido cuja vazão vai ser medida, ao passar por qualquer uma dessas restrições, provoca uma queda de pressão que é proporcional ao quadrado da vazão. A pressão diferencial depende da área desta restrição na tubulação e de outros fatores relacionados com a vazão do fluido.

A restrição pode ser abrupta, como a placa de orifício ou gradual, como o venturi.

3.2. Elemento Secundário O elemento secundário é o dispositivo,

associado ao elemento primário, responsável pela medição da pressão diferencial gerada. O elemento secundário pode ser o elemento sensor de pressão diferencial ou o transmissor de pressão diferencial.

O elemento sensor de pressão diferencial é usado com o indicador e o registrador local. A grande vantagem de seu uso é a não necessidade de fonte de alimentação externa, elétrica ou pneumática.

O outro elemento secundário é o transmissor de pressão diferencial, chamado d/p cell®. Ele possui um elemento sensor de pressão diferencial e o mecanismo de geração do sinal padrão pneumático ou eletrônico. Ele necessita de uma fonte externa de alimentação pneumática ou elétrica.

4. Placa de Orifício A placa de orifício é o elemento primário

de vazão do tipo restrição mais usado. Ela é aplicada na medição de vazão de líquidos limpos e de baixa viscosidade, da maioria dos gases e do vapor d'água em baixa velocidade.

Embora simples, a placa de orifício é um elemento de precisão satisfatória. O uso da placa de orifício para a medição da vazão é legalmente aceita em medição de vazão para transferência de custódia (AGA No 3 e ISO 5167), mesmo em aplicações comerciais de compra e venda de produto.

4.1. Materiais da Placa Como o fluido do processo entra em

contato direto com a placa, a escolha do material da placa deve ser compatível com o fluido, sob o aspecto de corrosão química.

A placa de orifício pode ser construída com qualquer material que teoricamente não se deforme com a pressão e não se dilate com a temperatura e que seja de fácil manipulação mecânica. Os materiais mais comuns são: aço carbono, aço inoxidável, monel, bronze, latão.

A velocidade do fluido é também um fator importante, pois a alta velocidade do fluido pode provocar erosão na placa. A baixa velocidade pode depositar material em suspensão do fluido ou lodo na placa.

4.2. Geometria da Placa A placa consiste de uma pequena chapa

de espessura fina, circular, plana, com um furo com cantos vivos. A posição, o formato e o diâmetro do furo são matematicamente estabelecidos.

Fig. 10.7. Placa de orifício padrão (ISO 5167) O desempenho da placa depende

criticamente da espessura e da planura da placa e do formato dos cantos de furo central. O desgaste do canto do furo, a deposição de sujeira no canto ou na superfície da placa e a curvatura na placa podem provocar erros grosseiros na medição da vazão. Por

Vazão

Espessura E da placa

Face a jusante BFace a montante A

Ângulo do chanfro

Espessura e do orifício

Linha de centro axial

Lados H e I a jusante

Lados G

Dd

Placa de Orifício

257

exemplo, quando há deposição, tornando o furo menor, tem se uma maior pressão diferencial e portanto uma indicação maior que a vazão real.

A espessura varia de 1/8" a 1/2". A espessura da placa com furo de diâmetro d é função do diâmetro D da tubulação e não deve exceder nenhuma das relações:

D/50, d/8 ou (D-d)/8.

Canto vivo (square edge) Em tubulações com diâmetros iguais ou

maiores que 50 mm (2"), a placa de orifício concêntrico é a restrição mais comumente usada para medir vazões de líquidos limpos, gases e vapores em baixa velocidade. Ela é uma placa fina, plana, com um furo concêntrico com cantos vivos.

A precisão da medição de vazão com placa de canto vivo varia de ±1% a ±5% do fundo de escala. A precisão depende do tipo do fluido, da configuração da tubulação a montante e a jusante, do elemento sensor da pressão diferencial e se há correções do número de Reynolds, do fator de expansão dos gases, da dilatação térmica da placa, do diâmetro interno da tubulação e de outros efeitos.

O canto vivo pode ter um chanfro (bevel) e a parte inclinada fica a jusante. Quando a placa é colocada ao contrario, com o chanfro a montante o valor medido é maior que o teórico. A placa com chanfro, por ser assimétrica, só pode medir o fluido em uma direção; a placa com canto vivo pode medir vazão bidirecional.

Enquanto as normas diferem acerca do mínimo número de Reynolds aceitável, o valor de 10.000 (104) é o consensual. O máximo número de Reynolds pode ser igual a 3,3 x 107.

Canto cônico e arredondado Quando o número de Reynolds está

abaixo de 104 (fluidos viscosos, tubulações com pequenos diâmetros), é mais conveniente o uso de placa com o canto do orifício a montante arredondado ou cônico.

Em tubulações pequenas, com diâmetros entre 12 mm a 40 mm (1/2" a 1 1/2") os efeitos das rugosidades da tubulação, da excentricidade da placa e do canto vivo de furo são amplificados, resultando em coeficientes de descarga imprevisíveis.

O contorno arredondado ou cônico possui coeficientes de descarga mais constantes e previsíveis, para números de Reynolds baixos. Para Re baixo, o coeficiente de um orifício com canto vivo reto pode variar de até 30%, mas para canto

arredondado ou cônico o efeito é apenas 1 a 2%.

Fig. 10.8. Placa com canto cônico

Orifício excêntrico e segmentado A placa com orifício excêntrico e com

orifício segmentado constitui uma alternativa de baixo custo para a medição de fluidos difíceis, com sujeira e com sólidos em suspensão

A desvantagem de seu uso é a pequena quantidade e disponibilidade dos dados experimentais.

Orifício de restrição Sob o ponto de vista de construção e

geometria, não há diferença entre a placa de orifício e o orifício de restrição. A diferença está na aplicação:

1. O orifício de restrição é aplicado para criar uma determinada queda de pressão fixa ou para limitar a vazão instantânea. Seu tag é RO ou FO.

2. A placa de orifício é aplicada para medir vazão. Seu tag é FE.

O orifício de restrição é dimensionado como a placa; o mínimo β é de 0,10 e não há limite para o b máximo. Como não há medição da vazão, não há tomadas da pressão diferencial, embora possa haver indicações da pressão a jusante e a montante.

Por exemplo, quando se usa um chuveiro elétrico nos andares inferiores de um prédio alto, deve-se usar um orifício de restrição na entrada do chuveiro para proteger o seu diafragma contra alta pressão. Este orifício de restrição geralmente é fornecido com o chuveiro.

Furo para condensado ou vapor Embora a norma não mencione, é uma

prática comum se ter um pequeno furo adicional na placa de orifício. Quando se tem

Placa de Orifício

258

a medição de vazão de gás com condensado, utiliza se o furinho abaixo do furo principal, para a passagem do condensado e quando se tem líquido com gás em suspensão, o furinho deve ser acima do orifício principal.

O furinho adicional deve ficar tangente a parede interna do tubo. O diâmetro deste furo adicional não pode exceder a 5% do furo principal.

Porta-placa Quando há a necessidade de trocas

freqüentes e rápidas da placa de orifício sem interrupção do processo e sem uso de bypass, como na medição de vazão de gás e óleo em plataformas marítimas, é comum o uso de um dispositivo, errônea mas comumente chamado de válvula Daniel ou Pecos.

A troca pode ser feita com e sem a despressurização da linha. O dispositivo possui dois compartimentos isolados entre si. Durante a instalação ou a remoção da placa, o compartimento de cima fica selado do inferior, que mantém a placa na posição de operação.

Fig. 10.9. Porta placa (Daniel)

Fig. 10.10. Tomada tipo flange

4.3. Montagem da Placa A placa de orifício é montada em uma

tubulação, sendo colocada entre dois flanges especiais. Os flanges que sustentam a placa de orifício podem incluir as tomadas da pressão diferencial.

A qualidade da instalação afeta o desempenho da placa. A vazão medida deve ter perfil de velocidade plenamente desenvolvido e não deve haver distúrbios antes e depois da placa. O distúrbio a montante afeta mais a medição que o distúrbio a jusante. Válvulas, curvas, conexões, bombas e qualquer outro elemento de distúrbio de vazão podem distorcer o perfil da velocidade e criar redemoinhos, introduzindo grandes erros na medição. Por isso, são requeridos trechos retos de tubulação antes e depois da placa. A norma ISO 5167 (1991) apresenta uma tabela com os comprimentos de trechos retos (em D) a montante e a jusante, em função dos diferentes tipos de distúrbios. Tipicamente, a jusante deve se ter um comprimento reto no mínimo igual a 4D e a montante, o trecho reto mínimo deve ser de 10 a 54D, onde D é o diâmetro interno da tubulação. Quando se reduz pela metade o trecho reto a montante ou jusante, a incerteza da medição aumenta de ±0,5%.

O tamanho requerido da tubulação reta antes e depois do elemento primário depende do elemento primário. Estas informações relacionadas com a placa de orifício, bocais e tubo venturi estão estabelecidas em normas (ANSI 2530; ASME e ISO 5167). Há pequenas diferenças entre estas normas. A norma ISO é mais conservativa, exigindo os maiores trechos retos mínimos.

Para os outros medidores menos comuns e específicos, como Annubar, lo-loss, consultar o fabricante e seguir suas recomendações.

Quando há dificuldades relacionadas com os comprimentos de trechos retos, a colocação de retificadores de vazão antes da placa possibilita o uso de menor comprimento reto. Porém, a colocação de retificadores eleva o custo da instalação eliminando a grande vantagem do sistema.

Quando todas as outras condições são mantidas constantes, quanto maior o β da placa, maiores trechos retos são necessários.

A condição da tubulação, das seções transversais, das tomadas da pressão diferencial, dos comprimentos retos a montante e a jusante do elemento primário, as linhas do transmissor de pressão diferencial afetam a precisão da medição. Alguns destes parâmetros podem ter

Placa de Orifício

259

pequena influência, outros podem introduzir grandes erros de polarização.

A instalação do elemento primário deve estar conforme as condições de referência e as normas.

A norma ISO 5167 (1991) fornece as exigências para a tubulação de referência:

1. a condição visual do lado externo da tubulação, quanto ao efeito de trecho reto e da circularidade do diâmetro da seção.

2. a condição visual da superfície interna da tubulação.

3. a condição de referência para a rugosidade relativa da superfície interna da tubulação.

4. a localização dos planos de medição e o número de medições para a determinação do diâmetro interno médio da tubulação (D).

5. a especificação de circularidade para o comprimento especifico da tubulação que precede o elemento sensor.

6. o máximo desnível permissível entre a tubulação e o medidor de vazão.

7. a precisão do coeficiente de descarga.

A garantia do bom desempenho da placa depende da inspeção periódica da placa e se necessário, da limpeza da placa. O período das inspeções é função das características do fluido, se ha formação rápida de lodo, se corrosivo, se abrasivo.

4.4. Tomadas da Pressão Diferencial

A pressão diferencial gerada pela placa de orifício deve ser medida e condicionada em uma forma mais útil. Fisicamente, ambas as tomadas devem ter o mesmo diâmetro, devem ser perpendiculares a tubulação e não devem ter rugosidade e rebarba no ponto de contato.

As tomadas da pressão diferencial associadas com a placa de orifício podem ser de cinco tipos básicos, cada tipo com vantagens e desvantagens.

Flange As distâncias a montante e a jusante são

iguais entre si e iguais a 1". É a montagem aplicável para as tubulações com diâmetro maiores que 25 mm (1"). É a montagem mais usada no Brasil.

Canto As tomadas são feitas rente a placa; as

distâncias são iguais a zero. Esta montagem é conveniente para pequenas tubulações. Fisicamente se mede a pressão junto a placa mas externamente as tomadas são feitas através das flanges, como na tomada tipo flange.

Raio A distância a montante é de D e a

jusante, de 0,5D. A posição das tomadas independe do

beta da placa. É uma montagem muito pouco usada.

Vena contracta A máxima pressão gerada não acontece

exatamente na posição de orifício mas em um ponto logo após a placa, chamado de vena contracta. Teoricamente, este é o ponto ideal para a medição da pressão diferencial, pois se tem o menor erro relativo.

Na prática, isso não é muito vantajoso, pois o ponto de mínima pressão varia com o beta da placa. Quando se troca a placa de orifício, a tomada a jusante deve ser recolocada. O ponto de tomada a jusante é dado por curvas e tabelas disponíveis.

Fig. 10.11. Tomada vena contracta

Placa de Orifício

260

Tubo (Pipe) A distância a montante é de 2,5D e a

jusante, 8D. A tomada tipo tubo é conveniente quando se tem pequeno sinal de pressão diferencial. Tipicamente isso acontece em medição de gás, em vazões pequenas e com β grande.

Fig. 10.12. Tomada tipo tubo

4.5. Perda de Carga e Custo da Energia

Em muitas aplicações, o custo da energia extra resultante da perda de carga permanente é um fator importante na seleção do medidor de vazão. Os custos de bombeamento são muitas vezes significativos, em grandes tubulações e podem justificar a seleção de um medidor de vazão com custo inicial elevado mas com pequena perda de carga permanente.

A perda de carga permanente expressa em percentagem da pressão diferencial gerada pelo elemento sensor pode ser determinada através de curvas ou pode ser calculada matematicamente.

Para uma placa de orifício com canto vivo, a relação entre a perda de carga permanente, Pp, o b da placa e a pressão diferencial gerada Δp é

)1(PP 2

p β−Δ= Por exemplo, para uma placa com canto

reto e para os limites 0,25 < b < 0,75, os limites da perda de carga permanente ficam entre, respectivamente, 94 e 44% da pressão diferencial provocada.

Fig.15.13. Perdas de carga da placa e do venturi

Fig. 10.14. Perdas de carga de diferentes sensores Experimentalmente, tem se para o bocal,

35% da pressão diferencial para b = 0,75 e 75% da pressão diferencial para b = 0,40.

Para o tubo venturi, com cone de 15 graus, a perda de carga varia entre 12 e 30% da pressão diferencial.

Para o tubo venturi Herschel, com cone de 7 graus, a perda é praticamente constante e vale a 15% da pressão diferencial.

Para o tubo venturi universal, a perda de carga varia de 4 a 8% da pressão diferencial.

Placa de Orifício

261

4.6. Protusões e Cavidades Se houver protusão ou cavidade na

tubulação, antes ou depois do elemento primário, mas próximo dele, o perfil da velocidade do fluido é afetado. As gaxetas e os pontos de solda que se prolongam na tubulação aumentam a turbulência do fluido e alteram o perfil de velocidade.

Quando se mede a temperatura do processo para a sua compensação, o poço termal deve ser localizado após o elemento sensor e a uma distância adequada para assegurar a mínima distorção no perfil.

Quando se mede a pressão estática do processo para a sua compensação, a tomada de pressão pode ser feita na tomada de baixa ou de alta da pressão diferencial.

4.7. Relações Matemáticas Mais importante que o enfadonho

desenvolvimento das equações teóricas é a definição dos parâmetros envolvidos. É importante entender a origem destes parâmetros por que eles são eventualmente usados nas equações de trabalho para o dimensionamento dos medidores.

Fig. 10.15. Pressão diferencial gerada pela placa

Precisão do sistema A medição de vazão com placa de orifício

é precisa o suficiente para ser aceita legalmente em operações de compra e venda de produtos.

Enquanto se fala de uma precisão de 0,5% do fundo de escala para a placa isolada, a instalação completa possui precisão próxima de 5% do fundo de escala.

Rangeabilidade do medidor Define-se como rangeabilidade de um

medidor, a relação do máximo valor medidor dividido pelo mínimo valor medidor, com o mesmo desempenho. A rangeabilidade é inerente a relação matemática que envolve a

variável de processo medida com a grandeza fisicamente sentida.

Tab. 9.1. Algumas incertezas da medição com placa

Precisão do transmissor ±1 % Precisão do receptor ±1 % Tolerância do b ±0,2 % Incerteza da medição da pressão ±0,8% Incerteza da medição da temperatura ±0,8% Incerteza do coeficiente descarga ±0,5 % Incerteza do comprimento reto tubo ±0,5 % Precisão-Incerteza final ±5%

Nota: Algumas incertezas são expressas em % do valor

medido e outras em % do fundo de escala e por isso a incerteza final é em % do fundo de escala.

A pressão diferencial gerada pela placa

de orifício é proporcional ao quadrado da vazão. Esta relação não linear entre a vazão e a pressão diferencia medida torna pequena a rangeabilidade da medição.

A rangeabilidade típica é de 3:1. Isto significa que um sistema de medição de vazão com placa de orifício dimensionado para medir a vazão máxima de 100 LPM, com a precisão de ±2% do fundo de escala, medirá a vazão mínima de 33 LPM com aproximadamente a mesma precisão de ±2%. As vazões menores que 33 LPM terão erros maiores que ±2%.

Tipicamente, uma placa de orifício que desenvolve uma pressão diferencial de 100" de coluna d'água correspondente a 100% da vazão desenvolverá uma pressão diferencial de somente 1" quando a vazão for 10% da projetada. Mais ainda, uma alteração de 10% para 9% da vazão real produz uma variação na pressão diferencial de 1" para 0,81" de coluna d'água, menos que 0,1% da largura de faixa total. Esta não linearidade, com resposta reduzida no início da escala, introduz complicação na indicação, registro, controle e computação da vazão.

Quando se quer aumentar a rangeabilidade da medição, usam-se dois ou três transmissores associados a uma única placa de orifício. Cada sistema mede uma faixa e eles são escalonados para a medição de vazões progressivamente decrescentes. O chaveamento automático transfere a vazão de um medidor para outro, dependendo da vazão. Tais sistemas são efetivos e resolvem o problema da pequena rangeabilidade inerente aos sistemas de medição de vazão a pressão diferencial porém sacrificam a

Placa de Orifício

262

simplicidade básica, a confiabilidade e a economia do medidor convencional.

É ilusório pensar que a utilização do extrator de raiz quadrada aumenta a rangeabilidade da medição de vazão com placa de orifício. Mesmo que o extrator de raiz quadrada possibilite o uso de escala linear, o instrumento tem também dificuldade para detectar os pequenos valores da vazão.

Medição da vazão mássica O sistema com placa de orifício mede a

vazão volumétrica do fluido. Na maioria das medições de vazão de

líquido, a variação da densidade é pequena o suficiente para ser desprezada. A vazão mássica do fluido incompressível é praticamente igual a vazão mássica, a menos de uma constante de multiplicação.

Na maioria das medições de gases e vapores, porém, a alteração na densidade causada pelas variações da temperatura e da pressão estática devem ser compensadas.

Para a vazão mássica, a leitura do medidor a pressão diferencial varia inversamente com a raiz quadrada da densidade. Para a vazão volumétrica a indicação do medidor a pressão diferencial varia diretamente com a raiz quadrada da densidade.

Como uma conseqüência da relação raiz quadrática entre a vazão e a pressão diferencial gerada, as variações moderadas da densidade produzem variações na vazão de somente metade da variação da densidade. Por exemplo, uma variação de 10% na densidade produz uma variação de 5% na indicação, para a mesma vazão. A direção da variação da vazão requerida depende se está se medindo vazão mássica ou volumétrica.

As medições de vazão com calhas são uma exceção para os problemas de densidade, desde que a medição de vazão se baseia no nível medido.

As equações da vazão volumétrica e mássica para os líquidos são também válidas para os gases, desde que se inclua o fator de expansão. Este fator leva em conta a variação da densidade antes e depois da restrição. Em termos de velocidade, o fator de expansão é definido como a relação da velocidade real dividida pela velocidade teórica.

Influência do número de Reynolds Os medidores pressão diferencial são

também afetados pela variação no número de Reynolds do fluido cuja vazão está sendo medida. Um simples e único fator de correção

para o número de Reynolds compensa os efeitos combinados da viscosidade, velocidade e diâmetro relativo da tubulação. Para grandes tubulações, altas velocidades e baixas viscosidades dos fluidos, o número de Reynolds é grande e as correções requeridas são geralmente desprezíveis.

Quando a vazão passa de turbulenta para laminar, diminuindo o número de Reynolds, a correção se torna necessária e importante. Uma conseqüência importante e útil da correção do número de Reynolds é que, para a medição precisa, um sistema de medição de vazão tipo pressão diferencial pode ser calibrado com água. A vazão de outros fluidos, incluindo gases, pode ser precisamente determinada da medição de pressão diferencial e da densidade real do fluido, levando em consideração as correções para quaisquer diferenças entre o número de Reynolds nas condições de operação e o número de Reynolds nas condições de calibração.

4.8. Fatores de Correção A perda da energia através do elemento

primário e a expansão do gás ou do vapor na baixa pressão, depois do elemento sensor requerem vários fatores de correção.

Os mais significativos são o coeficiente de descarga, o fator de expansão racional do gás e o coeficiente de atrito.

Fator de descarga Teoricamente a energia é conservada

através do medidor de vazão. Na prática, alguma energia é perdida no medidor, devido ao atrito. A queda de pressão real é maior do que a teórica.

A introdução do medidor de vazão na tubulação altera a própria vazão, diminuindo-a. Ou seja, a vazão do processo diminui, quando se coloca o medidor de vazão. Esta diminuição depende da geometria do medidor.

É conveniente, portanto, definir um fator que reflita o grau de interferência do medidor de vazão na própria vazão. Assim aparece o coeficiente de descarga.

Define-se o coeficiente de descarga como a relação entre a vazão real (com o medidor) e a vazão teórica (sem o medidor).

O fator de descarga C corrige a equação da vazão teórica para a vazão real, baseando se em dados experimentais obtidos em laboratório hidráulico.

Para os medidores de vazão geradores de pressão diferencial, o coeficiente de descarga é função da velocidade, do fator de velocidade de aproximação, da densidade do

Placa de Orifício

263

fluido, da pressão diferencial gerada e inversamente proporcional ao beta do medidor. Ou seja, o coeficiente de vazão, tomado como constante, não é constante mas função do número de Reynolds e da geometria do elemento primário.

A vazão teórica é dada pelas equações usando se a pressão diferencial e a densidade media do líquido no intervalo da coleta de dados. A vazão real é determinada, coletando se a massa ou o volume do líquido em um recipiente de volume conhecido, em um determinado intervalo de tempo.

Fig. 10.16. Coeficiente de descarga de diferentes elementos

A evidencia experimental mostra que o

coeficiente de descarga varia com o perfil da velocidade da tubulação.

Na literatura técnica, se define o coeficiente de vazão, relacionado diretamente do coeficiente de descarga. O coeficiente de vazão (K) é igual ao produto do coeficiente de descarga (C) e a velocidade de aproximação (E).

Matematicamente, K = C E

onde

41

1Eβ−

=

Na prática, o coeficiente de descarga é

encontrável em tabelas e usa seu valor, de modo iterativo, quando se dimensiona a placa de orifício e os outros elementos primários.

Fator de expansão A hipótese da densidade constante entre

as duas tomadas de pressão não é valida para fluido compressíveis como os gases. A densidade diminui quando um gás é expandido. Assim, a densidade do gás fica

menor depois do elemento primário de vazão, por causa da queda da pressão provocada.

O fator de expansão do gás é introduzido na equação para corrigir esta expansão. Este fator é baseado em dados experimentais ou derivados da equação da energia em regime da termodinâmica para a correção da variação da densidade.

Assumindo que o coeficiente de descarga determinado para os líquidos se aplica para o gás, o fator de expansão do gás é definido como a relação da vazão verdadeira do gás e a vazão calculada pela equação do líquido.

O fator de expansão do gás se baseia na pressão a montante (antes) do elemento primário. Quando se usa a tomada a jusante (depois) do elemento primário deve se usar um fator de correção.

4.9. Dimensionamento do β da Placa

Atualmente, o dimensionamento da placa de orifício é feito através de programas de computador PC (p. ex., ISA Kenonic, versão 3). Para se estimar o β aproximado da placa, usa-se régua de cálculo específica , ábacos ou programas shareware de fabricantes.

Dimensionar uma placa é calcular o seu β, que é a relação entre o diâmetro do furo interno e o diâmetro interno da tubulação. Tem-se:

β=d/D O β é o parâmetro mais significativo da

placa de orifício. Tipicamente, o β deve estar entre 0,15 e 0,75 para líquido e 0,20 e 0,70 para gases e vapores.

Quanto menor o β, maior é a pressão diferencial gerada. Como vantagem, é mais fácil a detecção desta pressão diferencial e como desvantagem, tem se grande perda de carga permanente. Quanto maior o β, menor é a pressão diferencial gerada. Como vantagem, tem se menor perda de carga permanente na tubulação e portanto menor custo e menor energia de bombeamento e como desvantagem tem se a dificuldade de se detectar as pequenas faixas de pressão diferencial.

Filosofia de dimensionamento Na medição de vazão há duas filosofias

básicas relacionadas com o dimensionamento da placa: 1. arbitra se uma pressão diferencial,

geralmente em valores inteiros e convenientes, p. ex., 0 a 2500 mm (100") ou 0 a 200 mm (50") H2O e calcula se a

Placa de Orifício

264

relação β da placa, aplicando se os fatores de correção por causa das incertezas dos dados de vazão. Esta opção é mais conveniente para o pessoal de manutenção e de instrumentação, pois as faixas de calibração são padronizadas e com valores inteiros. Todas as placas de orifício podem ser dimensionadas para produzir a mesma pressão diferencial, permitindo a padronização do elemento sensor ou da calibração do transmissor de pressão diferencial

2. constrói se a placa de orifício com relação β conveniente, geralmente 0,500 ou 0,600 e se calcula a faixa de pressão diferencial para a calibração do transmissor. Esta alternativa é mais conveniente para o pessoal que constrói a placa. Aliás, esta opção permite que se tenha placa de orifício já pronta, em estoque. De modo a se calcular o diâmetro do furo

do elemento primário, deve se conhecer o coeficiente de descarga. A não ser que o coeficiente seja constante, como no caso do tubo venturi, o coeficiente de descarga é uma função do diâmetro do furo. Para a vazão do gás, o fator de expansão é também função do furo. Assim, é requerida uma solução iterativa para a determinação do furo do elemento primário, de modo que a vazão, tamanho da tubulação e a pressão diferencial satisfaçam a equação teórica.

Parâmetros do dimensionamento da placa Dimensionar a placa de orifício é

basicamente determinar o diâmetro do seu furo. Ou então, calcular o beta da placa, que é a relação entre o diâmetro do furo com o diâmetro interno da tubulação.

O dimensionamento da placa de orifício para satisfazer as exigências do processo é uma operação clara e direta. Embora sejam semi-empíricos, os cálculos são baseados na equação de Bernoulli, que é derivada das considerações básicas de balanço de energia.

São parâmetros interdependentes: a relação beta da placa de orifício, a vazão máxima, a densidade do fluido, a temperatura e a pressão estática do processo, a pressão diferencial gerada, o número de Reynolds, o fator de compressibilidade, o fator de expansão térmica e outros fatores.

A vazão (velocidade), a densidade do fluido, a pressão estática e a temperatura são conhecidas a priori, por que são os dados fornecidos pelo processo. A pressão diferencial pode ser livremente arbitrada e

pode ser padronizada em algumas poucas faixas de calibração do transmissor.

Os fatores de compressibilidade, expansibilidade e outros fatores corretivos são determinados também a partir das condições do processo.

Como conseqüência, a relação beta e o coeficiente de descarga são os únicos parâmetros desconhecidos da equação e o dimensionamento envolve estas determinações.

Passos da Dimensionamento 1. Selecionar a vazão máxima e a

pressão diferencial máxima correspondente. Em aplicações de gases, a pressão diferencial deve ser selecionada de modo que a variação do fator de expansão seja mantido menor que 1%, ou

04,0PP

≤Δ

Quando se tem a pressão diferencial expressa em de coluna d'água e a pressão estática em psia, a relação deve ser

0,1PP

psia

.a.c" ≤Δ

Quando não se conhece a vazão de

projeto, deve-se assumi-la igual a 80% da vazão máxima. A pressão diferencial assumida deve ser de 0 a 100" c.a. (25 kPa)

2. Calcular o número de Reynolds na vazão de projeto e nas condições de operação, para garantir que ele seja maior que os mínimos especificados.

Tab. 9.2. Números de Reynolds mínimos

Elemento Líquido Gás (vapor) Placa RD≥10 000 RD≥10 000 Venturi RD≥100 000 RD≥10 000 Lo-loss RD≥100 000 RD≥10 000

3. Calcular o fator de dimensionamento

na vazão de projeto e nas condições de operação:

Vazão mássica para Líquido

PFDNFWS

p2

aM

Δρ=

Vazão mássica para Gases

Placa de Orifício

265

PDNFWS

2a

MΔρ

=

Vazão volumétrica para Líquidos

PDNF

FQS

2a

pM

Δ

ρ=

Vazão volumétrica para Gases, nas

condições reais

PDNFQS

2a

MΔ

ρ=

Vazão mássica de gás com os fatores

Fpb, Ftb, Ftf, Fpv

f2

tfpva

gbM PPDFFNF

FZWS

×Δ=

Vazão volumétrica para gás usando

fatores Fpb, Ftb, Ftf, Fpv

PDZFFNFPFF

QS2

btfga

fpvtfM

Δ=

4. Calcular o bo aproximado usando SM

M21 SkkC +=

41

2

M

M21o S

Skk1

−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++=β

4

12

2M

1o k

Sk1

−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=β

Por exemplo, para a placa de orifício,

com tomadas tipo canto, flange e D e D/2, RD<200 000

41

2

Mo 06,0

S6,01

−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=β

RD>200 000

41

2

Mo S

6,01

−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=β

5. Usando o β e a tabela do fator de

compressibilidade, calcular o coeficiente de descarga que tem a forma:

nDR

bCC += ∞

6. Para líquidos, fazer Y1 = 1,0. Para

gases, calcular o fator de expansão Y1 a montante do medidor.

7. Calcular o β aproximado como

41

2

M

1

SYC1

−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×+=β

8. Repetir 5, 6 e 7, até que duas iterações

consecutivas de β difiram menos que 0,0001.

9. Calcular o furo da placa usando

Dd ×β=

4.10. Sensores da Pressão Diferencial

A placa de orifício gera a pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão medida. Deve se, depois, medir e condicionar esta pressão diferencial gerada para completar o sistema de medição da vazão. Os instrumentos mais usado para medir a pressão diferencial são o transmissor de vazão e o diafragma.

Diafragma Sensor de Pressão Diferencial Em algumas aplicações o transmissor de

pressão diferencial pode ser substituído pelo diafragma ou câmara Barton, que sente a variável pressão diferencial e produz na sua saída um pequeno movimento.

O diafragma é usado principalmente em locais onde não se dispõe de energia elétrica ou pneumática para alimentar o transmissor. O diafragma não necessita de alimentação externa; a pressão diferencial medida produz um torque com energia suficiente para posicionar um ponteiro de indicação, uma

Placa de Orifício

266

pena de registro ou um mecanismo de controle.

Esquema de funcionamento

Diafragma ou câmara Barton desmontada

Fig. 10.17. Diafragma ou Câmara BArton

Fig. 10.18. Diafragma instalado no registrador de vazão

Fig. 10.18. Diafragma instalado no registrador de vazão

Transmissor de Pressão Diferencial O transmissor de pressão diferencial,

pneumático ou eletrônico, é o instrumento mais usado em associação com o elemento primário gerador da pressão diferencial.

O transmissor possui uma cápsula com grande área sensível, para ser capaz de detectar as pequenas faixas de pressão diferencial. Ele deve suportar alta pressão estática, tipicamente até 400 kgf/cm2. Quando há problema no elemento primário, de modo que esta alta pressão estática fica aplicada em apenas uma das tomadas, a cápsula do transmissor deve possuir proteção de sobrefaixa e não se danificar. Esta classe de transmissores, aplicáveis principalmente para a medição de vazão e de nível é chamada genericamente de d/p cellR. (R Foxboro Co).

Fig. 10.19 Transmissor de pressão diferencial Fig. 10.20. Planímetro no gráfico

267

Turbina

1. Introdução A turbina é um medidor de vazão

volumétrica de líquidos e gases limpos, da classe geradora de pulsos, que extrai energia da vazão medida. A turbina é largamente usada por causa de seu comprovado excelente desempenho, obtido a partir de altíssimas precisão, linearidade e repetitividade. A precisão da turbina é melhor que a de muitos outros medidores de vazão em regime turbulento e é usada como padrão para a calibração e aferição de outros medidores.

A medição com sucesso e precisão da vazão com uma turbina depende de vários fatores. Inicialmente deve se selecionar o medidor e o equipamento condicionador de sinal corretos. A seleção é função de

faixa da vazão rangeabilidade temperatura pressão

várias propriedades do fluido (densidade, viscosidade, capacidade de lubrificação, compatibilidade química com o material das partes molhadas do medidor)

Partículas contaminantes e sujeiras em suspensão influem na precisão da medição e na sobrevivência da turbina. A seleção dos circuitos eletrônicos associados depende do ambiente, da informação desejada e do tamanho, rangeabilidade e linearidade do medidor.

Uma vez todos os componentes do sistema tenham sido selecionados corretamente, eles devem ser calibrados de modo que a sua medição seja válida. A viscosidade do líquido e a densidade do gás são muito importantes neste ponto. Por exemplo, uma turbina calibrada em água não pode possivelmente fazer uma medição precisa de óleo combustível. Muitos usuários fazem medições baseadas em fator de calibração marcado na turbina sem considerar a validade deste fator para o fluido específico que está sendo medido naquele momento.

2. Tipos de Turbinas Há turbinas mecânicas e com detecção

elétrica. Há três tipos básicos de medidores de vazão tipo turbina com detecção elétrica:

1. o tangencial para baixa vazão de gás, 2. o de inserção em grandes tubos e 3. o convencional axial de bitola integral.

Turbina mecânica As turbinas mecânicas tem um

acoplamento mecânico entre o rotor e o sistema de indicação e totalização da vazão. Este acoplamento é feito através de engrenagens e elos mecânicos. A turbina mecânica não requer nenhuma alimentação externa pois utiliza a própria energia do processo para seu funcionamento.

Fig. 11.1. Turbina mecânica

Fig. 11.2. Turbina com acoplamento elétrico

Turbina

268

3. Turbina Convencional O medidor de vazão tipo turbina mais

usado é o que utiliza o rotor com eixo longitudinal a vazão, com bitola integral, com diâmetro aproximadamente igual ao da tubulação.

Princípio de Funcionamento O princípio básico de funcionamento da

turbina é o seguinte: a vazão do fluido a ser medida impulsiona o rotor da turbina e o faz girar numa velocidade angular definida. A rotação das pás da turbina é diretamente proporcional a vazão do fluido. Através da detecção mecânica ou eletrónica da passagem das lâminas do rotor da turbina pode se inferir o valor da vazão. Há a geração de pulsos com freqüência linearmente proporcional a velocidade do fluido e como conseqüência, diretamente proporcional a vazão.

Fig. 11.3. Partes constituintes da turbina

Partes Constituintes

Corpo O corpo da turbina abriga o rotor, as peças

internas e os suportes. O fluido a ser medido passa pelo interior do corpo. O corpo da turbina é montado como um carretel sanduichado na tubulação.

O corpo da turbina deve suportar a temperatura e a pressão de operação do processo e por isso o seu material deve ter uma resistência mecânica adequada. Como o fluido do processo molha diretamente o corpo da turbina, a escolha do seu material é função da compatibilidade com o fluido do processo, sob o aspecto de corrosão química. Porem, a função dos componentes requer ou rejeita alguns tipos de materiais e isso deve ser considerado na seleção do material do corpo. Por exemplo, para o detector operar corretamente, o material do corpo entre o rotor e o detector não pode ser magnético. As

lâminas do rotor devem ser magnéticas, para serem detectadas pelo pickoff.

O corpo da turbina pode ser feito de vários tipos de ligas metálicas e polímeros químicos. O material mais usado é o aço inoxidável 316 e o 303, com a inserção de aço 304 na posição do detector. Para fluidos particularmente corrosivos, são usadas ligas especiais. Os materiais não metálicos são o nylon® e o PVC.

O corpo da turbina pode ter as guarnições terminais com roscas fêmeas NPT, flangeadas ou outros tipos menos comuns (Grayloc®, Victanlic®, Tridover®.) Quando as flanges são escolhidas, deve se indicar a classe de pressão.

Fig. 11.4. Conexões flangeadas e rosqueadas O diâmetro da turbina expressa o seu

tamanho. A máxima vazão a ser medida é o parâmetro determinante do tamanho da turbina. Para a medição de líquidos, a vazão é especificada em GPM ou LPM; para os gases a vazão volumétrica deve ser especificada na condições reais de pressão e temperatura.

Há limites da vazão máxima por causa dos limites naturais da velocidade rotacional impostos pela estatura do rotor e dos mancais, da cavitação provocada pelas lâminas e pela grande perda permanente. Há também limites inferiores de vazão, por causa da detecção e da não-linearidade da região.

Fig. 11.5. Rotor da turbina

Turbina

269

Rotor A turbina com vazão axial possui um rotor

com lâminas girando sobre mancais que são suportados por um eixo central. Todo o conjunto é montado centralizado dentro do corpo por suportes que também possuem retificadores da vazão, a jusante e a montante. A velocidade angular rotacional é proporcional a vazão volumétrica do fluido que passa através do medidor.

Em cada momento que uma lâmina passa pelo detector, um pulso é gerado. O sinal de saída e um trem de pulsos, com cada pulso correspondendo a um volume discreto do fluido. A totalização dos pulsos dá o volume que passou e a freqüência dos sinais indica a vazão instantânea.

Quando a vazão é constante, o torque de acionamento do rotor gerado pelo impacto do fluido nas lâminas balanceia exatamente a força de arraste causada pelos rolamentos, pela viscosidade do fluido e pela força de retorno do detector magnético.

As lâminas do rotor são geralmente feitas de aço magnético para gerar um pulso com amplitude suficiente de ser detectada. O aço inox 316, padrão para o corpo, não pode ser detectado magneticamente e o material padrão é o aço inox ferrítico 430 ou 416. Quando não se pode usar um material magnético compatível com o fluido a ser medido, usa-se um rotor com material não magnético e um material magnético para revestir as extremidades das lâminas. Quando há problemas de corrosão, usam se ligas especiais; por exemplo, a liga Hastelloy® pode ser detectada magneticamente.

Mancais e Suportes As funções do mancal dentro da turbina

são as de evitar que o rotor seja levado pela pressão dinâmica do fluido e posicionar o rotor corretamente em relação ao jato do fluido. Ele deve oferecer pequeno atrito de arraste e deve suportar os rigores do processo, como temperaturas extremas, corrosão, abrasão, transientes de vazão e de pressão, picos de supervelocidade. A rangeabilidade e a linearidade da turbina dependem do desempenho dos mancais e suportes.

Há três tipos de mancal radial: esférico (ball), cilindro (jornal) e cônico (pivô).

Mancal esférico Os mancais são com rolamentos esféricos

de baixo atrito, comumente de aço inoxidável 440C. Ambos os mancais são usados com um rotor balançado com preciso, com pás usinadas a um ângulo apropriado para melhorar a linearidade e a repetitividade da turbina. Os

mancais esféricos oferecem pequena força de arraste e por isso a turbina tem as características de grande rangeabilidade e excelente linearidade. Os rolamentos são facilmente substituídos e a substituição não influi praticamente no desempenho e não necessita de nova recalibração.

Além dos rolamentos, os mancais possuem retentores para manter o espaçamento e o alinhamento das esferas. Estes retentores são de aço inox 303 ou 410, liga fenólica ou fibra com teflon. Estes materiais devem ser compatíveis com o fluido do processo.

O conjunto do mancal e rotor é fixado axial mente no interior da carcaça, através dos cones e estruturas de apoio.

As aplicações da turbina com rolamentos esféricos são para fluidos limpos e lubrificantes, como óleos hidráulicos, vegetais e de combustão. A grande limitação dos mancais esféricos é que eles são disponíveis somente em aço inox 440C e por isso não podem ser usados em fluidos incompatíveis com ele. Eles não se aplicam para a medição de água, ácidos ou fluidos com partículas em suspensão.

Mancal cilindro O mancal cilindro consiste de um eixo

acoplado a uma luva (sleeve). Pela escolha dos materiais do eixo e da luva pode-se obter uma configuração lisa e polida para a corrosão ou dura e resistente para a erosão e conveniente para manipular fluidos sem lubrificação e com contaminantes.

Os materiais típicos são o carbeto de tungstênio, a cerâmica e o stellite®, que são extremamente duros e resistentes a fluidos corrosivos e erosivos; o teflon® reforçado e o grafite associados ao eixo metálico são excelentes para manipular fluidos não lubrificantes, que não sejam corrosivos ou abrasivos.

Os suportes cilindros (jornal) são caracterizados por grande força de arraste devido ao atrito de deslizamento e por isso as turbinas possuem uma rangeabilidade menor e uma pior linearidade. O seu desgaste pode alterar a força de arraste e quando há troca dos mancais, é necessária nova calibração da turbina.

Mancal pivô O terceiro tipo de mancal consiste de um

eixo suportado por uma superfície cônica. A ponta do eixo pode rolar ou deslizar, depende da carga. O eixo e o suporte são de materiais duros. Por exemplo, a combinação de eixo de carbeto de tungstênio com suporte de safira pode ser usada em turbinas para medir vazões

Turbina

270

muito baixas, de fluidos corrosivos e com contaminantes.

Os suportes tipo pivô oferecem menos atrito de partida e de operação que os mancais esféricos. Por causa da pequena área de contato do eixo com o suporte, as cargas do suporte não podem ser muito elevadas. Por isso, estes medidores são mais frágeis, temem vibração e choques mecânicos e não podem operar em alta **velocidade.

Materiais A escolha do material dos mancais é

também limitada. Os mancais esféricos são disponíveis em aço inox 440C. Os mancais cilindros são limitados pelas exigência de atrito e de desgaste. As combinações mais usadas são: grafite ou materiais especiais de fibra e Rulon® contra aço inoxidável e carbeto de tungstênio contra stellite®. Em medidores pequenos, usa se a safira. Infelizmente, a exigência de material compatível com a função e com o fluido pode piorar a linearidade e a rangeabilidade do medidor.

Os retificadores de vazão, na entrada e na saída da turbina, podem ser construídos de qualquer material compatível com a fabricação, com o fluido e com as exigências da estrutura.

Detectores da Velocidade Angular O detector da velocidade gera uma tensão

alternada como resultado da passagem das lâminas do rotor que afetam a relutância variável do circuito magnético. O sinal de saída varia entre os fabricantes e usualmente está na faixa de 10 mV a 1 V rms. A freqüência do sinal depende do tamanho e do tipo: tipicamente varia de 10 Hz a 4 kHz. A maior freqüência apresenta maior resolução e é a mais usada.

A detecção da velocidade angular pode ser mecânica ou elétrica. A detecção elétrica pode ser magnética ou através de ondas de rádio freqüência.

Detecção mecânica O detector mecânico consiste de um

conjunto de eixos e de engrenagens conectados ao rotor para operar um contador mecânico. Estes modelos possuem pequena rangeabilidade, devido ao altos atrito, mas possuem a vantagem de não necessitar de fonte externa de alimentação.

Fig. 11.6. Turbina com impelidor e acoplamento mecânico

Detecção eletromagnética A detecção da velocidade angular da

turbina por sensores eletromagnéticos pode ser usada na maioridade das aplicações, excetuando as vazões muito baixas, em que o arraste magnético sobre o rotor afeta consideravelmente o desempenho.

A bobina detectora da velocidade é localizada externamente na parede do corpo e sente a passagem das lâminas. Existem dois tipos de sensores eletromagnéticos: de relutância e indutivo.

O tipo de relutância tem um ima localizado no centro de uma bobina. Esta bobina eletromagnética cria um campo de fluxo magnético. Quando as pás permeáveis do rotor atravessam o campo, gera-se um sinal de tensão senoidal, cuja freqüência depende da freqüência com que as pás do rotor da turbina rompem o campo magnético. Atualmente não se usa mais este detector porque ele apresenta uma grande força de arraste.

O sensor magnético do tipo indutivo requer um ima no rotor da turbina para criar o campo de fluxo magnético. É constituído de uma bobina em volta de um núcleo de ferro. Quando os campos de fluxo das pás magnetizadas do rotor passam pela bobina, é induzida uma corrente elétrica alternada com freqüência proporcional à velocidade do fluido e portanto, à vazão do fluido. A vantagem da detecção indutiva é a operação em temperatura mais elevadas. A desvantagem é a de ter menor rangeabilidade, pois a turbina não consegue medir vazões muito pequenas, por causa da força de arraste magnética.

Turbina

271

Fig. 11.7. Detecção elétrica da velocidade angular

Detecção com rádio freqüência O sensor da velocidade angular da turbina

com onda portadora ou do tipo RF não usa ima e por isso não há o problema da força de arraste magnético sobre o rotor.

A bobina faz parte de um circuito oscilador e a passagem de uma pá do rotor pelo campo de rádio freqüência altera a impedância, modulando a amplitude do sinal do oscilador. Usa-se um circuito amplificador para detectar esta variação da amplitude e fornecer um sinal de saída de pulsos com uma freqüência proporcional à velocidade de rotação da turbina. A vantagem do detector de RF é a possibilidade de medir vazões muito pequenas, aumentando a rangeabilidade da turbina. As desvantagens são a limitação da máxima temperatura de operação e a necessidade de usar o pré-amplificador de sinal.

Atualmente há o desenvolvimento de aplicações de Detectores ópticos. Esta detecção tem a vantagem da RF e adicionalmente é intrinsecamente segura porque usa cabos de fibra óptica.

Classificação Elétrica A turbina com detecção elétrica é um

instrumento elétrico e como tal necessita de uma classificação elétrica compatível com a classificação da área onde ele está montada. A classificação elétrica normal é de uso geral, para local seguro. Opcionalmente, a turbina pode ter a classificação elétrica de prova de explosão, para uso em local de risco, tipo Classe I, Grupos B, C e D e Divisão 1. Isto consiste de uma conexão NPT integral a turbina e ao detector que permite a instalação de um conduíte ou caixa que engloba o detector e todos os conectores.

Alguns fabricantes oferecem a opção com barreira de segurança intrínseca.

Fluido Medido

Turbina para gás O torque fornecido pelo gás é menor que o

do líquido e por isso a turbina para a medição de gás é caracterizada por um eixo do rotor mais volumoso, usado para criar um efeito venturi, diminuindo a área de passagem e aumentando a velocidade de entrada do fluido no rotor.

Como o gás oferece menos resistência a vazão que o líquido, pois sua viscosidade é muitíssimo menor, nas mesmas condições de contorno, passa na tubulação uma vazão de gás maior do que de líquido . Tipicamente, uma turbina de gás é projetada para passar 7,48 vezes mais gás do que líquido, para o mesmo diâmetro. (7,48 é o número de galões de 1,00 ft3).

A turbina de gás possui geometria e os internos diferentes da turbina de líquido. As lâminas do rotor da turbina de gás tem menor grau de elevação, para que o rotor gire na mesma velocidade.

Se uma turbina para líquido é usada para medir gás, a maior vazão volumétrica do gás irá provocar super velocidade no rotor e poderá destrui-la. Na prática, é o que pode acontecer quando uma turbina para líquido é lavada com vapor d'água. Se uma turbina para gás é usada para medir líquido, a combinação do menor ângulo de inclinação e a menor vazão volumétrica produz um torque de acionamento pequeno, girando o rotor em velocidade muito baixa e na região não linear.

A turbina para gás requer recalibrações mais freqüentes que a para líquido, por causa das variações na característica dos mancais.

Para os líquidos, que são praticamente incompreensíveis, a vazão em LPM é especifica. Para os gases compressíveis, o termo m3/h é ambíguo, pois o volume do gás está diretamente associado às condições de pressão e temperatura. Assim, é comum se ter as expressões vazão real e vazão padrão. A vazão real representa o volume do gás que passa efetivamente pelo medidor, na unidade de tempo. A vazão padrão representa a vazão volumétrica que passaria pelo medidor se o gás estivesse na pressão e na temperatura padrão. As vazões real e padrão estão relacionadas numericamente pela lei dos gases.

)PP)(

TT

(QQp

r

r

prp =

onde o índice r indica real e p, padrão.

Turbina

272

Para que a vazão volumétrica real medida tenha um significado útil, ela deve ser expressa na vazão volumétrica equivalente do gás, em condições de pressão e de temperatura aceitas como padrão. A vazão real deve ser comparada com sua equivalente padrão.

No dimensionamento da turbina deve-se usar o valor da vazão real, pois é esta que passa efetivamente pelo medidor.

Turbina para líquido A turbina para medir a vazão de líquidos é

a mais tradicional e a que apresenta menor dificuldade de construção, pois as condições de operação são mais favoráveis. O líquido é praticamente incompreensível, a densidade é maior que a do gás e normalmente, a pressão para a vazão de líquido é muito menor que a de gás. Por exemplo, para se ter o mesmo torque na turbina a velocidade da água é aproximadamente 30 vezes menor que a do ar.

Características As características de desempenho da

turbina, a não ser que seja dito o contrario, se referem às condições ambientes e devem ser indicadas nas unidades SI.

Faixa de vazão Expressa as vazões mínima e máxima que

podem passar dentro da turbina, tipicamente em m3/s.

Sensitividade A sensitividade da turbina é o seu fator K,

que é o elo entre os pulsos de saída da turbina (ciclos por segundo) e a vazão (volume por segundo). Como conseqüência, o fator K é expresso em ciclos por m3. Freqüentemente se usa o K médio, que é a sensitividade medida em toda a faixa de interesse do usuário. A média é obtida tomando-se os fatores Kmax e Kmin.

Queda de pressão A queda de pressão através da turbina, na

máxima vazão de projeto, é expressa em kPa a uma vazão máxima, quando usada como o fluido específico de medição.

A turbina provoca grande perda de carga, proporcional ao quadrado da vazão. Alguns rotores, quando travados por alguma fibra do fluido, podem interromper a vazão, bloqueando a tubulação.

Condicionamento do Sinal O sinal de saída do detector

eletromagnético da turbina é um trem de pulsos de tensão, com cada pulso representando um pequeno volume discreto do fluido. A saída elétrica da turbina é transmitida ao equipamento de condicionamento de sinal e depois ao sistema de apresentação dos dados, que pode ser de totalização, indicação, registro, controle ou alarme.

A maioria dos sistemas consiste de um totalizador com uma função de fatorar e escalonar os pulso recebidos. Como a saída de pulsos da turbina não está diretamente em unidades de engenharia de vazão, os circuitos de fator e escalonamento fazem os pulsos representar a vazão na unidade conveniente, como litro, galão.

Fig. 11.8. Turbina com totalizador integral O totalizador acumula o número de ciclos

proporcionais a vazão volumétrica total que passou através da turbina. Um integrador fornece um nível de tensão de corrente contínua proporcional à freqüência do sinal. Um scaler multiplica ou divide a freqüência da saída da turbina por um fator selecionado, facilitando a apresentação e a redução dos dados.

Alternativamente, o totalizador pode ser uma unidade de batelada pré ajustada. O valor requerido é pré-ajustado e o totalizador conta diminuindo até zero, quando prove uma alteração de contatos de saída, para terminar a batelada e operar uma válvula solenóide. Para não haver o desligamento repentino da vazão e um conseqüente golpe de aríete, o contador pode gerar uma rampa ou acionar um contato de aviso anterior ao desligamento completo.

Há sistemas de condicionamento de sinais mais complexos que evitam a interferência ou a perda de pulsos durante a transmissão do

Turbina

273

sinal, usando um comprador de pulsos e envolvendo duas bobinas detectoras (A e B) e a tomada de dois cabos separados para os circuitos eletrónicos. O comprador de pulsos monitoriza os dois sinais. Se qualquer pulso é perdido ou detectado na outra linha, a seqüência correta dos pulsos (A, B, A, B, A, B, A) será interrompidas. Qualquer pulso falso é registrado e a leitura do totalizador associado será corrigido de acordo.

Muitos sistemas de turbina requerem um sinal analógico para fins de controle ou de registro. Nestes casos, os pulsos devem ser convertidos no sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc. São disponíveis instrumentos para esta função, chamados de conversores de freqüência/corrente. Quando os sistemas envolvem a totalização e a necessidade do sinal analógico, o circuito do totalizador incorpora este circuito e há uma saída opcional com o sinal de corrente de 4 a 20 mA cc.

Fig. 11.9. Turbina com detector e pré-amplificador Há aplicações que necessitam apenas da

indicação da vazão instantânea. O indicador, digital ou analógico, recebe diretamente os pulsos e indica o valor da vazão em dígitos ou através do conjunto escala + ponteiro.

Há aplicações com a totalização e a indicação feitas no mesmo instrumento, com um contador para a totalização e com um indicador digital para a vazão instantânea.

Como conclusão, os pulsos da turbina são mais adequados para a totalização da vazão e esta operação é feita quase diretamente. Para registro e controle, os pulsos devem ser convertidos em corrente Analógica padrão de 4 a 20 mA cc.

Desempenho A característica mais importante do

medidor tipo turbina é sua altíssima precisão. A turbina é tão precisão que é considerada como padrão secundário industrial. Ou seja, a turbina pode ser usada como um padrão de transferência para a aferição e calibração de outros medidores, como magnético, termal, sônico.

Porem, o desempenho da turbina depende da natureza do fluido e da faixa de medição da vazão. A perda de carga, o fator do medidor, a amplitude da tensão e a freqüência do sinal de saída dependem do fluido e da vazão. A turbina necessita da calibração para o estabelecimento do fator do medidor e das características gerais de desempenho. A precisão do medidor tipo turbina dependente do erro inerente da bancada de calibração.

Os parâmetros da precisão do medidor são a repetitividade e a linearidade.

Repetitividade Por definição, repetitividade é o grau de

concordância de várias medições sucessivas sob as mesmas condições de vazão e de operação, tais como a temperatura, a viscosidade, a vazão, a densidade e a pressão.

A repetitividade típica da turbina é de 0,1%.

Linearidade A linearidade é definida como o máximo

desvio em percentagem do fator K médio sobre a rangeabilidade normal de 10: 1.

%100)K

K-K( = eLinearidad máximomédio

médio ×

A curva de freqüência x vazão representa o

fator K (pulsos/volume), onde a linearidade é a variação do fator K em relação a um valor nominal num ponto na curva. É uma reta inclinada, com não-linearidade próxima do zero.

A faixa linear de um medidor de turbina é a faixa de vazão na qual o fator K permanece constante dentro dos limites declarados. A curva é uma reta horizontal com uma parte não linear, na região de baixa vazão. A não-linearidade é resultante dos efeitos de atrito dos mancais, arraste magnético e o perfil da velocidade dentro do medidor.

Em vazões muito baixas as forças de retardo ultrapassam as forças hidrodinâmicas e o medidor deixa de responder para vazões abaixo de um limite mínimo. Na outra extremidade, desde que a alta pressão evite a cavitação, a velocidade pode ultrapassar de 1,5 a 2 vezes a máxima especificada, durante

Turbina

274

curtos períodos de tempo, sem problemas. A turbina não deve operar durante longos períodos com velocidade muito elevadas, pois isso é prejudicial a vida aos mancais e a precisão do medidor.

A turbina para gás possui uma linearidade pior do que a turbina para líquido. É mais problemática o aumento da rangeabilidade da turbina de gás, pela diminuição da vazão mínima.

A linearidade de uma turbina depende da faixa de operação e da viscosidade do fluido do processo. A linearidade típica é de ±0,5 % e se aplica para fluidos com viscosidade cinemática próxima de 1 cSt (água). Acima de 1 cSt, a linearidade da turbina se degrada progressivamente.

Rangeabilidade A rangeabilidade é a relação entre a vazão

máxima e a vazão mínima para a qual mantida a precisão especifica do medidor.

Por ser um medidor com relação matemática linear entre a freqüência e a vazão, a turbina possui uma rangeabilidade típica de 10:1. A vazão máxima pode ser estendida de 100%, durante curtos intervalos de tempo, sem estrago para a turbina. As penalidades possíveis pela operação acima da faixa é o aumento da queda de pressão através da turbina e um desgaste maior dos mancais por causa da maior aceleração.

O uso do detector com rádio freqüência, mandatário para turbinas menores que 2", aumenta a rangeabilidade diminuindo o valor da vazão mínima, pois elimina as forças de arraste magnético. O aumento da rangeabilidade da turbina pela diminuição da vazão mínima se aplica principalmente na medição de líquidos.

Tempo de resposta A capacidade de responder rapidamente as

condições da vazão é uma das vantagens da turbina. A constante de tempo depende do tamanho do medidor, da massa do rotor e do projeto das lâminas. A constante de tempo típica varia entre 5 e 10 mili-segundos para turbinas de até 4" de diâmetro.

Fatores de Influência Os medidores tipo turbina alcançam uma

precisão excepcionalmente boa quando usados sob as devidas condições operacionais: no entanto, são muitos os fatores que podem ter um considerável efeito sobre o desempenho dos medidores tipo turbina: número de Reynolds, viscosidade, valor e perfil da velocidade.

Número de Reynolds O número de Reynolds influi na medição

feita pela turbina porque ele determina o torque que o fluido exerce no rotor da turbina. O número de Reynolds relaciona as forças de inércia com as forças viscosas. O denominador do número está relacionado com as forças de retardo do rotor e o numerador está relacionado com o momento do fluido. Para a turbina funcionar corretamente é necessário que o momento do fluido prevaleça sobre as forças de atrito, ou seja que o número seja muito maior que o denominador. Para um medidor tipo turbina funcionar devidamente, recomenda-se que esteja operando em estado de vazão turbulento, que é descrito por Re maior que 4000.

Viscosidade O arraste viscoso do fluido age sobre todas

as partes moveis da turbina, provocando um torque de retardo sobre o rotor. O desvio do fluido pelas pás do rotor provoca uma alteração no momento do fluido e uma força motriz. O rotor gira, então, a uma velocidade em que a força motriz cancela exatamente o torque de retardo.

A faixa linear do medidor é o parâmetro mais afetado pela variação da viscosidade. A experiência mostra que para viscosidade cinemática acima de 100 cS a turbina não mais apresenta a região linear. O arraste da viscosidade também contribui para a queda da pressão através do medidor e em altas viscosidades, limita a máxima vazão possível.

O tamanho da turbina é também importante e o medidor menor é mais sensível a viscosidade que o maior.

O efeito da variação da viscosidade depende do tipo do rotor; turbina com lâminas paralelas é mais afetada pela variação da viscosidade.

Para uma mesma pressão, a vazão diminui quando a viscosidade do fluido aumenta. Para uma dada vazão, um aumento da viscosidade pode apresentar uma redução no fator K do medidor.

A viscosidade do líquido é altamente dependente da temperatura. Um aumento da temperatura causa uma diminuição da viscosidade. Por esta razão, a variação da temperatura altera consideravelmente o desempenho da turbina.

Densidade Conforme se verifica no número de

Reynolds, a densidade está no numerador, representando um fator no momento do fluido. Quando o momento do fluido é alterado, a rangeabilidade deve ser alterada a fim de

Turbina

275

proporcionar o mesmo torque mínimo necessário do rotor no extremo inferior da força de vazão. Ao ajustar a vazão mínima do medidor tipo turbina, a repetitividade e a faixa linear se alteram.

Instalação Como a maioria dos medidores de vazão, a

turbina também é afetada pelos efeitos de uma instalação com dispositivos geradores de distúrbios a montante, como válvula, curvas, junções tees, mau alinhamento.

A maioria dos fabricantes sugere instalações com 20 D de trechos retos a montante e 5 D a jusante, onde D é o diâmetro da tubulação. Quando não são disponíveis trechos retos de tamanhos suficientes, usam-se retificadores de vazão; o valor típico do trecho reto a montante cai para 10 D, quando se usa retificador.

Cavitação A baixa contra pressão pode causar

cavitação num medidor tipo turbina. Basicamente, a cavitação é a ebulição do líquido causada pela redução na pressão ao invés da elevação na temperatura.

A perda de carga é aproximadamente proporcional ao quadrado da vazão e é tipicamente de 3 a 10 psi. Há uma vazão máxima em que o medidor pode operar para uma pressão de entrada constante devido a cavitação. Quando a pressão do líquido se aproxima de sua pressão de vapor, a vaporização local pode acontecer logo atrás das pás do rotor, provocando um aumento artificial na velocidade do fluido, que pode aumentar drasticamente o fator K.

Como regra, a mínima pressão a jusante deve ser o dobro da máxima queda de pressão na turbina mais duas vezes a pressão de vapor do líquido medido.

Perfil da velocidade A geometria do sistema de tubos a

montante e imediatamente a jusante do rotor afeta o perfil da velocidade do fluido. Os distúrbios provocados por válvulas de controle, curvas, redutores de pressão, tomadas de instrumentos . devem ficar suficientemente distantes da turbina. A maioria das turbinas já possuem em sua entrada e saída retificadores da vazão.

Erosão e desgaste A erosão provoca a deterioração gradativo

no desempenho da turbina e pode até destruir rapidamente os seus internos. O grande desgaste dos mancais aumenta o atrito nos mesmos. A erosão pode afetar o

balanceamento da turbina e como afetar o seu fator K. O uso de filtros eficientes conserva e aumenta a vida útil das turbinas, evitando alterações do fator K.

Seleção da turbina Na escolha da turbina, As seguintes

características mecânicas devem ser especificadas:

Fluidos medidos Os líquidos ou gases que estão em contato

com as partes molhadas, por exemplo, óleo combustível, acido clorídrico, água, CO2.

Configuração e dimensões Para as turbinas flangeadas, o tamanho

nominal da tubulação é o comprimento entre as flanges. Para as turbinas com rosca macho, o tamanho nominal da tubulação é o comprimento total.

Dimensões de montagem A não ser que as conexões do processo

sirvam como montagem, o desenho esquemático deve indicar o método de montagem, com o tamanho dos furos, centros e outras dimensões pertinentes, incluindo o tipo de rosca, se usada.

Quando o peso da turbina for muito grande, deve ser considerado o uso de suportes, para garantir o alinhamento dela com a tubulação e para evitar tensões na estrutura.

Marcação As seguintes informações devem ser

marcadas permanentemente no corpo da turbina: o nome do fabricante, o modelo, o número de série, a direção da vazão e o tamanho nominal do tubo.

Opcionalmente ainda podem ser especificadas outras características mecânicas e elétricas da turbina e outros dados da vazão do processo.

Fig. 11.10. Plaquetas de turbinas

Turbina

276

Dados do processo A escolha da turbina requer o

conhecimento completos dos dados do processo, como os valores mínimo, normal e máximo da vazão, temperatura e pressão do processo.

Para fins de escolha do instrumento receptor, é importante conhecer a tensão de saída da turbina, expressa em volts pico e a freqüência na máxima vazão de projeto expressa em Hz.

Dimensionamento A escolha do tamanho correto da turbina

requer o conhecimento da máxima vazão do processo, expressa em LPM para os líquidos e em m3/h reais para os gases. Quando se tem a vazão padrão, deve-se converte-la na vazão real.

A partir da vazão máxima conhecida, seleciona-se o menor medidor da tabela que tenha a vazão normal máxima maior ou igual a vazão máxima do processo a ser medida. São disponíveis turbinas para a medição de vazões muito baixas.

Quando a turbina é aplicada em serviço continuo em uma rangeabilidade menor que 10:1, pode-se escolher uma turbina cuja vazão nominal de trabalho esteja próxima do ponto médio da faixa em vez do ponto máximo da faixa, para aumentar a vida útil dos mancais e suportes.

A turbina é dimensionada pela vazão volumétrica. Cada medidor possui valores típicos de vazões máxima e mínima e raramente estes valores podem ser ultrapassados. Os diâmetros das turbinas variam de 1/2" (12 mm) a 20" (500 mm).

No dimensionamento da turbina é recomendado que a máxima vazão de trabalho esteja entre 70% e 80% da máxima vazão do medidor. Isto resulta em uma rangeabilidade de 7:1 a 8:1 e há uma reserva de 25% para futura expansão ou para a vazão aumentar. Quando se quer uma rangeabilidade de 10:1, deve-se usar a vazão máxima de operação igual a capacidade máxima da turbina.

Para se ter um ótimo desempenho e alta rangeabilidade, a maioria das turbinas é projetada para uma velocidade nominal de 9 m/s. Esta velocidade é maior que as velocidades convencionais dos projetos de tubulações, típicas de 2 a 3 m/s. Como conseqüência, se a turbina é selecionada para ter o mesmo diâmetro da tubulação, a rangeabilidade da medição fica muito pequena; aproximadamente de 2:1 a 3:1. Por isso, o importante no dimensionamento da turbina não é o seu diâmetro nominal mas a vazão

volumétrica que ela é capaz de suportar. Assim, na escolha do diâmetro correto da turbina, é aceitável e normal que o diâmetro da turbina seja sempre menor que o da tubulação. Esta regra pode ser usada como detectora de erro: quando o diâmetro da turbina for igual ou maior do que o da tubulação, há erro de calculo ou de dados da vazão.

Como conseqüência dos diâmetros diferentes da tubulação e da turbina, é necessário o uso de retificadores de vazão apropriados e adaptadores. Como a turbina possui o diâmetro menor que o da tubulação, usam-se cones de adaptação concêntricos, com ângulo de inclinação de 15o. Deve-se cuidar que a turbina e a tubulação estejam perfeitamente alinhadas e evitar que as gaxetas provoquem protuberâncias na trajetória da vazão.

Outro aspecto que deve ser considerado na escolha do tamanho da turbina é a pressão estática disponível na linha. A turbina produz uma perda de pressão típica de 3 a 5 psi (20,7 a 34,5 kPa) na máxima vazão. A perda de carga é proporcional ao quadrado da vazão, análoga a placa de orifício. Como conseqüência, se a turbina está operando na capacidade de 50% da máxima, a perda de pressão é 25% da máxima pressão diferencial.

A mínima pressão ocorre em cima do rotor, com uma grande recuperação depois do rotor. Assim, a pressão da linha deve ser suficientemente elevada para evitar que o líquido se vaporize e provoque a cavitação. Para evitar a cavitação, a pressão da linha deve ser no mínimo igual a 2 vezes a pressão diferencial máxima através da turbina mais 1,25 vezes a pressão de vapor do líquido. Quando a pressão a jusante não é suficiente para satisfazer esta exigência, a solução é usar uma turbina maior, que irá provocar menor perda de carga, mas em detrimento de uma menor rangeabilidade.

Se ocorrer a cavitação, haverá um erro de leitura a mais que a real. A cavitação pode destruir o rotor e os suportes da turbina, por causa de sua alta velocidade.

Considerações Ambientais Várias condições ambientais podem afetar

a operação da turbina. Os componentes eletrónicos devem ser

alojados em caixa a prova de tempo, para eliminar os problemas de umidade.

A temperatura da turbina é principalmente determinada pela temperatura do processo. Porem, a temperatura da bobina de transdução e o conector pode ser influenciada pelo ambiente. As baixas temperaturas geralmente

Turbina

277

não causam problemas mas as altas temperaturas podem afetar a isolação.

A vibração mecânica encurta a vida útil da turbina e pode provocar erros sistemáticos nos dados obtidos.

Os campos magnéticos e as linhas de transmissão na proximidade da turbina podem introduzir ruídos espúrios, se o circuito não está adequadamente blindado.

A pulsação da vazão pode produzir erros ou estragos na turbina.

Deve se cuidar para que as condições de operação estejam dentro dos limites estabelecidos na especificação do fabricante.

Instalação da Turbina A turbina é afetada pela configuração da

linha a montante e a jusante. Isto é causado principalmente pelo redemoinho do líquido que flui e por isso a configuração a montante é muito mais influente que a jusante. Tipicamente, a turbina requer trechos retos maiores que os exigidos pela placa de orifício. Quando o fabricante não especifica diferente ou não se tem as regras tratadas nas normas (API 2534, ASME: Fluid Meters - Their Theory and Application), deve se usar trechos retos iguais ao mínimo de 20 D antes e de 5 D depois da turbina. Pode-se usar retificador de vazão antes da turbina e o próprio suporte do rotor age como um retificador de vazão. Raramente é usado, mas é possível que grandes distúrbios depois da turbina requeiram o uso de retificador de vazão a jusante. Deve se evitar que a tubulação exerça pressão e tensão mecânica sobre o corpo da turbina.

A turbina deve ser instalada de conformidade com a seta de direção marcada no seu corpo. É possível se ter turbinas especiais, capazes de medir a vazão nos dois sentidos. Ela necessita de um fator de calibração aplicável nos dois sentidos e um projeto especial das peças internas.

A turbina deve ser instalada na mesma posição em que ela foi calibrada, usualmente na posição horizontal.

O líquido medido no pode conter partículas solidas com dimensões máximas maiores do que a metade do espaço entre as extremidades da lâmina e o espaço da caixa. A vida útil da turbina será aumentada com a colocação de um filtro a montante. O tamanho do filtro depende do diâmetro da turbina; variando de #170, para partículas de 88 microns para turbinas de 3/8" de diâmetro até #18 para partículas de 1000 microns para turbinas de 1 1/2 ".

Operação

Pressão do fluido Uma pressão mínima a jusante da turbina

para qualquer instalação deve ser mantida para evitar uma variação no fator de calibração devido à cavitação. A mínima pressão depois da turbina é função da pressão de vapor do líquido e da presença de gases dissolvidos. A mínima pressão a jusante pode ser determinada experimentalmente e é definida como a pressão em que o fator de calibração em 125% da vazão máxima nominal aumenta 0,5% em relação ao fator de calibração correspondente obtido na mesma vazão mas com uma pressão maior de 7,0 x 104 Pa. A pressão mínima a jusante deve ser medida no ponto de 4 D depois da turbina.

Instalação elétrica Um cabo com dois ou três condutores,

blindado, deve ser usado na saída da turbina. A bitola do fio deve ser baseada na atenuação aceitável do sinal. A fiação de sinal deve ser segregada da fiação de potência. A blindagem do cabo deve ser aterrada em apenas um ponto. Normalmente ela é aterrada na extremidade da turbina. O aperto excessivo nas Conexões elétricas pode danificar a bobina de transdução e até o corpo da turbina, dependendo do material.

Verificação do funcionamento mecânico O tipo do procedimento de teste depende

da aplicação da turbina. O mais compreensivo teste envolve o circuito eletrónico associado e o equipamento de indicação. O teste de verificação do spin do rotor deve ser feito com cuidado, usando um fluido que tenha uma lubricidade compatível com o tipo do suporte usado e que não provoque uma super velocidade no rotor. A turbina medidora de vazão é um instrumento de precisão e pode se danificar se uma mangueira de alta pressão de ar é utilizada para sua limpeza ou para a verificação da rotação do rotor.

Mais medidores de vazão são danificados por excesso de velocidade no rotor durante a partida do que por qualquer outra razão. Para evitar danos no medidor, a vazão de fluido deve ser aumentada gradualmente até o medidor atingir a vazão desejada.

É recomendado que a turbina de vazão seja instalada de forma que ela permaneça cheia de fluido quando a vazão cessa. Quando o medidor de vazão é deixado instalado em uma linha que está temporariamente fora de serviço e tenha sido parcial ou completamente drenada, pode ocorrer severa corrosão dos rolamentos ou dos internos. Se durante estes

Turbina

278

períodos de parada houver qualquer duvida sobre o nível do fluido na linha e se for economicamente viável e as condições permitirem, a turbina deve ser removida, limpada e guardada. Quando a turbina vai ser guardada ou não utilizada por um longo período, deve ser impregnada em um preservativo anti-corrosão ou óleo de maquina.

Verificação do sinal induzido A bobina detectora, o circuito associado e o

equipamento de leitura de um sistema podem ser verificados através de um sinal induzido. Uma pequena bobina, ligada a uma fonte de corrente alternada é mantida próxima a bobina detectora de modo a se notar o efeito de transferência de energia. Este teste verifica o funcionamento do circuito sem desligar qualquer conexão e sem provocar nenhum dano ao circuito. Deve se evitar o teste da bobina detectora por meio de aplicação direta de sinais, pois isso poderia alterar a sua característica ou a sua continuidade.

Manutenção A manutenção de uma turbina, a nível de

usuário, consiste de uma inspeção periódica para assegurar que as partes internas não sofreram qualquer corrosão ou incrustação pelo fluido medido. Caso alguma peça tenha sido danificada, ela deverá ser substituída, pelo usuário ou pelo fabricante. Quando se trocam os internos da turbina é conveniente que seja levantado o fator K da turbina.

Uma das maiores causas de um desempenho fraco da turbina é o deposito de sujeira sobre os mancais ou suportes. Quando resíduos duros ou gelatinosos estão depositados dentro dos mancais do rotor a liberdade de rotação da unidade será fortemente prejudicada. Portanto é recomendado, sempre que possível, que o medidor tipo turbina seja cuidadosamente lavado com um solvente apropriado, após um determinado tempo de uso. O solvente deve ser quimicamente neutro e altamente volátil de modo que haja completa secagem após a operação de lavagem. Alguns solventes apropriados seriam: álcool etílico, freon®, solvente padrão ou tricloro etileno.

Para inspeção e limpeza das partes internas, o conjunto do rotor pode ser retirado da carcaça. O conjunto do suporte do rotor e a carcaça podem ser limpos com solvente ou álcool. Se o transdutor

Calibração e Rastreabilidade Não se pode ajustar o medidor de vazão

tipo turbina, pois ela não possui parafusos de

ajustes de zero ou de largura de faixa. O que realmente se deve fazer periodicamente na turbina é a sua calibração (aferição). Calibrar a turbina é levantar de novo o seu fator K, que representa a correspondência do número de pulsos com a vazão medida. Para se fazer esta calibração deve se conhecer a vazão simulada, com uma precisão superior à da turbina. Na prática, esta aferição é chamada de calibração.

A rastreabilidade é a capacidade de demonstrar que determinado medidor de vazão foi calibrado por um laboratório nacional de referência ou foi calibrado em comparação com um padrão secundário referido a uma padrão primário. Por exemplo, nos EUA, o padrão primário é dado pelo National Institute of Standards and Technology (NIST), ex-National Bureau of Standards (NBS).

Os métodos de calibração aceitáveis para a turbina são do tipo: gravimétrico, volumétrico e de comparação. Cada tipo possui vantagens e desvantagens, dependendo do tipo do fluido e da operação.

Os métodos gravimétricos requerem que a densidade do fluido seja determinada com precisão, desde que ela é a base para a conversa de volume massa. O efeito do gás adicionado ao tanque de peso em calibradores gravimétricos fechados deve também ser considerado. O fator do empuxo para o ar, em calibradores gravimétricos abertos é função da densidade do fluido.

O método volumétrico é mais direto, desde que não haja conversa de massa para volume. O calibrador pode ser do tipo aberto para uso de líquido com baixa pressão de vapor ou do tipo fechado, em que uma pressão a jusante maior do que a atmosférica é mantida para evitar a perda do líquido do vaso por evaporação.

Os métodos de calibração podem ainda ser classificados como estáticos ou dinâmicos.

No método estático, a pesagem ou a medição do volume ocorre somente nos intervalos em que o fluido não está entrando ou saindo do vaso. Este método é muito preciso quando feito em condições apropriadas e deve incluir as verificações estáticas contra as unidades de referência de massa ou volume rastreadas do NIST.

No método dinâmico, a medição do volume ou da massa ocorre enquanto o fluido está entrando ou saindo do vaso de medição. Embora mais conveniente para muitas aplicações, ele pode envolver erros dinâmicos que não podem ser detectados pelas verificações estáticas com as unidades de referência e de massa. Os calibradores dinâmicos devem ser verificados cuidadosa e

Turbina

279

periodicamente por correlação, para garantir que não há erros dinâmicos significativos.

Há dois procedimentos básicos para proceder a calibração da turbina: parte-e-pára em operação e parte-e-pára parado. Deve ser selecionado o tipo que mais se aproxima da aplicação real do medidor.

O método parte-e-pára em operação requer a manutenção de uma vazão constante através da turbina antes, durante e depois da coleta do fluido no vaso de medição. Isto é conseguido usando-se um divertedor (diverter) de vazão, cujo movimento é sincronizado com o acionamento e a parada do contador eletrónico.

O método parte-e-pára requer a condição de vazão zero antes e no fim da calibração e que, no mínimo, em 95% do tempo total a vazão esteja no valor desejado. Isto é implementado com válvulas solenóides sincronizadas com a ação do contador eletrónico.

A bancada de calibração deve reproduzir as condições reais da aplicação da turbina, utilizando o mesmo fluido do processo, com a duplicação dos valores da densidade, viscosidade, pressão, temperatura.

Cuidados e procedimentos

Tubulação A tubulação entre a turbina e o vaso de

medição deve ser curto, com volume desprezível em relação ao volume medido e projetado para eliminar todo ar, vapor e gradientes de temperatura. Ele deve ser construído para garantir que todo o líquido e somente este líquido passando através da turbina está sendo medido.

Válvula de controle de vazão A válvula de controle de vazão deve ser

colocada depois do medidor de vazão para reduzir a possibilidade de ocorrer a vazão com as duas fases (líquido/vapor) dentro da turbina sob teste. Quando isto não é pratico, deve-se instalar um regulador da pressão a jusante da turbina, para manter a pressão a montante (back pressure) requerida.

Métodos positivos, se possível visuais, devem garantir que a ação da válvula de fechamento (shut-off) é positiva e que não ocorre vazamento durante o intervalo de calibração.

A capacidade mínima do vazão de medição depende da precisão requerida e da resolução do indicador e da turbina sob teste.

Fluido O líquido usado para fazer a calibração

deve ser o mesmo do processo cuja vazão será medida pela turbina e as condições de operação devem ser duplicadas. Quando não é possível usar o fluido do processo, deve se usar o fluido substituto com a viscosidade cinemática e a densidade relativa (gravidade especifica) dentro de 10% daquelas do fluido de operação. A lubricidade de um líquido não pode ser bem definida como a densidade e a viscosidade, mas este parâmetro também deve ser considerado.

Deve se usar filtro antes da turbina, para protege-la contra sujeira e má operação. O grau de filtragem depende do tamanho do medidor. Deve se usar um filtro de 50 micron ou menor, quando se tem um sistema de calibração com vários tamanhos de turbinas.

Posição A turbina deve ser instalada como indicada

pela flecha de direção marcada no seu invólucro.

A turbina normalmente é calibrada na posição horizontal com o elemento de transdução vertical e na parte superior. Quando a instalação de serviço é diferente da horizontal, a inclinação pode causar uma variação no fator de calibração, por causa do desequilíbrio axial. A orientação do elemento de transdução também pode causar um erro devido a relação das forças de arraste magnético e da gravidade.

Turbina

280

Folha de Especificação: Medidor de Vazão Tipo Turbina

Identificação Serviço Geral Linha nº

Classificação do invólucro

Classificação da área

Conexão elétrica

Diâmetro, classe, face Faixa de vazão nominal

Material do corpo

Material do flange

Material do eixo rotor

Tipo e mat. Do rolamento

Sobrecarga da vazão máx.

Medidor

Nº de bob. Magnet. Excit.

Linearidade

Precisão

Repetitividade

Tensão pico a pico mín.

Fator k

Faixa de operação

Pré- Sensitividade

Amplificador. Alimentação Retificador de fluxo

Acessórios Filtro desaerador

Fluido Vazão normal máx.

Pressão normal máx.

Condições Temp. Normal máx.

de ΔP máximo

Operação Densidade cond. Oper.

Visc. Cond. Oper.

% Sólido e tipo

Pressão de vapor MODELO DO FABRICANTE OU SIMILAR: NOTAS:

Fig. 10.16. Folha de Especificação para um medidor de vazão tipo turbina

Apostilas\VazaoMed 91Turbina.doc 17 JUN 98 (Substitui 21 FEV 94)

281

Deslocamento Positivo

1. Introdução O medidor de vazão com deslocamento

positivo retira a energia do fluido para seu funcionamento. Os medidores podem medir líquidos e gases. Eles podem ser construídos com pistão rotativo, com pistão reciprocante, com disco nutante, com lâminas rotatórias e com engrenagens ovais. Qualquer que seja a construção, todos funcionam sob o mesmo princípio simples de deslocar volumes discretos e conhecidos do fluido, da entrada para a saída do instrumento e contar tais volumes.

2. Princípio de operação O princípio de Arquimedes estabelece que

qualquer objeto submerso em um fluido desloca o seu volume de fluido. Se o volume deslocado é mais pesado, o objeto flutua no fluido; se o volume deslocada é mais leve, o objeto afunda no fluido. Por exemplo, o balão com ar aquecido flutua porque ele desloca um volume de ar frio que pesa mais que o peso do balão. A pedra afunda na água por que ela desloca um volume de água que pesa menos que o peso da pedra.

Na medição de vazão por deslocamento positivo aplica-se o vice-versa do princípio de Arquimedes: um volume discreto de fluido desloca ou move um corpo solido.

A característica básica do medidor de vazão a deslocamento positivo é a passagem do fluido através do elemento primário em quantidades discretas. Desde que se conheça o volume de cada quantidade e se conte o número das quantidades isoladas, obtém-se o volume total.

O medidor a deslocamento positivo divide a vazão de líquidos em volumes separados conhecidos, baseados nas dimensões físicas do medidor, conta-os ou totaliza-os. Eles são medidores mecânicos em que uma ou mais peça móvel, localizada no jato da vazão, separa fisicamente o líquido em incrementos. A energia para acionar estas peças é extraída do fluido do processo sob medição e apresenta uma queda de pressão entre a entrada e a

saída do medidor. A precisão geral do medidor depende dos pequenos espaçamentos entre as partes moveis e fixas e dos comprimentos destas extensões de vazamento. Assim, a precisão tende a aumentar, quando o tamanho do medidor aumenta.

Fig. 12.1. Princípio de funcionamento do medidor de vazão a deslocamento positivo: volumes discretos passam da entrada para a saída do medidor, acionando um contador

3. Características Enquanto a maioria dos medidores de

vazão mede a velocidade do fluido e infere a vazão volumétrica desta velocidade, o medidor a deslocamento positivo não mede a vazão instantânea, mas totaliza diretamente o volume, embora alguns também forneçam uma saída analógica proporcional a vazão. Os medidores de vazão de deslocamento positivo são considerados geradores de pulso, porque cada volume discreto de fluido é representado por um pulso ou uma unidade contável. A soma dos pulsos resulta na quantidade total da vazão.


282

O medidor de deslocamento positivo pode ser considerado um tipo de motor fluido. A pressão diferencial entre o medidor é a força acionante que opera com alta eficiência volumétrica sob uma pequena carga. Esta carga é provocada por dois motivos: um devido ao atrito no elemento de medição e no mecanismo de indicação ou registro, a outra devido a perda de pressão resultante da restrição da vazão. O trabalho feito pelo "motor" contra estas cargas resulta em perda de carga permanente irrecuperável.

Como os medidores de gás medem o volume nas unidades reais, referidas as condições do processo, devem ser feitas correções continuamente na temperatura e na pressão. A precisão varia tipicamente de ±0,5 a ±1% da vazão medida. A rangeabilidade pode variar entre 20:1 a 50:1, dependendo do projeto. A precisão e a repetitividade são convenientes para aplicações de transferências comerciais, de bateladas e de mistura. O perfil existente da velocidade no fluido não afeta o desempenho, de modo que o medidor pode ser colocado praticamente em qualquer parte da tubulação do sistema.

Normalmente, todos os medidores de vazão com deslocamento positivo são calibrados para garantir um alto grau de precisão. A precisão depende do tamanho do medidor, do tipo de serviço, das exigências contratuais legais. O medidor da bomba de gasolina deve ter a precisão de ±1 % para instalações novas. Na prática o erro é de ±2%. Com cuidado e calibração pode se ter a precisão de ±0,5 % do valor medido.

A rangeabilidade do medidor de gás a deslocamento positivo é limitada pelo projeto do medidor. Em baixas vazões, a quantidade de gás não medido que pode vazar através dos selos na câmara de medição pode tornar uma fração substancial da vazão total. Isto piora sensivelmente a precisão do medidor. A rangeabilidade é, portanto, relacionada com a eficiência dos selos.

Geralmente, maiores capacidades podem ser conseguidas se os medidores de gases são operados em maiores pressões. Entretanto, por causa da maior capacidade significar maior desgastes das peças do medidor, os fabricantes podem colocar limitações na máxima capacidade, baseando-se na maior velocidade permissível para as peças moveis que mantém a precisão sobre longos períodos de tempo. Sujeira no fluxo do gás pode se sedimentar no medidor e aumentar o desgaste das peças moveis.

Não há peças moveis especificas que requeiram manutenção regular e substituição. Porem, o fluido deve ser limpo e

definitivamente não pode conter partículas abrasivas. Os líquidos devem ter propriedades lubrificantes. O vapor entranhado no líquido ou a cavitação pode provocar super velocidade e eventualmente pode danificar o medidor.

Quando estes medidores são volumosos, devem ser usados fundações ou suportes, similares aqueles usados em bombas. O custo relativamente elevado do equipamento e de sua operação pode ser plenamente justificado pela excepcional precisão, pela capacidade de medir baixas vazões, pela repetitividade e pela rangeabilidade.

O medidor a deslocamento positivo com bom desempenho deve manter a isolação das quantidades, obtida através de dois tipos de selagem: a positiva e a capilar. A selagem positiva pode usar um selo flexível (p. ex., água) ou um selo mecânico. Em qualquer caso, o selo deve evitar vazamentos do fluido para e da câmara de isolação. A selagem capilar prove um selo através da tensão superficial de um filme ou fluido entre duas superfícies que não estão em contato físico de uma câmara de isolação.

Como o fluido deve fazer uma selagem, o medidor a deslocamento positivo de líquido é sensível a variação da viscosidade. Abaixo de uma "viscosidade limite", tipicamente de cerca de 100 centistoke, o medidor deve ser calibrado para o fluido especifico. As viscosidades acima do limite não afetam o desempenho da medição. Realmente, quanto maior a viscosidade, melhor é o desempenho, embora a alta viscosidade aumente a queda de pressão, porque as peças moveis consomem mais energia para deslocar o fluido.

Como a alta queda de pressão apressa o desgaste, a maioria dos fabricantes especifica uma queda máxima de pressão permissível e especifica a capacidade com a viscosidade crescente. Com fluidos muito viscoso, rotores com maiores folgas permitem maiores vazões.

Os erros na medição são devidos principalmente aos vazamentos do fluido não medidos da entrada para a saída do medidor. O termo usado para expressar o vazamento em medidores de vazão com deslocamento positivo é o deslizamento (slip).


283

4. Tipos de Medidores Os medidores a deslocamento positivo se

baseiam em diferentes mecanismos acionadores do fluido, tais como: disco nutante, engrenagens ovais, pistão rotatório, pistão reciprocante, rotor espiral, lâmina rotatória.

Fig. 12.2. Medidor a deslocamento positivo com disco nutante

Disco Nutante O medidor a deslocamento positivo com

disco nutante, conhecido como medidor de disco, é usado extensivamente para o serviço de medição de água residencial. O conjunto móvel, que separa o fluido em incrementos, consiste de disco + esfera + pino axial. Estas peças se fixam numa câmara e a dividem em quatro volumes, dois acima do disco na entrada e dois debaixo do disco na saída. Quando o líquido tenta fluir através do medidor, a queda de pressão da entrada para a saída faz o disco flutuar e para cada ciclo de flutuação, indicar um volume igual ao volume da medidora, menos o volume do conjuntos do disco. A extremidade do pino axial, que move em um circulo, aciona uma came que está ligada a um trem de engrenagens e registra o total da vazão. Este medidor possui imprecisão de ±1 a ±2% do fundo de escala. É construído para pequenos tamanhos e sua capacidade máxima é de 150 GPM (570 LPM).

Lâmina Rotatória Este medidor de vazão possui lâminas

tencionadas por molas, que selam os incrementos do líquido entre o rotor excentricamente montado e a caixa, transportando o líquido da entrada para a saída, onde ele é descarregado devido ao volume que diminuir. Este medidor é o mais usado na indústria de petróleo, aplicado para medir gasolina, óleo diesel, querosene com faixas de alguns GPM de líquidos de baixa viscosidade até 17.5000 GPM (66,5 LPM) de

fluidos viscosos. A imprecisão é de ±0,1%; alguns medidores apresentam imprecisão de ±0,05% do fundo de escala. Os materiais de construção são variados e podem ser usados em altas temperaturas e pressões, como 180 oC e 1 000 psig (7 MPa).

Fig. 12.3. Medidor a deslocamento positivo com lâminas rotatórias

Pistão Oscilatório A porção móvel deste medidor consiste de

um cilindro que oscila em torno de uma ponte dividida que separa a entrada da saída. Quando o cilindro oscila em torno da ponte, o pino faz uma rotação por ciclo. Esta rotação é transmitida a um trem de engrenagens e registra diretamente ou magneticamente através de um diafragma. Este medidor, usado em medição da água domestica, tem a capacidade de manipular líquidos limpos viscosos e corrosivos. A imprecisão é da ordem de ±1% do fundo de escala. É usado em pequenos diâmetros, para medir baixas vazões. O custo depende do tamanho e dos materiais de construção.

Fig. 12.4. Medidor a DP com pistão


284

Pistão Reciprocante O mais antigo dos medidores a

deslocamento positivo, este medidor é disponível em várias formas: com vários pistões, com pistão de dupla ação, com válvulas rotatórias, com válvulas deslizantes horizontais.

Fig. 12.5. Medidor a DP com pistão Um braço atuado pelo movimento

reciprocante dos pistões aciona o registro. Estes medidores são largamente usados na indústria de petróleo, com uma precisão de ±0,2% do fundo de escala.

Lóbulo Rotativo Neste medidor, dois lóbulos são acoplados

juntos para manter uma posição relativa fixa e giram em direções opostas dentro do invólucro. Um volume fixo de líquido é deslocado por cada revolução. Um registro é engrenado a um dos lóbulos. Eles são normalmente construídos para serviços em tubulações de 2" a 24" e sua máxima capacidade varia de 8 a 17.500 GPM (30,4 A 66.5000 LPM).

Uma variação deste medidor usa rotores com engrenagens ovais no lugar dos rotores em forma de lóbulo.

Em baixas vazões (0,8 a 152 LPH), onde a imprecisão devida às folgas pode ser grande, pode se usar a versão com servo mecanismo deste medidor. O conceito atrás desta técnica é que não haverá pressão diferencial através do medidor, não havendo assim força para causar deslizamento das folgas. A eliminação desta pressão diferencial é feita detectando as pressões a montante e a jusante e automaticamente ajustando um motor que varia a velocidade do rotor, de modo que as pressões sejam iguais.

Fig. 12.6. Medidor com engrenagens ovais

Medidor com Engrenagens Ovais O medidor de engrenagens ovais pertence

à classe dos medidores de deslocamento positivo, com extração da energia do processo, intrusivo e com saída linear em relação a vazão.

O medidor possui uma câmara de medição com duas engrenagens ovais acopladas entre si e girando em sentidos contrários. Estas engrenagens giram muito próximas da parede da câmara, isolando os volumes do líquido. A câmara de medição possui uma entrada e uma saída. As duas engrenagens iniciam seu movimento devido ao diferencial de pressão existente entre a entrada e a saída. A cada giro completo das engrenagens, quatro volumes discretos são transportados da entrada para a saída do medidor, havendo uma proporcionalidade entre a rotação e o volume transferido.

Fig. 12.7. Medidor de vazão a DP com engrenagens Esta rotação, normalmente transmitida por

acoplamento magnético, passa por unidades redutoras de velocidade, que permitem a instalação de contadores ou indicadores locais, transmissão de pulsos eletrônicos à distancia ou transmissão de sinal analógico proporcional à vazão instantânea.

Para manter as forças de atrito e as perdas de carga num valor mínimo, as engrenagens ovais giram totalmente livres. Elas tocam apenas na linha de acoplamento e não tocam


285

na câmara de medição, deixando pequena área ou fenda entre as engrenagens e a câmara.

Como em todos os medidores de deslocamento positivo, o erro da medição é causado pela vazão do fluido através destas fendas e função da dimensão da fenda entre as engrenagens e a câmara, do diferencial de pressão entre a entrada e a saída e da viscosidade do fluido medido.

Um aspecto importante da precisão do medidor com engrenagens é a relação da área da fenda com o volume da câmara de medição. Quando o volume da câmara de medição aumenta, o volume medido cresce ao cubo e a área da fenda cresce ao quadrado.

A precisão típica dos medidores com engrenagem é de ±0,3% do valor medido, numa rangeabilidade de 10:1.

Para viscosidades altas, a modificação do perfil dos dentes das engrenagens do medidor permite diminuir a perda que carga, diminuindo a energia necessária para eliminar o líquido do espaço entre os dentes.

Os medidores de engrenagens ovais são aferidos normalmente com tanques volumétricos ou medidas de capacidade. A calibração é simples, consistindo na alteração da relação de transmissão do medidor, através da troca de pequenas engrenagens de ajuste.

A calibração pode ser feita pelo próprio usuário, com o medidor em linha e com o próprio líquido de operação.

Os medidores de engrenagens ovais são disponíveis em vários modelos diferentes:

1. medidores com carcaça simples, para pequenas e médias vazões e pressões.

2. medidores com carcaça dupla, para medição de vazões médias e grandes, com altas temperaturas e pressões.

3. medidores com acabamento sanitário, para medição de produtos alimentícios e farmacêuticos.

4. medidores com câmara de medição encamisada, para medição de líquidos que necessitam de aquecimento ou resfriamento em linha.

5. medidores com dispositivos para dosagem local, para possibilitar o controle automático de pequenas vazões.

6. medidores com gerador de pulsos, para aplicação com indicação e monitoração remotas.

5. Medidores para Gases Os medidores de vazão de gás a

deslocamento positivo mede, passando volumes isolados de gás, por seus internos, sucessivamente enchendo e esvaziando os compartimentos com uma quantidade fixa de gás. O enchimento e o esvaziamento são controlados por válvulas convenientes e são transformados em um movimento rotatório para operar um contador calibrado ou um ponteiro que indica o volume total do gás que passou através do medidor.

O medidor com tambor com líquido de selagem é o mais antigo medidor de gás a deslocamento positivo. Ele foi desenvolvido no inicio dos anos 1800s e foi usado por muitos anos durante a era da iluminação a gás. Este tipo ainda disponível é ainda um dos mais precisos medidores do tipo deslocamento positivo. Atualmente, são usados em laboratórios, como teste, medições de planta piloto e como padrão para outros medidores.

Várias das dificuldades com o medidor com líquido de selagem, tais como variações no nível do líquido e no ponto de congelamento foram superados em 1840 com o desenvolvimento do medidor com deslocamento positivo tipo diafragma. Os primeiros medidores eram construídos com pele de carneiro e com caixas metálicas; hoje são usados o alumínio com diafragma de borracha sintética. O princípio de operação, porem, continua inalterado há mais de 150 anos.

O princípio de operação do medidor a diafragma com quatro câmaras é ilustrado na figura. A seção de medição consiste de 4 câmaras formadas pelos volumes entre os diafragmas e o centro de partição e entre os diafragmas e a caixa do medidor. A pressão diferencial entre os diafragmas estende um diafragma e contrai o outro, alternadamente enchendo e esvaziando os quatro compartimentos. O controle do processo é através de válvulas deslizantes que estão sincronizadas com o movimento dos diafragmas e temporizadas para produzir uma vazão suave de gás, evitando oscilações. O mecanismo está ligado através de engrenagens ao ponteiro que registra o volume total que passa pelo medidor.


286

Câmara 1 esvaziando Câmara 1 vazia Câmara 2 enchendo Câmara 2 cheia Câmara 3 vazia Câmara 3 enchendo Câmara 4 cheia Câmara 4 esvaziando

Câmara 1 enchendo Câmara 1 cheia Câmara 2 esvaziando Câmara 2 vazia Câmara 3 cheia Câmara 1 esvaziando Câmara 4 vazia Câmara 4 enchendo

Legenda: FC – câmara frontal BC – câmara traseira FDC – câmara diafragma frontal FBC – câmara diafragma traseira

Fig. 12.8. Medidor a DP com diafragma e 4 câmaras

A especificação de pequenos medidores a

diafragma é usualmente feita em ft3/h de gás com densidade relativa igual a 0,6 , que resulta em queda de pressão de 0,5" de coluna d'água. Medidores maiores são especificados para vazões com 2" de coluna d'água de diferencial. Desde que a maioria dos medidores é vendida para as companhias distribuidoras de gases, que manipulam o gás natural com densidade relativa de aproximadamente 0,60, pode ser necessário determinar a vazão do medidor para outros gases. Isto é realizado com a formula:

f

bbf QQ

ρρ

=

onde Qf é a nova vazão volumétrica (ft3/h) Qbé a vazão volumétrica para o gás a 0,6 ρb é a densidade relativa para o medidor a 0,6

ρf a densidade relativa para o novo gás. A imprecisão do medidor a deslocamento

positivo com diafragma é da ordem de ±1% do valor medido, sobre uma faixa de 200:1. Esta precisão se mantém durante vários anos de serviço. A deterioração do medidor é rara e só acontece em condições com alta umidade e grande sujeira no gás.

Aplicações Todos os medidores a deslocamento

positivo para gás podem ser usados para medir qualquer gás limpo e seco que seja compatível com os materiais de construção do medidor e com as especificações de pressão. A sujeira e a umidade são os piores inimigos do bom desempenho do medidor; filtros na entrada devem ser usados, quando indicado. Desde que todos os gases variam o volume com as variações de pressão e temperatura, estas fontes de possíveis erros devem ser controladas, polarizadas ou compensadas. A condição padrão do gás pela norma ISO 5024 (1976) é em 101,4 kPa e 15,6 oC. Em pressão elevada e alta temperatura, deve se aplicar o fator de compressibilidade para os volumes medidos.

Calibração dos Medidores de Gases O teste ou proving do medidor de gás é

usualmente feito usando-se um gasômetro, referido como "prover". Um cilindro (bell) precisamente calibrado é selado sobre um tanque, por um líquido adequado. A parte inferior do cilindro descarrega um volume conhecido de ar através do medidor sob teste para comparar os volumes indicados. Os provers são fornecidos para descarregar volumes de 2, 5 e 10 ft3. A imprecisão do prover é da ordem de ±0,1% do valor medido.

Outros dispositivos usados para calibrar os medidores de gases são orifícios calibrados e bocais críticos, com precisão variando de ±0,15 a ±0,5% do valor medido.

6. Vantagens e Desvantagens Os medidores a deslocamento positivo

fornecem boa precisão (±0,25% do valor medido) e alta rangeabilidade (15:1). Sua repetitividade é da ordem de ±0,05% do valor medidor. Alguns projetos são adequados para fluidos com alta viscosidade. Não requerem


287

alimentação externa e apresentam vários tipos de indicadores. Seu desempenho praticamente não é afetado pela configuração a montante do medidor. Eles são excelentes para aplicações de batelada, mistura, blending, desde que são medidas as quantidades reais de líquidos. São simples e fáceis de serem mantidos, usando-se pessoal regular e ferramentas padrão.

Os medidores a deslocamento positivo requerem peças usinadas com grande precisão para se obter pequenos intervalos, que influem no desempenho do medidor. Os líquidos medidos devem ser limpos, senão o desgaste destruiria rapidamente o medidor e degradaria sua precisão. As partículas contaminantes devem ser menores que 100 micros. As peças moveis requerem manutenção periódica; os instrumentos podem exigir recalibração e manutenção periódicas. Eles podem se danificar por excesso de velocidade e requerem alta pressão para a operação. Não servem para manipular fluidos sujos, não lubrificantes e abrasivos.

Fig. 12.9. Medidor a DP rotativo para líquidos

7. Conclusão Como classe, os medidores a

deslocamento positivo são um dos mais usados para a medição de volumes, em aplicações de custódia (compra e venda de produtos). Eles são especialmente úteis quando o fluido medido é limpo e sem sólidos entranhados. O desgaste das peças introduz a maior fonte de erro. O erro de vazamento aumenta com fluido de baixa viscosidade. Em grandes medidores, os efeitos da temperatura na densidade e na viscosidade devem ser considerados.

Os acessórios disponíveis padrão incluem: filtro, conjunto de alivio de ar para remover vapor antes do fluido entrar no medidor, válvula de desligamento automático para serviços de batelada, compensadores de temperatura, impressoras manual e automática, geradores de pulsos para manipulação remota, geradores do sinal analógico para monitoração remota.

Apostilas\VazaoMed DesPositivo.doc 17 JUN 98 (Substitui 22 FEV 94)

rotor lâmina


288

FOLHA DE ESPECIFICAÇÃO : TOTALIZADOR LOCAL

Identificação Serviço

Geral Linha nº

Função

Tipo

Material

Corpo Diâmetro, classe, face

Mat. Da caixa

Medidor Mat. Dos internos

Capacidade

Nº de dígitos Visor Unidade

Leitura máxima

Filtro Rearme manual

Rearme automático

Compens. De temperatura

Acessórios Compens. De pressão

Tipo do contato

Quantidade forma

Capac. Dos contatos

Vol. Por fecham. Do contato

Fluido

Vazão normal máx.

Condições Pressão normal máx.

de Temp. Normal máx.

Operação Densidade cond. Oper.

Viscosidade cond. Oper.

Peso molecular

MODELO DO FABRICANTE OU SIMILAR: NOTAS:

Folha de Especificação de medidor de vazão a deslocamento positivo

289

Coriolis

1. Introdução A massa, ao lado do comprimento e do

tempo, constitui a base para toda medida física. Como um padrão fundamental de medição, a massa não deriva suas unidades de medida de qualquer outra fonte. As variações de temperatura, pressão, viscosidade, densidade, condutividade elétrica ou térmica e o perfil da velocidade não afetam a massa. Tais imunidade e constância tornam a massa a propriedade ideal para se medir.

Até recentemente, não existia nenhum método pratico para medir massa em movimento. Os usuários tinham de inferir a massa do volume. Infelizmente, os medidores de vazão volumétrica não medem a massa mas o espaço que ela ocupa. Deste modo, deve-se calcular os efeitos da temperatura e pressão sobre a densidade, quando deduzir a massa do volume.

A medição direta da vazão de massa evita a necessidade de cálculos complexos. Ela cuida diretamente da massa e desde que a massa não muda, um medidor direto de vazão mássica é linear, sem as correções e compensações devidas às variações nas propriedades do fluido.

O medidor opera pela aplicação da Segunda Lei de Newton: Força é igual à Massa vezes a Aceleração (F = m a). Ele usa esta lei para determinar a quantidade exata de massa fluindo através do medidor.

A massa do fluido tem uma velocidade linear quando ele flui através do tubo sensor. A vibração do tubo sensor, em sua freqüência natural em torno do eixo, gera uma velocidade angular. Estas forças vibracionais do tubo, perpendiculares à vazão do fluido, causam uma aceleração na entrada e uma desaceleração na saída. O fluido exerce uma força oposta a si próprio, que resiste às forças perpendiculares do tubo, causando o tubo dobrar. Os circuitos eletrônicas do medidor de vazão mássica essencialmente medem esta pequena força vibratória induzida pela vazão do fluido. Esta força do fluido é proporcional à vazão mássica. É a

mesma força de Coriolis que causam as correntes de ar circularem em torna da Terra em rotação. Esta força também cria uma precessão giroscópica empregada em sistemas de navegação de navios e aviões. A força de coriolis é a única força significativa usada na determinação da vazão mássica direta.

Fig. 15.1. Princípio de funcionamento do medidor:

vazão mássica Coriolis

2. Efeito Coriolis Qualquer objeto movendo acima da

Terra com velocidade espacial constante é defletido em relação a superfície de rotação da terra. Esta deflexão foi discutida inicialmente pelo cientista francês Coriolis, na metade do século passado e atualmente é descrita em termos de aceleração de Coriolis ou da força de Coriolis. A deflexão é para o lado direito, no hemisfério norte e para a esquerda, no hemisfério sul. Os efeitos Coriolis devem ser considerados em uma variedade de fenômenos em que o movimento sobre a superfície da Terra está envolvido; por exemplo:

1. os rios no hemisfério sul forçam mais sua margem esquerda do que a direita e o efeito é mais acentuado quanto maior for a sua latitude,

2. no hemisfério sul, a água sai da pia girando no sentido horário,

3. os movimento do ar sobre a terra são governados pela força de Coriolis,

Coriolis

290

4. um termo, devido ao efeito Coriolis, deve sempre ser incluído em equações de balística exterior,

5. qualquer bolha de nível sendo usada em navio ou avião será defletida de sua posição normal e a deflexão será perpendicular a direção do movimento do navio ou avião e é devida ao efeito Coriolis.

3. Relações Matemáticas Um elemento de fluido movendo em

velocidade constante ao longo de um trecho reto de tubulação não possui nenhuma componente de aceleração. Porém, se o tubo é girado um instante, aparece uma aceleração complementar ou aceleração de Coriolis. Esta componente de aceleração produz uma força de inércia na tubulação proporcional a vazão mássica instantânea. A força de Coriolis é o princípio operacional básico atrás do medidor de massa de Coriolis.

A aceleração de Coriolis (aC) para uma partícula de massa dm, movendo ao longo de uma tubulação em rotação vale:

aC = 2 w x vf

onde x é o produto vetorial dos vetores

velocidade rotacional (w) e velocidade axial (vf) do fluido.

O vetor da aceleração de Coriolis é perpendicular ao plano contendo a velocidade do fluido e o vetor rotacional. Pela Segunda lei de Newton (F = ma), a força inercial incremental (dF) na parede da tubulação, produzida pela componente da aceleração de Coriolis é

dF = (dm)(aC) = 2 w qm dr onde a força elementar dF é

perpendicular ao plano dos vetores velocidade e rotacional.

Ela age na direção perpendicular à tubulação e se opõe ao movimento rotacional. A força inercial total na parede da tubulação é obtida da integração ao longo da tubulação e a vazão mássica instantânea é dada por

qm= F/2 w L No medidor industrial, a tubulação não é

girada mas oscilada por bobinas eletromagnéticas na freqüência natural da estrutura. Pela aplicação de um movimento oscilatório, é possível suportar rigidamente a

tubulação e eliminar os suportes. Desde que a tubulação está agora aterrada, a rigidez do sistema é muito aumentada, limitando o movimento que pode ser seguramente suportado sem ruptura. Para diminuir a rigidez, são usados tubos longos que podem tomar vários formatos de modo a minimizar o comprimento total do medidor. Estes formatos, normalmente em U, aumentam a perda de carga do medidor.

O medidor Coriolis é um sistema dinâmico, onde a velocidade angular de acionamento está em fase com a aceleração de Coriolis produzida e, portanto, defasada de 180o da força de Coriolis do fluido na tubulação.

Há dois modos diferentes de vibração, uma vibração do circuito da tubulação acionada eletromagneticamente (em sua freqüência natural) e outra vibração produzida pelas forças de Coriolis acionando a tubulação em uma freqüência correspondendo a freqüência do primeiro modo.

Há duas deflexões: uma produzida na porção acionada dd (na freqüência de ressonância) e outra dF, resultante da força de Coriolis. Estas deflexões estão defasadas de 180o: quando a deflexão de acionamento dd é zero, a deflexão produzido pela força de Coriolis dF é máxima. Esta diferença de quadratura entre as duas deflexões serve para detectar a vazão mássica instantânea e pode ser detectada pela:

1. amplitude dos dois modos, 2. diferença de fase, 3. cruzamento do zero. É comum o uso de dois tubos, diminuindo

a necessidade de potência e resultando em um sistema de sintonia balanceada que minimiza a energia entrando ou saindo do sistema de fontes externas. O fluido pode ser dirigido serialmente ou em paralelo, dependendo do fabricante. Os modos de acionamento, de deflexão de Coriolis, de detecção e relação da amplitude medida dependem de cada fabricante.

4. Calibração O medidor Coriolis necessita da

calibração inicial para a determinação da constante do instrumento e se mantém para qualquer fluido. A verificação ou a recalibração é facilmente feita no campo, pelo usuário. Para uma mola acionada estaticamente, a calibração com um único líquido, usando um fluido com única densidade, seria suficiente para determinar a constante do medidor para todas as

Coriolis

291

variações de densidade, desde que a rigidez do sistema (constante de mola) seja corrida para as variações de temperatura. As cargas não são aplicadas estaticamente mas são aplicadas na freqüência de acionamento. Uma função de transferência mecânica é portanto introduzida em adição a função estática.

5. Medidor Industrial Um objeto se movendo em um sistema

de coordenadas que gira com uma velocidade angular, desenvolve uma força de Coriolis proporcional a sua massa, a velocidade linear do objeto e a velocidade angular do sistema. Esta força é perpendicular junto a velocidade linear do objeto como a velocidade angular do sistema de coordenadas.

A Terra constitui o sistema rotatório. Por causa da força de Coriolis, um objeto lançado de uma torre alta atingirá a terra um pouco a leste da vertical. Neste caso, a velocidade angular está apontada para o norte e a velocidade linear está dirigida para baixo e a força de Coriolis está na direção leste. Se o movimento do objeto fosse impedido de cair em um longo tubo vertical, esta componente da velocidade dirigida para leste faria o objeto exercer uma força contra a parede do tubo. Se o líquido é bombeado através deste tubo, a força de Coriolis contra o tubo é proporcional a vazão mássica e o momento angular da terra.

Em um medidor tipo Coriolis, o fluxo do fluido de entrada é dividido entre dois tubos curvados, iguais e com diâmetros menores que a tubulação do processo. A vazão segue as trajetórias curvas e converge na saída do medidor. Estes tubos estão vibrando em sua freqüência natural, geralmente por um dispositivo magnético. Se, em vez de ser continuamente girado, o conduíte vibra, a amplitude e a direção da velocidade angular se alternam. Isto cria uma força de Coriolis alternada. Se os tubos curvados são suficientemente elásticos, as forças de Coriolis induzidas pela vazão mássica produzem pequenas deformações elásticas nos tubos. Esta distorção pode ser medida e a vazão mássica inferida dela.

Fig. 15.2. Medidor industrial Em sua forma mais simples, o medidor de

vazão Coriolis possui dois componentes básicos: o sensor e o transmissor eletrônico. O sensor é um conjunto de tubo (um ou dois) instalado na tubulação do processo. O tubo usualmente em forma de U é vibrado em uma pequena amplitude, na sua freqüência natural, por meio de um sinal da bobina acionadora. A velocidade angular do tubo vibrante, em combinação com a velocidade de massa do fluido vazante, faz o tubo inclinar. A quantidade de inclinação é medida através de detectores de posição, colocados nas duas extremidades do tubo em U. Os sinais gerados pelos detectores são levados para um circuito eletrônico, que condiciona, amplifica, padroniza e transmite uma sinal de saída, típico de 4 a 20 mA cc. Nenhum componente a estado solido fica próximo do tubo e, como conseqüência, pode-se manipular fluidos em alta temperatura. O transmissor eletrônico pode ficar até 300 metros de distancia do sensor.

Quando a vazão passa pelo tubo vibrante, o efeito Coriolis ocorre, causando uma inclinação no tubo durante sua vibração. A inclinação é medida com um tempo de atraso entre as laterais do tubo e a medição é processada como uma onda senoidal. O tempo de atraso é diretamente proporcional a vazão mássica instantânea. Independente da inclinação, a freqüência de vibração do tubo varia com a densidade do fluido do processo. Deste modo, além da medição da vazão mássica (maioria das aplicações) pode-se medir também a densidade do fluido (minoria das aplicações). Um sensor de temperatura, normalmente um bulbo de resistência, é também usado para monitorar a temperatura, que influi na módulo de Young do tubo metálico.

Nada fica em contato com o fluido, exceto a parede interna do tubo, que é feito normalmente de aço inoxidável AISI 316L.

Como somente a massa em movimento é medida, a incrustação de material no tubo sensor não afeta a calibração do medidor.

Coriolis

292

6. Características A saída do medidor é linear com a vazão

mássica, de zero até o valor máximo especificado. O circuito eletrônico pode gerar saída analógica e digital. A saída digital tem freqüência ajustável continuamente entre 0 e 3 kHz e 0 a 15 kHz. A saída analógica mais comum é a de 4 a 20 mA cc. A saída pode ser escalonada em qualquer unidade de engenharia.

A precisão é tipicamente estabelecida entre ±0,2 a ±0,4% da vazão medida, com rangeabilidades iguais ou maiores que 25:1. Elas medem diretamente em unidades de massa. Com medidores volumétricos, a temperatura ou a pressão estática ou ambas deviam ser medidas para a determinação da vazão de massa. Portanto, os medidores volumétricos usados para medir a vazão mássica não podem ser tão precisos quanto os instrumentos usados para medir diretamente a massa.

As faixas de vazão variam de 10 gramas/minuto até 20.000 kg/minuto. Os medidores são disponíveis em tamanhos de até 6" de diâmetro.

Normalmente não há considerações ou imposições acerca de trechos retos a montante e a jusante. A maioria dos medidores não necessita de trechos retos vizinhos ao medidor. Não há peças moveis e os tubos são virtualmente sem obstrução. O medidor pode ser limpo no local e auto-drenado com a própria configuração e orientação do tubo. São disponíveis também versões sanitárias.

7. Aplicações Os medidores de vazão Coriolis podem

medir líquidos, inclusive líquidos com gás entranhado, líquidos com sólidos, gases secos e vapor superaquecido, desde que a densidade do fluido seja suficientemente elevada para operar corretamente o medidor. Os medidores são disponíveis em tamanhos variado de 1" a 6".

A habilidade do medidor de vazão Coriolis medir a densidade tem muitas aplicações. As densidades de líquidos podem ser medidas com altíssima precisão e em linha, sem os inconvenientes e atrasos da amostragem. A densidade pode ser usada para determinar a percentagem de material na vazão pela massa (percentagem de sólidos) ou volume total.

Há aplicações de medidor Coriolis portátil, montado em uma mesa com rodas, para totalização e monitorização de

transferência de material em processo batelada de indústria farmacêutica. Um único medidor pode ser instalado, quando necessário, em um de vários pontos, substituindo, a montagem de vários medidores permanentes. O medidor único serve uma grande área porque é rara a necessidade de mais de uma medição ao mesmo tempo. Tem-se, assim, um sistema econômico e de altas precisão e confiabilidade.

8. Critérios de Seleção Os fatores na seleção e aplicação do

medidor de vazão Coriolis incluem o tamanho, que afeta a precisão e a queda de pressão, compatibilidade de materiais, limites de temperatura e pressão. Alguns medidores são projetados para faixas de temperatura entre -400 a +600 oF. Os medidores podem suportar pressões de até 5 000 psig.

A perda de pressão é um parâmetro importante no dimensionamento do medidor. O valor preciso e confiável da viscosidade nas condições reais de operação e de vazão (a viscosidade depende da temperatura e do fato do fluido estar vazando ou não) é importante na determinação da queda de pressão. Normalmente, há uma relação ótima entre viscosidade, queda de pressão e tamanho do tubo medidor para uma medição precisa e confiável.

A compatibilidade do material é critica com muitas vazões e é valiosa a experiência do fabricante com vários pares fluidos/materiais. As tabelas padrão de corrosão podem não ser suficientes, pois o tubo medidor pode estar sujeito a corrosão de tensão (stress corrosion crack) com alguns fluidos. O material padrão do tubo medidor é o aço inoxidável AISI 316L. Quando os fluidos são mais agressivos, por exemplo, contendo cloretos, podem ser usados tubos de Hastelloy, Monel, tântalo ou com revestimentos convenientes.

9. Limitações Os problemas que aparecem nestes

sistemas de medição de vazão de Coriolis estão relacionados com a sensibilidade a vibração e a alta temperatura, falhas do circuito eletrônico, rupturas do tubo em soldas internas e entupimento do tubo por fases secundárias. A maioria dos problemas pode ser resolvida com melhorias do projeto. Tubos curvados de vários formatos reduzem o tamanho e peso de corpo do medidor e

Coriolis

293

diminuem a perda de carga permanente em médias e altas velocidades.

A distorção do tubo pode ser medida sem a necessidade de se ter um ponto ou plano de referência para o movimento do tubo. Maiores relações sinal/ruído e correção de desvio de zero melhoram o desempenho do instrumento. Adicionalmente os medidores são menos sensíveis a vibração e mais faceeis de serem instalados. A vazão divergente entre os dois tubos não mais necessitam ser distribuída igualmente para manter a precisão e novos projetos eliminam a necessidade de soldas internas nas extremidades do tubo.

Fig. 15.3. Formatos dos medidores Embora o medidor de massa de Coriolis

seja não-intrusivo, a trajetória da vazão passa em seu circuito. Em adição, a vazão é separada em dois tubos com diâmetros menores que o diâmetro da tubulação de processo. Isto ocasiona o aparecimento freqüente de fase secundária no medidor, quando não cuidadosamente instalado. A perda de pressão pode ser substancialmente maior do que em outros tipos não-intrusivos e portanto, pode haver o aparecimento de cavitação e flasheamento de líquidos voláteis.

Os problemas ocorrem mais freqüentemente na partida de sistemas mal instalados do que de falhas mecânicas ou eletrônicas. Portanto, a instalação deve ser estritamente de acordo com as recomendações do fabricante. Mesmo para pequenas linhas de processo, os medidores são pesados e volumosos, quando comparados com outros tipos. Porém, eles não são afetados pela distorção do perfil da velocidade e não requerem longos trechos de tubulação para sua instalação.

Embora o medidor custe muito mais do que os outros tipos, ele mede a vazão mássica diretamente, sem a necessidade de instrumentos adicionais para compensação.

10. Conclusão Hoje, no mundo, há mais de 75.000

medidores de massa direta, tipo Coriolis, para operar nas indústrias farmacêutica, química, de papel e celulose, petroquímica e de tinta. Eles medem a vazão mássica e a densidade de materiais tão diversos como tintas e polímeros, óleo diesel e soda caustica, plasma sangüíneo e glicol etileno. O medidor é particularmente usado na medição de vazão de fluidos não-newtonianos, normalmente encontrados na indústria de alimentos, tintas e farmacêutica.

O medidor Coriolis é o único que oferece a habilidade de medir diretamente a vazão mássica em um processo continuo e principalmente em processos tipo batelada. Um único medidor de vazão pode ser usado para controlar vários ingredientes ou vários medidores podem medir cada componente da mistura, diminuindo grandemente o tempo da batelada, com grande beneficio ao usuário, pois o problema de pesar materiais é inteiramente eliminado.

O medidor Coriolis é também usado em aplicações de transferência de custódia (compra e venda de produtos).

Desde que haja suficiente velocidade de massa, o medidor Coriolis pode medir vazões de gases.

Coriolis

294

Folha de Especificação : Transmissor de Vazão - Mássico

Geral 1 Identificação. Ft-9121 Ft-9102

2 Serviço. Transfer. De eto p/ reação

Alimentação tq-910-02

3 No. Da linha / equip. Eto-91104-22a-cc P-91114-13e-tv

4 Diâmetro / classe / face 1.1/2” - 150# fr 2” - 150# fp

5 Class. Do invólucro. Nema 7 Nema 7

6 Classificação da área. Cl. I, div. Ii, gr. B, c, d. Cl. I, div. Ii, gr. B, c, d.

7

8

Sensor 9 Princípio medição / tipo Coriolis Coriolis

10 Material do elemento A. Inox 316 l A. Inox 316 l

11 Material da caixa A. Inox 304 A. Inox 304

12 Conexão elétrica. 3/4” npt 3/4” npt

13 Comprimento do cabo 5 metros 5 metros

14 Faixa máxima de vazão 10,8 ton/h 24 ton/h

15 Diâmetro do tubo medidor 1” - 25mm 1.1/2” - 40mm

16 Sinal de saída de vazão Digital Digital

17 Indicador local Não Não

18 Repetitividade 0,05% da vazão 0,05% da vazão

19 Rangeabilidade 20 : 1 20 : 1

20 Alimentação 24 v.d.c. 24 v.d.c.

21

Processo

22 Fluído / estado físico Etileno óxido Multipropósito

23 Vazão normal / máx. (ton/h) 3,5 4,3 15,0 15,0

24 Press. Oper. / máx. (kg/cm2 a) 6,0 7,0 3,0 6,0

25 Temp. Oper. / máx. (oc) 5,0 10,0 40

26 DENSIDADE (kg/m3) 899 909

27 VISCOSIDADE (cp) 0,31 1,4

28 Δ P máx. Admissível (kg/cm2)

29 Peso molecular (gas)

30 Fabricante (ou similar) Foxboro Foxboro

31 Modelo CFS10-10 SC FNN CFS10-15 SC FNN NOTAS: 1- O FABRICANTE DEVERÁ CONFIRMAR O MODELO, DIÂMETRO E TIPO DO MEDIDOR.

295

Ultra-sônico

17.1. Introdução Há três tipos de medidores ultra-sônicos de

vazão: 1. tempo de propagação ou tempo de

trânsito 2. mudança de freqüência 3. efeito Doppler.

Em todos os medidores ultra-sônicos, a energia elétrica é usada para excitar um cristal piezelétrico em sua freqüência de ressonância. Esta freqüência de ressonância é transmitida na forma de onda, viajando à velocidade do som, no fluido e no material onde o cristal está tocando.

17.2. Diferença de Tempo O medidor de vazão ultra-sônico a

diferença de tempo ou tempo de trânsito mede a vazão, medindo o tempo gasto pela energia ultra-sônica atravessar a seção do tubo, indo a favor e contra a vazão do fluido dentro da tubulação. Os tempo de propagação da onda ultra-sônica, através do fluido, são diferentes, quando no sentido da vazão e quando no sentido contrario. A diferença no tempo de trânsito das ondas, a favor e contrario à vazão, é proporcional a vazão do fluido. Há uma diferença de tempo de propagação, por que quando a onda viaja contra a vazão, a sua velocidade é levemente diminuída e quando viaja a favor da vazão, a velocidade da onda sonora é levemente aumentada.

Neste medidor, uma onda de pressão de alta freqüência é projetada, sob um ângulo preciso, através da tubulação. Quando a onda é transmitida através do fluido na direção da vazão, sua velocidade aumenta. Quanto ela é transmitida contra a direção da vazão, sua velocidade diminui. Do ângulo entre a trajetória da onda e a vazão do fluido e da velocidade da onda no fluido pode se determinar a velocidade média do fluido. A vazão volumétrica pode ser inferida desta medição da velocidade da vazão.

Como a onda de ultra-som não pode ser dispersa pelas partículas no fluido, estes medidores são normalmente usados para medir a vazão de líquidos limpos. As precisões

podem variar de ±1 a ±5% da vazão medida, com rangeabilidades de vazão de 10:1 a 40:1. Como estes medidores são não-intrusivos, a perda de carga permanente é essencialmente zero. Os transdutores podem ser grampeados do lado de fora da tubulação.

Matematicamente, tem-se

)cosVC/(LtAB θ+= e

)cosVC/(LtBA θ−=

onde C é a velocidade do som no fluido, V é a velocidade do fluido na tubulação, L é o comprimento do trajeto acústico, θ é o ângulo do trajeto, em relação ao eixo

da tubulação, tAB é o tempo medido de trânsito entre A e

B tBA é o tempo medido de trânsito entre B e

A A diferença de tempo dá Δt t t L V CBA AB= − = × ×2 cos /θ Simplificando,

2AttKV Δ

×=

onde

tA -tempo médio de trânsito entre os transdutores.

O tipo mais simples e mais econômico envia uma única onda através do fluido e tem dois transdutores montados com ângulo de 180 graus afastado do tubo. O raio faz a média do perfil da velocidade ao longo de sua trajetória e não cruza a área do tubo. Isto torna o medidor dependente do perfil da velocidade, que, por este motivo, deve ser estável. Trechos retos de tubulação são normalmente recomendados para eliminar a distorção e os redemoinhos.

As bolhas de ar no fluido, ou os redemoinhos e os distúrbios gerados por acidentes antes do medidor podem espalhar as ondas de ultra-som, causando dificuldades na

Ultra-sônico

296

medição. As variações da temperatura do processo podem alterar a velocidade do som no fluido, piorando o desempenho do medidor. Há problemas com medições de pequenas vazões, pois há muito pequena diferença entre os tempos de transmissão a favor e contra a vazão do fluido.

Fig.23.1. Princípio de funcionamento do medidor ultra-sônico

17.2. Diferença de Freqüência No medidor a diferença de freqüência,

ajustam-se as freqüências de dois osciladores, uma em fAB e a outra em fBA, onde se tem:

ABAB t

1f =

BABA t

1f =

A relação entre a diferença das freqüências

e a velocidade da onda é dada por:

θ×Δ

=cos2

LfV

17.3. Efeito Doppler O efeito Doppler foi descoberto em 1842 e

é usado atualmente em sistemas de radar (ar) e sonar (água) e em estudos médicos e biológicos. A demonstração prática do efeito Doppler é escutar o apito do trem ou a buzina do carro. A qualidade tonal (freqüência) é diferente para o observador estático quando o trem está também parado ou em movimento.

Na aplicação industrial, quando um raio ultra-sônico é projetado em um fluido não-homogêneo, alguma energia acústica é refletida de volta para o elemento sensor. Como o fluido está em movimento com relação ao elemento sensor e o som espalhado se move com o fluido, o sinal recebido difere do sinal transmitido de um certo desvio de freqüência, referido como o desvio de freqüência Doppler. Este desvio de freqüência é diretamente proporcional a vazão.

Estes medidores não são normalmente usados com fluidos limpos, porque uma quantidade mínima de partículas ou bolhas de gás devem estar no fluido. As bolhas de gás podem ser criadas no fluido para fins de medição. A precisões geralmente variam de ± 2 a ±5% da vazão medida. Não há usualmente restrições para a vazão ou para os números de Reynolds, exceto que a vazão deve ser suficientemente rápida para manter os sólidos em suspensão.

17.4. Relação Matemática Uma onda ultra-sônica é projetada em um

ângulo através da parede da tubulação no líquido, por um cristal transmissor em um transdutor colocado fora da tubulação. Parte da energia é refletida pelas bolhas ou partículas no líquido e retorna através das paredes para um cristal receptor. Desde que os refletores estejam viajando na velocidade do fluido, a freqüência da onda refletida é girada de acordo com o princípio Doppler. Combinando as leis de Snell e de Doppler, tem-se a velocidade:

θ×Δ

=cosf2

CfV

o

t

ou, escrevendo de modo simplificado:

fKV Δ×= onde

Δf é a diferença entre a freqüência transmitida e a recebida

fo é a freqüência de transmissão θ é o ângulo do cristal transmissor e

receptor com relação ao eixo da tubulação

Ultra-sônico

297

Ct é a velocidade do som no transdutor. A velocidade é uma função linear de Δf.

Desde que se possa medir o diâmetro interno da tubulação, a vazão volumétrica pode ser medida, multiplicando-se a velocidade pela área da seção transversal.

17.5. Realização do Medidor O projeto mais popular é com um único

transdutor. Os cristais transmissor e receptor estão ambos contidos em um único conjunto transdutor, montado externamente à tubulação. O alinhamento dos cristais é feito pelo fabricante do medidor. No projeto com transdutores duais, o cristal transmissor é montado separadamente do cristal receptor, ambos externas à tubulação. O alinhamento é mantido por um conjunto apropriado.

17.6. Aplicações Como com o tempo de trânsito e outros

medidores de vazão, a tubulação deve estar completamente cheia, para se ter a medição da vazão correta. O transdutor com efeito Doppler indica a velocidade em uma tubulação parcialmente cheia, desde que o transdutor esteja abaixo do líquido na tubulação.

Os fabricantes especificam a distancia mínima do medidor para os provocadores de distúrbio, como válvula, cotovelo, te, bombas, tipicamente 10 a 20 D antes e 5 D depois do medidor.

O medidor a efeito Doppler se baseia nas bolhas ou partículas no fluido para refletir a energia ultra-sônica. Os fabricantes especificam o limite mínimo de concentração e tamanho de sólidos ou bolhas nos líquidos para operação confiável e precisa. Os medidores ultra-sônicos a efeito Doppler são efetivos com líquidos misturados com sólidos (slurries). Porem, quando a mistura é altamente concentrada, as ondas ultra-sônicas não penetram suficientemente no fluido, por causa da reflexão no fluido próximo da parede da tubulação, que se move muito lentamente. Variações na densidade da mistura também introduzem erro.

Fig. 17.2. Medidor ultra-sônico não intrusivo A vazão deve estar na velocidade típica de

2,0 m/s mínima para os sólidos em suspensão e 0,75 m/s para as bolhas entranhadas.

Fig.23.3. Medidor ultra-sônico intrusivo O medidor a efeito Doppler opera

independente do material da tubulação, desde que ele seja condutor sônico. Tubulação de concreto, barro e ferro muito poroso, podem absorver a energia ultra-sônica e podem não trabalhar bem com um medidor tipo Doppler. Deve-se tomar cuidado com tubo de plástico reforçado com fibra de vidro; os resultados são excelentes com tubulação de plástico, como de PVC.

Ultra-sônico

298

Especificações A precisão especificada é tipicamente de ±

0,2 a ±5 % da largura de faixa e depende do fabricante, velocidade, diâmetro da tubulação, fluido do processo. Deve ser feita a calibração no fluido do processo para converter a velocidade em vazão volumétrica. A calibração sem o fluido do processo pode introduzir erros de +5% até -2% da vazão medida. A calibração feita com outro fluido conhecido mas diferente do fluido do processo real pode produzir precisão tão boa quanto ±1% do valor medido. A repetitividade é da ordem de ±0,5% do fundo de escala.

Os medidores podem ser bidirecionais, mas eles medem apenas a magnitude e não a direção da vazão. Pode-se usar totalizador, em vez de indicador da vazão instantânea. Vibrações na tubulação e condições de não vazão podem causar indicação do fundo de escala devido ao movimento das partículas e das bolhas. A saída de 4 a 20 mA cc é a padrão. Saídas de pulso ou de tensão são opcionais.

Fig. 13.4. Medidor de vazão chamado de intrusivo,

Fig. 17.5. Medidor ultra-sônico multifeixe

Conclusão O número de instalações com medidores

ultra-sônicos, tanto a tempo de trânsito como a efeito Doppler, tem diminuído por causa da reputação de desempenho inadequado. Muitos medidores de vazão ultra-sônicos a efeito Doppler são medidores portáteis para verificação de grandes vazões; são aplicações que não requerem grande precisão. Atualmente são projetados medidores ultra-sônicos com melhoria do desempenho, com projetos envolvendo transdutores múltiplos, maiores freqüências de operação e novas técnicas eletrônicas. Já são desenvolvidos, inclusive, medidores de vazão para fluidos limpos usando a turbulência do fluido para refletir as ondas.

299

Magnético

8.1. Princípio de funcionamento O princípio de funcionamento do medidor

de vazão magnético é a lei de Faraday, que diz ser a força eletromotriz (militensão) induzida no condutor móvel ao longo do campo magnético proporcional à velocidade do condutor. Como a velocidade do fluido é diretamente proporcional à sua vazão, pode-se medir a vazão através da medição da velocidade.

A condição necessária para a aplicação do medidor magnético é que o fluido seja condutor elétrico. A condutividade mínima exigida é de 200 microsiemens por metro.

Fig. 3.14. Funcionamento do medidor magnético

8.2. Sistema de Medição O sistema de medição magnética da vazão

consiste dos seguintes equipamentos: 1. tubo medidor, 2. transmissor ou condicionador de sinal 3. cabo coaxial blindado, de interligação. O tubo medidor serve para gerar um sinal

elétrico proporcional linearmente à velocidade do fluido e portanto à sua vazão. O transmissor eletrônico de vazão converte esse sinal elétrico no sinal padrão de 4 a 20 mA cc e opcionalmente, em um trem de pulsos escalonados. Interligando estes dois instrumentos, usa-se um cabo coaxial, rigorosamente blindado, pois o sinal de saída do tubo é alternado e de baixo nível, portanto susceptível de captar interferência. Algumas configurações podem ter o tubo medidor de vazão magnético acoplado diretamente ao transmissor, sem o cabo.

Opcionalmente usa-se um limpador de eletrodos, que evita a deposição de sujeiras no ponto de tomada do eletrodo. Há limpadores do tipo ultra-sônico e há limpadores mecânicos. É recomendado o uso do limpador, quando o fluido medido tem facilidade de deixar lodo e sujeira no caminho.

Quando se tem uma planta com muitos medidores de vazão tipo magnético é recomendado a aquisição do calibrador magnético de vazão. É um instrumento portátil, que prove um sinal de militensão alternada, em fase e amplitude adequadas, para a calibração do transmissor eletrônico de vazão.

Fig. 3.15. Tubos medidores magnéticos

8.3. Tubo Medidor O medidor magnético de vazão é um tubo

de aço inoxidável não ferromagnético, com um revestimento interno não condutor elétrico. Duas bobinas externas produzem um campo magnético no interior do tubo. Como elas são alimentadas com corrente elétrica alternada senoidal, tipicamente de 110 V RMS, 60 Hz, o campo magnético gerado é de mesma natureza. O líquido que passa no interior do tubo funciona como o condutor elétrico e induz uma força eletromotriz proporcional à velocidade do fluido, portanto à vazão do fluido. Dois pequenos eletrodos, montados verticalmente ao tubo e tangenciando a sua superfície interna, detectam a força eletromotriz. A força eletromotriz detectada é uma militensão alternada e é linearmente proporcional à vazão do fluido.

O interior do tubo de medição deve ser revestido de um material eletricamente isolante. Isso pode ser usado para revestir o interior do tubo com materiais quimicamente inertes ao fluidos manuseados. São comuns: teflon®, poliuretano, butadieno, neoprene® e outros materiais.

Magnético

300

Quando aplicados às industrias alimentícias, são disponíveis na versão sanitária, que consiste em uma facilidade excepcional de desmontagem, para lavagens periódicas. Geralmente são pintados de branco.

Os medidores magnéticos são conectados ao processo através de flanges, com diferentes classes: ANSI 150 e 300, PN 16 e 40.

Como os eletrodos são de tamanho pequeno, é praticável e econômico sua confção com materiais especiais, como Titânio, tântalo platina, monel®, hastelloyC®.

Fig. 3.16. Transmissor integral ao tubo

8.4. Transmissor de Vazão O transmissor de vazão recebe na entrada

o sinal de militensão alternada de saída do tubo magnético, proporcional à vazão e o converte no sinal padrão de transmissão de corrente, de 4 a 20 mA cc. Para se obter maior precisão, quando requerido e com custo adicional, o transmissor pode ser calibrado com um tubo especifico, ambos formando um par casado para futura aplicação em conjunto.

O tubo medidor de vazão e o seu respectivo transmissor são instrumento elétricos e portanto, devem satisfazer as exigências para o uso na área de montagem. A maioria é constituida na versão de uso geral, para montagem em local seguro. Porém, podem ser montados em locais de Classe I, grupos B, C e D, Divisão 2, classe de temperatura T3. Quando usado em Divisão 1, requer a pressurização tipo Y, que protege e possibilita o uso de instrumento não incenditivo em Divisão 1.

O transmissor é, impropriamente, chamado de conversor.

8.5. Vantagens As principais vantagens do uso do medidor

magnético de vazão são: 1. não apresenta nenhuma perda de

carga adicional. Ou seja, a perda de carga do tubo medidor de vazão é exatamente igual à perda de uma tubulação de igual tamanho.

2. como não apresenta nenhuma obstrução à linha, ele pode medir vazão de fluidos sujos, corrosivos, abrasivos, com sólidos em suspensão, não lubrificantes.

3. a configuração geométrica do sistema de medição ano é critica, podendo medir fluidos laminares e turbulentos. O único inconveniene é a presença de bolhas de ar que introduzem erro, pois a medição é de volume.

4. a medição não é afetada pela viscosidade, densidade, temperatura ou pressão. Não é afetado, inclusive, pela condutividade, desde que seja mantido o mínimo exigido.

5. não possui peças moveis e desde que a velocidade não ultrapassa o limite de 6,0 m/s, não há desgaste nenhum.

6. a saída é analógica e linear, portanto com excelente rangeabilidade.

8.6. Desvantagens e limitações Desvantagens, ele também as tem: 1. exige-se a condutividade mínima de 0,1

a 20 microsiemens. 2. o princípio de funcionamento requer o

tubo sempre cheio de líquido. Se o formato da frente de onda da vazão é assimétrico também há erros. Para solucionar esses problemas, recomenda-se, sempre que possível, montar o tubo medidor na posição vertical, com fluxo ascendente.

3. o medidor é montado em linha 4. a característica do medidor é seu fator

K, inerente a cada medidor, construído para atender determinados dados de vazão. A calibração do medidor magnético exige a simulação da vazão conhecida.

5. é um instrumento elétrico e portanto sua montagem é limitada a locais seguros, ou se exige técnica adicional de segurança para montagem em local classificado.

Magnético

301

Fig. 3.17. Medidor magnético microprocessado

302

Terminologia

2.1. Introdução Deve haver uma uniformidade de termos e

nomenclatura no campo da instrumentação de processo. Aqui estão definidos os principais termos especializados da Instrumentação, que podem ser levemente ou totalmente diferentes do uso comum.

Os termos definidos são convenientes para o uso do pessoal envolvido de algum modo com a Instrumentação, incluindo projeto, fabricação, montagem, operação, manutenção, teste e venda.

Os tipos de indústrias de processo incluem: química, petróleo, gás e óleo, petroquímica, geração de energia, siderúrgica, metalúrgica, alimentícia, têxtil, farmacêutica, papel e celulose e mineração.

2.2. Definições e Conceitos

Ação do Controlador Modo como a saída do controlador varia

em função da variável medida. O controlador possui ação direta quando o

valor do sinal de saída aumenta quando o valor da entrada (variável medida) aumenta.

O controlador possui ação inversa quando o valor do sinal de saída aumenta quando o valor da entrada (variável medida) diminui.

Ação de Controle Ação do controlador ou de um sistema de

controle é a natureza matemática (função) da variação da saída provocada pela entrada. A saída pode ser um sinal ou um valor da variável manipulada. A entrada pode ser o sinal de realimentação negativa da malha quando o ponto de ajuste é constante, um sinal de erro real ou a saída de outro controlador. Ação é também chamada de modo.

Ação Derivativa (Rate) é a ação de controle em que a saída é proporcional à taxa de variação da entrada. A ação derivativa é expressa em tempo (s).

Ação Flutuante(Floating) é a ação de controle em que a taxa de variação da saída é

uma função pré determinada da entrada. Um erro na variável controlada faz a saída do controlador variar em uma taxa constante. O erro deve exceder limites predeterminados antes do controlador começar a variar.

Ação Integral (Reset) é a ação de controle em que a saída é proporcional à integral no tempo da entrada. A taxa de variação da saída é proporcional à entrada. A ação integral é expressa em repetições por tempo (s).

Ação Liga-Desliga é a ação de controle em que a saída é 0 ou 100% e o elemento final de controle está ligado ou desligado.

Ação Proporcional é a ação de controle em que há uma relação linear contínua entre a saída e a entrada.

Acessível Instrumento visível pelo operador de

processo, que apresenta sinais visuais de indicação e registro de valores da variável de processo ou requer a atuação do operador, para estabelecer ponto de ajuste, transferir de automático para manual e vice-versa, atuar manualmente no processo, acionar chaves liga-desliga. Instrumento acessível ao operador é montado no painel de leitura ou display; instrumento não acessível é montado em armário cego ou rack.

Ajuste Operação no instrumento para torná-lo

exato ou eliminar seus erros sistemáticos. Geralmente o ajuste é feito depois da calibração. Quando o instrumento não fica exato depois de vários ajustes, ele requer manutenção. Cfr. calibração. Os principais ajustes de calibração do instrumento são o de zero e o de amplitude de faixa (span).

Alarme Alarme é a indicação da existência de uma

condição normal ou anormal através de um sinal sonoro, visual ou ambos. A condição anormal geralmente consiste em o valor de uma variável de processo atingir um valor limite, alto ou baixo, predeterminado. O alarme

Terminologia

303

geralmente requer a atuação ou atenção do operador.

Amortecimento Redução progressiva ou supressão da

oscilação em um instrumento ou sistema. A resposta a um degrau é chamada de

criticamente amortecida quando o tempo de resposta é tão rápido quanto possível sem overshoot. É sub amortecida quando ocorre overshoot ou superamortecida quando a resposta é mais lenta que a crítica.

Amortecimento viscoso usa a viscosidade dos fluidos para fazer o amortecimento.

Amortecimento magnético usa a corrente induzida nos condutores elétricos pelas variações no fluxo magnético para fazer o amortecimento.

Amplificador Dispositivo que possibilita um sinal de

entrada controlar a potência de uma fonte independe de sinal e assim ser capaz de entregar uma saída que suporta alguma relação com, e é geralmente maior que o sinal de entrada.

Analisador Nome incorreto atribuído a instrumento

usado para medir pH, concentração, composição, condutividade ou densidade. Os nomes corretos são sensor de análise, transmissor de análise, indicador de análise ou registrador de análise.

Análise Variável de processo que consiste na

determinação da composição de uma substancia, em percentagem (%) ou partes por milhão (ppm). Também é incluída como análise o pH (potencial de H+), pIon (potencial de íon), ORP (potencial de óxido redução), condutividade elétrica, densidade. Análise é uma quantidade física e não uma função de instrumento e por isso deve ser preferida a forma de sensor de análise (AE), transmissor de análise (AT), indicador de análise (AI) ou registrador de análise (AR)

Analógico Propriedade que se refere ao sinal, função,

tecnologia e display. Sinal analógico é aquele que pode assumir

infinito número de níveis, entre 0 a 100%. O sinal de comunicação de 4 a 20 mA cc é exemplo de um sinal analógico.

Função analógica é aquela que envolve medição, como controle ou registro.

Tecnologia analógica é a baseada no amplificador operacional (amp op).

Display analógico é baseado em escala e ponteiro, onde um é móvel e outro é fixo.

O instrumento que manipula sinais analógicos na sua entrada ou saída é chamado de analógico. Cfr. Digital.

Aquecimento (warm up) Período de tempo necessário para o

instrumento eletrônico se estabilizar e operar normalmente, depois de ligado. O instrumento pode apresentar erros grosseiros ou não operar corretamente durante o período de aquecimento.

Área de ambiente Local qualificado na planta com condições

ambientais especificadas de conformidade com a severidade. As áreas possíveis são: área de ar condicionado, área de sala de controle, área externa e área protegida

Área de ar condicionado é um local com temperatura mantida constante em um valor nominal dentro de uma tolerância estreita e igual a um valor confortável típico. A umidade é também mantida dentro de uma faixa estreita. Áreas com ar condicionado possuem circulação de ar limpo e são tipicamente usadas para instrumentação como computador ou outro equipamento requerendo ambiente controlado.

Área de sala de controle é um local com facilidade de aquecer ou resfriar o ambiente. As condições são mantidas dentro de limites especificados. Pode haver ou não controle automático de temperatura e umidade. As áreas da sala de controle são comumente apropriadas para a operação do sistema de controle, havendo a presença continua de operadores.

Área externa é um local em que o equipamento está exposto a condições ambientais sem proteção, incluindo temperatura, umidade, raio de sol direto, vento, chuva e sereno.

Área protegida é um local de processo industrial com proteção contra exposição direta dos elementos, como luz do sol direta, chuva, vento e sereno. As temperatura e umidade podem ser as mesmas da área externa. Pode haver condensação. A ventilação é natural.

Armário (Rack) Painel sem indicações que não fornece

informação e nem requer atenção do operador.

Terminologia

304

Pode ser considerado, também, a parte traseira de um painel de leitura. Cfr. Painel.

Atenuador Dispositivo que diminui o tamanho do sinal

entre dois pontos ou entre duas freqüências. Atenuação é o inverso do ganho. A atenuação pode ser expressa como uma relação adimensional, relação escalar ou em decibel (dB).

Atenuação 4:1 é um critério de sintonia de controlador de processo onde a amplitude do desvio (erro) da variável controlada, seguindo um distúrbio, é cíclica, de modo que a amplitude de cada pico é ¼ do pico anterior.

Atraso (delay) O intervalo de tempo entre um sinal

variando e sua repetição para alguma duração especificada em um ponto a jusante do caminho do sinal.

Atuador Parte do elemento final de controle que

translada o sinal de controle em ação do equipamento final de controle no processo. A válvula de controle geralmente possui um diafragma acionado pneumaticamente como atuador.

Auto – aquecimento Aquecimento interno resultante da

dissipação da energia elétrica no sensor. Fenômeno indesejável que ocorre na medição de temperatura com resistência.

Auto - regulação A propriedade de algumas variáveis no

processo adotarem um valor estável sob dadas condições de carga, mesmo sem um sistema de controle. Por exemplo, a temperatura de fervura da água é de 100 oC, à pressão atmosférica padrão (103,1 kPa)

Auto - sintonia A propriedade de alguns controladores

microprocessados adotarem automaticamente os melhores valores de sintonia (ganho, tempo integral e tempo derivativo), sempre que as condições de carga do processo variarem.

Backlash Um movimento relativo entre partes

mecânicas que interagem, resultando em folga, quando o movimento é invertido.

Banda Proporcional A variação na entrada de um controlador

Proporcional requerida para produzir uma variação total na saída. Assim, se 10% de variação no erro causa uma variação de 100% na saída do controlador, então é banda proporcional é de 10.

Banda proporcional é a relação da variação de entrada sobre a da saída.

Banda proporcional é o inverso do ganho. Banda proporcional é a região onde há

controle automático.

Bourdon C Um sensor de pressão que converte a

pressão em um pequeno deslocamento aproximadamente linear. Ele é chamado de bourdon por causa de seu inventor e C, por causa de seu formato encurvado. Seu funcionamento se baseia na deformação elástica do elemento. Outros elementos similares são: diafragma, fole, espiral e helicoidal.

Banda morta A faixa através da qual uma entrada pode

ser variada sem provocar resposta detectável. A banda morta é geralmente expressa em percentagem da amplitude de faixa.

Base de numeração O número cujas potências determinam o

valor de cada posição no número. O mais usado no dia a dia é o decimal ou base 10. Em computação, o sistema padrão é o binário ou base 2. Em configuração de sistemas digitais, é comum se encontrar as bases octal (base 8) e hexadecimal (base 16). A base hexadecimal é útil em casos onde as palavras são compostas de múltiplos de 4 bits (palavras de 4, 8, 16, 32 bits). A base octal é mais útil onde as palavras são compostas de múltiplos de 3 bits (3, 6, 9 ou 12 bits)

Binário Um sistema de representação de números

de base 2, onde só existem os dígitos 0 e 1. É o sistema de trabalho dos computadores digitais. O binário pode ser considerado um caso especial de digital, quando se tem apenas um bit. A saída de uma chave é um sinal binário, pois a chave só pode estar ligada ou desligada. Cfr. Digital.

Terminologia

305

Bico-Palheta Peça fundamental de todo instrumento

pneumático que transmite, manipula ou controla sinais. Basicamente, o conjunto converte um pequeno deslocamento da palheta no sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi).

Bocal Tipo especial de restrição usada para medir

vazão de fluidos, gerando uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão. É usado em sistema de calibração de medidores de vazão de gases, pois ocorre nele o fenômeno da vazão crítica.

Bode, Diagrama de Um gráfico de função de transferência

versus freqüência, onde o ganho (geralmente em dB) e fase (em graus) são plotados contra a freqüência em uma escala logarítmica.

Bulbo Parte sensível do elemento primário de

temperatura. Invólucro que protege o termopar ou o fio de resistência detectora de temperatura ou que contem o fluido de enchimento do elemento termal. O bulbo não é o elemento sensor.

Bypass Caminho alternativo em torno de outro

componente, tubulação, ligação ou sistema, usado principalmente para permitir a manutenção do equipamento colocado no caminho principal.

Calibração Operação de verificar a exatidão de um

instrumento através da comparação com outro padrão rastreado. Determinação dos pontos em que as graduações da escala estão colocados. Também chamada de aferição ou verificação. Cfr. Ajuste.

Calibração a seco de transmissor é aquela feita contornando o seu elemento sensor; gerando valores internos como padrão, não requerendo o padrão da variável sendo medida.

Ciclo de Calibração é a aplicação de valores conhecidos da variável medida e o registro dos valores correspondentes das leituras de saída, sobre a faixa do instrumento, nos sentidos de subida e descida.

Curva de Calibração é a representação gráfica do relatório de calibração.

Rastreabilidade da Calibração é a relação da calibração de um instrumento com um instrumento calibrado e certificado por um Laboratório Nacional, através de um processo passo a passo.

Relatório de Calibração é a tabela ou gráfico da relação medida de um instrumento comparado com um padrão, em toda sua faixa.

Campo Área industrial, off site limit bateries, área

externa, local. Cfr. Sala de controle.

Carga Carga do processo expressa os valores

nominais de todas as variáveis em um processo que afetam a variável controlada, exceto a variável manipulada e a controlada.

Cavitação Fenômeno indesejável da evaporação do

líquido e a implosão de bolhas quando o vapor volta ao estado líquido, que ocorre em interior de tubulações quando há diminuição da pressão ou aumento da temperatura. A cavitação pode ocorrer no interior de elementos sensores de vazão, bombas, restrições e válvulas.

A cavitação pode destruir internos de válvulas e sensores colocados na tubulação. Cfr. flacheamento (flashing).

Célula de carga Sensor elétrico para medição de pressão

ou peso. A ação é baseada em strain gauges montados dentro da célula em uma barra de força. Também chamada de célula extensiométrica. É o elemento sensor padrão da balança eletrônica. Cfr. cristal piezoelétrico e strain gauge.

Centro de Controle Uma estrutura de equipamentos para

medir, controlar ou monitorar um processo. Também pode se referir à sala de controle

da planta.

Chave Dispositivo que liga, desliga ou seleciona

um determinado circuito elétrico. A chave pode ser manual ou automática. Chave automática é acionada quando a variável de processo atinge um valor predeterminado. Chaves automáticas clássicas são: pressão (pressostato), temperatura (termostato), nível, vazão, posição (chave fim de curso).

Terminologia

306

Choque mecânico Aplicação momentânea de uma força de

aceleração a um equipamento. É geralmente expresso em número de acelerações da gravidade (g).

Cíclico Uma condição de estado permanente ou

oscilação transiente de um sinal em relação ao valor nominal

Condições de Operação Condições em que um instrumento ou

equipamento está sujeito, não incluindo a variável medida por ele. As condições de operação incluem: temperatura ambiente, pressão ambiente, força gravitacional, campos eletromagnéticos, inclinação, variações da alimentação (tensão, freqüência, harmônicas), choque e vibração.

As condições de operação normais são a faixa de condições de operação dentro da qual o instrumento é projetado para operar e para a qual são estabelecidas as influências de operação.

As condições de operação de referência são a faixa de condições de operação dentro da qual as influências de operação são desprezíveis. As condições de referência são usualmente estreitas. Por exemplo, a condição de referência de operação típica de um instrumento é de 24 ± 2 oC .

As condições de transporte e armazenamento são a faixa de condições em que um instrumento ou equipamento está sujeito entre o tempo de construção e o tempo de instalação, incluindo o tempo em que ele estiver desligado. Não deve ocorrer nenhum dano físico ou defeito de operação durante este período, porem, pode ser necessário se fazer pequenos ajustes e calibração para restaurar sua condição de operação normal.

Condutância Em circuito de corrente contínua, é o

inverso da resistência e portanto é a medida da habilidade de um circuito conduzir a corrente. Em corrente alternada, é a parte real da admitância, quando a impedância não contem reatância.

Sua unidade SI é o siemens (S) e não é mho.

Condutividade (elétrica) Variável de processo ou grandeza física

que consiste na relação da densidade de corrente elétrica para o campo elétrico no

material. Também conhecida como condutância específica. Condutividade é diferente de condutância.

Também existe condutividade termal, condutividade acústica

Confiabilidade Probabilidade que uma parte componente, instrumento ou sistema funcione satisfatoriamente, sob condições, determinadas sem manutenção, durante determinado período de tempo.

Conhecimento (Acknowledgement) Chave do sistema de intertravamento ou

alarme utilizada para silenciar o sistema sonoro, depois que o sistema é acionado.

Compartilhado Um único instrumento executa a mesma

função, geralmente indicação, registro ou controle, de um grande numero de variáveis, simultaneamente; é o instrumento associado a muitas malhas. Cfr. Dedicado.

Compensação Provisão de uma construção especial,

equipamento suplementar, circuito ou materiais especiais para contrabalançar fontes de erro devidas às variações em condições de operação específicas. Eliminação de erros variáveis provocadas por modificação.

Compensador Equipamento que converte um sinal em

alguma função que direciona o elemento final de controle para reduzir desvios na variável diretamente controlada.

Computador Analógico Computador analógico é o instrumento que 1. faz operações matemáticas (soma,

multiplicação, divisão e integração) 2. seleciona sinais de máximo ou mínimo 3. lineariza sinais, p. ex.., extração da raiz

quadrada e caracterização de sinal. O computador analógico é também

chamado de relé pneumático ou pelo nome específico, p. ex., somador, extrator de raiz quadrada.

Computador Digital Sistema baseado no circuito integrado

microprocessador. O computador inteiro geralmente está embutido em uma única placa

Terminologia

307

de circuito impresso e trabalha com palavras de dados com 8, 16 e 32 bits.

Configuração Seleção através de comandos do teclado

da estrutura básica do algoritmo de controle, do formato da leitura e das terminações de entrada e saída.

Configurar por programação é fazer as ligações de blocos funcionais através de programação de computador (software). A configuração por programação é lógica e não física. Cfr. Fiação física

Conformidade Conformidade é o grau de aproximação de

uma curva a outra específica (e.g., linear, logarítmica, parabólica, cúbica). Geralmente é medida em conformidade e expressa em não conformidade. É um dos parâmetros da exatidão especificada do instrumento. A conformidade pode ser independente, baseada no terminal e baseada no zero.

Constante de Tempo Um número caracterizando o tempo

necessário para a saída de um equipamento atingir aproximadamente 63% do valor final, em resposta a um degrau aplicado na entrada. A constante de tempo é também chamada de tempo característico.

Consumo de ar A máxima taxa em que o ar comprimido é

consumido por um instrumento pneumático, dentro de sua faixa de operação e durante condições de sinal constante. Geralmente expressa em m3/hr, a temperatura e pressão especificadas.

Controlador Instrumento que opera automaticamente

para regular uma variável controlada. O controlador a realimentação negativa recebe um sinal proporcional à variável medida, compara-o com um valor de referência estabelecido pelo operador e gera um sinal padrão na saída que é função matemática da diferença entre a medição e a referência. O sinal de saída tende a manter a variável controlada igual ou em torno do valor desejado.

O controlador pode ter o nome das ações de controle embutidas; tem-se controlador liga-desliga (on-off), controlador proporcional (P), controlador proporcional mais integral (PI), controlador proporcional mais derivativa (PD), controlador mais integral mais derivativa (PID).

Controlador Single Loop é um instrumento microprocessado, configurável e dedicado ao controle de uma, duas ou até quatro malhas de controle. Alguns modelos podem ser reconfigurados para computador de vazão.

O controlador pode também ser auto-operado; chama-se regulador.

Controle Compartilhado Controle em que um único controlador

divide seu tempo de computação e controle entre várias malhas de controle. Em vez de ser dedicado a uma única malha, ele é compartilhado por todas as malhas da planta e assume o controle de cada malha, uma por vez, de modo cíclico, em uma varredura predeterminada.

Controle Digital Direto Controle feito por um dispositivo digital que

executa todas as funções de detecção de erro e atuação no elemento final de controle.

Controle Liga-Desliga Um sistema de controle com duas

posições, em que um dos dois valores discretos é zero. É um sistema simples de controle onde a saída do controlador só pode estar ligada (alta) ou desligada (baixa) e consequentemente o elemento final de controle está totalmente aberto (100%) ou fechado (0%). O controle liga-desliga pode ser realizado através de chave.

No controle liga-desliga convencional um único ponto serve para ligar e desligar o sistema. O Controle com Intervalo (Gap) Diferencial é um controlador liga-desliga, com dois pontos de atuação: um para ligar e outro para desligar. A vantagem é que o elemento final de controle atua menor número de vezes e a desvantagem é que a amplitude de variação da variável é maior.

Controle Lógico Programável Sistema digital, compartilhado, aplicado

principalmente para controle lógico de processos com muita operação de liga-desliga. Como não possui interface Homem-Máquina, geralmente é associado a um sistema de computador onde roda um aplicativo para controle supervisório. É chamado abreviadamente de CLP.

Terminologia

308

Controle Multivariável Sistema de controle mais elaborado, onde

estão envolvidas duas ou mais malhas de controle ou duas ou mais variáveis de processo.

Controle Adaptativo é aquele em que os meios automáticos são usados para variar o tipo ou influência (ou ambos) dos parâmetros de controle, de modo a melhorar o desempenho do sistema de controle. Controle Auto-seletor é um sistema de controle com dois ou mais controladores, em que apenas um é selecionado para executar o controle, enquanto todos os outros ficam em espera. É mandatório o uso de um seletor de sinais. É também chamado de controle override. Controle Cascata é um sistema de controle com duas malhas fechadas, em que a saída de um controlador (primário) é o ponto de ajuste de outro controlador (secundário).

Controle Faixa Dividida é um sistema de controle em que o controlador atua em dois ou mais elementos finais de controle. É também chamado de split range.

Controle Relação de Vazões é um sistema de controle em que o controlador recebe n medições de vazão e atua em (n – 1) elementos finais de controle para manter constante a relação entre as vazões.

Controle Processo O controle de processo é a regulação ou

manipulação das variáveis que afetam a operação do processo, de modo a obter um produto com qualidade desejada em quantidade eficiente. É o balanço dos fluxos de energia (pressão e temperatura) e de material (vazão e nível).

Controle Preditivo Antecipatório Controle em que a informação referente a

uma ou mais condições que podem afetar a variável controlada são convertidas, fora de qualquer malha de realimentação negativa, em ação corretiva para minimizar os desvios da variável controlada.

O uso do controle preditivo antecipatório não afeta a estabilidade do sistema, pois ele não é parte da malha de realimentação negativa que determina a estabilidade.

Controle Realimentação Negativa Controle em que a variável medida é

comparada com seu valor desejado para produzir um sinal de erro de atuação que age de tal modo a reduzir o tamanho do erro.

Controle Supervisório Controle em que as malhas de controle operam independentemente, sujeitas a ações corretivas intermitentes. Exemplo de controle supervisório é o sistema com os pontos de ajustes variados por uma fonte externa.

Conversor Instrumento que transforma uma forma de

energia elétrica em outra. Conversor A/D que transforma um a tensão

ou corrente de entrada analógica em um sinal digital proporcional.

Conversor D/A que transforma um sinal digital, geralmente de um computador, em uma tensão ou corrente de saída analógica proporcional.

Coriolis Força Coriolis é uma pseudoforça

dependente da velocidade em relação a um sistema que está em rotação com relação a um sistema inercial de referência; é igual e oposta ao produto da massa da partícula onde a forma age e sua aceleração de Coriolis.

Efeito Coriolis é a deflexão relativa à superfície da terra a qualquer objeto movendo acima da terra, causada pela força Coriolis. Um objeto se movendo horizontalmente é defletido para a esquerda, no hemisfério Sul.

O medidor de vazão tipo Coriolis determina a vazão mássica a partir do torque em um tubo que sofre uma vibração externa.

Correção Diferença algébrica entre o valor ideal e a

indicação do valor medido. É a quantidade que adicionada algebricamente à indicação dá o valor ideal.

Correção positiva denota que a indicação do instrumento é menor que o valor ideal.

correção = valor ideal – indicação

Corpo Negro Um corpo ideal que absorve toda a

radiação incidente e não emite nenhuma. (Conceito utilizado na medição de temperatura com radiação)

Correlação A interdependência ou associação entre

duas variáveis de natureza quantitativa ou qualitativa. A correlação pode variar de –1 (correlação inversa), 0 (não há) a 1 (correlação total).

Terminologia

309

Corrosão Destruição gradual de um metal ou liga

devido a processos químicos como oxidação ou a ação de agente químico. A corrosão pode ser eliminada ou diminuída pela escolha criteriosa dos materiais em contato.

Erosão é a perda de material ou desgaste de uma superfície provocada pela alta velocidade de um fluido.

A corrosão é de origem química; a erosão é física.

Cristal piezoelétrico Um sensor elétrico de pressão que gera

uma tensão proporcional à pressão aplicada na entrada. Cfr. strain gage.

Característica, Curva Uma curva (gráfico) que mostra os valores

ideais em regime ou uma saída de um sistema como função de uma entrada, com as outras entradas sendo mantidas em valores constantes especificados.

Característica de Válvula Relação em percentagem da vazão e

abertura correspondente da válvula. As características mais comuns são: linear, abertura rápida e igual percentagem.

Dedicado Um instrumento executa uma função

relacionada com uma única variável de processo; um instrumento corresponde a uma malha e uma malha corresponde a um instrumento. Cfr. Compartilhado.

Default Um valor automaticamente usado, a não

ser que seja especificado outro diferente.

Densidade Variável de processo ou grandeza física

que consiste na relação da massa sobre volume. A unidade SI é kg/m3 . Embora exista instrumento que meça diretamente densidade, na prática de Instrumentação é mais comum medir densidade através da pressão e temperatura do fluido do processo.

Desvio (drift) Uma variação indesejável na relação saída-

entrada durante um período de tempo. O ponto de desvio é a variação na saída durante um

período especificado de tempo para uma entrada constante, em determinada condição de operação de referência. Os pontos de desvio clássicos são os de zero e de amplitude de faixa. Expressão típica: o desvio no meio da escala para a temperatura ambiente (24 ± 1 oC ), para um período de 48 horas, é de ±0,1% da amplitude de faixa da saída.

Desvio permanente (offset) é a diferença estável entre o ponto de ajuste e a medição de um controlador Proporcional, quando há alteração da carga do processo ou do ponto de ajuste do controlador. O desvio permanente pode ser eliminado manualmente ou automaticamente, através da ação integral.

Detector Dispositivo para usado para sentir a

presença de um objeto, radiação ou composto químico; chamado de elemento sensor.

Dew Point A temperatura e pressão em que um gás

começa a se condensar em líquido. A temperatura de dew point é aquela em que o ar se torna saturado quando resfriado sem adição de umidade ou mudança de pressão; qualquer resfriamento adicional causa a condensação.

Diafragma Um sensor de pressão que converte a

pressão em um pequeno deslocamento aproximadamente linear.

Diagrama ladder Diagrama consistindo de combinação de

entradas (contatos NA e NF de chaves manuais, chaves automáticas, relés) e de saídas (bobinas de relés e de solenóides, lâmpadas piloto, sirenes) colocados em forma de degraus de uma escada, mostrando uma seqüência lógica de eventos e para ser rodado em um CLP. Cfr. CLP.

Digital Propriedade que se refere ao sinal, função, tecnologia e display.

Sinal digital é aquele que só pode assumir determinados níveis, geralmente dois: 0 ou 1. O sinal digital de comunicação (protocolo) é um conjunto de bits (0 ou 1). HART é exemplo de um sinal digital.

Função digital é aquela que envolve contagem ou manipulação de pulsos.

Tecnologia digital é a baseada em portas lógicas.

Terminologia

310

Display digital é baseada em dígitos, que substitui a escala e o ponteiro.

O instrumento que manipula sinais digitais na sua entrada ou saída é chamado de instrumento digital. Cfr. Analógico.

Display Representação visível da informação, em

palavras, números, desenhos, monitores ou consoles de computador. Imagem da informação. Instrumento ou painel acessível ao operador, para apresentar alguma indicação, registro ou contagem. Também chamado de read out.

Distúrbio Uma variação indesejável que ocorre em

um processo que tende a afetar nocivamente o valor da variável controlada.

dp Cell Um sensor de pressão que responde à

diferença na pressão entre duas fontes, geralmente usado para medir vazão pela pressão diferencial através de uma restrição na tubulação. O transmissor d/p cell® possui um diafragma dp cell.

Driver Uma seqüência de instruções de programa

que controla um equipamento de entrada-saída, como um acionador de disco. Às vezes, chamado de interface.

Elemento Final Elemento que varia diretamente o valor da

variável manipulada. Equipamento da malha de controle que está em contato com o processo, recebendo o sinal do controlador. Normalmente, é a válvula de controle com atuador pneumático; pode ser, também, cilindro, damper, válvula solenóide. Cfr. Elemento sensor.

Eletrônico Instrumento cuja alimentação é a tensão

elétrica e cujo sinal padrão de transmissão de corrente é padronizado de 4 a 20 mA cc. Cfr. Analógico, Digital e Pneumático

Elo de Comunicação Circuito físico para ligar equipamentos com

a finalidade de transmitir e receber dados.

Equipamento Um aparato para fazer uma determinada

função. Também chamado de dispositivo.

Erro A diferença algébrica entre o valor medido

de uma variável e seu valor ideal. Neste caso é também chamado de incerteza, desvio ou tolerância.

Um erro positivo denota que a indicação do instrumento é maior que o valor ideal.

erro = indicação – valor ideal Em controle de processo, é o sinal de

diferença entre a medição e o ponto de ajuste do controlador.

Erro aleatório é aquele que varia seu pequeno valor e sinal, quando se faz um grande número de medições nas mesmas condições e do mesmo valor de dada quantidade. O erro aleatório nunca pode ser eliminado e o seu tratamento estatístico determina seus limites.

Erro ambiental é o causado pela variação na condição de operação especificada da condição de referência .

Erro de amplitude de faixa é a diferença entre a amplitude real e a ideal. Um instrumento apresenta erro de amplitude de faixa quando sua curva de calibração tem inclinação diferente da ideal.

Erro de atrito é devido à resistência ao movimento apresentado pelas superfícies em contato.

Erro de inclinação é a mudança na saída causada somente pela inclinação do instrumento de sua posição normal de operação.

Erro de tensão de montagem é resultante da deformação de um instrumento causada pela montagem e conexões do instrumento.

Erro sistemático é aquele constante em valor absoluto e sinal, quando se faz um grande número de medições nas mesmas condições e do mesmo valor de uma dada quantidade. O erro sistemático pode ser eliminado ou diminuído pela calibração.

Erro de zero é o apresentado pelo instrumento operando sob condições determinadas de uso quando sua saída está no valor inferior da faixa. instrumento apresenta erro de zero quando sua curva de calibração não passa pela origem.

Espiral Um sensor de pressão que converte a

pressão em um pequeno deslocamento

Terminologia

311

aproximadamente linear. Elemento sensor mecânico que funciona sob deformação elástica.

Estação Automático-Manual Dispositivo que possibilita ao operador

selecionar um sinal automático ou um sinal manual, como a entrada para um elemento de controle. O sinal automático é normalmente a saída do controlador, enquanto o sinal manual é saída de um dispositivo operado manualmente pelo operador. É também chamada pelo seu tag: HIC.

Estação Manual de Controle Instrumento cujo sinal de saída é gerado

arbitrariamente pelo operador. Pode ser independente do controlador automático ou pode estar acoplado a ele. Cfr. Controlador.

Exatidão (accuracy) Grau de conformidade de um valor indicado com um valor padrão aceito reconhecidamente (valor ideal). Cfr. Precisão

Exatidão Especificada é o número que define um limite que os erros não excederão quando um equipamento é usado sob condições de operação especificadas.

Quando as condições de operação não são especificadas, devem ser assumidas as condições de operação de referência.

Como especificação de desempenho, a exatidão (ou a exatidão de referência) deve ser assumida para significar a exatidão especificada do instrumento, quando usado nas condições de operação de referência.

A exatidão especificada inclui os efeitos combinados de conformidade, histerese, banda morta e repetitividade.

A inexatidão pode ser expressa por: a) percentagem do valor medido real. A

expressão típica é ±1% do valor medido.

b) percentagem do fundo de escala. A expressão típica é ±1% do fundo da escala ou limite superior da escala (URL – upper range limit).

c) percentagem da amplitude de faixa (span). A expressão típica é ±1% amplitude de faixa.

d) percentagem do comprimento da escala. A expressão típica é ±1% oC.

Exatidão Medida é o desvio máximo positivo e negativo observado no teste de um equipamento sob condições especificadas e por um procedimento específico. Geralmente é medida como uma inexatidão e expresso como exatidão. É tipicamente expressa em termos da

percentagem do valor medido ou percentagem do fundo de escala.

Excitação Alimentação externa aplicada a um

equipamento para sua operação. A excitação sempre tem valores máximo e mínimo, acima e abaixo do qual pode se danificar ou degradar o desempenho do instrumento.

Faixa Faixa é a região entre os limites dentro da

qual uma variável é medida. A faixa é definida por dois números: limite inferior e limite superior. Assim, a temperatura é para ser medida entre 20 e 100 oC , define a faixa da medição de temperatura.

Amplitude de faixa é a diferença algébrica entre o limite superior e o inferior. Assim, a temperatura na faixa de 10 a 100 oC possui amplitude de faixa de 80 oC.

Faixa com zero elevado é aquela cujo início (valor inferior) é menor que zero (negativo); por exemplo de –20 a 100 oC, -100 a 0 oC ou -100 a –20 oC.

Faixa com zero suprimido é aquela cujo início é maior que zero (positivo); por exemplo de 20 a 100 oC.

Falha Condição causada pelo colapso, quebra ou

encurvamento, de modo que o instrumento ou equipamento não mais desempenhe sua função.

Sistema de falha segura (failsafe) é aquele que vai naturalmente para uma condição segura, quando há falha no sistema.

Válvula com falha fechada (FC - fail close) é aquela com ação ar para abrir; em caso de falha a válvula fica totalmente fechada.

Válvula com falha aberta (FO - fail open) é aquela com ação ar para fechar; em caso de falha a válvula fica totalmente aberta.

Fator de Escala O fator pelo qual o número de divisões da

escala do indicador ou do registrador deve ser multiplicado para se obter o valor da variável medida.

Fibra óptica Cabo (fio) de comunicação longo, fino, de

sílica fundida ou de outra substancia transparente, usado para transmitir a luz. Também conhecido como guia de luz.

Sensor de fibra óptica é um dispositivo em que a quantidade física a ser medida é feita

Terminologia

312

para modular a intensidade, espectro, fase ou polarização da luz de um diodo emissor de luz (LED) ou diodo laser viajando através de uma fibra óptica. A luz modulada é detectada por um fotodiodo.

Fieldbus® Protocolo digital para comunicação de

instrumentos de campo, atualmente suportado pela Fieldbus Foundation.

Fio Condutor elétrico com resistência

teoricamente zero usado para interligar instrumentos ou componentes de circuito. Também chamado de cabo. A configuração mais usada em Instrumentação é com dois fios trançados, onde são transportados simultaneamente o sinal analógico, a alimentação e o digital. Na medição de temperatura com RTD é comum se usar três fios de ligação.

Flacheamento (flashing) Fenômeno indesejável da evaporação do

líquido (formação de bolhas de vapor), que ocorre em interior de tubulações quando há diminuição da pressão ou aumento da temperatura. O flacheamento pode ocorrer no interior de elementos sensores de vazão, bombas, restrições e válvulas. Cfr. cavitação.

Fole Um sensor de pressão que converte a

pressão em um pequeno deslocamento aproximadamente linear.

Foreground/background Um sistema de controle que usa dois

computadores, uma para fazer as funções de controle e o outro para aquisição de dados, avaliação do desempenho off-line, operações financeiras, programações de produção. Qualquer um dos dois computadores pode fazer as funções de controle.

Freqüência Número de ciclos completados por uma

quantidade periódica na unidade de tempo. A unidade SI de freqüência é hertz, que é o

inverso de segundo. Período é o inverso de freqüência.

Freqüência também é o número de vezes um evento ocorre, durante determinado intervalo de tempo. Por exemplo, a freqüência

de calibração de um instrumento é de duas vezes por ano.

Função Uma regra matemática entre duas

grandezas físicas, de modo que um valor da primeira grandeza corresponda exatamente um valor da segunda. Por exemplo, a saída de um sensor deve ser função de sua entrada (variável medida).

Em instrumentação, a função do instrumento está relacionada com seu objetivo na malha de medição. As funções clássicas são: detecção, transmissão, condicionamento, indicação, registro, contagem, alarme, intertravamento e controle.

Função de Transferência é a resposta de um elemento da malha de controle de processo que especifica como a saída do equipamento é determinada pela entrada.

Ganho Ganho é a relação da variação da saída

sobre a variação da entrada. Pode-se definir ganho de instrumento individual, do processo, da malha fechada ou fechada de controle.

Um sistema linear possui ganho constante; o ganho é variável no sistema não linear.

Ganho é o inverso da banda proporcional O ganho pode ser adimensional ou ter

qualquer dimensão. Um controlador possui ganhos ajustáveis

das ações Proporcional, Integral e Derivativa

Hardware (HD) No contexto da informática, hardware se

refere ao equipamento físico associado com o computador, como CI (circuito integrado), placa de circuito impresso, cabos, terminais. Cfr. software (SW).

HART® Acróstico de Highway Adressable Remote

Transducer. É um protocolo de comunicação digital para instrumentos de campo.

Hidrômetro Genericamente, instrumento que mede

vazão de líquidos. Em instrumentação, se aplica geralmente a indicador local de vazão de água; às vezes o líquido não é água.

Histerese A tendência de um instrumento dar uma

saída diferente uma dada entrada, dependendo

Terminologia

313

se a entrada resulta de um aumento ou diminuição do valor anterior.

Histerese é diferente de banda morta.

Hot Standby (Reserva a quente) Sistema onde um equipamento digital é

reserva do outro, onde o reserva acompanha o status do principal, podendo assumir a função imediata e automaticamente. Embora apenas um dos equipamentos esteja na função, o outro está idêntico ao primeiro, podendo assumir o comando a qualquer momento.

Impedância Impedância elétrica é a oposição total que

um circuito apresenta a uma corrente alternada; possui uma parte resistiva (resistência) e outra reativa (que pode ser capacitiva ou indutiva).

Em circuito de corrente contínua, impedância equivale à resistência.

Indicador Instrumento que sente uma variável de processo e mostra o seu valor através do conjunto escala e ponteiro (analógico) ou de dígitos (digital). No indicador, apenas o valor instantâneo da variável medida é visualmente mostrado. Tag do indicador da variável X é XI.

Interface Alguma forma de dispositivo que permite

dois instrumentos incompatíveis se comunicarem um com o outro. Instrumentos compatíveis são ligados diretamente, sem interface. Interfaces clássicas: transdutor i/p, e transdutor p/i, que permitem a ligação de um instrumento pneumático a um eletrônico. Também chamada de driver.

Interferência eletromagnética Qualquer efeito espúrio produzido no

circuito por campos eletromagnéticos externos. A interferência pode ser eliminada ou diminuída pela nova posição dos equipamento ou por blindagem elétrica.

Intertravamento Sistema lógico implementado em hardware

ou software para coordenar a atividade de dois ou mais dispositivos, onde a ocorrência de um evento depende da existência prévia de outros eventos, de ações do operador e da lógica instalada. O intertravamento deve garantir a operação

segura da planta. O intertravamento é feito por controle lógico. Cfr. Alarme.

Instrumentação Coleção de instrumentos ou sua aplicação

com objetivo de observação, medição ou controle. Área da Engenharia que trata dos equipamentos usados na detecção, transmissão, indicação, registro, controle, alarme e intertravamento das variáveis de processo.

Instrumento inteligente Instrumento a base de microprocessador,

assim chamado porque condiciona e manipula os sinais e apresenta os resultados numa forma amigável. A inteligência é aplicada a sensores, transmissores, controladores e posicionadores de válvula.

Instrumento virtual Instrumento configurado e construído

dentro de um computador através de um programa aplicativo específico. Sua operação e características são idênticas a de um instrumento convencional, porém ele só existe dentro do computador.

Invólucro Estrutura que envolve os circuitos

constituintes de um instrumento, garantindo sua integridade física e funcional. Há normas relacionadas com a escolha do invólucro, relacionadas com sua integridade e a segurança do local.

IPTS 1990 Escala Prática Internacional de

Temperatura é a escala baseada em onze pontos, tomados em oC :

# Ponto de Equilíbrio K OC 1 Triplo do Hidrogênio 13,81 -259,34 2 Fase L/V Hidrogênio 17,042 -256,108 3 Ebulição Hidrogênio 20,28 -252,87 4 Ebulição do Néon 27,102 -246,048 5 Triplo do Oxigênio 54,361 -218,789 6 Ebulição Oxigênio 90,188 -182,962 7 Triplo da Água 273,16 0,01 8 Ebulição da Água 373,17 100,0 9 Liquefação do Zinco 692,73 419,58 10 Liquefação da Prata 1235,08 961,93 11 Liquefação do Ouro 1337,58 1064,43

Terminologia

314

Isolação Separação física entre partes de um

circuito ou sistema. A isolação evita a interação entre as duas partes. A isolação pode ser galvânica (transformador), relé ou óptica (isolador óptico). Por exemplo, o módulo de entrada do CLP possui isolação entre sua entrada e sua saída.

Junta Ponto de ligação entre dois fios ou dois

caminhos condutores de corrente. O termopar possui duas juntas: 1. junta de medição ou junta quente, que

é o ponto onde quer medir a temperatura desconhecida.

2. junta de compensação, referência ou junta fria, que deve estar em uma temperatura constante e conhecida e onde os fios estão ligados ao instrumento de display.

Lâmpada Piloto Dispositivo que indica os estados de

operação de um sistema parado, operação, alarme, automático, manual .

LASER Acróstico de Amplificação de Luz por

Emissão de Radiação Estimulada (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Fonte de radiação, geralmente nas faixas infravermelho, visível e ultravioleta, caracterizada pela pequena divergência, coerência, monocromacidade e alta colimação e potência.

Linear Instrumento é linear quando sua saída varia

na proporção direta da entrada. Grandeza linear possui apenas uma dimensão. Curva linear é aquela que se aproxima ou é igual a uma linha reta, definida por dois pontos. Sistema linear possui um desempenho uniforme. Escala linear é aquela com divisões distribuídas uniformemente.

Linearidade Proximidade de uma curva relacionada com

duas variáveis com uma linha reta. A linearidade é expressa em não linearidade. É um dos parâmetros da exatidão especificada do instrumento. A linearidade pode ser independente, baseada no terminal e baseada no zero.

Local de Risco (classificado) Porção da planta onde líquidos

combustíveis ou flamáveis, vapores, gases ou pós podem estar presentes no ar em quantidades suficientes para provocar misturas explosivas ou ignitáveis. Classificar uma área é lhe atribuir atributos relacionados com a Classe, Grupo e Zona.

Classe está relacionada com o tipo físico do material:

1. Gás 2. Pó 3. Fibra Grupo está relacionado com as

características químicas do material. Por exemplo, a Classe 1 possui os Grupos A, B, C e D.

Zona está relacionada com probabilidade de ocorrência do material no local.

1. Zona 0 é 100% de probabilidade 2. Zona 1 é alta probabilidade relativa 3. Zona 2 é baixa probabilidade relativa.

LVDT Transformador Diferencial Variável Linear

que mede deslocamento pela conversão para uma tensão linearmente proporcional.

Malha Conjunto de instrumentos interligados,

fisicamente ou por programação. A malha pode aberta ou fechada, ativa ou

passiva. A malha aberta é sem realimentação.

Exemplos: indicação ou registro de uma variável (passivas). Outro exemplo: atuação manual no processo (ativa).

A malha fechada tem um caminho de sinal que inclui a malha de instrumentos e o processo, onde o processo fecha a malha. A malha de realimentação negativa é sempre fechada.

Magnético, Medidor de Vazão Sistema de medição de vazão de fluido

eletricamente condutor baseado na geração de uma força eletromotriz com amplitude linearmente proporcional à vazão volumétrica. O sistema consiste em um tubo medidor e um transmissor de vazão. O tubo medidor metálico possui um revestimento isolante, bobinas de excitação e eletrodos de detecção.

Manômetro Genericamente, instrumento que mede

pressão. Em instrumentação, se aplica geralmente a indicador local de pressão.

Terminologia

315

Medição Medição é a aquisição de informação na

forma de resultado, acerca de estado, característica ou fenômeno do mundo externo, observado com auxílio de instrumentos. A medição deve ser descritiva, seletiva e objetiva. A medição pode ser quantitativa ou qualitativa. A medição pode se aplicar à quantidade física e não física.

Em Instrumentação, o termo medir é vago e deve ser usado um termo mais preciso como indicar, registrar ou totalizar.

Microprocessador Um circuito integrado em larga escala que

tem todas as funções de um computador exceto memória e sistemas de entrada e saída, tais como: conjunto de instrução, unidade lógica aritmética, registros e funções de controle.

Modulação O processo ou resultado do processo, onde

alguma característica de uma onda é variada de acordo com alguma característica de outra onda.

Módulo Um conjunto de peças interligadas que

constitui um equipamento ou instrumento identificável. Um módulo pode ser desligado, removido como uma unidade e substituído por um reserva. O módulo possui uma característica de desempenho definida, que permite que ele seja testado como unidade. Às vezes, o módulo é chamado de cartão. Exemplos de módulos: módulo de entrada e saída (I/O) de CLP ou de SDCD.

Multiplexador Instrumento, circuito ou dispositivo que

permite a seleção de um de vários canais de dados analógicos sob o controle do computador ou do sistema digital. O multiplexador é parte integrante de um sistema de aquisição de dados. O multiplexador é também chamado de modulador. O conjunto modulador-demodulador é chamado de MODDEM.

Não incenditivo Equipamento que em sua condição normal

de operação não provoca a ignição de uma atmosfera perigosa específica em sua concentração mais facilmente ignitável. Equipamento com classificação de não

incenditivo só pode ser usado em área segura e de Zona 2; não pode ser usado em local de Zona 0 e Zona 1. Também chamado de não faiscador (no sparking) Esta classe de proteção é simbolizada como ex-n.

Nível Variável de processo ou grandeza física

que consiste na altura da coluna liquida ou de sólido no interior de um tanque ou vaso. O nível pode ser expresso em altura (m) ou percentagem.

Normal Condições normal de temperatura e

pressão (CNTP) são: Temperatura = 0,0 oC Pressão = 101,3 kPa

Oscilação Qualquer efeito que varia periodicamente

entre dois valores, subindo e descendo. Oscilar é o mesmo que ciclar. Um controlador oscila ou entra em oscilação quando sua saída varia periodicamente entre dois valores extremos. Um pulso espúrio pode provocar a oscilação, que se mantém indefinidamente na malha fechada.

Otimização de Controle Controle que automaticamente procura e

mantém o valor mais vantajoso de uma variável especificada, em vez de mantê-la igual ao ponto de ajuste.

Padrão Equipamento (instrumento), receita

(procedimento) ou material de referência certificada usado como referência para a calibração de uma quantidade física ou outro instrumento.

Condição padrão (conforme ISO 5024): Temperatura = 15,0 oC Pressão = 760 mm Hg (101,3 kPa)

Condição padrão (conforme AGA – American Gas Association):

Temperatura = 60 oF (15,6 oC) Pressão = 762 mm Hg

Condição padrão (conforme CGI – Compressed Gas Institute):

Temperatura = 68 oF (20 oC) Pressão = 760 mm Hg

Célula padrão (Weston): fornece uma tensão de 1,018 636 V, @ 20 oC

Gravidade padrão: 9,806 65 m/s2

Terminologia

316

Painel de Leitura (Display) Painel frontal, com acesso ao operador,

com as escalas de indicações, registros e com os dispositivos de atuação, como botoeiras, chaves e teclados.

P & I Acróstico de Process & Instruments (ou

Piping & Instruments). É um diagrama esquemático que mostra os desenhos das tubulações e da instrumentação associada para medição e controle.

Peso Variável de processo ou grandeza física

derivada igual ao produto da massa pela aceleração da gravidade local. Peso é uma força, cuja unidade SI é o newton (N). O peso é medido através da balança.

Bomba de peso morto é um instrumento usado como padrão para calibrar instrumentos de pressão em que a pressão hidráulica conhecida é gerada por meio de pesos livremente balanceados (mortos) colocados em um pistão calibrado.

Pirômetro Um sensor de temperatura baseado na

radiação eletromagnética emitida por um objeto, que é função da temperatura.

Pitot Tubo Pitot é um sensor que mede a vazão

volumétrica a partir da pressão de estagnação e da estática de um fluido. Chamado também de tubo de impacto.

pH Atividade do íon H+ de um sistema. É

definido como –log aH+, onde aH+ é a atividade do íon hidrogênio. Em solução diluída, atividade é essencialmente igual à concentração. A solução de pH de 0 a 7 é ácida, igual a 7 é neutra e de 7 a 14 é básica ou alcalina.

O potencial de óxido redução (ORP) ou potencial redox é a diferença de tensão em um eletrodo imerso em um sistema reversível de oxidação e redução. É a medição do estado de oxidação do sistema.

Placa de orifício Tipo especial de restrição usada para medir

vazão de fluidos, gerando uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão.

É o elemento sensor de vazão mais usado, por causa da facilidade de calibração do sistema. Tag da placa: FE.

Quando a placa de orifício é tão pequena (diâmetro menor que 2”), ela é colocada diretamente na tomada de processo do transmissor, quando é chamada de orifício integral.

A placa de orifício pode ser usada para diminuir vazão ou pressão em um sistema, quando é chamada de orifício de restrição (tag RO).

Pneumático Sistema que emprega gas, geralmente ar

comprimido, como portador da informação e o meio para processar e avaliar a informação.

Instrumento pneumático é alimentado com ar comprimido (120 a 140 kPa) e possui sinal padrão de transmissão de 20 a 100 kPa (0,1 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psig). Cfr. Eletrônico.

Poço termal Receptáculo metálico onde é colocado o

bulbo ou o elemento sensor de temperatura, para possibilitar a sua colocação e retirada sem interrupção do processo. Tag: TW.

Ponto de Ajuste Valor da variável que o operador

estabelece no controlador como referência ou ponto ideal de controle. O ponto de ajuste é o valor desejado ou ideal para o controle. Também chamado de set point.

Em controle a diferença entre o ponto de ajuste e a medição é chamada de erro.

Posição Localização de determinado componente ou dispositivo. É comum a chave de posição ou chave fim de curso ou chave limite, que é acionada quando determinada peça mecânica atinge determinado ponto. Em Automação, é comum usar chave de posição para confirmar abertura ou fechamento de válvula de controle.

Posicionador Dispositivo acoplado à haste da válvula de

controle para garantir uma relação biunívoca entre o sinal de saída do controlador e a posição da válvula. Ele recebe na entrada o sinal do controlador, gera um sinal padrão na saída e está mecanicamente ligado à válvula. O posicionador é um controlador de posição.

Terminologia

317

Pressão Grandeza física ou variável de processo

definida como força por área e cuja unidade SI é o pascal (1 Pa = 1 N/1 m2)

Pressão absoluta é a pressão cujo ponto de referência (zero) é o vácuo total.

Pressão ambiente é a pressão que envolve um instrumento.

Pressão atmosférica é a pressão exercida na superfície da Terra pelos gases que a circundam. A pressão atmosférica varia principalmente com a altura. Também chamada de pressão barométrica.

Pressão diferencial é a diferença de pressão entre dois pontos. São clássicas as medições de nível de líquido e de vazão de fluidos através da pressão diferencial.

Pressão dinâmica é a pressão que um fluido móvel possui se ele é levado ao repouso pela vazão isentrópica contra um gradiente de pressão. Também conhecida como pressão de impacto, pressão de estagnação ou pressão total.

Pressão estática é a pressão em regime permanente aplicada a um equipamento ou tubulação. Na tubulação, é medida na parede interna, onde a velocidade do fluido é zero. No elemento de pressão diferencial, a pressão estática está aplicada igualmente às duas conexões.

Pressão manométrica é a pressão cujo ponto de referência é a pressão atmosférica.

Pressão máxima de trabalho (MWP – maximum working pressure) é a máxima permissível em um vaso ou equipamento, sob qualquer circunstância durante a operação, a uma dada temperatura. É a máxima pressão que pode ser aplicada a um processo ou equipamento. Por norma, se estabelece o limite seguro para uso regular. Pode-se chegar à MWP por dois métodos:

1. Projetada – por análise adequada do projeto, com um fator de segurança.

2. Testada – por teste de ruptura de amostras típicas.

Pressão de operação é a pressão real (positiva ou negativa) em que um equipamento opera sob condições normais.

Pressão de processo é a pressão em um ponto especificado no meio do processo.

Pressão de projeto é a usada no projeto de um vaso ou instrumento para determinar a espessura mínima permissível ou característica física das peças para uma dada máxima pressão de trabalho (MWP), em uma dada temperatura.

Pressão de ruptura, determinada por teste, é aquela em que o equipamento se rompe. O teste consiste em fazer o equipamento se romper.

Pressão de suprimento é aquela aplicada à alimentação do instrumento pneumático para fazê-lo operar.

Pressão de surge é um pico de pressão acima da pressão de operação que ocorre rapidamente em partidas de bombas, fechamentos de válvulas.

Pressão de vapor de um líquido é aquela em que o líquido começa a se evaporar, a uma dada temperatura.

Pressão de vazamento (leak) é aquela em que ocorre algum escape detectável em um equipamento.

Pressurização Classe de proteção aplicada a ambiente,

instrumento e equipamento elétrico, onde se aplica um gás inerte em uma pequena pressão positiva. A pressão positiva interna impede a entrada de gases inflamáveis ou explosivos no interior. Também chamada de purga e é simbolizada por ex-p.

Procedimento Uma seqüência de ações escritas que

coletivamente mostram como uma determinada tarefa deve ser feita. Procedimento clássico: para calibração.

Processo Qualquer sistema composto de variáveis

dinâmicas, usualmente envolvidas em operações de fabricação ou produção. Qualquer mudança física ou química de matéria ou conversão de energia. Na prática, diz-se também do local onde ocorre a mudança ou conversão.

Protocolo Um conjunto de regras semânticas e

sintáticas (procedimentos) que permitem a comunicação digital entre dois instrumentos.

Prova de explosão Equipamento, invólucro ou instrumento que

evita que uma explosão ou chama interna se propague para o ambiente exterior, devido à sua estrutura mais robusta e a pequenos espaçamentos entre peças criticas. Também chamado de prova de chama. Classe de proteção tipo ex-d.

Prover (lê-se prúver) Prover (lê-se prúver) é um sistema usado

para calibrar medidor de vazão, in situ. Pode ser balístico ou esférico.

Terminologia

318

Reação ao Processo Um método de determinação dos ajustes

ótimos do controlador quando sintonizando uma malha de controle de processo. O método é baseado na reação de uma malha aberta a um distúrbio tipo degrau.

Regime permanente Uma característica de uma condição, como

valor, periodicidade, amplitude ou taxa de variação constante (com variação desprezível), durante longo período de tempo. É o contrário de transiente. Chamado steady-state.

Registrador Instrumento que sente uma variável de

processo e imprime o seu valor histórico em um gráfico. O registro pode ser analógico ou digital e pode ser visualmente indicado ou não. XR é o tag do registrador de X.

Regulador Um controlador em que toda a energia

necessária para operar o elemento final de controle é derivada do sistema controlado. É um conjunto de válvula (elemento final) com o mecanismo de controle (onde se tem o ajuste do ponto desejado de controle). Os reguladores clássicos são de pressão (o mais comum), temperatura e vazão.

Relé Conjunto de bobina e contatores: os

contatos se alteram quando a bobina é energizada. Dispositivo que liga, desliga ou transfere um ou mais circuitos elétricos. O relé serve para isolar sinais de alto e de baixo nível de potência. Em Instrumentação, relé é o nome alternativo para o computador analógico pneumático.

Repetitividade A proximidade entre um número

consecutivo de medições do mesmo valor de uma grandeza, sob as mesmas condições de operação. É usualmente medida como não repetitividade e expressa como repetitividade, em percentagem da amplitude de faixa. É um dos parâmetros da precisão do instrumento. Na atual terminologia do INMETRO, mesmo que precisão.

Reprodutitividade A proximidade entre um número

consecutivo de medições do mesmo valor de

uma grandeza, sob as mesmas condições de operação, durante um período de tempo. É medida como não reprodutitividade e expressa como reprodutitividade, em percentagem da amplitude de faixa. É um dos parâmetros da precisão do instrumento e inclui histerese, banda morta, desvio e repetitividade.

Reset Reset (rearme) é a restauração de um

equipamento de memória ou estágio binário para um estado prescrito, usualmente zero.

Chave do sistema de intertravamento ou alarme que habilita o sistema para voltar a funcionar.

Nome alternativo para a ação integral, que elimina o desvio permanente do controlador.

A condição reset de um circuito flip flop em que o estado interno é levado a zero.

O modo reset é considerado o modo de condição inicial.

Resolução A mínima variação detectável de alguma

variável em um sistema de medição. O mínimo intervalo entre dois detalhes discretos adjacentes que podem ser distinguidos um do outro.

Resposta O comportamento da saída de um

instrumento em função da entrada, ambas relativas ao tempo. As entradas clássicas para se observar a saída são: rampa, degrau e senóide. A saída pode ter componentes em regime permanente (steady state) e transiente.

Ressonância A ressonância de um sistema ou elemento

é uma condição evidenciada por grande amplitude de oscilação, que resulta quando uma pequena amplitude de entrada periódica tem uma freqüência se aproximando da freqüência natural do sistema.

Reynolds, número de Número adimensional que relaciona as

forcas inerciais e viscosas de um escoamento de fluido. Está relacionado com o estado laminar ou turbulento da vazão. Na prática, é usado para verificar a aplicabilidade de determinado medidor de vazão.

RTD Acróstico para Detector de Temperatura a

Resistência. Sensor de temperatura de

Terminologia

319

natureza elétrica que fornece informação da temperatura quando há variação na resistência de um fio metálico como uma função da temperatura. O metal default é a platina (Pt 100).

Rotâmetro Um medidor de vazão baseado na

proporcionalidade da elevação de um deslocador em uma tubo graduado cônico, arranjado verticalmente.

Genericamente (e erradamente), chama-se qualquer medidor de vazão de rotâmetro.

Rotâmetro de purga é um indicador de presença ou não de vazão de ar, usado em medição de nível de líquido de tanque com borbulhamento de ar comprimido.

Ruído Um componente indesejável de um sinal ou

variável. O ruído deve ser da mesma natureza que a do sinal. O ruído pode ser expresso em unidades da saída ou em percentagem da saída.

Saturação A condição de um sistema em que o

aumento da entrada não produz mais aumento na saída, pois ela já atingiu seu limite físico. A saturação pode ocorrer no máximo (mais comum) ou no mínimo. Em controle de processo, um controlador com ação integral pode saturar quando o erro da medição for muito demorado.

SI Símbolo do Sistema Internacional de

Unidades, criado em 1960. SI é um sistema de unidades físicas em que as quantidades fundamentais são sete (com suas unidades): comprimento (metro), massa (kilograma), tempo (segundo), temperatura (kelvin), corrente elétrica (ampere), quantidade de substância (mol), intensidade luminosa (candela). A partir destas unidades de base, pode-se criar qualquer unidade derivada. O SI dá o estado oficial e recomendado para uso universal pela Conferência Geral de Pesos e Medidas.

Sinal Variável física (visual, aural ou de outra

natureza) que contem a informação acerca de outra variável. O sinal pode estar na entrada ou na saída do instrumento.

Sinal analógico representa uma variável que pode ser continuamente observada e

representada. O sinal analógico é medido. O sinal de 4 a 20 mA é analógico.

Sinal digital representa uma variável através de um conjunto de valores discretos, de acordo com uma regra (protocolo). O protocolo HART é um sinal digital.

Sinal binário representa uma variável através de um bit, que pode ser 0 ou 1. A saída de uma chave é um sinal binário, pois ela só pode estar aberta ou fechada.

Sinal de pulsos representa uma variável através de um conjunto de pulsos, onde a informação pode estar na freqüência, amplitude, fase ou posição dos pulsos. Um pulso só pode ser contado e não medido.

A relação sinal/ruído (S/N – signal –noise) expressa a qualidade do sinal; quanto maior a relação, melhor é o sinal.

Em Instrumentação, existe um instrumento com a função de selecionar sinal (e.g., o maior, o menor, o do meio).

Segurança intrínseca Classe de proteção em que o sistema e a

fiação são incapazes de liberar energia elétrica ou termal, sob condições normais e anormais, para causar ignição de uma mistura atmosférica específica em sua concentração mais facilmente ignitável. A segurança intrínseca se baseia em colocação de barreiras de energia elétrica entre as áreas de risco e segura.

Equipamento intrinsecamente seguro pode ser usado em área segura e de Zona 0 a 2. Esta classe de proteção é simbolizada como ex-ia e ex-ib.

Segurança aumentada Equipamento ou instrumento que evita o

aparecimento de faísca interna, através de um projeto e montagem especiais. Classe de proteção simbolizada como ex-e e só permitida em ambiente de Zona 2 (não pode ser usado em Zona 0 ou 1).

Sensitividade Relação da variação da saída sobre a

variação da entrada que causa a saída, depois que se atinge o estado de regime. Também conhecida com ganho.

Sensor Um dispositivo que converte uma variável

física, como pressão, vazão, nível, análise e temperatura em uma quantidade analógica mais amigável, geralmente mecânica

Terminologia

320

(deslocamento) ou elétrica (tensão ou resistência elétrica).

O sensor não é um instrumento, mas é um componente do instrumento, p. ex.., do indicador, registrador, transmissor e controlador. Geralmente o sensor está em contato com o processo para detectar o valor da variável.

Também chamado de elemento sensor, elemento primário, probe, detector e transdutor. XE é o sensor da variável X.

A entrada e saída do elemento sensor são ambas não padronizadas. Cfr. Elemento final.

Servomecanismo Um dispositivo de controle automático em

que a variável controlada é a posição mecânica ou qualquer uma de suas derivadas no tempo.

Sistema de Aquisição de Dados Um sistema que faz a interface de muitos

sinais analógicos, chamados canais, para um computador. Todas as chaves, controles e conversões estão incluídas no sistema.

SCADA (Supervisory Control And Data Acquision)

Acróstico para Controle Supervisório e Aquisição de Dados. Sistema digital para aquisição de dados (geralmente feita por Controladores Lógico Programáveis) e um sistema de computador digital de uso geral onde é rodado um programa aplicativo para o controle supervisório.

SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído)

Sistema digital de instrumentação que executa funções de controle estabelecidas e permite a transmissão dos sinais de controle e de medição. As diferentes funções:

1. interface com o campo, 2. interface com operador, 3. unidades de controle 4. gerenciamento do controle são distribuídas geograficamente e

interligadas por um sistema de comunicação. Possui uma poderosa e amigável interface Homem-Máquina. Aplicado principalmente para controle de processos contínuos complexos.

Sistema de Controle Um sistema em que a manipulação ou

atuação é usada para conseguir uma valor predeterminado de uma variável.

Sistema de Controle Automático é um sistema de controle que opera sem intervenção humana.

Sistema de Controle Multivariável é um sistema de controle utilizando sinais de entrada derivados de duas ou mais variáveis de processo com o objetivo de afetar conjuntamente a ação do sistema de controle.

Sistema de Controle Não Interativo é um sistema de controle com vários elementos projetado para evitar distúrbios em outras variáveis controladas por causa de ajustes na entrada do processo que são feitos com o objetivo de controlar uma determinada variável de processo.

Software (SW) Em informática, o software se refere aos

programas que fornecem as instruções para o computador nas operações e cálculos a serem feitos. Geralmente os softwares são disponíveis em disquete, disco rígido ou CD-ROM, de onde podem ser instalados e carregados no computador.

Quando o programa está gravado permanentemente em um circuito, ele é chamado de firmware.

Solenóide Bobina. A solenóide está geralmente

associada a um conjunto de contatos (relé) ou a um corpo de válvula (válvula solenóide).

Strain gage Ver Célula de Carga

Tacômetro Instrumento que mede a velocidade angular

de um eixo rotativo, em rotação por minuto.

Telemetria Transmissão e recepção a distância de

sinais, através do ar, por meio de ondas de rádio freqüência ou linha telefônica.

Temperatura Uma propriedade de um objeto que

determina o sentido do fluxo de calor quando o objeto é colocado em contato termal com outro objeto: o calor flui de uma região de mais alta temperatura para uma de mais baixa. Pode ser medida por uma escala experimental (baseada em alguma propriedade ou por um instrumento) ou por uma escala de temperatura absoluta. A temperatura é uma das sete grandezas de base do SI.

Terminologia

321

Temperatura absoluta é aquela mensurável em teoria na escala de temperatura termodinâmica. A unidade SI é o kelvin (K). É a escala cujo 0 K corresponde a –273,16 oC.

Temperatura ambiente é a temperatura do meio envolvendo um equipamento.

1. Para equipamento que não gera calor, é a mesma que a temperatura do meio envolvendo o equipamento quando o equipamento não está presente.

2. Para equipamento que gera calor, é a mesma que a temperatura do meio envolvendo o equipamento quando o equipamento está presente e dissipando calor.

3. Os limites da máxima temperatura ambiente permissível são baseados na hipótese que o equipamento em questão não esteja exposto a fonte de energia radiante significativa.

Temperatura do processo é a do meio do processo no elemento sensor.

Temperatura relativa é aquela obtida de pontos notáveis de mudança de estado de substância pura. As escalas clássicas são a Celsius (não usar grau centígrado!) e a Farenheit. Estas escalas valem em relação ao zero absoluto:

0 K = -273,16 oC 0 oR = -459,69 oF

Tempo Dimensão do universo físico, em um dado local, que ordena a seqüência de eventos. É uma das sete unidades de base do SI, cuja unidade é o segundo (s).

Tempo característico é o atraso de reposta de um sistema, quando a saída leva para atingir aproximadamente 63% do valor final, em resposta a um degrau aplicado na entrada. O tempo característico é também chamado de constante de tempo do sistema.

Tempo derivativo é o tempo que a ação derivativa de um controlador PD se adianta da ação proporcional, quando se aplica uma rampa na entrada. O tempo derivativo é igual à ação integral. Cfr. Controle, ação derivativa.

Tempo integral é o tempo que a ação integral de um controlador PI leva para repetir a ação proporcional, quando se aplica um degrau na entrada. O tempo integral é o inverso da ação integral. Cfr. Controle, ação integral.

Tempo morto é o intervalo de tempo entre uma variação no sinal de entrada para um sistema de controle e a resposta para o sinal. Durante o tempo morto o processo está incapaz de responder a qualquer estímulo na entrada.

Termistor Sensor de temperatura a semicondutor,

que converte a temperatura em resistência, geralmente não linear e com coeficiente termal negativo.

Termômetro Genericamente, instrumento que mede

temperatura. Em instrumentação, se aplica geralmente a indicador local de temperatura.

Termopar Sensor de temperatura de natureza elétrica

que produz uma tensão aproximadamente linear e proporcional à diferença da temperatura medida e uma temperatura de referência conhecida.

Teste, Ponto de Pontos acessíveis para a instalação

temporária e intermitente de instrumento de medição, para fins de manutenção.

Teste, Chave de Chave do sistema de intertravamento e

alarme que, quando acionada, evidenciam-se as falhas de lâmpadas e verifica a lógica do sistema.

Torque Produto vetorial de uma força por uma

distancia. Também conhecido como momento da força ou momento de rotação. A unidade SI é newton x metro (N.m). O produto escalar força x distância = trabalho (N x m = J)

Transdutor Em Engenharia, qualquer dispositivo que

converte um sinal de entrada em um sinal de saída de forma diferente.

Em Instrumentação, é o instrumento que converte o sinal padrão pneumático em sinal eletrônico (P/I) ou vice-versa (I/P). Incorretamente chamado de conversor. A entrada e saída do transdutor são ambas padrão. Tag: XY.

Transferível Característica do sistema que permite ao

operador canalizar ou dirigir um sinal de um instrumento para outro, sem necessidade de alterar a fiação. A transferência pode ser por chave ou por teclado.

Terminologia

322

Transiente Comportamento de uma variável durante a

transição entre dois estados em regime. Geralmente, o transiente é rápido.

Transmissor Instrumento que sente uma variável de

processo e gera um sinal padrão eletrônico ou pneumático proporcional ao valor da variável. A entrada do transmissor é não-padrão e a saída é padrão. Tag XT

Transmissão é a transferência à distância de sinais padronizados, feita através de fio (eletrônico) ou tubo (pneumático).

Os sinais padrão de transmissão são: 1. pneumático: 20 a 100 kPa 2. eletrônico analógico: 4 a 20 mA 3. eletrônico digital: HART (de facto) Transmissor inteligente é o transmissor a

base de microprocessador e cuja saída única é um protocolo digital, como HART®, Fieldbus® ou FoxCom.

Transmissor híbrido é aquele com duas saídas simultâneas: um protocolo digital e o sinal padrão de 4 a 20 mA cc.

Tubo de vazão (flow tube ou meter run) Tubo metálico, com acabamento especial e

dimensões criteriosamente escolhidas, usado para alojar um elemento sensor de vazão, para melhorar a precisão da medição.

Turbina medidora de vazão Instrumento medidor de vazão baseado na

geração de um trem de pulsos cuja freqüência é linearmente proporcional à vazão volumétrica.

Umidade Ar é uma mistura de oxigênio, nitrogênio e

vapor d'água. Umidade é a quantidade de vapor d'água na atmosfera. As unidades de umidade são:

1. umidade relativa, de 0 a 100% 2. dew point (ponto de saturação) ou

temperatura do bulbo seco e molhado 3. relação de volumes ou de massas Genericamente, o medidor de umidade é

chamado de higrômetro.

Válvula de Controle Equipamento usado para regular a vazão

de fluidos em tubulações e máquinas, recebendo o sinal de saída do controlador e atuando na variável manipulada. É o elemento

final de controle mais utilizado. Tag XV ou XCV.

Válvula de segurança Válvula acionada por mola e atuada pela

pressão que permite o fluido escapar do recipiente pressurizado em uma pressão ligeiramente acima do nível seguro de trabalho. Chamada de válvula de seguranca para líquido, quando abre continuamente ou válvula de alivio para gás, quando abre repentinamente. Tag: PSV.

Vapor Vapor é um gás à temperatura abaixo da

temperatura crítica, de modo que ele pode ser liqüefeito por compressão, sem baixar a temperatura. Sob o ponto de vista termodinâmico, gás e vapor possuem o mesmo significado prático.

O vapor d'água, água no estado gasoso, é o fluido de trabalho mais usado na industria para aquecimento, limpeza e reação de processo. O vapor d'água é gerado na caldeira.

Variável de Processo Qualquer grandeza física mensurável,

como pressão, temperatura, nível, vazão e análise. Pode ser classificada como controlada, manipulada e carga do processo.

Variável controlada é a regulada pela malha de controle.

Variável manipulada é a atuada no elemento final de controle, através do controlador, para regular a controlada. Geralmente é a vazão de um fluido.

Variável medida é a quantidade, propriedade ou condição que é medida. É também chamada de mensurando.

Vazão Variável de processo associada com

volume ou massa de fluido que passa por um ponto durante determinado intervalo de tempo. Vazão é o movimento contínuo de fluido (gás, vapor ou líquido) através de uma tubulação fechada ou canal aberto. Vazão também pode ser o movimento discreto de objetos sólidos através de uma esteira.

Em Instrumentação, a vazão pode ser detectada (FE), transmitida (FT), indicada (FI), registrada (FR), totalizada (FQ), alarmada (FA) ou chaveada (FS).

Venturi Tubo venturi é um elemento sensor de

vazão, com geometria definida, que produz

Terminologia

323

uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica.

Vibração Movimento periódico ou oscilação de um elemento, equipamento ou sistema. Variável de processo que é medida e monitorada em sistema de proteção de grandes máquinas rotativas.

A vibração é causada por qualquer excitação que desloca algumas ou todas as massas de sua posição de equilíbrio. A vibração resultante é uma tentativa das forças agirem nas massas para equalizá-las.

Viscosidade Variável de processo ou grandeza física

que consiste na resistência que um gás ou líquido oferece para fluir quando é submetido a uma tensão de cisalhamento. Também conhecida como resistência à vazão ou atrito interno.

Visor de nível Indicador local e direto de nível, através de

uma escala transparente graduada. Tag do visor é LG (level glass).

Vortex Medidor de vazão baseado na formação e

medição da freqüência de vórtices provocados por um sensor de canto vivo colocado no fluxo do fluido.

Wheatstone, ponte de Circuito eletrônico consistindo de 4

resistências, de modo que, quando balanceado (corrente em D nula), são iguais os produtos das duas resistências opostas (R1 x R4 = R2 x R3). É o circuito default para medir resistências e pequenas tensões desconhecidas.

324

16. Referências Bibliográficas

(Todos estes livros pertencem à Biblioteca do autor e todos os livros, exceto os que os amigos tomaram emprestados e esqueceram de devolver, foram e são continuamente consultados para a elaboração e atualização de seus trabalhos.)

Abernethy, R.B. et al., Uncertainty in Gas Turbine Measurements Handbook. Research Triangle Drive, ISA, 1980. Ahson, S.I., Microprocessors with Applications in Process Control, New Delhi, Tata Mc Graw-Hill, 1984. Allocca, J. A. & Stuart, A., Transducers: Theory & Applications, Reston, Prentice Hall, 1984. Almeida, G. Sistema Internacional de Unidades (SI), Lisboa, Platano, 1988. American Society for Testing and Materials, Temperature Measurement (Vol. 14.03), ASTM, Philadelphia, 1994. American Society of Mechanical Engineers, Fluid Meters, New York, ASME, 6a ed, 1983 Anderson, N.A., Instrumentation for Process Measurement and Control, 2a ed., Radnor, Chilton, 1980. Andrew, W.G., Applied Instrumentation in the Process Industries: 1 - A Survey, Houston, Gulf, 1974. Andrew, W.G., Applied Instrumentation in the Process Industries: 2 - Pratical Guidelines, Houston, Gulf, 1974. Andrew, W.G., Applied Instrumentation in the Process Industries: 3 - Engineering Data, Houston, Gulf, 1974. Andrew, W.G., Applied Instrumentation in the Process Industries: 4 - Control Systems, Houston, Gulf, 1982. Anthony, D.M., Engineering Metrology, Oxford, Pergamon, 1986. Arnold, K.L., Guia Gerencial para a ISO 9000, Rio de Janeiro, Editora Campus, 1995. AT&T Technologies, Statistical Quality Control Handbook, Charlotte, Western Electric, 1956, 1984. Banks, J., Principles of Quality Control, New York, John Wiley, 1989. Bhargava, N.N., Kulshreshitha D.C. & Gupta, S.C., Basic Electronics and Linear Circuits, Tata Mc Graw Hill, 1988. Barney, G.C., Inteligent Instrumentation, Hempstead, Prentice Hall, 2a ed, 1988. Baumeister, T. & Avallone, E.A., Standard Handbook for Mechanical Engineers, New York, McGraw-Hill, 1978. Benedict, R.P., Fundamentals of Temperature, Pressure and Flow Measurements, New York, John Wiley, 1977. Bennett, S., Real-Time Computer Control: an Introduction, Cambridge, Prentice-Hall, 1988. Bentley, J.P., Principles of Measurement Systems, 3a ed., Singapore, Longman, 1995. Berk, A.A., Microcontrollers in Process and Product Control, New York, McGraw-Hill, 1986. Berkov, V., Metrologie Industrielle, Moscow, MIR, 1983. Besterfield, D.H., Quality Control, 4a ed., Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1994. Blaschke, W.S. & McGill J., Control of Industrial Processes by Digital Techniques, Amsterdam, Elservier, 1976. Bollinger, J.G. & Duffie, N.A., Computer Control of Machines and Processes, Reading, Addison-Wesley, 1988. Bolton, W., Instrumentação & Controle, São Paulo, Hemus, ©? (sic). Bolton, W., Control Engineering, Malaysia, Longman Group, 1992. Bolton, W., Instrumentation & Process Measurements, Hong Kong, Longman Group, 1991. Bouwens, A.J., Digital Instrumentation, Singapore, McGraw-Hill, 1986. Boyce, J.C., Digital Logic - Operation and Analysis, 2a ed., Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1982. Braccio, M., Basic Electrical and Electronic Tests and Measurements, Reston, Prentice Hall, 1978. Bracewell, R., Fourier Transform and its Application, New York, McGraw-Hill, 1965. Buckley, P.S., Techniques of Process Control, Huntington, R.E. Krieger Pub., 1979. Bulmer, M.G., Principles of Statistics, New York, Dover, 1967. Ceaglske, N.H., Automatic Process Control for Chemical Engineers, Tokyo, John Wiley - Topoan, 1956. Cerqueira Neto, E.P., Gerenciando a Qualidade Metrológica, Rio de Janeiro, Grifo, 1993. Cheremisinoff, N., Fluid Flow - Pumps, Pipes and Channels, Ann Arbor, Butterworths, 1981. Cheremisinoff, N. & Cheremisinoff, P., Instrumentation for Process Flow Engineering, Lancaster, Technomic, 1987. Cheremisinoff, N. & Cheremisinoff, P., Unit Conversions and Formulas, Ann Arbor, Ann Arbor Science, 1980. Chopey, N.P., (editor), Instrumentation and Process Control, New York, McGraw-Hill, 1996. Ciola, R. , Fundamentos da Cromatografia a Gás, São Paulo, Edgard Blucher, 1985. Clevett, K.J., Process Analyzer Technology, New York, John Wiley, 1986. Cochran, W.G., Sampling Techniques, 3 a ed., Singapore, John Wiley, 1977. Collins, C.H., Braga, G.L. & Bonato, P.S., Introdução a Métodos Cromatógráficos, Campinas, Ed. Unicamp, 1990.

Referências Bibliográficas

325

Compressed Gas Association, Handbook of Compressed Gases, 3a ed., New York, Van Nostrand Reinhold, 1990. Connell, B., Process Instrumentation Applications Manual, New York, McGraw-Hill, 1996. Considine, D.M., Chemical and Process Technology Encyclopaedia, New York, McGraw-Hill, 1974. Considine, D.M., Process Instruments and Controls Handbook, 2a. ed., New York, McGraw-Hill, 1985. Considine, D.M., Process Instruments and Controls Handbook, 3a. ed., New York, McGraw-Hill, 1993. Considine, D.M. & Ross, S.D., Handbook of Applied Instrumentation, New York, McGraw-Hill, 1964. Coughanowr, D.R. & Koppel, L.B., Process Systems Analysis and Control, Tokyo, McGraw-Hill Kogakusha, 1965. Coulson, J.M. & Richardson, J.F., Fluid Flow, Heat Transfer and Mass Transfer, Oxford, Pergamon, 1977. Cound, D.M., Leader’s Journey to Quality, Milwaukee, ASQC Quality Press, 1992. Cox, D.R., Planning of Experiments, Singapore, John Wiley, 1958. Coyne, G.S., Laboratory Handbook of Materials, Equipment, & Technique, Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1992. Crane, Flow of Fluids, TP 410 M, Crane Co., New York, 1986. Crowl, D.A. & Louvar, J.F., Chemical Process Safety, Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1990. Currell, G., Instrumentation - Analytical Chemistry, London, John Wiley, 1987. Cutler, P., Ac Circuit Analysis with Illustrative Problems, New York, McGraw-Hill, 1974. Cutler, P., Dc Circuit Analysis with Illustrative Problems, New York, McGraw-Hill, 1974. Cutler, P., Linear Electronic Circuits with Illustrative Problems, New York, McGraw-Hill, 1972. Cutler, P., Solid-State Device Theory with Illustrative Problems, New York, McGraw-Hill, 1972. Dally, J.W., Instrumentation for Engineering Measurements, 2a ed., Singapore, John Wiley, 1993. Datta-Barua, L., Natural Gas Measurement and Control, New York, McGraw-Hill, 1991. Daugherty, R.L., Franzini, J.B. & Finnemore, E.J., Fluid Mechanics, 3a ed, Singapore, McGraw-Hill, 1989. D'Angelo, H., Microcomputer Structures, North Quincy, Byte Books, 1981. D'Azzo, J.J. & Houpis, C.H. Feedback Control Analysis, Tokyo, McGraw-Hill Kogakusha, 1960. Dean, J.A., Lange's Handbook of Chemistry, 14a ed., New York, McGraw-Hill, 1991. Deboo, G.J. & Burrous, C.N., Integrated Circuits and Semiconductor Devices, Tokyo, Mc Graw Hill, 1977. Decarlo, J.P., Fundamentals of Flow Measurement, Research Triangle Park, ISA, 1984. Dennis, W.H., Electronic Components and Systems, London, Butterworths, 1982. Dieck, R.H., Measurement Uncertainty - Methods and Applications, Triangle Park, ISA, 1992. Dieter, G.E., Engineering Design, 2a ed., Singapore, McGraw-Hill, 1991. Doebelin, E.O., Engineering Experimentation - Planning, Execution, Reporting, Singapore, McGraw-Hill, 1995. Doebelin, E.O., Measurement Systems - Application and Design, 4a ed., Singapore, McGraw-Hill, 1990. Dorf, R.C., Mordern Control Systems, Reading, Addison Wesley, 1974. Dowdell, R.B., Flow - Measurement and Control in Science and Industry - Flow Characteristics, Pittsburgh, ISA, 1974 Dowdell, R.B., Flow - Measurement and Control in Science and Industry- Measuring Devices, Pittsburgh, ISA, 1974 Dowdell, R.B., Flow - Its Measurement and Control in Science and Industry - Applications, Pittsburgh, ISA, 1974 Ebel, R.L. & Frisbie, D.A., Essentials of Educational Measurement, 4a ed., Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1986. Elliott, T.C. (editor), Practical Ideas, New York, McGraw-Hill, 1984. Emanuel, P. & Leef, E., Introduction to Feedback Control Systems, New York, McGraw-Hill, 1979. Eveleigh, V.W., Introduction to Control Systems Design, New York, McGraw-Hill, 1972. Ewing, G.W., Instrumental Methods of Chemical Analysis, New York, McGraw-Hill, 1969. Felder, R.M. & Rousseau, R.W., Elementary Principles of Chemical Processes, 2a ed., Singapore, John Wiley, 1986. Figliola, R.S. & Beasley, D.E., Theory and Design for Mechanical Measurements, Singapore, John Wiley, 1995. Fink, D.G., Electronics Engineers' Handbook, New York, McGraw-Hill, 1975. Fink, D.G. & Carroll, J.M., Standard Handbook for Electrical Engineers, 10a. ed., New York, McGraw-Hill, 1968. Fisher, T.G., Alarm and Interlock Systems, Research Triangle Park, ISA, 1984. Fisher Controls, Control Valve Handbook, 2a ed., Marshalltown, Fisher Controls, 1977. Fisher Controls, Control Valve Sourcebook, Marshalltown, Fisher Controls, 1988. Fitzgerald, B., Control Valves for the Chemical Process Industries, New York, McGraw-Hill, 1995. Fleming, M.C. & Nellis, J.G., Essence of Statistics for Business, London, Prentice-Hall, 1991. Fletcher, W.I., Engineering Approach to Digital Design, Singapore, Prentiece Hall, 1980. Fox, R.W. & McDonald, A.T., Introduction to Fluid Mechanics, 3a ed,, New York, John Wiley, 1985. Frederiksen, T.M. Intuitive IC Electronics, New York, McGraw-Hill, 1982. French, R.H., Open-Channel Hydraulics, Singapore, McGraw-Hill, 1986. Frenzel, L.E., Jr., Crash Course in Microcomputers, 2a ed., Indianapolis, Howard W. Sams, 1984. Friesth, E.R., Metrication for Manufacturing, New York, Industrial Press, 1978. Fritz, J.S. & Schenk, G.H., Quantitative Analytical Chemistry, 5a ed., Newton, Allyn and Bacon, 1987. Garside, R., Intrinsically Safe Instrumentation, Research Triangle Park, ISA, 1982. Gayakwad, R. & Sikoloff, L., Analog and Digital Control Systems, Singapore, Prentice-Hall, 1988.


326

Gehm, H.W. & Bregman, J.I., Water Resources and Pollution Control, New York, Van Nostrand, 1976. Gibbings, J.C., Systematic Experiment, Cambridge, Cambridge University Press, 1986. Gilbert, M.T., High Performance Liquid Chromatography, Bristol, Wright, 1987. Giles, R.V., Theory and Problems of Fluid Mechanics and Hydraulics, 2 a ed., Singapore, McGraw-Hil, 1983. Gottlieb, I.M., Regulated Power Supplies, Indianapolis, Howard W. Sams, 1971. Graeme, J.G., Tobey, G.E., Huelsman, L.P., Operational Amplifiers, Tokyo, Kogakusha Mc Graw Hill, 1971. Graeme, J.G., Applications of Operational Amplifiers, Tokyo, Kogakusha Mc Graw Hill, 1973. Grant, E.L. & Leavenworth, R.S., Statistical Quality Control, 6 a ed., Singapore, McGraw-Hill, 1988. Greene, R.W. (editor), Chemical Engineering Guide do Valves, New York, McGraw-Hill. 1984. Greenfield, J.D., Practical Digital Design Using ICs, 2a.ed., New York, John Wiley, 1983. Greenkorn, R.A. & Kessker, D.P., Transfer Operations, Tokyo, McGraw-Hill Kogakusha, 1972. Grosh, D.L., A Primer of Reliability Theory, New York, John Wiley, 1989. Halpern, S., Introduction to Quality Control and Reliability, Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1978. Hamburg, M. & Young, P., Statistical Analysis for Decision Making, 6a ed., Orlando, Dryden Press, 1994. Hammer, W., Occupational Safety Management and Engineering, 4a ed., Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1989. Harland, P.W., Pressure Gauge Handbook, Sellersville, Ametek, 1985. Harper, C.A., Handbook of Electronic Packaging, New York, Mc Graw Hill, 1969. Harriot, P., Process Control, New Delhi, Tata McGraw-Hill, 1964. Harris, J., Rheology and non-Newtonian Flow, London, Longman, 1977. Harrison, T.J., Minicomputers in Industrial Control, Englewood Cliffs, ISA/Prentice Hall, 1983. Haynes, C., Paperless Publishing, New York, Windcrest (McGraw-Hill), 1994. Heffer, D.E., King, G.A. & Keith, D.C., Basic Principles and Practice of Microprocessors, London, Macmillan, 1981. Helfrick, A.D. & Cooper, W.D., Instrumentação Eletrônica Moderna, Rio de Janeiro, Prentice-Hall do Brasil, 1994. Herman, S.L. & Alerich, W.N., Industrial Motor Control, 2a ed., New York, Delmar, 1990. Herschy, R.W. (editor), Hydrometry - Principles and Practices, Chichester, John Wiley, 1978. Hicks, C.R., Fundamental Concepts in the Design of Experiments, New York, Holt, Rinehart and Winston, 1982. Hicks, M.R. & alt., Laboratory Instrumentation, 3a.ed., Philadelphia, Lippincott, 1986. Hoel, P.G., Elementary Statistics, 4a ed., Singapore, John Wiley, 1976. Holland, R.C., Microcomputers for Process Control, Oxford, Pergamon Press, 1983. Holman, J.P., Experimental Methods for Engineers, 6a ed., Singapore, McGraw-Hill, 1994. Hordeski, M., Computer Integrated Manufacturing, Blue Ridge Summit, TAB, 1988. Horowitz, P. & Hill, W., Art of Electronics, 2 a ed., New York, Cambridge, 1989. Hougen, J.O., Measurements and Control Applications, Boston, Cahners Book, 1972. Houpis, C.H. & Lamont, G.B., Digital Control Systems: Theory, Hardware, Software, Singapore, McGraw-Hill, 1983. Hughes, F.W., OP-AMP Handbook, 2 a ed., Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1986. Hughes, T.A., Programmable Controllers, Research Triangle Park, 1989. Hughes, W.W. & Brighton, J.A., Fluid Dynamics, New York, McGraw-Hill, 1991. Hunter, R.P., Automated Process Control Systems - Concepts and Hardware, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1978. Husain, A., Chemical process simulation, New Delhi, Wiley Eastern, 1986. Hutchins, G.B., Introduction to Quality - Control, Assurance and Management, New York, Macmilan, 1991. Hutchins, G.B., ISO 9000 - Um Guia Completo, São Paulo, Makron, 1994. IEC, Multilingual Dictionary of Electricity, Geneve, IEC/John Wiley, 1983. INMETRO, Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia, Duque de Caxias, 1995. Instrument Society of America, Standards and Practices for Instrumentation, Research Triangle Park, 1986 Instrumentation Technology - Instrumentation and Control Systems Engineering Handbook, Blue Ridge, 1978. Jacob, J.M., Industrial Control Electronics, Singapore, Prentice Hall, 1989 Japan Society of Mechanical Engineers - Visualized Flow, Aylesbury, Pergamon Press, 1988. Johnson, C.D., Process Control Instrumentation Technology, 4a ed., Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1993. Jonhstone, W. D., For Good Measure, Chicago, NTC, 1998. Jones, B.E., Instrumentation, Measurement and Feedback, London, McGraw-Hill, 19977. Jones, L.D. & Chin A.F., Electronic Instruments and Measurements, 2a ed., Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1991. Jordão, D.M., Manual de Instações Elétricas em Atmosferas Explosivas, Rio de Janeiro, Markgraph, 1995. Juran, J.M. & Gryna, F.M., Quality Planning and Analysis, 3a ed., Singapore, McGraw-Hill, 1993. Kalvelagen, E. & Tums, H.C., Exploring Operations Research & Statistics, Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1990. Kalani, G., Microprocessor Based Distributed Control Systems, London, Prentice Hall, 1988. Kamm, L.J., Successful Engineering, New York, McGraw-Hill, 1989. Karim, G.A. & Hamilton, A.B., Metrication, Boston, IHRDC, 1981. Kateman, G. & Pijpers, F.W., Quality Control in Analytical Chemistry, New York, John Wiley, 1981.


327

Kelley, C.R., Manual and Automatic Control, New York, John Wiley, 1968. Kentish, D.N.W., Industrial Pipework, London, McGraw-Hill, 1982. Kentish, D.N.W., Pipework Design Data, London, McGraw-Hill, 1982. Kerlin, T.W. & Shepard, R.L., Industrial Temperature Measurement, Research Triangle Park, ISA, 1982. King, G.J., Audio Handbook, London, Newnes Butterworths, 1978. Kirk, F.W. & Rimboi, N.R., Instrumentation, Chicago, ATS, 3a ed., 1975. Kissell, T. E., Understanding and Using Programmable Controllers, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1986. Klaassen, K.B., Electronic Measurement and Instrumentation, Cambridge, Cambridge Univ.

Press, 1996. Kletz, T. C., What Went Wrong?, 2a ed., Houston, Gulf Pub. Co, 1988. Kokernak, R.P., Fluid Power Technology, New York, Macmillan College Pub., 1994. Koren, Y., Computer Control of Manufacturing Systems, Tokyo, McGraw-Hill, 1983. Kume, H., Metodos Estatisticos para Melhoria da Qualidade, São Paulo, Editora Gente, 1993. Laney, J.C., Site Safety, Hong Kong, Astros Printing, 1982. Lavigne, J.R., Introduction to Paper Industry Instrumentation, San Francisco, Miller Freeman, 1972. Lavigne, J.R., Instrumentation Applications for the Pulp and Paper Industry, San Francisco, M. Freeman, 1979. Lees, F. P., Loss Prevention in the Process Industries, 2 vol, London, Butterworths, 1986. Leigh, J.R., Applied Digital Control, 2a. ed., London, Prentice-Hall, 1992. Lenk, J.D., Handbook of Basic Electronic Troubleshooting, Englewook Cliffs, Prentice Hall, 1977. Lenk, J.D., Handbook of Practical Solid-state Troubleshooting, Englewook Cliffs, Prentice Hall, 1971. Leonhard, W., Introduction to Control Engineering and Linear Control Systems, Wiesbaden, Springer, 1976. Lewis, E.E., Introduction to Reliability Engineering, Singapore, John Wiley, 1987. Lipták, B.G., Instrument Engineer's Handbook: Process Control, 3a ed., Oxford, Butterworth-Heinemann, 1995. Lipták, B.G., Instrument Engineer's Handbook: Process Measurement, Oxford, Butterworth-Heinemann, 1995. Lipták, B.G., Instrument Processing in the Industries, Philadelphia, Chilton, 1973. Lipták, B.G., Optimization of Unit Operations, Philadelphia, Chilton, 1987. Ludwig, R.H., Illustrated Handbook of Electronic Tables, Symbols, and Measurements, New York, Parker Pub., 1977 Luyben, W.L. & Wenzel, L.A., Chemical Process Analysis, Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1988. Luyben, W.L., Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers, Tokyo, Kogakusha, 1973. Luyben, W.L., Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers, New York, McGraw-Hill, 1990. Lyons, J.L. & Ausklan, C.L., Lyons' Encyclopedia of Valves, Van Nostrand, New York, 1975. MacLean, G.E., Documenting Quality for ISO 9000 and Other Industry Standards, Milwaukee, Quality Press, 1992. Madhava Rao, T.S., Power System Protection - Static Relays, New Delhi, Tata McGraw-Hill, 1984. Magison, E. E., Intrinsic Safety, Research Triangle Park, ISA, 1984. Magison, E. E., Electrical Instruments in Hazardous Locations, 3 a ed., 1978, Pittsburg, ISA. Makansi, J., Managing Steam, Tampa, Leslie Controls, 1985. Malvino, A., Microcomputadores e Microprocessadores, Sao Paulo, McGraw-Hill, 1985. Marlin, T.E., Process Control, New York, McGraw-Hill. 1995. Marshall, S.A., Introduction to Control Theory, London, Macmillan Press, 1978. Martens, H. & Naes, T., Multivariate Calibration, Chichester, John Wiley, 1989. Matley, J. (editor), Practical Process Instrumentation & Control, Vol. 2, New York, McGraw-Hill. 1986. Matley, J. (editor), Valves for Process Control and Safety, New York, McGraw-Hill. 1989. Mayne, R. & Margolis, S., Introduction to Engineering, New York, McGraw-Hill, 1982. Mays, L.W. & Tung, Y.K., Hydrosystems Engineering & Management, New York, McGraw-Hill, 1992. Mayr, O., Origins of Feedback Control, Clinton, Colonial Press, 1970. McDaniel,G., IBM dictionary of Computing, New York, McGraw-Hill, 13a. ed., 1994. McMillan, G.K., Tuning and Control Loop Performance, Research Triangle Park, ISA, 1983. McNeill, D. & Freiberger, P., Fuzzy Logic, New York, Simon & Schuster, 1993. Melen, R. & Garland, H., Understanding IC Operational Amplifiers, 2 a ed., Indianapolis, Howard W. Sams, 1978. Meloun, M., Militky, J. & Forina, M., Chemometrics for Analytical Chemistry, Chichester, Ellis Horwood, 1992. Miller, G.M., Linear Circuits for Electronics Technology, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1974. Miller, R.W., Flow Measurement Engineering Handbook, 3a ed, New York, McGraw-Hill, 1996. Mironer, A., Engineering Fluid Mechanics, Tokyo, McGraw-Hill, 1979. Mirsky, G., Microprocessors and Instrumentation, Moscow, MIR Publishers, 1987. Mitra, A., Fundamentals of Quality Control and Improvement, New York, Macmillan, 1993. Mollenkamp, R.A., Introduction to Automatic Process Control, Englewood Cliffs, ISA, 1984. Montgomery, D.C. & Runger, G.C., Applied Statistics and Probability for Engineers, New York, John Wiley, 1994. Moore, R.L., Measurement Fundamentals, Pittsburgh, ISA, 2a ed., 1976.


328

Morari, M. & Zafiriou, E., Robust Process Control, Englewood Cliffs, ISA, 1989. Morris, A.S., Principles of Measurement and Instrumentation, 2a ed., Hertfordshire, Prentice-Hall, 1993. Mott, R.L., Applied Fluid Mechanics, 3e, Singapore, Maxwell-MacMillan, 1990. Nachtigal, C.L., Instrumentation & Control, New York, John Wiley, 1990. Nagrath, I.J. & Gopal, M., Control Systems Engineering, 2a ed., New Delhi, Wiley Eastern, 1982. Nakdra B.C. & Chaudhry, K.K., Instrumentation, Measurement and Analysis, New Delhi, Tata McGraw-Hill, 1985. Newell, R.B. & Lee, P.L., Applied Process Control: A Case Study, Victoria, Prentice Hall, 1989. Noltingk, B.E., Instrumentation - Reference Book, 2a. ed., Oxford, Butterworth Heinemann, 1995. Norton, H. N., Sensor and Analyzer Handbook, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1982. O'Higgins, P.J., Basic Instrumentation Industrial Measurement, New York, McGraw-Hill, 1966. Oil and Gas Journal, Fluid Flow Formulas, Petroleum Pub. Co., Tulsa, 1956. Optical Society of America, Handbook of Optics, 2a ed., New York, McGraw-Hill, 1995. Osborne, A., Introduction to Microcomputers, Berkeley, Osborne/McGraw-Hill, 1980. Ott, E.R. & Schilling, E.G., Process Quality Control, 2a ed., New York, McGraw-Hill, 1975, 1990. Padmanabhan, T.R., Digital Systems and Microprocessors, New Delhi, Tata McGraw-Hill, 1983. Parker, S.P., editor, McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, 5a ed., New York, McGraw-Hill, 1994. Parmakian, J., Waterhammer Analysis, New York, Dover, 1963. Pasahow, E., Digital Integrated Circuits for Electronics Technicians, New York, McGraw-Hill, 1979. Patranabis, D., Principles for Process Control, New Delhi, Tata McGraw-Hill, 1981. Patranabis, D., Principles of Industrial Instrumentation, New Delhi, Tata McGraw-Hill, 1984. Patrick, D.R. & Fardo, S.W., Industrial Process Control Systems, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1985. Patrick,D. & Patrick,S., Instrumentation Training Course: Pneumatic Instruments, Indianapolis, H.W. Sams, 1985. Patton, J.D. (editor), Instrument Maintenance Managers Sourcebook, North Carolina, ISA, 1980. Peddle, L.D. et alt., Metric Manual, Denver, US Department of the Interior, 1978. Pennella, C.R., Managing the Metrology System, Milwaukee, ASQC Quality Press, 1992. Phadke, M.S., Quality Engineering Using Robust Design, New York, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1989. Platt, G., Process Control, Research Triangle Park, ISA, 1988. Prentice, G., Electrochemical Engineering Principles, Singapore, Prentice-Hall, 1991. Prett, D.M. & Garcia, C.E., Fundamental Process Control, Boston, Butterworths, 1988. Pyzdek, T. & Berger, R.W., Quality Engineering Handbook, Milwaukee, ASQC Quality Press, 1992. Ravindranath, B. & Chandler, M., Power System Protection and Switchgear, New Delhi, Wiley Eastern, 1986. Rolston, D.W., Principles of Artificial Intelligence and Expert Systems Development, Singapore, McGraw-Hill, 1988. Prett, D.M. & Garcia, C.E., Fundamental Process Control, Boston, Butterworths, 1988. Ray, M., Engineering Experimentation, London, McGraw-Hill, 1992. Redding, R. J., Intrinsic Safety, London, McGraw Hill, 1971 Roser, H.N., Sales Engineering, Research Triangle Park, ISA, 1983. Rothery, B., ISO 9000, Sao Paulo, Makron, 1993. Rowbotham, G.E., Engineering and Industrial Graphics Handbook, New York, McGraw-Hill Book, 1982. Royal Dutch/Shell Group, Shell Flow Meter Engineering Handbook, 1968. Rutkowski, G.B., Handbook of Integrated-Circuit Operational Amplifiers, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1975. Sam Wilson, J.A., Control Electronics with an Introduction to Robotics, Chicago, SRA, 1986. Sandori, P., Logic of Machines and Structures, New York, John Wiley, 1982. Santos Jr., M.J. & Irigoyen, E.R.C., Metrologia Dimensional, Porto Alegre, EUFRGS, 1985. Savas, E.S., Computer Control of Industrial Processes, Ljubljana, McGraw-Hill Mladinskaknjiga, 1965. Schmitt, N.M. & Farwell R.F., Understanding Automation Systems, Dallas, Texas Instruments, 1984. Scholls-Council/Loughborough, Electronics, Systems and Analogues, London, Macmillan, 1975. Schooley, J.F., Thermometry, Boca Raton, CRC Press, 1986. Schram, P. J. & Earley, M. W., Electrical Installations in Hazardous Locations, Quincy, NFPA, 1988. Schuller C.A., Electronics - Principles and Applications, 2a ed., Singapore, Mc Graw Hill, 1987. Schweitzer, P.A., Handbook of Valves, New York, Industrial Press, 1972. Scott, R.W.W. (editor), Developments in Flow Measurement, Great Yamouth, Applied Science Pub., 1982. Seborg, D.E., Edgar, T.F. & Mellichamp, D.A., Process Dynamics and Control, New York, John Wiley, 1989. Segallis, W., Guide to Electronic Components, Boston, Cahner Bookds, 1975. Sevcik, J., Detectors in Gas Chromatography, Amsterdam, Elsevier, 1976. Shearer J.L. & Kulakowski, B.T., Dynamic Modeling & Control of Engineering Systems, Singapore, Macmillan, 1990. Shercliff, J.A., Electromagnetic Flow-measurement, Cambridge Science Classics, 1987. Shinskey, F.G., Distillation Control, New York, McGraw-Hill, 1977. Shinskey, F.G., Energy Conservation Through Control, New York, Academic Press, 1978.


329

Shinskey, F.G., Feedback Controllers for the Process Industries, New York, McGraw-Hill, 1994. Shinskey, F.G., pH and Control in Process and Waste Streams, New York, John Wiley, 1973. Shinskey, F.G., Process Control Systems, New York, McGraw-Hill, 1967. Shinskey, F.G., Process Control Systems, 2a ed., New York, McGraw-Hill, 1979. Shinskey, F.G., Process Control Systems, 3a ed., New York, McGraw-Hill, 1988. Sianiko, H.W. (editor), Human Factors in the Design and Use of Control Systems, New York, Dover, 1961. Simpson, C.D., Programmable Logic Controllers, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1994. Singh, S.K., Industrial Instrumentation and Control, New Delhi, Tata McGraw-Hill, 1987. Skoog, D.A., Holler, F.J. & West, D.M., Analytical Chemistry - An Introduction, New York, Holt Saunders, 1994. Skoog, D.A. & West, D.M., Principles of Instrumental Analysis, 2a ed., Tokyo, Holt Saunders Japan, 1981. Smith, C.A. & Corripio, A.B., Principles and Practice of Automatic Process Control, New York, John Wiley, 1985. Smith, R.J., Electronics: Circuits and Devices, New York, John Wiley, 1973. Souto, F.C.R., Visão da Normalização, Rio de Janeiro, Qualitymark, 1991. Spink, L.K., Principles and Practice of Flow Meter Engineering, Foxboro, Foxboro Co., 1967. Spitzer, D.W., Industrial Flow Measurement, Research Triangle Park, ISA, 1990. Spitzer, D.W., Flow Measurement: Guide for Measurement and Control, Research Triangle Park, ISA, 1991. Stephanopoulos, G., Chemical Process Control, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1984. Stout, D.F. & Kaufman, M., Handbook of Operational Amplifier - Circuit Design, New York, Mc Graw Hill, 1976. Strobel, H.A. & Heineman, W.R., Chemical Instrumentation, 3a ed., New York, John Wiley, 1989. Sydenham, P.H., Measuring Instruments: Tools of Knowledge and Control, London, Peter Peregrinus, 1979. Tanenbaum, A.S., Computer Networks, 2a ed., Upper Saddle River, Prentice Hall, 1995. Taylor, J.R., Quality Control Systems, Singapore, McGraw-Hill, 1989. Thomson, B., Fundamentals of Gas Analysis by Gas Chromatography, Palo Alto, Varian, 1977. Tischler, M., Experiments in Amplifiers, Filters, Oscillators, and Generators, New York, McGraw-Hill, 1981. Tokheim, R.L., Princípios Digitais, Sao Paulo, Schaum/McGraw-Hill, 1983. Traister, J., Electrical Inspection Guide Book, Reston, Prentice Hall, 1979 Tuve, R. L., Principles of Fire Protection Chemistry, Boston, NFPA, 1976. Ulanski, W., Valve & Actuator Technology, New York, McGraw-Hill, 1991. USA Bureau of Reclamation, Hydraulic Laboratory Techniques, Denver, 1980. USA Bureau of Reclamation, Water Measurement Manual, 2a ed., Denver, 1984. Waeny, J.C., Controle Total da Qualidade Metrológica, São Paulo, Makron, 1992. Warnock, I.G., Programmable Controllers: Operation and Application, Cambridge, Prentice Hall, 1988. Webb, J., Programmable Logic Controllers, 2a. ed., Maxwell-Macmillan, 1992. Webb, J. & Greshock, K., Industrial Control Electronics, Singapore, Maxwell-Macmillan, 1992. Weingerg, I., Instrumentation Manual (Petroleum Processing and Petro-Chemical Industries), Moscow, MIR, 1975. Weiss, M.D., Microprocessors in Industrial Measurement and Control, Blue Ridge Summit, Tab Books, 1987. White, D.H., Elementary Electronics, New York, Harper & Row, 1966. Wiggins, G., Chemical Information Sources, New York, McGraw-Hill, 1991. Wightman, E.J., Instrumentation in Process Control, London, Butterworths, 1972. Wilhelm, R.E., Jr., Programmable Controller Handbook, Hasbrouck Heights, Hayden, 1985. Wise, M. N., Precision and Exactitude, Princeton, Princeton Univ. Press, 1995 Wolf, S., Guide to Electronic Measurements and Laboratory Practice, Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1973. Wollansky, W. & Akers, A., Modern Hydraulics: Basics at Work, Singapore, Merrill, 1990. Wong, Y.J. & Ott, W.E., Function Circuits: Design and Applications, New York, Mc Graw Hill, 1976. Wright, P.H., Introduction to Engineering, 2a ed., Singapore, John Wiley, 1994. Zaks, R., From Chips to Systems: An Introduction to Microprocessors, Berkeley, Sybex, 1981. Zimmermann, R., Handbook for Turbine Flowmeter Systems, Flow Technology, Phoenix, 1977.

instrumentacao 13a - marco antonio ribeiro

Documents