� Instrumentação é o ramo da Engenharia que trata de� Projeto� Fabricação Especificação

Instrumentação

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� Especificação � Montagem� Operação� Manutenção de instrumentos para medição, alarme e controle do processo industrial

� Não reclama� Não faz greve� Não pede aumento de salário Não tira férias

Vantagens do instrumento

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� Não tira férias� Não se apaixona� Não torce por time de futebol� Não brinca carnaval e nem São João� Trabalha no escuro

� Capacidade limitada de tomar decisão � Precisa de programação para operar� Requer ajustes periódicos

Desvantagens do instrumento

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� Requer ajustes periódicos� Requer manutenção periódica� Consome energia� Custo de propriedade

Instrumentação mecânica

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Instrumentação eletrônica

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Instrumentação inteligente

09/04/2010 6

Instrumento virtual

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Fluido do trocador de calor

PR2

FR1

TAL

4

Símbolos e Identificação

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TV3 TRC

3

Símbolo e filosofia do instrumento

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COMPARTILHADODEDICADO FUNÇÃO DE COMPUTADOR

DUAS FUNÇÕES UM INSTRUMENTO

LÓGICA

Símbolo e local de montagem

ACESSÍVEL AO OPERADOR

NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR

ACESSÍVEL AO OPERADOR

NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR

NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR

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OPERADOR

PAINEL DE LEITURA

AO OPERADOR

ARMÁRIO CEGO

OPERADOR

PAINEL AUXILIAR

AO OPERADOR

PAINEL AUXILIARMONTADO NO

CAMPO OU ÁREA

Linhas de interligação

Sinal indefinidoSinal eletrônico, 4 a 20 mA ccSinal pneumático, 20 a 100 kPa

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Sinal pneumático, 20 a 100 kPa

Comunicação digital ou configuraçãoTubo capilarLinha de processo

Sinal eletrônico, binário

Identificação do instrumento

� Conjunto alfanumérico incluindo� Variável do processo (1a letra)� Função do instrumento (2a letra)

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� Função do instrumento (2 letra)� Modificadores da 1a e 2a letra � Número da malha

� Exemplos:

� TIC 201 FRQI 503 LSHH 29

Variável do instrumento

� Variável inicializada ou medida� Análise (A) - análise não é função: analisador (?)

� Vazão (F)Nível (L)

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� Nível (L)� Pressão (P)� Temperatura (T)

� Modificadores (da 1a ou 2a letra)� Diferencial (D), Fração (F), Varredura (J), Segurança (S), Alta (H), Baixa (L)

Função do instrumento

� Controle (quase) sempre tem Indicação� FIC = FC

� Totalização e Indicação de Vazão quase sempre estão associadas

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sempre estão associadas� FIQ = FQI, FQ

� Transmissor pode ter indicação local da variável� FIT, TIT

∆∆∆∆

ΣΣΣΣ

ΤΤΤΤ

K

FE

FT

FR

ELEMENTO DE VAZÃO

TRANSMISSOR DE VAZÃO CAMPO

PAINEL

REGISTRADOREXTRATOR DE RAIZ QUADRADA

MEDIÇÃO

FEEDFORWARD

CONTROLADOR

DIFERENÇA (ERRO)PONTO DE AJUSTE

AÇÃO INTEGRALAÇÃO PROPORCIONAL

RELÉ TRANSFERÊNCIA A/M

SOMADORTRANSFERÊNCIA

K

Diagrama detalhado de

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ΤΤΤΤ

< >

I T A I

I/P

PAINEL

CAMPO

ESTAÇÃO AUTO-MANUAL

TRANSDUTOR I/P

VÁLVULA COM ATUADOR PNEUMÁTICO

RELÉ TRANSFERÊNCIA A/MLIMITADOR AJUSTÁVEL H e L

TRANSFERÊNCIA

MANUAL

SAÍDA

MANUAL EMERGÊNCIA

detalhado de uma malha de controle PID

Instrumentação Pneumática

� Ainda é usada, no Brasil, EUA e Europa para processos simples, seguros e antigos

� Há uma tendência universal de substituir

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� Há uma tendência universal de substituir instrumentação pneumática por eletrônica microprocessada

� Baseada no sinal padrão de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi)

Instrumentação Eletrônica Analógica

� Também ainda é usada, no Brasil, EUA e Europa para controle de processos

� Há uma tendência universal de substituir instrumentação eletrônica analógica por

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instrumentação eletrônica analógica por microprocessada

� Baseada no sinal de 4 a 20 mA cc, criado em 1950, padronizado em 1975 (ISO/IEC)

Instrumentação inteligente

� Instrumentação inteligente é aquela à base de microprocessador

� Condiciona o sinal, no lugar do operador e

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� Condiciona o sinal, no lugar do operador e apresenta informação de modo amigável

� Possui� CPU� Memória� Módulo I/O

Funções de Instrumentos

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Ajuste manual do

nível Indicador

Registrador

Transmissor de nívelSensor de nível

Controlador de nível

Cadeia de informação na malha

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Suprimento de água

Registrador

Sistema de alarme

Sistema de intertravamento

Computador

Usuários da água do processo

Válvula de controle

(elemento final de controle)

Vazão da água (variável

manipulada)

Tanque de armazenagem

(processo de nível)

Funções de Instrumentos

� Elemento Sensor� Condiconador de sinal� Transmissor� Display

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� Display� Indicador� Registrador� Contador

� Controlador � Atuador final: válvula de controle

Elemento sensor

� Parte do instrumento que detecta a variável, convertendo-a em outra mais usável

� Entrada do sensor: variável do processo� Força (peso) Posição

�Pressão�Temperatura

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� Posição � Queima (combustão) � Tempo � Torque� Umidade� Vibração

�Temperatura�Nível�Vazão�Análise �Velocidade �Densidade

Elemento sensor

Indicador

Alimentação (opcional)

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Sinal RegistradorSensor

Totalizador

Variável

Sensor de pressão

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Sensor de temperatura

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Sensor de vazão volumétrica

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Fatos sobre o sensor

� Nem sempre está em contato direto� Nem sempre é linear� Pode afetar valor da variável medida

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� Pode afetar valor da variável medida� Sempre contribui com incerteza� Pode ser fisicamente distribuído � Pode ser mais de um

Transmissor

� Instrumento que sente a variável de processo e gera na saída um sinal padrão proporcional ao valor da variável medida

� Alimentado pelo instrumento receptor de painel com 24 V cc

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painel com 24 V cc� Aplicações

� Uso remoto do sinal� Padronização do sinal� Isolação do sinal

Características do transmissor

� Sinais padrão� Eletrônico: 4 a 20 mA cc� Pneumático: 20 a 100 kPaDigital (?): Hart, Fieldbus, Modbus

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� Digital (?): Hart, Fieldbus, Modbus� Locais de montagem

� Área industrial (campo)� Sala de controle (painel cego)

Alimentação do transmissor

Transmissor

Fonte

Receptor

-

-

+

+

Transmissor

Fonte

Receptor

-

-

+

+

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- -

Transmissor

Fonte

Receptor-

-

+

+

Transmissor a 2 fios Transmissor a 3 fios

Transmissor a 4 fios

Transmissor convencional

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Transmissor d/p cell

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Transmissor inteligente

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Transmissor descartável

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Transmissor de vazão

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Fatos sobre o transmissor

� Nem sempre é usado (opcional)� Nem sempre está no campo � Sua saída é linear com a entrada, mas nem sempre é linear com a variável medida

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sempre é linear com a variável medida � Sempre contribui com incerteza� Sempre requer alimentação elétrica (da sala de controle) ou pneumática

� Às vezes é chamado de outro nome (errado)

Mostrador do Sinal (Display)

� Tipos de mostradores de sinal� Indicador� Registrador� Controlador (Indicador)

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� Controlador (Indicador)� Totalizador (Contador)

� Modos de apresentação � Analógico � Digital

Indicador

� Instrumento que sente a variável e apresenta o seu valor instantâneo� Analógico: escala + ponteiro (um móvel, outro fixo)� Digital: números em LED, LCD, TRC

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� Digital: números em LED, LCD, TRC

� Precisão (resolução)� Maior escala e número de divisões� Maior número de dígitos

Painel

Indicadores analógicos

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Campo

Escalas do indicador analógico

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Registrador

� Instrumento que sente a variável e imprime valor histórico ou de tendência da variável em um gráfico através de uma pena

� Especificações

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� Número de penas� Registro contínuo ou ponto� Enrolamento do gráfico� Tipo de pena� Acionamento do gráfico

Registrador� Certamente, o instrumento que mais evoluiu na Instrumentação: atualmente é um computador em caixa de registrador

� Registrador microprocessado (inteligente)

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� Registrador microprocessado (inteligente)� Imprime tabelas� Imprime relatórios� Imprime lista de alarmes correntes� Apresenta valores instantâneos em displays digitais

Registrador mecânico

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Registrador microprocessado

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Controlador

Instrumento que 1. Recebe a medição de uma variável 2. Recebe um ponto de ajuste 3. Compara-os e

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3. Compara-os e 4. Gera automaticamente um sinal de saída� para atuar o elemento final � para manter a medição igual ou em torno do ponto

de ajuste

Controlador de campo

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Controlador de painel

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Controlador virtual

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Chave automática

� Chave operada pela posição de algum dispositivo ou valor ajustado de uma variável � Pressostato - PS� Termostato - TS

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� Termostato - TS� Chave de nível - LS� Chave de vazão - FS� Chave fim de curso - ZS

Chave limite ou de posição

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Válvula de Controle

� Válvula é uma dispositivo que altera a passagem de um fluido em seu interior

� Válvula pode ser acionada automaticamente ou manualmente

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ou manualmente� Válvula é aplicada em tubulações de entrada e saída de vasos, tanques, reatores e containeres

� Válvula de controle altera a passagem de um fluido em seu interior de conformidade com o sinal proveniente de um controlador

� Pode estar entre 0 e 100% de abertura� Controle liga-desliga: 0 ou 100%

Válvula de Controle

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� Controle liga-desliga: 0 ou 100%� Funções da válvula de controle

� Conter o fluido do processo� Responder ao sinal do controlador� Variar a passagem do fluido manipulado� Absorver a queda variável da pressão

� Válvula de controle é atuada pelo sinal que tipicamente vem do controlador

� Válvula de controle não requer alimentação � Válvula de controle não é de vedação

Válvula de Controle

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� Válvula de controle não é de vedação� Válvula com atuador pneumático é ainda o elemento final de controle mais usado� Simples� Seguro� Barato� Rápido

Válvula de Controle

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Válvula de Controle

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Acessórios da válvula

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Acessório da válvula: posicionador

� Posicionador: controlador de posição que estabelece uma abertura biunívoca da válvula com relação ao sinal do controlador Aplicação é justificada:

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� Aplicação é justificada:� Eliminar histerese da válvula� Dividir a faixa de controle da válvula� Eliminar os efeitos do atrito do engaxetamento� Apressar a resposta da válvula

Posicionador da válvula

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Medição das Variáveis

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Variável de processo� Quantidade física que altera seu valor em função de outra quantidade e em relação ao tempo ou espaço

� Dependendo do valor da variável, o operador:� Altera o ponto de ajuste do controlador

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� Altera o ponto de ajuste do controlador� Atua manualmente no processo� Liga ou desliga equipamento

Pressão

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Pressão

� Conceito: força/área � Unidades SI: pascal, símbolo Pa Pa = N/m2 , Usados também kPa, MPaNão SI: kgf/cm2, psi, mm H2O Símbolos associados: PI, PG, PR, PSL, PSH, PIC

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� Símbolos associados: PI, PG, PR, PSL, PSH, PIC� Sensores mecânicos:

Bourdon C, fole, espiral, helicoidal� Sensores elétricos:

strain gauge e cristal piezelétrico � Padrões de pressão:

Bomba peso morto, Manômetro padrão

Terminologia da Pressão

� Pressão absoluta� Pressão manométrica ou relativa� Pressão atmosférica � Pressão diferencial

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� Pressão diferencial� Pressão de vácuo� Pressão estática� Pressão hidrostática� Pressão de vapor

Pressão

Pressão Atmosférica

Pressão manométrica

Pressão

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Zero Absoluto

Pressão absoluta

Pressão atmosférica

Pressão absoluta

Vácuo ou pressão manométrica negativa

Manômetro, PI ou PG

09/04/2010 65Bourdon C

Escala

Pressostato

� Chave automática atuada pelo valor da pressão

� PSL ou PSH (alarme)� PSLL ou PSHH (intertravamento)

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� PSLL ou PSHH (intertravamento)� Não é sensor (possui)� Não é indicador (opcional)

Medição de Temperatura

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Temperatura� Conceito:

� Propriedade de um objeto que determina a direção do fluxo de calor (energia) quando ele é colocado em contato com outro: energia vai do ponto mais quente para o mais frioTemperatura termodinâmica: ponto triplo da

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� Temperatura termodinâmica: ponto triplo da água igual a 273,16 K

� Unidade SI: � Recomendada: kelvin, símbolo K� Uso industrial: grau Celsius (oC)

� Símbolos: TI, TR, TJI, TJR, TSL, TSH, TAL, TAH, TIC

Temperatura

� Variável de qualidade� Em medição de vazão de gás, temperatura é medida para compensação do volumeTemperatura é relativamente difícil de medir e

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� Temperatura é relativamente difícil de medir e de controlar, pois tem o mais amplo espectro de dificuldade, de liga-desliga a PID

� Há pouca novidade ou evolução na medição de temperatura

Escala de Temperatura

OC = (oF - 32)/1,8

Escala Farenheit (Rankine)

oC (K) oF (oR)

212 (672)100 (373)

Escala Celsius (Kelvin)

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F=1,8C+32(Rankine)

32 (492)

-460 (0)

0 (273)

sensor

180(180)100 (100)

-273 (0)

(Kelvin)

Sensores de temperatura

� Mecânicos:� Bimetal� Enchimento termal� Haste de vidroElétricos

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� Elétricos� Termopar� Resistência Detectora de Temperatura (RTD)� Termistor

Faixas e sensores

� Método Faixa de Medição (oC)� Termopares -200 a 1700� Enchimento Termal -195 a 760Resistência Detectora -250 a 650

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� Resistência Detectora -250 a 650� Termistores -195 a 450� Pirômetros Radiação -40 a 4 000

Termostato

� Chave automática atuada pelo valor da temperatura

� TSL ou TSH (alarme)� TSLL ou TSHH (desarme)� Não é sensor (possui)

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� Não é sensor (possui)� Não é indicador

� Volumétrica: volume por unidade de tempo � Mássica: massa por unidade de tempo� Unidades: m3/s ou kg/s� Símbolos associados:

Vazão

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� Símbolos associados: � FG FI FR FIC FrC ou FFC� FQ FIQ FSL FSH FSLL ou FSHH

� Efeito Coriolis� Ultra-som� Vortex� Alvo (target)

Medidores Favoritos de Vazão (2)

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� Alvo (target)� Termal� Canal aberto

Placa de orifício

� Elemento sensor de vazão (FE), que gera um ∆p proporcional ao quadrado da vazão volumétrica instantânea

� Usado para líquidos, gases e vapor d’água

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� Usado para líquidos, gases e vapor d’água� Aceito legalmente para custódia (AGA # 3)� Precisão do sistema:

� 0,5 a 5% do fundo de escala; típica de 2% do f.s.

Placa de orifício

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Placa de orifício

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Porta-placa de orifício

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Detector da pressão diferencial

A placa de orifício provoca uma queda de pressão proporcional ao quadrado da vazão volumétrica

� A placa de orifício é sensor de vazão (FE) e não da pressão diferencial

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não da pressão diferencial� Quem detecta a pressão diferencial gerada pela placa é:� Transmissor d/p cell� Diafragma ou câmara Barton

Transmissor de Pressão Diferencial

Transmissor d/p cell associado à placa de orifício, FT

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Nível

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Nível

� Altura da coluna líquida ou de sólidos granulados em um tanque ou reservatório

� Unidades� %,

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%, � comprimento, � volume ou � massa

� Símbolos: LG, LI, LR, LSL, LSH, LSLL, LSHH

Visor de Nível

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� Medição direta do nível, com uma bóia em contato direto com a superfície líquida

� Bóia é presa por fita, passa por polia e ligada e uma escala invertida de nível de 100 a 0%

Medição de nível com fita e bóia

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100 a 0%� Vantagens:

� Simplicidade� Baixo custo

� Desvantagens:� Necessita de selo, em tanque pressurizado� Precisão de ruim a média (±1% f.e.)

Medição de nível com fita e bóia

Bóia Bóia

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Escala

� Medição se baseia na pressão exercida pela coluna líquida:∆P = ρ g H

� Pressão hidrostática independe do formato� Medição se complica quando

Medição de nível a ∆p

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� Medição se complica quando� Fluído medido é corrosivo, tóxico ou sujo� Tanque é fechado, requerendo selagem na perna molhada de medição

� Medição é facilitada com tomadas especiais� Flange plana� Flange com extensão� Flanges com capilares

� Vantagens:� Facilidade de medição e calibração da pressão diferencial

� Flexibilidade pela variedade de tomadas� Possibilidade de transmissãoDesvantagens:

Medição de nível a ∆p

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� Desvantagens:� Variação da densidade causa erro� Líquidos voláteis requerem selagem ou purga� Geralmente requer supressão de zero� Local da montagem pode afetar calibração� Variações de temperatura ambiente causam erros, quando se usa tubo capilar

Medição de nível a ∆p

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Medição de nível por ∆P

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Medição de nível a Radar

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� Vantagens:� Pode medir níveis de fluidos complicados� Não requer licença legal (radiativo)� Medição sem contato� Antena pode ser externa ao tanque

Medição de nível a Radar

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� Antena pode ser externa ao tanque� Medição independe das características do líquido

� Desvantagens:� Relativamente caro� Não pode ser usado em sólidos ou líquidos sujos

CONTROLE DE PROCESSO

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Variáveis de Processo

VARIÁVEL DE PROCESSO(PV):É aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto.

SET-POINT (SP): É o valor predeterminado que servirá de referência para o controlador como o ponto ideal de operação do processo.

09/04/2010 94

desejado do produto.

VARIÁVEL MANIPULADA (MV):É aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de manter a variável controlada no valor desejado.

ponto ideal de operação do processo.

Conceitos importantes

INSTRUMENTO DEFINIÇÃO

Detector São dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor

Transmissor Instrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor.

Indicador Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detector, transmissor, etc...

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transmissor, etc...

Registrador Registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes enviados por um detector, transmissor, controlador, etc...

Conversor Instrumento cuja função é a de receber uma informação na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como um sinal de saída proporcional ao de entrada.

Controlador Instrumento que compara o valor medido(PV) com o desejado(SP) e, baseado na diferença entre eles, emite um sinal de correção para a variável manipulada(MV) a fim de que essa diferença seja igual a zero.

Integrador Instrumento que indica o valor obtido pela integração(totalização) de quantidades medidas sobre o tempo.

Elemento Final de Controle

Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado.