instrumentação básica

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL

CENTRO TECNOLÓGICODE ELETROELETRÔNICA“CÉSAR RODRIGUES”

CENATEC

CONCEITOS BÁSICOSEM INSTRUMENTAÇÃO E

CONTROLE

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Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL

2

1. VARIÁVEIS FÍSICAS

1.1 CONCEITO E FINALIDADES

Nos últimos tempos, a necessidade do aumento de produção para atender a sempre

crescente demanda e o baixo custo, a criação e fabricação de novos produtos, propiciou o

aparecimento de um número cada vez maior de indústrias. Estas indústrias só puderam

surgir devido ao Controle Automático de Processos Industriais, sem o qual a produção não

seria de boa qualidade e mesmo alguns produtos não poderiam ser fabricados.

O Controle Automático dos Processos Industriais é cada vez mais empregado por

aumentar a produtividade, baixar os custos, eliminar erros que seriam provocados pelo

elemento humano e manter automática e continuamente o balanço energético de um

processo.

Para poder controlar automaticamente um processo precisamos saber como está ele se

comportando para poder corrigi-lo, fornecendo ou retirando dele alguma forma de energia,

como por exemplo: pressão ou calor. Essa atividade de medir e comparar grandezas é feita

por equipamentos ou instrumentos que veremos a seguir.

Instrumentação: é a arte e a ciência que projeta, constrói, instala, opera e mantêm os

instrumentos.

Instrumentos: medem variáveis de processo. Em instrumentação, quando dizemos "medir"

geralmente queremos dizer indicar, registrar, totalizar ou controlar.

Medida é o tipo mais comum de controle. Os instrumentos de controle industrial, trabalham

só ou em combinação para sentir e controlar o trabalho das variáveis do processo. Os

mostradores são os indicadores e registradores.

Variáveis de Processos: são fenômenos físicos que chamamos simplesmente variáveis,

por exemplo: vazão, temperatura, pressão, nível, densidade, etc. Cada sistema de

Instrumentos pode ser compreendido em termos do que ele faz, por exemplo: indicar

temperatura ou totalizar vazão ou registrar pressão, ou controlar nível. Cada uma dessas

questões é a base da descrição de sistema de instrumentos.


3

Processo: operação ou série de operações no qual o valor de uma quantidade ou condição

é controlada. Inclui todas variáveis das funções que, direta ou indiretamente, afetam o valor

da Variável Controlada.

ÁGUAFRIA

ÁGUAQUENTE

VAPOR

CONDENSADO

TT

TIC

PROCESSO

CONTROLADOR

ELEMENTOPRIMÁRIO

TRANSMISSOR

E.F.C.(VÁLVULA DE DIAFRAGMA)

1.2 DEFINIÇÃO DAS UNIDADES

O Sistema Internacional de Unidades, abreviação SI, é o sistema desenvolvido na

conferência geral de pesos e medidas e é adotado em quase todas as nações

industrializadas do mundo.

METRO: é o comprimento igual a 1.650.763,73 comprimentos de onda no vácuo de

radiação, correspondente à transição entre os níveis 2p10 e 5d5 do átomo de Criptônio - 86.

SEGUNDO: é a duração de 9.192.631.770 períodos de radiação, correspondente à

transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de Césio -133.

QUILOGRAMA: é a unidade de massa.

NEWTON: é a força que dá a um corpo de quilograma de massa, a aceleração de um

metro por segundo ao quadrado.

WATT: é a potência que dá origem à produção de energia na taxa de um joule por

segundo.

JOULE: é o trabalho realizado quando o ponto de aplicação de uma força igual a um

Newton desloca-se de um metro na direção da força.


4

1.2.1 RELAÇÕES IMPORTANTES

Área

A= b.h (retângulo)

A= π.r2 ou A = •π d 2

4 (círculo)

A= L2

Volume

V= π.r2.h (cilindro V=A.h)

V= a3 (cubo)

V= a.b.c V = •D3

6

π (esfera)

1.2.2 SISTEMA DE UNIDADE

É todo conjunto de unidades das grandezas que intervém no setor de ciência

considerado. Existem sistemas de unidades mecânicas, termo lógicas, ópticas, elétricas,

etc.

Cada grandeza física liga-se a outras mediante uma definição ou uma Lei, (exemplo:

sistemas CGS, MKS e FPS são base de comprimento, massa e tempo. Sistema MK*S são

base de comprimento, força e tempo).

MKS(metro,kilograma,segundo) Sistema internacional

-Unidades fundamentais

comprimento: metro (m)

massa: quilograma (kg)

tempo: segundo (s)

-Unidades derivadas

Velocidade: m/s

aceleração: m/s2

gravidade normal: 9,81 m/s2


5

força: kg.m/s2

trabalho: N.m (Joule)

potência: J/s (Watt)

pressão: N/m2 (Pascal)

MTS (metro, tonelada, segundo)


comprimento: metro (m)

massa: tonelada (t)

tempo: segundo (s)

-Unidades derivadas

velocidade, aceleração e gravidade normal são iguais ao sistema MKS.

força: t.m/s2 (Steno: sth)

trabalho: sth.m (kilojoule)

potência: kj/s (kilowatt)

pressão: sth/m2 (Piezo)

FPS (Foot, Pound, second)


comprimento: pé (foot)

massa: libra (pound)

tempo: segundo (second)

-Unidades derivadas

velocidade: pé/s (ft/s)

aceleração: pé/s2

gravidade: 32,17 pé/s2

força: lb.pé/s2 (pdl)

trabalho: pdl.pé

potência: pdl.pé/s

pressão: pdl/pé2


6

CGS(centímetro, grama, segundo)


comprimento: centímetro (cm)

massa: grama (g)

tempo: segundo (s)

-Unidades derivadas

Velocidade: cm/s

aceleração: cm/s2

gravidade normal: 981 cm/s2

força: g.cm/s2 (dina)

trabalho: dina.cm (erg)

potência: erg/s

pressão: dina/cm2

2. HIDROSTÁTICA

2.1 DEFINIÇÕES

A hidrostática estuda as propriedades dos líquidos em repouso. A hidrodinâmica estuda

os fluidos em movimento. Fluído é uma substância que se pode escoar e, assim o termo

inclui líquidos e gazes que se diferenciam profundamente quanto à compressibilidade: um

gás é facilmente comprimido, enquanto o líquido, praticamente incompressível. Portanto, as

principais características dos líquidos são:

a) não possuem forma própria;

b) são incompressíveis.

Massa específica

Massa específica é a massa de fluído contida numa unidade de volume do mesmo.


7

ρ = m

v

As unidades principais da massa específica são:

- CGS: g/cm3

- MKS: kg/m3

- MK*S: UTM/m3

Peso específico

Peso específico de um líquido é o peso da unidade de volume desse líquido.

V

P = γ onde mgP =

As unidades principais do peso específico são:

- CGS: dina/cm3

- MKS:N/m3

- MK*S: kgf/m3

Relação entre massa específica e peso específico

Sabemos que :

ρ = m

v (definição de massa específica)

= P

Vγ (definição de peso específico)

P=mg (definição de peso, onde m é a massa do corpo e g é a aceleração da gravidade)

= P

Vγ = (m g)

V

. =m

V g =. = gγ ρ.

Densidade

Densidade de um líquido é a comparação que se faz entre o peso deste líquido e o

peso de igual volume de água destilada a 4ºC. A densidade é adimensional, podendo


8

também ser definida como a razão entre as massas específicas, ou entre os pesos

específicos, ou entre os pesos.

A densidade do mercúrio é 13,6 , isto significa que um certo volume de mercúrio é 13,6

vezes mais pesado que o igual volume de água destilada a 4ºC.

dr = (massa específica do corpo)

(massa específica da agua)

dr = (peso específico do corpo )

(peso específico da agua H2O)

γγ

Peso específico de alguns líquidos

Líquido Y(kgf/m3) Líquido Y(kgf/m3)

Ácido clorídrico 1190 Éter etílico 0ºC 740

Ácido nítrico 1520 Glicerina 1280

Ácido sulfúrico 1850 Gasolina (15ºC) 680 a 760

Acetona (20ºc) 790 Leite (15ºC) 1030

Álcool Etílico

(15ºC)

790 Mercúrio (15ºC) 13600

álcool metílico

(4ºC)

810 Óleo de oliva 910

água destilada

(4ºC)

1000 Óleo lubrificante 900 a 930

Água do mar 1027 Óleo de cânfora 910

Águas residuais 1001 a 1005 Óleo de algodão

(15ºC)

920

Azeite 840 a 941 Óleo de rícino 970

Resina (0ºC) 900 Petróleo (20ºC) 930

Clorofórmio 1520 Querosene 790 a 820

Cerveja 1020 a 1040 Vinho 2450 a 2650

Essência de

terebintina

870 ---------------------- ---------------------


9

2.2 CONCEITO E DEFINIÇÃO DE PRESSÃO

Pressão de um líquido sobre uma superfície é a força que este líquido exerce sobre a

unidade de área dessa superfície.

A

F=p

F

A

Pressão Atmosférica

Imaginando, por exemplo, um mergulhador a uma dada profundidade, a pressão

exercida pela água sobre ele é a mesma seja qual for a direção em que nade. Entretanto,

se ele mergulhar mais fundo, seu corpo sofrerá uma compressão maior porque aumenta o

peso da coluna de água acima dele.

A palavra atmosfera designa a camada gasosa que envolve o globo terrestre.

Considerando que o globo é envolvido por uma camada de ar com uma espessura

considerável de 50km, podemos afirmar que vivemos submersos em um fluido que exerce

uma força em toda superfície da terra.

Esta pressão é chamada de pressão atmosférica ou barométrica. A pressão atmosférica

normal, reduzida a 0ºC e submetida a intensidade normal da gravidade, medida por uma

aceleração de 9,80665 metros por segundo ao quadrado, é igual à pressão de uma coluna

de mercúrio de 760 mm de altura.

Medição da Pressão Atmosférica

Em 1643, Torricelli inventou o primeiro barômetro, que permitiu medir a pressão

exercida sobre a terra pelas camadas gasosas que a envolvem.

Para realizar esse aparelho, usa-se um tubo de vidro (figura) com o comprimento em torno

de 90cm, fechado em uma das extremidades. O tubo deve ser lavado com ácido e secado

em vácuo, após o que, é cheio de mercúrio puro e seco.


10

h m

mH

g

ESCALA

A

B

Princípio do Barômetro de Mercúrio

Emborcando o tubo de vidro, com o polegar obstruindo a extremidade aberta, e

colocando-o num vasilhame contendo mercúrio puro, nota-se que o mercúrio desce no tubo

e se estabiliza a uma certa altura. Através de uma régua graduada em milímetros, tendo a

parte inferior pontiaguda tocando na superfície do mercúrio contido no vasilhame, mede-se

a pressão atmosférica em milímetros de mercúrio.

As pressões exercidas em A e B são iguais, pois estão no mesmo nível, no mercúrio. A

pressão em A é a pressão atmosférica; a pressão em B é a pressão da coluna de mercúrio.

Desde que as pressões em A e B são iguais, a pressão atmosférica é igual à pressão

exercida pela coluna de mercúrio.

Ao lado do barômetro, coloca-se um termômetro para eliminar o erro devido à

dilatação do mercúrio sob a ação da leitura exata. É necessário conhecer outras

influências de ordem local, tais como latitude, altitude e aquela própria de cada

instrumento, proveniente da depressão capilar.

Pressão Efetiva ou Pressão Relativa

É a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo ser

positiva ou negativa. A pressão efetiva recebe ainda o nome de pressão relativa e pressão

manométrica. Quando se fala em pressão relativa ou efetiva, subentende-se que a pressão

é medida tomando-se por referência a pressão atmosférica; e o VÁCUO, como sendo uma

pressão negativa em relação à pressão atmosférica.

Quando aplicamos uma pressão de 20psi no pneu de um automóvel, chamamos essa

pressão de relativa, porque ela é medida em relação à pressão atmosférica. Esvaziando o

pneu, teremos, no mesmo, a pressão atmosférica, isto é, zero de pressão relativa ou


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efetiva. Convencionou-se que toda medição de pressão indique, simplesmente o seu valor,

ficando implícito que se trata de relativa. Toda vez que tivermos um fluido escoando em um

duto, devido à ação de um ventilador, bomba, exaustor etc., devemos considerar três tipos

de pressão.

Pressão Estática

É o peso por unidade de área exercido por líquido em repouso ou que esteja fluindo

perpendicularmente à tomada de impulso.

6 m

dr = 0,8

Fluido em Repouso

FLUXO

Fluido em Movimento


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Pressão Dinâmica ou Cinética

É a pressão exercida por um fluido em movimento. É medida fazendo a tomada de

impulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo. A expressão resultante da força viva do

fluido pode ser calculada pela fórmula:

PdV N

m= =ρ

2

22

PdV

gkgf

m= =γ

2

22

Pd = pressão dinâmica

ρρρρ = massa específica do fluido

V = velocidade do fluido

ϒϒϒϒ = peso específico do fluido

g = aceleração da gravidade

Exercício: Calcule a pressão dinâmica da água, a qual está escoando = 4,5 m/s.

Pressão Total

É a soma das pressões estática e dinâmica. O instrumento que mede as pressões

estática, dinâmica e total é o tubo de Pitot.

FLUXO

21012

21012

21012

PRESSÃOESTÁTICA

PRESSÃODINÂMICA

PRESSÃOTOTAL

Pressão Estática, Dinâmica e Total


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Pressão Diferencial

É a diferença entre duas pressões, também chamada de (delta p). Criando-se um

obstáculo à passagem do fluido, obtemos um diferencial de pressão.

FLUXO

OBSTÁCULO:PLACA DEORIFÍCIO

JUSANTEMONTANTE

P1 P2

Pressão Diferencial em uma Restrição.

No caso da figura anterior, existe uma diferença entre a pressão na entrada da placa de

orifício e a pressão na saída. Já no exemplo que se segue, tem-se o delta P obtido da

diferença entre dois pontos tomados em um tanque.

10

m

dr = 1

P = 5kgf/cm2

Pressão Diferencial em um Reservatório


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Pressão Absoluta

É a pressão positiva, a partir do vácuo perfeito; ou seja, a soma da pressão atmosférica

do local e pressão efetiva.

2.3 DIAGRAMA COMPARATIVO ENTRE AS ESCALAS RELATIVA EABSOLUTA

O diagrama, a seguir, mostra claramente que, para cada pressão, podem ser atribuídas

duas medidas diferentes, dependendo da escala escolhida.

VÁCUO ABSOLUTO(ZERO DA ESCALA

ABSOLUTA)

PRESSÃO ATMOSFÉRICA(ZERO DA ESCALA

RELATIVA)PRESSÃO EFETIVA

PRESSÃO ABSOLUTA

Exemplo: suponhamos P = 2000 kgf/m2 na escala relativa. Se a pressão atmosférica for

10330 kgf/m2, então: Pabs = 2000 + 10330 kgf/m2 = 12330 kgf/m2 (abs).

Note que na indicação da pressão, na escala absoluta, é necessário acrescentar "(abs)"

após a unidade de pressão. Nas escalas relativa não é necessário que se indique: já fica

subentendido.

O que é importante observar é que, na escala relativa, poderemos ter pressões

negativas, isto é, inferiores à pressão atmosférica. Tais pressões como vimos, chamaremos

de vácuo. Nunca teremos, porém, pressões absolutas negativas, pois a menor pressão

absoluta que se pode alcançar é o zero absoluto, indicador do vácuo perfeito.

Exemplo: - Foi colocado no pneu do automóvel uma pressão absoluta? (Pressão

atmosférica local = 14,7psi)

Pressão absoluta = 18 psi + 14,7 psi = 32,7 psia.


15

2.4 TEOREMA DE STEVIN

Enunciada do Teorema do Stevin:

"Á diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do

peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos".

hpp ⋅=− γ21

Segue então que todos os pontos situados na profundidade "h", em um recipiente, estão

submetidos a uma igual pressão. Temos então planos paralelos na superfície livre do

líquido, cujos pontos têm, todos, a mesma pressão. Consideremos os tanques abaixo

cheios de água:

2m2m

2m

0,5m 0,5m1m

1m

2m

2m

Volume do tanque A = 2m3

Volume do tanque B = 1m3

Volume do tanque c = 4m3

Peso da água no tanque A: 1000

2 20003

3kgf

mm kgf• =

Peso da água no tanque B: 1000

1 10003

3kgf

mm kgf• =

Peso da água no tanque C: 1000

4 40003

3kgf

mm kgf• =


16

Pressão no fundo dos tanques:

Pressão = P

A

Tanque A: pkgf

mkgf

mA = =2000

12000

2 2

Tanque B: pkgf

mkgf

mB = =1000

0 52000

2 2,

Tanque C: pkgf

mkgf

mC = =4000

22000

2 2

Conclui-se portanto que a pressão no fundo dos tanques possui o mesmo valor.

Em seguida, temos a demonstração matemática do conceito do Teorema de Stevin:

Pressão = For Peso

A

ç a

Area Area

P= =

Peso = Peso específico . volume = γ V

Então:

pV

A= = •P

A

γ

Mas, V = área . altura = A . h, resultando:

PA h

Ah= • • = •

γ γ

Pressão no fundo do tanque = γ • h

Conclui-se, portanto, que a pressão no fundo dos tanques possui o mesmo valor. Esta

expressão é chamada de carga de pressão, sendo dada pelo Teorema de Stevin.

A expressão p h= •γ é muito importante em instrumentação, na medição de nível de

tanques. Ela simplifica os cálculos, porque, para determinar-se a pressão, basta apenas o

peso específico do líquido e da altura da coluna líquida.

Enunciado do Teorema de Stevin:

"A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do

peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos".


17

2.5 PRINCÍPIO DE PASCAL

No século XVII, Pascal elaborou a lei que forma a base da hidráulica moderna:

"A pressão exercida em qualquer ponto por um líquido em forma estática transmite-se

integralmente em todas as direções e produza mesma força em áreas iguais".

Podemos demonstrar este princípio, utilizando uma esfera oca, provida de vários

orifícios, distribuídos em vários pontos de sua superfície. Em um desses orifícios, temos

acoplado um cilindro, dentro do qual, podemos deslocar um Êmbolo, conforme a figura

abaixo.

Transmissão de Pressão em um líquido

Exercendo-se uma pressão adequada no êmbolo, veremos que os jatos de água que

saem pelos orifícios são iguais. Isso significa que a pressão exercida é igual em todos os

orifícios. Podemos considerar os fluidos praticamente incompressíveis, a força mecânica

desenvolvida em um fluido sob pressão pode ser transmitida, multiplicada ou controlada.

Conforme a figura a seguir, podemos verificar que, ao aplicarmos uma força de 10 kgf

sobre o pistão 1 o pistão 2 levantará um peso de 50 kgf devido a ter o mesmo uma área 5

vezes maior que a área do pistão 1.


18

10 Kgf

50 Kgf

h1

h2

e assim

P P1 2= F

A

F

A1

1

2

2

= A h A h1 1 2 2• = •

Na prensa hidráulica da figura anterior, que é uma aplicação do princípio de Pascal,

podemos verificar que o pistão 2 se movimentará cinco vezes mais lento que o pistão 1, em

razão da diferença de áreas.

É no princípio de Pascal que se baseiam as máquinas hidráulicas para calibração de

instrumentos utilizados pela instrumentação, macacos hidráulicos, servo mecanismos,

controles hidráulicos etc.

A2F2

A1

F1

P2P1

1) PF

A11

1

= 2) PF

A22

2

=

Fazendo-se 1 = 2, tem-se: F

A

F

AF A F A1

1

2

21 2 2 1= → =

Como A A F F1 2 1 2> → >

2cm2

10cm2


19

2.6 PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES

"Todo corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo

para cima, igual ao peso do volume do fluido deslocado".

A esta força exercida pelo fluido no corpo nele submerso ou flutuando, chamamos de

empuxo.

E

W

E = V . γγγγ

E = Peso do líquido deslocado

V = Volume do líquido deslocado

γγγγ = Peso específico do líquido deslocado

Sobre o corpo estarão atuando, então, o empuxo E e o peso W do próprio corpo. Neste

caso, ocorrerá um dos três fatos seguintes.

- Se tivermos E = W, o corpo ficará em equilíbrio, no interior do líquido, na posição em que o

abandonarmos;

- Se ocorrer que E < W, o corpo afundará quando o abandonarmos (como acontece com

uma pedra na água) e,

- Se acontecer que E > W, o corpo subirá ( como acontece com um pedaço de isopor em

um reservatório com água) até aflorar na superfície. Neste último caso, o empuxo irá

diminuindo à medida que o corpo aflora e, no momento em que se tiver E = W, a resultante

das forças que atuam no corpo será nula. Esta será a posição na qual o corpo flutuará, em

equilíbrio, sobre o líquido.

E

W

E

WE

W

O valor do Empuxo que atua no Corpo é igual ao Peso do Fluido Deslocado pelo Corpo.


20

Vejamos a condição para que cada uma das três situações anteriores ocorra. Se

designarmos por γc e Vc o peso específico e o volume do corpo, respectivamente, sabemos

que o seu peso pode ser escrito como

CCVW γ=

Por outro lado, sendo γL o peso específico do líquido e vd o volume do líquido

deslocado pelo corpo, temos, pelo princípio de Arquimedes:

E = peso do líquido deslocado = γL . vd

Mas, quando o corpo está totalmente mergulhado no líquido (figura), o volume

deslocado é igual ao volume do próprio corpo, isto é, vd = vc. Então, para este caso, vem: E

= γL . vc Comparando esta expressão com P = γc Vc, vemos que elas diferem apenas pelas

densidades do corpo e do líquido. Então, se γL = γc, teremos o primeiro caso onde E = W .

Se γL < γc, ocorrerá o segundo caso onde E < W e o terceiro caso, onde E > W, será

observado quando γL > γc. Desta maneira, você percebe que, de posse apenas de uma

tabela de densidade, você poderá dizer se um determinado sólido irá flutuar ou afundar em

um líquido.

Consultando uma tabela, verifique que a cortiça deve flutuar em gasolina, mas o gelo

afundará nela, ao passo que flutuará em água ( como você já sabe). O ferro afundará em

água, mas flutuará em mercúrio, enquanto o ouro e a platina afundarão neste líquido.

Demonstração Experimental

Podemos demonstrar experimentalmente o empuxo, utilizando uma balança ( figura

e substituindo um dos seus pratos por dois cubos, denominados de C-1 e C-2, os quais

estão ligados entre si. Sendo C-2 um cubo maciço de material de peso específico maior do

que o do líquido do reservatório, C-1 é um cubo oco e com um volume interno igual ao

volume externo de C-2. Colocamos um determinado peso ( C-1 e C-2 ) no prato da balança

fazendo com que o sistema fique em equilíbrio da balança causado pelo empuxo.

Teremos o equilíbrio restabelecido quando preenchermos o cubo C-1 com o mesmo

líquido do reservatório, neutralizando o empuxo com um peso igual ao do volume do líquido

deslocado.


21

Veja figura, a seguir.

C1

C2

kg

Exemplo de exercício:

1 - Um corpo é pesado no ar, em uma balança de molas, e esta indicar 2,0 kgf. Em seguida,

o mesmo corpo é pesado estando totalmente mergulhado na água e a balança indica 1,5

kgf.

a) Qual é o valor do empuxo que o corpo recebeu da água?

Evidentemente, o empuxo que atuou no corpo será dado pela

diferença entre as duas leituras da balança, isto é:

E = 2,0 kgf - 1,5 kgf donde E = 0,50 kgf

b) Qual foi o volume de água deslocado pelo corpo?

- Como o corpo recebeu um empuxo E = 0,50 kgf, concluímos, pelo princípio de

Arquimedes, que ele deslocou 0,50 kgf de água, isto é, ele deslocou uma massa de 500

gramas de água. Como o p da água é 1,0 gramas/cm3, o corpo terá p= massa específica.


22

3. TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA

De um modo geral os elementos de controle são:

ELEMENTO PRIMÁRIO- componente que está em contato com a variável de processo e

tem por função, transformá-la em uma grandeza mensurável por um mecanismo.

INDICADOR- instrumento que nos fornece o valor de uma variável de processo, na forma

de um ponteiro e uma escala, ou números, ou bargraph, etc...

REGISTRADOR- instrumento que registra, o valor da variável de processo em uma carta

gráfica, por meio de um traço contínuo ou pontos.

TRANSMISSOR- instrumento que mede uma determinada variável, e envia um sinal

proporcional a distância, a um indicador, registrador, controlador, etc.

ELEMENTO FINAL DE CONTROLE- dispositivo que está em contato direto com a variável

manipulada, modificando-a em resposta a um sinal de comando.

CONTROLADOR- instrumento que tem por função, manter o valor da variável de processo,

igual ao valor estabelecido em seu mecanismo, enviando um sinal de saída ao elemento

final de controle.

CONVERSOR- instrumento que recebe e envia um sinal padrão em instrumentação, de

grandezas diferentes.

RELÊ DE COMPUTAÇÃO- instrumento que recebe um ou mais sinais de outros

instrumentos, realiza operações matemáticas, de lógica ou de seleção de sinais e envia o

resultado a um instrumento.

TRANSDUTOR- termo aplicado ao instrumento que não trabalha com sinal na entrada e

saída padrão. Como é possível observar o elemento primário, transmissor entre outros,

podem ser considerados um transdutor, porém estes elementos possuem funções

específicas com nomes específicos.


23

3.1 TERMINOLOGIA

As definições, a seguir adotadas, são aceitas por todos os que intervêm, direta ou

indiretamente, ao campo da instrumentação industrial, com o objetivo de promover uma

mesma linguagem. As definições e os termos empregados foram elaborados pela S.A.M.A.

( Scientific Apparatus Makers Association ), em sua norma PMC 20.

Faixa de Medida ( Range ) : - Conjunto de valores da variável medida, que estão

compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de

transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos.

EX.: 100 - 500ºC

0 - 20 PSI

Alcance ( Span ) - É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de

medida do instrumento.

Ex.: Em instrumento com range de 100 a 500ºC.

Erro: É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor

real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de

erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do

instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou a menos.

Quando tivermos a variável variando, teremos um atraso na transferência de energia do

meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real

da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de ERRO

DINÂMICO.

Quando a variável não estiver variando, podemos ter somente o ERRO ESTÁTICO.

Quando a variável estiver variando, poderemos ter o ERRO DINÂMICO e o ERRO

ESTÁTICO.


24

valor indicado

valor medido

curva ideal

erro

Precisão

Podemos definir como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento

possa ter ao longo de sua faixa de trabalho. Podemos expressá-la de diversas maneiras:

Em porcentagem do alcance ( Span )

Um instrumento que possui um SPAN de 100ºC e está indicando 80ºC; sua precisão é de

0,5% por exemplo,sabemos que a temperatura estará entre 79,5ºC e 80,5ºC.

Podemos ter também a precisão dada diretamente em unidades da variável.

Ex.: Precisão de ± 2ºC.

Em porcentagem do valor medido

Ex.: Precisão de ± 1%. Para 80ºC teremos uma margem de ± 0,8ºC.

Em porcentagem do valor máximo da escala do instrumento.

Ex.: Precisão de 1%. Range de 50 a 150ºC.

A precisão será de ± 1,5ºC.

Em porcentagem do comprimento da escala.

Ex.: Se o comprimento da escala de um instrumento fosse de 30cm, com range de 50 a

150ºC e precisão de 1%, teríamos uma tolerância de ± 0,3cm na escala do instrumento.


25

Podemos ter a precisão variando ao longo da escala de um instrumento, podendo o

fabricante indicar seu valor em algumas faixas da escala do instrumento.

Ex.: Um manômetro pode ter uma precisão de ± 1% em todo seu range e ter na faixa central

de sua escala uma precisão de 0,5%.

Zona Morta

É a máxima variação que a variável possa ter, sem que provoque variação na

indicação ou sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do range do

mesmo. Ex.:

15

9

3

9 psi 9,2 psi

Sensibilidade

É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a

variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser dada

em porcentagem do alcance de medida.

1

0 10kgf/cm2 0

270O

0O

0O 270

O

2S1 =

S1 =

270O

270O

1kgf/cm 2

1kgf/cm2

10kgf/cm2

270O

27O

kgf/cm 2

kgf/cm 2

/

/

=

=


26

Histeresis

É o erro máximo apresentado por um instrumento, para um mesmo valor, em

qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorra toda a escala nos sentidos

ascendente e descendente. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento.

Ex.: Num instrumento com range de - 50ºC a 100ºC e histeresis de ± 0,3%. o erro será de

0,3% de 150ºC = ± 0,45ºC. Devemos destacar que o termo "zona morta" está incluído na

histeresis.

curva idealvalor

indicadoou sinal de

saída

variávelmedida

asce

nden

te

desc

ende

nte

MÁX

MÍN

Repetibilidade

É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável,

adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do SPAN,

no instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histeresis.

curva idealvalor

indicadoou sinal de

saída

variávelmedida

asce

nden

te

desc

ende

nte

MÁX

MÍN


27

3.2 IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS

Normas S.5.1

As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificação para

identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas, que deverão ser

utilizados nos diagramas de malhas de controle de projetos de instrumentação.

Para facilitar o entendimento do texto deste trabalho, mostra-se a seguir, a

essência da norma S.5.1 ( Instrumentation Symbols and Indentification ) da Instrument

Society of America (ISA). De acordo com esta norma, cada instrumento ou função

programada será identificado por um conjunto de letras que classifica funcionalmente (Ver

tabela.) é um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou na função

programada pertence.

Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. A

figura mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma em

referência. 1O GRUPO DE LETRAS 2O GRUPO DE LETRAS

VARIÁVEL MEDIDA OU INDICADORA FUNÇÃO

Letra 1a LETRA MODIFICADORA PASSIVA OU DE ATIVA OU DE SAÍDA MODIFICADORA

INFORMAÇÃO

A ANÁLISE ALARME

B CHAMA

C CONDUTIVIDADE CONTROLADOR

ELÉTRICA

D DENSIDADE DIFERENCIAL

E TENSÃO SENSOR

(ELEM. PRIMÁRIO)

F VAZÃO RAZÃO

G VISÃO DIRETA

H MANUAL ALTO

I CORRENTE ELÉTRICA INDICADOR

J POTÊNCIA VARREDURA OU

SELEÇÃO MANUAL

K TEMPO OU TAXA DE VARIAÇÃO ESTAÇÃO DE

TEMPORIZAÇÃO COM O TEMPO CONTROLE

L NÍVEL LÂMPADA PILOTO BAIXO

M UMIDADE INSTANTÂNEO MÉDIO OU

INTERMEDIÁRIO

N

O ORIFÍCIO DE

RESTRIÇÃO

P PRESSÃO CONEXÃO PARA

PONTO DE TESTE

Q QUANTIDADE INTEGRAÇÃO OU


28

Q QUANTIDADE TOTALIZAÇÃO

R RADIAÇÃO REGISTRADOR

S VELOCIDADE OU SEGURANÇA CHAVE

FREQÜÊNCIA

T TEMPERATURA TRANSMISSOR

U MULTIVARIÁVEL MULTIFUNÇÃO

V VIBRAÇÃO OU ANÁLISE VÁLVULA OU DEFLETOR

MECÂNICA (DAMPER OU LOUVER)

W PESO OU FORÇA POÇO OU PONTA

DE PROVA

X NÃO CLASSIFICADA EIXO DOS X NÃO CLASSIFICADA NÃO CLASSIFICADA NÃO CLASSIFICADA

Y ESTADO, PRESENÇA EIXO DOS Y RELÊ, RELÊ DE

OU SEQUÊNCIA DE COMPUTAÇÃO OU

EVENTOS CONVERSOR, SOLENÓIDES

Z POSIÇÃO OU EIXO DOS Z ACIONADOR OU ATUADOR

DIMENSÃO P/ ELEMENTO FINAL

DE CONTROLE NÃO

CLASSIFICADO

T RC 210 2 A

VARIÁVEL FUNÇÃO ÁREA DEATIVIDADES

NO SEQUENCIALDA MALHA

IDENTIFICAÇÃO IDENTIFICAÇÃO

FUNCIONAL DA MALHA

IDENTIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS

SUFIXO

Exemplo de identificação de instrumento Onde:

T - variável medida ou iniciadora: temperatura;

R - função passiva ou de informação: registrador;

C - função ativa ou de saída: controlador;

210 - área de atividades, onde o instrumento ou função programada atua;

02 - número seqüencial da malha;

A - sufixo

5.2 - Símbolos Típicos de Instrumentos

As figuras abaixo mostram os símbolos gerais utilizados para representar

instrumento ou função programada, os símbolos e funções de processamento de sinais e

os símbolos utilizados para representar linhas para Instrumento ou função programada, de

acordo com a norma em referência.


29

LOCAÇÃOPRINCIPAL

NORMALMENTEACESSÍVEL

AO OPERADOR

INSTRUMENTOSDISCRETOS

INSTRUMENTOSCOMPARTILHADOS

COMPUTADORDE PROCESSO

CONTROLADORPROGRAMÁVEL

MONTADONO CAMPO

LOCAÇÃOAUXILIAR

NORMALMENTEACESSÍVEL

AO OPERADOR

LOCAÇÃOAUXILIAR

NORMALMENTE NÃO ACESSÍVELAO OPERADOR

TIPO

LOCALIZAÇÃO

SÍMBOLO SÍMBOLOFUNÇÃO

SOMA

MÉDIA

SUBTRAÇÃO

PROPORCIONAL

INTEGRAL

DERIVATIVO

SELETOR DE SINAL ALTO

SELETOR DE SINAL BAIXO

POLARIZAÇÃO

FUNÇÃO TEMPO

FUNÇÃO

MULTIPLICAÇÃO

DIVISÃO

EXTRAÇÃO DE RAIZQUADRADA

EXTRAÇÃO DE RAIZ

EXPONENCIAÇÃO

FUNÇÃO NÃO LINEAR

LIMITE SUPERIOR

LIMITE INFERIOR

LIMITADOR DE SINAL

CONVERSÃO DE SINAL

Σ/x

Σ OU +

−OU

Κ POU

IOU

>

<

+

DOUddt

x

-:

N

xN

f(x)

>

<

><

nnf(t)


30

SUPRIMENTOOU IMPULSO

*

SINAL PNEUMÁTICO

**

SINAL HIDRÁULICO

SINAL ELETROMAGNÉTICOOU SÔNICO

(TRANSMISSÃO GUIADA)***

SINAL BINÁRIOPNEUMÁTICO

SINAL NÃODEFINIDO

SINAL ELÉTRICO

TUBO CAPILAR

SINAL ELETROMAGNÉTICOOU SÔNICO

(TRANSMISSÃO NÃOGUIADA)

***

SINAL BINÁRIOELÉTRICO

LIGAÇÃO CONFIGURADAINTERNAMENTE AO

SISTEMA(LIGAÇÃO POR SOFTWARE)

LIGAÇÃO MECÂNICA

* As abreviações seguintes são sugeridas para denotar o tipo de alimentação.

Essas designações também podem ser aplicadas para alimentação de fluido de purga.

AS - Ar de alimentação

IA - Ar de instrumento

PA - Ar da planta Opcional

ES - Alimentação elétrica

GS - Alimentação de gás

HS - Alimentação Hidráulica

NS - Alimentação de Nitrogênio

SS - Alimentação de vapor

WS - Alimentação de água

O nível de alimentação pode ser adicionado na linha de alimentação do instrumento, exemplo: AS-100 . ou AR

ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA DE 24 VOLTS CONTÍNUA.

** O símbolo de sinal pneumático aplica-se para qualquer gás de médio sinal. Se um outro gás é usado, este

pode ser identificado por uma nota no símbolo do sinal ou de outra maneira.

*** Fenômeno eletromagnético inclui aquecimento, ondas de rádio, radiação nuclear e luz.


31

Placa de orifício com tomada de pressão

na própria flange de medição.

FE69

Placa de orifício com tomada de pressão

na flange de medição, ligada a um

indicador de vazão do tipo pressão

diferencial.

FE70

FI70

Flange de medição com placa de orifício e

tomada de pressão vena contrata

conectada ao transmissor de vazão do tipo

pressão diferencial.FT73

Flange de medição com tomada de

pressão vena contrata sem placa de

orifício. FP74A

FP74B


32

Placa de orifício montada numa conexão

de troca rápida.FE75

Tubo pitot ou tubo pitot-venture.FE76

Elemento de medida, sem o poço termo

métrico TE166

Elemento de medida, com poço termo

métrico. TE167

POÇO

Válvula auto reguladora de impulso

interno, para redução de pressão

PCV17


33

Indicador local de temperatura, tipo capilar,

com o poço termo métrico. TI168

POÇO

Indicador local de temperatura, tipo vidro,

bimetálico ou outros não classificados. TI169

Transmissor de temperatura por termopar,

cm sinal elétrico na saída. TT253

RECEPTOR

FLUXOGRAMAS DE PROCESSO

Fluxogramas são as representações simbólicas do processo para fins de

localização, identificação e análise do funcionamento de seus componentes. Os

fluxogramas são desenhos esquemáticos sem escala que mostram toda a rede de

tubulações e os diversos vasos, bombas, instrumentos e todo equipamento pertencente ao

processo.


34

DEPÓSITODE ÓLEO

COMBUSTÍVEL

PIC

TRC

PCTC

MAÇARICOS

Nos fluxogramas de processo deve estar contido o seguinte.

- As tubulações principais com indicação do fluido contido e do sentido do fluxo;

- As principais válvulas de bloqueio, regulagem, controle, segurança, alívio etc.

- Todos os vasos (tanques, torres, tambores, reatores etc.) com indicação das

características básicas, como tipo, dimensões principais, temperatura e pressão de

trabalho, número de bandejas etc.

- Todos os equipamentos importantes (bombas, compressores, ejetores, filtros,

trocadores de calor etc.) com indicação das características básicas, como vazão,

temperatura, pressão, carga térmica etc.

- Todos os instrumentos principais deverão estar indicados por sua simbologia e

nomenclatura.

Para todos os tipos usuais de vasos, equipamentos, válvulas, instrumentos etc.,

existem convenções de desenho, geralmente de acordo com as convenções da Sociedade

de Instrumentos da América - ISA - e podem ser encontradas nas documentações

distribuídas por esta sociedade.

EXERCÍCIOS


35

1 - Quais são os objetivos dos instrumentos de medição e controle?

2 - Como era o controle do processo no princípio da era industrial?

3 - O que foi possível com a centralização das variáveis do processo,?

4 - Como são divididos os processos industriais?

5 - Defina o sistema de controle.

6 - Quais são as 3 partes necessárias para uma malha de controle fechada?

7 - Defina o que é instrumentação.

8 - Defina o que é range.

9 - Defina o que é span.

10 - Defina o que é erro.

11 - Defina o que é exatidão.

12 - Defina o que é indicador.

13 - Defina o que é registrador.

14 - Defina o que é transmissor.

15 - Defina o que é transdutor.

16 - Defina o que é controlador.

17 - Defina o que é elemento final de controle.


36

18 - O que estabelecem as normas de instrumentação?

19 - Diga qual a função de cada um dos instrumentos, abaixo de acordo com a suaidentificação.

a) WT -

b) FIC -

c) TI -

d) PIT -

e) LR -

f) TSL -

g) PSLL -

h) TJR -

i) TT -

j) PIC -

l) FR -

m) LT -

n) FSHH -

o) LSH -

p) FY -

20 - Defina a localização dos equipamentos e tipos de sinais de transmissão de cadamalha de controle, além da sua função (equipamento).


37

21 - Quais são os dois principais sistemas de medidas quanto à natureza das unidades?

22 - Quais são as unidades fundamentais do sistema L.M.T.?

23 - Quais são as unidades fundamentais do sistema L.F.T.?

24 - A sigla M.K.S. define que tipo de sistema de medida?

25 - A sigla C.G.S. define que tipo de sistema de medida?

26 - A sigla M.T.S. define que tipo de sistema de medida?

27 - A sigla M.K.gs.S. define que tipo de sistema de medida?

28 - Quais são as unidades fundamentais do sistema inglês absoluto?

29 - Quais são as unidades fundamentais do sistema inglês prático?

30 - Defina o que é telemetria.


38

31 - Cite 2 vantagens da telemetria.

32 - Cite 2 tipos de transmissores

33 - Cite 2 tipos de sinais de transmissão pneumática.

34 - Cite 2 tipos de sinais de transmissão eletrônica.

35 - O pôr que do “zero vivo”nos sinais de transmissão?

36 - Calcule o valor pedido:Exemplo: 50% do sinal de 3 à 15 PSI

[ ( Final - Início) ou Span] x ( % ) + zero vivo = valor pedido 100%

15 12 x 50 + 3 =- 3 10012 Span

a) 70% de 3 - 15 PSI = _______________________

b) 80% de 3 - 15 PSI = _______________________

c) 10% de 0,2 - 1 Kgf/cm2 = _______________________

d) 30% de 0,2 - 1 Kgf/cm2 = _______________________

e) 45% de 20 - 100 Kpa = _______________________

f) 55% de 20 - 100 Kpa = _______________________

g) 65% de 4 - 20 mA = _______________________

h) 75% de 4 - 20 mA = _______________________

i) 37% de 1 - 5 V = _______________________

j) 73% de 1 - 5 V = _______________________

37 - Calcule o valor pedido:Exemplo: 9 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI

( Valor de transmissão - zero vivo) x (100% ) = valor pedido ( Final - Início ) = Span

9 PSI

50%


39

( 9 - 3 ) x 100 = 6 x 100 = ( 15 - 3 ) 12

a) 12 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI = ___________________

b) 6 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI = ___________________

c) 0,4 Kgf/cm2 é quantos % da faixa de 0,2 à 1 Kgf/cm2 = ___________________

d) 0,6 Kgf/ cm2 é quantos % da faixa de 0,2 à 1 Kgf/cm2 = ___________________

e) 90 Kpa é quantos % da faixa de 20 à 100 Kpa = ___________________

f) 70 Kpa é quantos % da faixa de 20 à 100 Kpa = ___________________

g) 9 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________

h) 13 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________

i) 1,5 V é quantos % da faixa de 1 à 5 V = ___________________

j) 4,5 V é quantos % da faixa de 1 à 5 V = ___________________

Tabela I - Sistemas de Unidades Geométricas e MecânicasGrandezas Definição Dimensão Físico (C.G.S.) Decimal (M.K.S.) Gravitatório (M.Kf.S) Prático Inglês

Comprimento L L centímetro (cm) metro (m)Mícron (µ)= 10-6m

Angstrom(A)=10-10mmetro (m)

foot (ft)=1/3 Yd = 12in

30,48 cmMassa M M grama (g) quilograma (kg) (9,81 kg) (32,174 pd)Tempo T T segundo (seg.) segundo (seg.) segundo 9seg) second (sec)Superfície S2 S2 cm2 m2 m2 square-foot=929 cm3

square-inch=6,45 cm2

Volume V3 V3 cm3 m3 m3 cubic-foot=28317 cm3

cubic-inch=16,39 cm3

Velocidade v= _e_ t LT-1 em/seg m/seg

m/seg1m/seg=197 ft/min

foot per second (ft/sec)ft/min=0,5076 cm/s

Aceleração y = _v_ t LT-2 cm/seg2 m/seg3 m/seg2 ft/sec2

Força F = m y M L T-2 dina (d)(m=1 g:y=1 cm/ss)

Megadina (M)= 10g dinas

_____GIORGI_____Newton (n)

(m=1kg;y=1m/seg2)=105 d

quilograma-força(kgf)(m=1kg;y=9,81m/ seg2)

x 103 x 981 = dinas x 10-3 x 9,81 = sth

pound* (pd)(m=1pd;y=32,174 ft/sec2)

=0,4536kgf=444981d=7000 grains

Trabalho= F x e M S2 T-3

erg(F=1 d; e = 1cm)

Joule (j)F=1 n; e=1m)

=102 ergs

quilogrâmetro (kgm)(F=1kgf; e = 1m)

= 9,81 joules

foot-pound (ft.pd)(f = 1 pd; e = 1 ft)

=0,1383kgm=1,3563 jPotência

W = __ _ t

M S2 T-3erg/seg

( =1 erg;t=1seg)Watt (w)

( = 1 j; 1= 1seg)= 102 ergs/seg

= 44,8 ft. pd/min

Kgm/segCavalo-vapor (C.V.)

= 75 Kgm/seg= 736 watts

foot pound per secondHorse Power (H.P.)= 76kgm/seg (75)=33000 ft.pd/min

PressãoP = __F__

AM L-1 T-2

bária(F=1 d; S2=1 cm2)Bar = 10g bárias(F=1M; s2=1cm2)

PascalF= 1n; S2=1m2)

= 10 bárias

Kgf/cm2=1000 gf/cm2

kgf/m2

atm= 1033 gf/cm2

(em Hg = 76cm)

pd/in2=70.308 gf/cm2

pd/ft2

atm= 11.692 pd/in2

(em Hg = 0 n)

instrumentação básica

Career