Senai - Instrumentação e controle automação

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Instrumentação 
e controle
série AUTOMAÇÃO iNDUsTriAL
série AUTOMAÇÃO iNDUsTriAL
Intrumentação 
e controle
CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI
Robson Braga de Andrade
Presidente
DIRETORIA DE EDuCAÇÃO E TECNOLOgIA
Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti
Diretor de Educação e Tecnologia
SENAI-DN – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAgEM INDuSTRIAL
Conselho Nacional
Robson Braga de Andrade
Presidente
SENAI – DEPARTAMENTO NACIONAL
Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti
Diretor-Geral
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Diretor de Operações
Série AUTOMAÇÃO iNDUSTriAL
Intrumentação 
e controle
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Aprendizagem Industrial 
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Distância – NEAD
FICHA CATALOGRÁFICA
Lista de ilustrações
Figura 1 - Pressão aplicada perpendicularmente a uma área ..........................................................................20
Figura 2 - Princípio de Pascal .......................................................................................................................................20
Figura 3 - Cilindro hidráulico ........................................................................................................................................21
Figura 4 - Sistema em equilíbrio .................................................................................................................................22
Figura 5 - Pressão atmosférica, relativa e absoluta ..............................................................................................23
Figura 6 - Experiência de Torricelli .............................................................................................................................23
Figura 7 - Pressão estática e pressão dinâmica .....................................................................................................24
Figura 8 - Medição da Viscosidade em SSU ............................................................................................................25
Figura 9 - Equação de Bernoulli ..................................................................................................................................26
Figura 10 - Sistema de nível .........................................................................................................................................27
Figura 11 - Medição indireta de nível – Exemplo 4 ..............................................................................................28
Figura 12 - Vazão ..............................................................................................................................................................28
Figura 13 - Velocidade de saída de um líquido através de um orifício pequeno ......................................29
Figura 14 - Gráfico da vazão x velocidade do fluido x diâmetro da manguira ..........................................30
Figura 15 - Unidade hidráulica ....................................................................................................................................31
Figura 16 - Condutor .......................................................................................................................................................34
Figura 17 - Curva cinética ..............................................................................................................................................37
Figura 18 - Velocidade média da reação ..................................................................................................................38
Figura 19 - Avanço da reação .......................................................................................................................................39
Figura 20 - Variáveis de processo ...............................................................................................................................47
Figura 21 - Sensores mecânicos ..................................................................................................................................48
Figura 22 - Sensor resistivo ...........................................................................................................................................48
Figura 23 - Sensores capacitivos .................................................................................................................................49
Figura 24 - Sensores indutivos ....................................................................................................................................49
Figura 25 - Aplicações de sensores indutivos ........................................................................................................49
Figura 26 - Manômetro em “U” ....................................................................................................................................51
Figura 27 - Manômetro de coluna reta vertical .....................................................................................................51
Figura 28 - Manômetro de coluna reta inclinada .................................................................................................51
Figura 29 - a) medidor tipo U; b) medidor de coluna inclinada; c) medidor de coluna vertical .........52
Figura 30 - Esquemas dos tubos de Bourdon mais usuais na indústria ......................................................52
Figura 31 - Detalhes do tubo tipo C .........................................................................................................................53
Figura 32 - Medidor de pressão de diafragma ......................................................................................................53
Figura 33 - a) Esquema do medidor de pressão de fole; b) medidor do tipo fole ...................................54
Figura 34 - Ponte de Wheatstone ...............................................................................................................................54
Figura 35 - Sensor de pressão de silício ..................................................................................................................55
Figura 36 - Transdutor de pressão capacitivo ........................................................................................................55
Figura 37 - a) Termômetro a dilatação de líquido com proteção metálica; b) Termômetros a 
dilatação de líquidos .......................................................................................................................................................56
Figura 38 - a) Detalhes do termômetro em recipiente metálico; b) Termômetro comercial ...............57
Figura 39 - Detalhes construtivos do termômetro a dilatação de sólidos .................................................58
Figura 40 - Construção do termorresistor ...............................................................................................................58
Figura 41 - a) Circuito básico; b) Dispositivo de medição;c) Corte do termômetro e poço de proteção; 
d) Sensores comerciais .....................................................................................................................................................59
Figura 42 - Termômetro Pt100 a três fios .................................................................................................................59
Figura 43 - a) Efeito Seebeck (T é a temperatura no extremo de teste e Tr é a temperatura de referência); 
b) Montagem básica de sistema de medição com termopar. ................................................................................60
Figura 44 - Lei dos metais intermediários ..............................................................................................................62
Figura 45 - Código de cores de termopares .........................................................................................................63
Figura 46 - Termopares e ranges de temperatura de um controlador de temperatura comercial ....64
Figura 47 - Montagem dos termopares; a) convencional; b) com extremidade torcionada; c) com 
isolação mineral .................................................................................................................................................................65
Figura 48 - Termopar completo com poço de proteção ....................................................................................67
Figura 49 - Fios de compensação e extensão ........................................................................................................67
Figura 50 - Pirômetros de radiação; a) fixos; b) portáteis ..................................................................................68
Figura 51 - Visor de nível ...............................................................................................................................................69
Figura 52 - a) Medidor de nível por flutuador e régua externa; b) Chaves de nível por flutuadores .69
Figura 53 - Chave de nível por eletrodos .................................................................................................................70
Figura 54 - Chave de nível por lâminas vibratórias .............................................................................................70
Figura 55 - Chave de nível por pá rotativa .............................................................................................................71
Figura 56 - Transmissores de pressão ......................................................................................................................72
Figura 57 - Transmissor de nível capacitivo ............................................................................................................72
Figura 58 - Transmissor de nivel por ultrassom .....................................................................................................74
Figura 59 - a) Medidor de lâminas rotativas; b) Medidor com engrenagens ovais; c) Medidor com 
engrenagens .......................................................................................................................................................................76
Figura 60 - Medidor tipo turbina ................................................................................................................................77
Figura 61 - a) Placas orifício; b) Placa orifício instalada na tubulação ...........................................................78
Figura 62 - Tipos de orifícios ........................................................................................................................................79
Figura 63 - Quedas de pressão na restrição; posicionamento de tomadas de pressão .........................80
Figura 64 - a) tubo de Venturi curto; b) tubo de Venturi universal .................................................................81
Figura 65 - Bocal de vazão ............................................................................................................................................81
Figura 66 - Rotâmetro .....................................................................................................................................................82
Figura 67 - Esquema de instalação de laboratório ...............................................................................................83
Figura 68 - Medidor de vazão tipo Venturi com o manômetro diferencial ampliado .............................84
Figura 69 - Sensor de pH ...............................................................................................................................................84
Figura 70 - Potenciômetro ............................................................................................................................................85
Figura 71 - Amplificador com resposta logarítmica ............................................................................................86
Figura 72 - Circuito RC ....................................................................................................................................................90
Figura 73 - Histerese........................................................................................................................................................91
Figura 75 - a) sinal 4-20mA; b) sinal 1-5V .................................................................................................................93
Figura 76 - a) Conexão a 2 fios; b) Conexão a 3 fios; c) Conexão a 4 fios......................................................93
Figura 74 - Unidade de conservação de ar .............................................................................................................93
Figura 77 - Exemplo de identificação conforme ISA-S5.1 ..................................................................................94
Figura 78 - Outro exemplo de identificação conforme ISA-S5.1 .....................................................................94
Figura 79 - Conversão analógico/digital ..................................................................................................................95
Figura 80 - Processo do exemplo 15 .........................................................................................................................96
Figura 81 - Exemplo de identificação de instrumento conforme ISA-S5.1..................................................98
Figura 82 - Exemplo de aplicação de simbologia .............................................................................................. 105
Figura 83 - Válvulas ....................................................................................................................................................... 107
Figura 84 - Válvula de controle ................................................................................................................................. 108
Figura 85 - Válvulas atuadas manualmente: a) volante; b) volante e caixa de redução; c) alavanca ...... 109
Figura 86 - Válvulas com comando remoto: a) atuador pneumático; b) atuador hidráulico; 
c) atuador solenóide; d) atuador motorizado ...................................................................................................... 110
Figura 87 - Válvulas rotacionais: a) válvula esfera; b) válvula borboleta; c) válvula borboleta 
com alavanca ................................................................................................................................................................. 111
Figura 88 - Valvula de atuação linear: a) válvula globo; b) componentes da válvula globo ............. 112
Figura 89 - Válvula “Y” ou oblíqua ........................................................................................................................... 112
Figura 90 - Válvula gaveta ..........................................................................................................................................113
Figura 91 - Plugs mais utilizados ............................................................................................................................. 113
Figura 92 - Características de vazão inerentes ................................................................................................... 114
Figura 93 - Tubulação de desvio ............................................................................................................................. 117
Figura 94 - Barreira de segurança intrínseca ....................................................................................................... 125
Figura 95 - Nomenclatura de classificação de instrumentos para áreas classificadas ......................... 126
Figura 96 - Sistema de Controle de Processo ...................................................................................................... 129
Figura 97 - Controle em malha aberta .................................................................................................................. 130
Figura 98 - Sistema de controle em malha fechada ......................................................................................... 131
Figura 99 - Visualização do atraso de transporte ............................................................................................... 134
Figura 100 - Equivalente elétrico da descarga de reservatório: a) descarga de reservatório; 
b) equivalente elétrico; c) analogias ........................................................................................................................ 136
Figura 101 - Resposta do sistema: a) Resposta em malha aberta; b) Resposta em malha fechada 138
Figura 102 - Sinais de teste - a) Degrau; b) Rampa............................................................................................ 139
Figura 103 - Resposta ao degrau de um sistema de nível: a) Processo; b) Equivalente elétrico; 
c) Ensaio do sistema ...................................................................................................................................................... 140
Figura 104 - Processo ................................................................................................................................................... 140
Figura 105 - Sistema de nível .................................................................................................................................... 142
Figura 106 - a) Função constante; b) Integral de uma função constante ................................................. 142
Figura 107 - Resposta ao degrau típica ................................................................................................................. 145
Figura 108 - Sistema de controle de malha fechada - função de transferência ..................................... 146
Figura 109 - Sistema massa-mola ............................................................................................................................ 146
Figura 110 - Oscilação do sistema massa-mola ................................................................................................ 147
Figura 111 - Sistema massa-mola: posição em função do tempo ............................................................... 147
Figura 112 - Sistema massa-mola-amortecedor ................................................................................................ 148
Figura 113 - Sistema massa-mola sobreamortecido ........................................................................................ 148
Figura 114 - Sistema de controle em malha fechada ....................................................................................... 151
Figura 115 - Ação de controle ON-OFF ................................................................................................................. 152
Figura 116 - Forno elétrico ......................................................................................................................................... 152
Figura 117 - a) Controle de temperatura do forno em malha fechada com ação ON-OFF; b) Diagrama 
de blocos ............................................................................................................................................................................ 153
Figura 118 - Controle ON-OFF de temperatura do forno elétrico ............................................................... 154
Figura 119 - Ação ON-OFF com histerese............................................................................................................. 154
Figura 120 - a) Controle de temperatura do forno em malha fechada com ação ON-OFF com 
histerese; b) Diagrama de blocos ............................................................................................................................ 155
Figura 121 - Controle ON-OFF com histerese de temperatura do forno elétrico .................................. 155
Figura 122 - Controlador proporcional ................................................................................................................. 156
Figura 123 - Resposta ao degrau de um sistema de controle proporcional de processo de primeira 
ordem ................................................................................................................................................................................. 156
Figura 124 - Exemplo de sistema de nível ........................................................................................................... 158
Figura 125 - Aproximação da integral de uma função .................................................................................... 159
Figura 126 - Sistema de controle proporcional-integral, ou PI ..................................................................... 160
Figura 127 - Exemplo numérico do efeito da ação integral ........................................................................... 160
Figura 128 - Resposta ao degrau do sistema do Exemplo 26 ....................................................................... 161
Figura 129 - Efeito da ação somente proporcional no Exemplo 26 ............................................................ 162
Figura 130 - Efeito da ação PI no sistema do Exemplo 26 .............................................................................. 163
Figura 131 - Sistema em malha fechada com ação PID .................................................................................. 164
Figura 132 - Aproximação da derivada de uma função .................................................................................. 164
Figura 133 - Resposta do sistema do Exemplo 26 com ação PID ................................................................ 165
Figura 134 - Resposta ao degrau de um sistema de primeira ordem em malha aberta ..................... 170
Figura 135 - Resposta do sistema de primeira ordem em malha fechada com controle proporcional .... 171
Figura 136 - Efeito do aumento de ganho proporcional no sistema de primeira ordem ................... 172
Figura 137 - Sistema com ganho proporcional Kp = 1,2 ................................................................................. 173
Figura 138 - Sistema de primeira ordem realimentado, com ação PI ........................................................ 174
Figura 139 - Efeito do aumento do ganho integral .......................................................................................... 175
Figura 140 - Limites de aumento do ganho integral ........................................................................................ 176
Figura 141 - Sistema com controle PI e limitação do ganho integral ........................................................ 176
Figura 142 - Controle P de sistema integrador ................................................................................................... 177
Figura 143 - Resposta ao degrau do processo integrador com controle PI .............................................178
Figura 144 - Resposta do sistema de primeira ordem em malha fechada com ação PID ................... 179
Figura 145 - Resposta do sistema de primeira ordem em malha fechada com ação PID com 
aumento de Kd .............................................................................................................................................................. 180
Figura 146 - Diagrama de blocos de um controlador ...................................................................................... 184
Figura 147 - Transmissor de temperatura: a) Tipo bloco de ligação; 
b) Para montagem em trilho Din .............................................................................................................................. 185
Figura 148 - Modulação por largura de pulsos (PWM) .................................................................................... 187
Figura 149 - Resposta ao degrau de um sistema de malha aberta ............................................................ 193
Figura 150 - Ensaio de processo em malha fechada com ação bang-bang............................................. 194
Figura 151 - Malha de controle ................................................................................................................................ 198
Figura 152 - Cilindro com retorno por mola ........................................................................................................ 200
Figura 153 - Controle de malha aberta ................................................................................................................. 200
Figura 154 - Atuador pneumático diafragma-mola; a) ação direta; b) ação reversa ............................ 201
Figura 155 - Atuador pneumático diafragma-mola; a) ação direta; b) ação reversa ............................ 201
Figura 156 - Atuador pneumático a pistão; a) Deslocamento linear; b) deslocamento rotativo .... 201
Figura 157 - Atuador pneumático a pistão .......................................................................................................... 201
Figura 158 - Funcionamento de válvula com posicionador .......................................................................... 202
Figura 159 - Posicionador eletro-pneumático .................................................................................................... 203
Figura 160 - Posicionador eletro-hidráulico ........................................................................................................ 204
Figura 161 - Posicionador pneumático inteligente .......................................................................................... 205
Figura 162 - Posicionador hidráulico inteligente .............................................................................................. 205
Quadro 1 - Termopares mais comuns ........................................................................................................................62
Quadro 2 - Identificação de instrumentos conforme a ISA-S5.1 ......................................................................99
Quadro 3 - Símbolos de linhas de instrumentação ............................................................................................ 100
Quadro 4 - Simbologia gráfica ................................................................................................................................... 101
Quadro 5 - Símbolos de instrumentos .................................................................................................................... 101
Quadro 6 - Simbologia de válvulas .......................................................................................................................... 102
Quadro 7 - Símbolos de atuadores .......................................................................................................................... 103
Quadro 8 - Símbolos de atuadores na falta de energia .................................................................................... 103
Quadro 9 - Símbolos de elementos primários de vazão .................................................................................. 104
Quadro 10 - Símbolos de dispositivos autoatuados .......................................................................................... 105
Quadro 11 - Tipos de proteção segundo a norma IEC ................................................................................... 121
Quadro 12 - Classificação por grupos ................................................................................................................... 122
Quadro 13 - Classificação de grau de estanqueidade IP .................................................................................. 124
Quadro 14 - Equivalência entre sistemas físicos ................................................................................................. 136
Tabela 1: Técnico em Automação Industrial ............................................................................................................17
Tabela 2: Tabela para conversão de viscosidade cinemática .............................................................................25
Tabela 3: Tensões termoelétricas e erros permitidos conforme DIN 43710 .................................................63
Tabela 4: Materiais utilizados na fabricação de proteções .................................................................................65
Tabela 5: Classificação de temperaturas máximas na superfície de equipamentos .............................. 122
Tabela 6: Parâmetros de Ziegler e Nichols para o método da curva de reação ....................................... 193
Tabela 7: Parâmetros de Ziegler e Nichols para o método do ganho crítico ............................................ 195
1 Introdução ......................................................................................................................................................................17
2 Variáveis de Processo ..................................................................................................................................................19
2.1 Pressão ............................................................................................................................................................19
2.1.1 Princípio de Pascal e Equação manométrica ..................................................................20
2.1.2 Pressão atmosférica, pressão relativa e pressão absoluta ..........................................22
2.1.3 Pressão estática e pressão dinâmica ..................................................................................24
2.1.4 Viscosidade ..................................................................................................................................24
2.1.5 Equação de Bernoulli ...............................................................................................................26
2.2 Nível .................................................................................................................................................................27
2.3 Vazão ...............................................................................................................................................................28
2.3.1 Regimes de escoamento e número de Reynolds ..........................................................29
2.4 Temperatura ..................................................................................................................................................31
2.4.1 Unidades de Temperatura .....................................................................................................32
2.5 Potencial Hidrogeniônico - pH ...............................................................................................................33
2.6 Resistividade e condutividade ...............................................................................................................343 Cinética Química e Termoquímica: Processos Endotérmicos e Isotérmicos ...........................................37
3.1 Cinética Química .........................................................................................................................................37
3.1.1 Velocidade média de uma reação química ......................................................................38
3.1.2 Velocidade instantânea de uma reação química ...........................................................39
3.1.3 Fatores que influenciam a velocidade da reação ..........................................................40
3.2 Termoquímica ..............................................................................................................................................40
3.2.1 Entalpia .........................................................................................................................................40
3.2.2 Conceitos de Termodinâmica ...............................................................................................42
3.2.3 Primeira Lei da Termodinâmica ............................................................................................43
3.2.4 Segunda Lei da Termodinâmica ..........................................................................................44
4 Sensores ...........................................................................................................................................................................47
4.1 Sensores mecânicos e eletrônicos ........................................................................................................47
4.1.1 Sensor mecânico .......................................................................................................................47
4.1.2 Sensor eletrônico ......................................................................................................................48
4.2 Sensores de pressão ...................................................................................................................................50
4.2.1 Medidor por coluna de líquido ............................................................................................50
4.2.2 Medição por deformação de um elemento elástico ....................................................52
4.3 Sensores de temperatura .........................................................................................................................55
4.3.1 Termômetro a dilatação de líquidos ..................................................................................56
4.3.2 Termômetro a pressão de gás ..............................................................................................57
4.3.3 Termômetro a dilatação de sólidos: termômetro bimetálico ...................................57
Sumário
4.3.4 Termômetro de Resistência (Termorresistor - RTD) ......................................................58
4.3.5 Termistor ......................................................................................................................................59
4.3.6 Termopar ......................................................................................................................................60
4.4 Sensores de nível ........................................................................................................................................68
4.4.1 Medição direta ...........................................................................................................................69
4.4.2 Medição indireta .......................................................................................................................71
4.5 Sensores de vazão ......................................................................................................................................75
4.5.1 Medição direta ...........................................................................................................................75
4.5.2 Medição Indireta por Pressão Diferencial ........................................................................77
4.6 Sensor de Potencial Hidrogeniônico - pH ..........................................................................................84
4.7 Sensores de condutividade .....................................................................................................................85
4.8 Condicionamento de sinais .....................................................................................................................85
4.8.1 Objetivos do condicionamento de sinal...........................................................................86
5 Transdutores e Conversores .....................................................................................................................................89
5.1 Escolha de transdutores ...........................................................................................................................90
5.2 Transmissor....................................................................................................................................................92
5.2.1 Transmissor pneumático ........................................................................................................92
5.3 Conversão analógico/digital e digital/analógico ............................................................................95
5.4 Indicador ........................................................................................................................................................97
5.5 Registrador ....................................................................................................................................................97
5.6 Simbologia ISA .............................................................................................................................................98
6 Válvulas de Controle ................................................................................................................................................. 107
6.1 Componentes de uma válvula ............................................................................................................ 107
6.1.1 Corpo .......................................................................................................................................... 108
6.1.2 Castelo ....................................................................................................................................... 109
6.1.3 Atuador ...................................................................................................................................... 109
6.2 Tipos de válvulas ...................................................................................................................................... 111
6.2.1 Válvulas rotacionais ............................................................................................................... 111
6.2.2 Válvulas de atuação linear .................................................................................................. 112
6.3 Características das válvulas de controle .......................................................................................... 113
6.3.1 Característica de vazão das válvulas de controle ...................................................... 114
6.3.2 Dimensionamento da válvula de controle ................................................................... 115
7 Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) ..................................................................................................... 119
7.1 Processos potencialmente explosivos.............................................................................................. 119
7.2 Técnicas de prevenção ........................................................................................................................... 119
7.3 Áreas classificadas- Conceitos ............................................................................................................ 120
7.4 Segurança intrínseca .............................................................................................................................. 124
7.4.1 Instrumentos com segurança intrínseca ....................................................................... 125
8 Controle de Processos ............................................................................................................................................. 129
8.1 Malha de controle .................................................................................................................................... 130
8.1.1 Malha aberta e malha fechada .......................................................................................... 131
8.1.2 Problema de controle ........................................................................................................... 133
8.2 Características do processo .................................................................................................................. 133
8.2.1 Tempo morto ........................................................................................................................... 134
8.2.2 Resistência ................................................................................................................................ 134
8.2.3 Capacitância............................................................................................................................. 134
8.2.4 Inércia ......................................................................................................................................... 135
8.3 Analogias de sistemas físicos ............................................................................................................... 135
8.4 Teste do sistema: resposta ao degrau ............................................................................................... 138
8.5 Processos típicos e suas respostas ao degrau................................................................................ 140
8.5.1 Sistema integrador ............................................................................................................... 141
8.5.2 Sistema de primeira ordem ............................................................................................... 143
8.5.3 Sistema de segunda ordem .............................................................................................. 143
8.6 Desempenho do sistema ..................................................................................................................... 144
8.6.1 Regime transitório e regime permanente .................................................................... 144
8.6.2 Sobrepasso ou overshoot ................................................................................................... 144
8.6.3 Tempo morto ou atraso de transporte ........................................................................... 144
8.6.4 Tempo de subida .................................................................................................................... 145
8.6.5 Tempo de acomodação ....................................................................................................... 145
8.7 Função de transferência ....................................................................................................................... 145
8.8 Análise de estabilidade .......................................................................................................................... 146
9 Tipos de Controladores ........................................................................................................................................... 151
9.1 Ação de controle ON-OFF ..................................................................................................................... 152
9.2 Ação de controle proporcional (P) ..................................................................................................... 156
9.3 Ação de controle proporcional-integral (PI) ................................................................................... 159
9.3.1 Integral de uma função........................................................................................................ 159
9.3.2 Ação proporcional-integral ............................................................................................... 160
9.4 Ação de controle proporcional-integral-derivativa (PID) .......................................................... 163
9.4.1 Derivada de uma função .................................................................................................... 164
9.4.2 Ação de controle PID ............................................................................................................ 165
10 Parâmetros PID ........................................................................................................................................................ 169
10.1 Controlador P .......................................................................................................................................... 170
10.2 Controlador PI ......................................................................................................................................... 173
10.3 Controlador PID ..................................................................................................................................... 178
10.4 Banda proporcional – Limites de operação ................................................................................. 180
11 Dispositivos Controladores Comerciais .......................................................................................................... 183
11.1 Componentes de um controlador comercial .............................................................................. 184
11.2 Entradas .................................................................................................................................................... 185
11.3 Saídas ......................................................................................................................................................... 186
11.4 Algoritmo PID - Sintonia ..................................................................................................................... 187
11.5 Set point ................................................................................................................................................... 188
11.6 Taxa de amostragem ............................................................................................................................ 188
11.7 Outras funções ....................................................................................................................................... 188
11.8 Interfaces .................................................................................................................................................. 189
12 Sintonia de Controladores ................................................................................................................................... 191
12.1 Ajuste manual por tentativa e erro ................................................................................................. 191
12.2 Determinação de parâmetros PID utilizando a resposta ao degrau – Método da curva 
de reação ............................................................................................................................................................ 193
12.3 Método do ponto crítico ..................................................................................................................... 194
13 Hidráulica e Pneumática Proporcional ............................................................................................................197
13.1 Introdução aos sistemas de controle ............................................................................................. 197
13.1.1 Sistema de posicionamento ............................................................................................ 199
13.2 Atuadores e posicionadores .............................................................................................................. 200
13.3 Atuador pneumático do tipo mola-diafragma e atuador com pistão ............................... 200
13.4 Posicionadores ....................................................................................................................................... 201
13.4.1 Posicionador pneumático ................................................................................................ 202
13.4.2 Posicionador eletropneumático..................................................................................... 203
13.4.3 Posicionador eletro-hidráulico ....................................................................................... 203
13.4.4 Posicionadores inteligentes ............................................................................................. 204
Referências ........................................................................................................................................................................ 207
Minicurrículo dos Autores ........................................................................................................................................... 212
Índice .................................................................................................................................................................................. 213
A unidade curricular “Instrumentação e Controle”, visa propiciar ao aluno o desenvolvimento das 
capacidades técnicas, sociais, organizativas e metodológicas requeridas para a instrumentação e 
controle em sistemas de controle e automação. Em vista disso, seu enfoque está no desenvolvimento 
de conhecimentos relacionados a variáveis de processo, cinética química e termoquímica, sensores, 
transdutores e conversores, válvulas de controle, malhas de controle, controle de processos, tipos de 
controladores, parâmetros P-I-D, Dispositivos controladores comerciais, sintonia de controladores, 
hidráulica e pneumática proporcional, entre outros (DCN-DN).
A seguir são descritos, na matriz curricular os módulos e as unidades curriculares previstos e a 
respectiva carga horária do Curso Técnico de Automação Industrial. 
Tabela 1: Técnico em Automação Industrial
Módulos denoMInAção unIdAdes CurrICulAres CArgA
HorárIA
CArgA HorárIA
Módulo
Módulo Básico Fundamentos técnicos e 
científicos
• Fundamentos da Comunicação
• Fundamentos da Eletrotécnica
• Fundamentos da Mecânica
100h
140h
100h
340h
Módulo 
Introdutório
Fundamentos técnicos e 
científicos
• Acionamento de Dispositivos 
Atuadores
• Processamento de Sinais
160 h
180 h
340h
Específico I Manutenção e Implemen-
tação de equipamentos e 
dispositivos
• Gestão da Manutenção
• Implementação de Equipamentos 
Dispositivos
34h
136h
102h
68h
340 h
• Instrumentação e Controle
• Manutenção de Equipamentos e 
Dispositivos
Específico II Desenvolvimento de 
sistemas de controle e 
Automação
• Desenvolvimento de Sistemas de 
Controle
• Sistemas Lógicos Programáveis
• Técnicas de Controle
100h
160h
80h
340h
Fonte: SENAI 
A carga horária da fase escolar totaliza 1.360 horas, em atendimento ao Catálogo Nacional de 
Cursos Técnicos.
Introdução
1
2
Variáveis de Processo
Os processos de transformação na indústria podem ser classificados em dois grandes grupos:
• Indústrias de manufatura: este tipo de indústria envolve principalmente variáveis discretas, 
por exemplo, montadoras de veículos fabricantes de móveis e de eletrodomésticos, entre 
outras.
• Indústrias de processo: o processo produtivo envolve principalmente variáveis contínuas 
no tempo, como por exemplo, indústrias de óleo e gás, químicas, de celulose, alimentos e 
bebidas, metalúrgica e de geração de energia, entre outras. O processo de transformação 
nestas indústrias parte de matérias primas que são transformadas ou refinadas para a 
obtenção de um produto final.
Na indústria de processo existem diversas variáveis, chamadas de variáveis de processo, cujo 
monitoramento e controle permitem, por exemplo, minimizar a variabilidade na qualidade do 
produto final, manter o processo dentro de limites seguros e otimizar o processo, resultando, 
assim em redução de custos de produção e outros.
As variáveis mais usuais a serem monitoradas e/ou controladas são: pressão, vazão, 
temperatura, nível e, em alguns casos específicos, densidade.
Toda indústria de manufatura primária ou secundária, indiferentemente 
de seu ramo, utiliza estas variáveis em seus diversos processos, seja na 
obtenção do ar comprimido (compressores) em máquinas industriais 
(metalúrgicas) ou, ainda, em caldeiras (refinarias) ou fornos industriais 
(siderúrgicas).
 VOCÊ 
 SABIA?
Vamos começar a estudar a primeira variável, que é a pressão.
2.1 PreSSão
A medição de pressão resulta de um particular interesse na instrumentação industrial, já 
que, a partir dela, podemos medir de forma indireta outras duas variáveis de processo, nível e 
vazão, como será visto mais adiante.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL20
Por definição, pressão é a relação entre uma força F aplicada perpendicularmente 
a uma área A. Assim, temos: (Figura 1)
ÁREA
PRESSÃO
F
O
R
Ç
A
Figura 1 - Pressão aplicada perpendicularmente a uma área
Fonte: Baseado na Festo, 2012
2.1.1 PrincíPio de Pascal e equação manométrica
O princípio ou lei de Pascal estabelece que uma pressão aplicada em 
qualquer ponto de um líquido em equilíbrio (em situação estática) se transmite 
integralmente em todas as direções. Consideremos o sistema hidráulico onde uma 
força F1 é aplicada sobre o êmbolo de área A1; a pressão P resultante se transmite 
em todas as direções, resultando na aplicação de uma força F2 sobre o êmbolo de 
área A2, conforme ilustrado na Figura 2.
2. Se aplicamos uma força
de 10 kgf numa rolha de 
1 cm2 de área...1. Suponhamos 
uma garrafa cheia 
de um líquido, 
o qual é 
praticamente 
incompressível.
3... o resultado 
será uma força 
de 10 Kgf em cada 
cm2 das paredes 
da garrafa.
4. Se o fundo da garrafa tiver uma área de 
20 cm2 e cada cm estiver sujeito a uma força 
de 10 Kgf. teremos como resultante uma força 
de 200 kgf aplicada ao fundo da garrafa.
 
100
10 cm1
10 cm
1 cm
10
1. Se o pistão se move 10 centímetros, desloca 10 
centimetros cúbicos de líquido (1cm2 x 10cm = 10cm2).
2. 10 cemtimetros cúbicos 
de líquido movimentarão 
somente 1 centimetro 
neste pistão.
1 cm
3. A energia transferida será igual a 10 
quilos x 10 centímetros ou 100 kgf. cm.
4. Neste ponto também teremos uma energia 
de 100kgf. cm (1 cm x 100kgf).
Figura 2 - Princípio de Pascal
Fonte: SENAI-RS, 2007
A pressão resultante da aplicação da força F1 no êmbolo de área A1 é:
F1
A1
P =
Pelo princípio de Pascal, esta pressão é transmitida para todos os pontos do 
fluido e, em particular, para todos os pontos da superfície do êmbolo de área A2. 
Logo,
P =
F2
A2
2 VariáVeis de processo 21
Finalmente, resulta:
=F1
A1
F2
A2
A força F2 resultante é:
F2 = 
A2
A1( ( F1
Para compreendermos melhor este tópico, vamos analisar os exemplos abaixo.
exemplo 1: Cilindro hidráulico
Um cilindro hidráulico é um dispositivo composto basicamente por uma 
camisa, um êmbolo e uma haste unida rigidamente a este último. Consideremos 
um cilindro de diâmetro d = 2” (d = 5,08cm) e uma pressão de trabalho de 50bar. 
Assim: (Figura 3)
A = π x d
2
4
= 20,26 cm2
P = 50 bar
MANCAL
MANCAL
ESPAÇADOR
ESPAÇADOR
BUCHA
GUIA
VÁLVULA
HASTE
EMBOLO
VEDAÇÕES
BUCHA
 
Figura 3 - Cilindro hidráulico
Fonte: Baseada em Parker, 1999
Sendo o conjunto êmbolo-haste rígido, a força F aplicada no êmbolo é 
transmitida paraa ponta da haste.
F = P . A = 50 x 20,26 [ [kgfcm2 x cm2 =1.013 kgf
 FIQUE 
 ALERTA
Evite acidentes: Se for executar trabalhos num sistema 
óleo-hidráulico ou qualquer outro que trabalhe com 
pressão, verifique se o circuito não ficou pressurizado e 
utilize sempre luvas e óculos de proteção, além de outros 
EPIs específicos que possam ser indicados para a tarefa.
exemplo 2: equação manométrica
Consideremos o sistema em equilíbrio da Figura 4, onde as áreas dos 
êmbolos são iguais. Desejamos conhecer qual é a relação entre a diferença das 
pressões (P1 e P2) e das alturas (h1 e h2). A densidade do líquido é δ (densidade 
= massa/volume).
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL22
P1
A
P2
A
S
h1
h2
Figura 4 - Sistema em equilíbrio
Fonte: Autor
A pressão no fundo do recipiente da Figura 4 do lado 1 é a somatória da pressão 
aplicada P1 e da resultante do peso da coluna de líquido. Do lado 2, a pressão no 
fundo será a somatória da pressão P2 e da resultante do peso da coluna 2. Pelo 
princípio de Pascal, as duas pressões são iguais. Logo:
P1 + x x xg gx h1 h2=P2 +
onde g é a aceleração da gravidade (9,8 m/s2). Assim,
P1 - P2 = x g x h2 - x g x h1 = x g x (h2 - h1)
P1 - P2 = x g x h2 - h1)(
Sendo a área e o peso específico constantes, existe uma relação de 
proporcionalidade entre a diferença das pressões e a diferença de alturas, e a 
constante de proporcionalidade é o peso específico.
∆ ∆P = X Xg h
2.1.2 Pressão atmosférica, Pressão relativa e Pressão 
absoluta
Veja os conceitos e as diferenças entre as pressões. 
A pressão atmosférica é a pressão exercida pela atmosfera sobre a 
superfície da terra. A pressão relativa é a pressão medida com relação à 
pressão atmosférica. Já a pressão absoluta é o somatório da pressão relativa 
medida e a pressão atmosférica.
Para melhor compreensão, estes conceitos são apresentados graficamente na 
Figura 5.
2 VariáVeis de processo 23
Pressão
Pressão
relativa
Pressão
absoluta
Pressão
atmosférica
Vácuo absoluto
(pressão nula)
Figura 5 - Pressão atmosférica, relativa e absoluta
Fonte: Autor
A pressão relativa ou manométrica pode ser positiva ou negativa. No caso de 
ser negativa, é também chamada de vácuo.
Para compreendermos melhor este tópico, vamos continuar analisando os 
exemplos abaixo.
exemplo 3: experiência de Torricelli
Um tubo de 1 m de altura com mercúrio (Hg) é colocado num recipiente que 
também contém mercúrio, como indicado na Figura 6. O peso da coluna de 
mercúrio no tubo fará com que o nível desça até um ponto de equilíbrio. Neste 
estado de equilíbrio, a pressão sobre o ponto x resultante da pressão atmosférica 
na superfície A1 e a resultante do peso da coluna de mercúrio (na área A2) são iguais.
Px =
=
=
Hg
Hg x g x ∆ h 
x g x ∆ h 
Pa
Px Pa
A pressão atmosférica assim medida é de 101.325 Pa ou 1,01 bar.
Hg
A2
Pressão
Atmosférica Pa
vácuo
∆h = 760mm
A1
x Hg
Figura 6 - Experiência de Torricelli
Fonte: Autor
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL24
2.1.3 Pressão estática e Pressão dinâmica
Os conceitos sobre pressão vistos até agora consideram uma situação estática, 
ou seja, consideram um sistema em equilíbrio. Um fluido em movimento gera 
também uma pressão, chamada de pressão dinâmica. 
X1 X2
h1
V
h2
Figura 7 - Pressão estática e pressão dinâmica
Fonte: Autor
A pressão no ponto x1 da Figura 7 corresponde à pressão estática, e a pressão 
no ponto x2 corresponde à pressão total, que é a somatória de ambas.
A pressão dinâmica é
Pd =
1
2
x x = P2 - P1
2v
Onde:
g é a aceleração da gravidade, 
δ é densidade ou massa específica do fluido e 
v é a velocidade do fluido. 
Assim, a velocidade do fluido pode ser determinada a partir da fórmula anterior:
= 2 X
P2 - P1v
2.1.4 viscosidade
Segundo Saybolt Universal SENAI-RS (2007): (Figura 8)
Uma das medidas de viscosidade dos fluidos é o SSU - abreviatu-
ra de Segundo Saybolt Universal. O professor Saybolt aqueceu 
um líquido com volume predeterminado a uma dada tempera-
tura e fez o líquido passar por uma abertura de tamanho tam-
bém especificado. Ele cronometrou o fluxo (em segundos), até 
que o líquido enchesse um recipiente com capacidade de 60 
mililitros. O resultado foi a medição da viscosidade em SSU.
2 VariáVeis de processo 25
1. Uma quantidade de óleo é aquecida a uma 
determinada temperatura...
2. ...por um banho de óleo envolvente.
3. Fazendo – se o escoamento através de 
um orifício de tamanho determinado...
4. ... o tempo decorrido em segundos 
mostra a viscosidade em SSU.
termômetro
Elemento de aquecimento
Figura 8 - Medição da Viscosidade em SSU
Fonte: SENAI-RS, 2007
Tabela 2: Tabela para conversão de viscosidade cinemática
TAbelA pArA Conversão de vIsCosIdAde CIneMáTICA
vIsCosIdAde 
CenTIsTokes
(mm2/s)
vIsCosIdAde sAyboT
vIsCosIdAde 
CenTIsTokes
(mm2/s)
vIsCosIdAde sAyboT
40ºC 100ºC 40ºC 100ºC
2 32,6 32,9 37 172,7 173,9
3 36,0 36,3 38 177,3 178,5
4 39,1 39,4 39 181,8 183,0
5 42,4 42,7 40 186,3 187,6
6 45,6 45,9 41 190,8 192,1
7 48,8 49,1 42 195,3 196,7
8 52,1 52,5 43 199,8 201,2
9 55,5 55,9 44 204,4 205,9
10 58,9 59,3 45 209,1 210,5
11 62,4 62,9 46 213,7 215,2
12 66,0 66,5 47 218,3 219,8
13 69,8 70,3 48 222,9 224,5
14 73,6 74,1 49 227,5 229,1
15 77,4 77,9 50 232,1 233,8
16 81,3 81,9 51 236,7 236,7
17 85,3 85,9 52 241,4 243,0
18 89,4 90,1 53 246,0 247,7
19 93,6 94,2 54 250,6 252,3
20 97,8 98,5 55 255,2 257,0
21 102,0 102,8 56 259,8 261,6
22 106,4 107,1 57 264,4 266,3
23 110,7 111,4 58 269,1 270,9
24 115,0 115,8 59 273,7 274,6
25 119,3 120,1 60 278,3 280,2
26 123,7 124,5 61 282,9 284,9
27 128,1 129,0 62 287,5 289,5
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL26
TAbelA pArA Conversão de vIsCosIdAde CIneMáTICA
vIsCosIdAde 
CenTIsTokes
(mm2/s)
vIsCosIdAde sAyboT
vIsCosIdAde 
CenTIsTokes
(mm2/s)
vIsCosIdAde sAyboT
40ºC 100ºC 40ºC 100ºC
28 132,5 133,4 63 292,1 294,5
29 136,9 137,9 64 296,7 298,8
30 141,3 142,3 65 301,4 303,5
31 145,7 146,8 66 306,0 308,1
32 150,2 151,2 67 310,6 312,8
33 154,7 155,8 68 315,2 317,4
34 159,2 160,3 69 319,8 322,1
35 163,7 164,9 70 324,4 326,7
36 168,2 169,4
Acima de 70 Centistokens a 40°C = Centistokens x 4,635 = Saybolt
Fonte: SENAI-RS, 2007
A viscosidade de um fluido é sua resistência ao escoamento num conduto. 
A viscosidade dinâmica refere-se ao atrito interno num fluído que apresenta 
resistência ao movimento das suas partículas ou a sólidos presentes neste fluido. 
A relação entre a viscosidade dinâmica e a massa específica de um fluido (medidos 
à mesma temperatura) é a viscosidade cinemática. As unidades são:
• Viscosidade dinâmica μ: ], s
cm2
Viscosidade dinâmica μ: [Pa.s], Poise = P = [ dyna.
• Viscosidade cinemática ν: [m2/s], stoke=[m2/s], centistoke
2.1.5 equação de bernoulli
Consideremos um fluido ideal, ou seja, com viscosidade zero (não existem 
atritos) e incompressível. Assim, um deslocamento de massa Δm na extremidade 
1 corresponde a um deslocamento Δm na extremidade 2. A equação de Bernoulli 
relaciona as energias cinéticas e potenciais neste fluido ideal.
F1 = P1 A1
V1
∆m
d1
∆
∆
d2
V2
F2 = P2 A2
h2
h1
Figura 9 - Equação de Bernoulli
Fonte: Autor
2 VariáVeis de processo 27
A equação de Bernoulli mostra que
P1 + g h1 + = P2 + g h2 +
1
2
1
2 2
2v
1
2v
Ou seja,
P + g h + 2 = constante1
2
v
Observe que o primeiro termo da equação acima corresponde à pressão 
aplicada, o segundo está relacionado à energia potencial e o terceiro está 
relacionado à energia cinética. Assim, de acordo com esta equação, o somatório 
das energias num sistema como o da Figura 9 é constante. Nesse caso, temos duas 
situações particulares, a saber:
• Se o sistema é horizontal:
= constante1
2
1
2
= P2 + 2P1 +
2
1
2v v
• Se o sistema é estático:
P1 + g h1 = P2 + g h2 = constante
2.2 NíVeL
O nível é uma variável importante em processos. Sua medição permite ter o 
conhecimento de quantidade de produto (em estoque, em processo, limites de 
segurança num processo etc.). (Figura 10)
A
h
Figura 10 - Sistema de nível
Fonte: Autor
Por exemplo: Conhecida a áreaA e a densidade do produto, a medição do nível 
permite determinar a massa de produto contida no reservatório.
exemplo 4: Medição indireta de nível da Figura 11.
Qual é o nível de água no reservatório representado na Figura 11?
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL28
H20 = 1.000 kg/m3 P = 0,5 bar
h
Figura 11 - Medição indireta de nível – Exemplo 4
Fonte: Autor
Solução: Pela equação manométrica, temos que:
P = ρ x ∆ h
Tomando como referência de nível o fundo do reservatório, ∆h=h, e 
expressando ρ em 
h = 
P
ρH20
= = 500cm = 5m
0,5 bar
0,001 kg
cm3
, resultará:
h = 
P
ρH20
= = 500cm = 5m
0,5 bar
0,001 kg
cm3
2.3 Vazão
Outra variável fundamental em processos é a vazão Q. Essa é definida de forma 
geral como o volume de matéria por unidade de tempo que circula por um conduto.
Conhecida a seção transversal, a medição da vazão permite, por exemplo, 
determinar a quantidade de fluido que passou por um ponto determinado. A 
vazão é expressa em volume por unidade de tempo, por exemplo, m3/h (metros 
cúbicos/hora), lpm (litros/minuto). (Figura 12)
Q1 Q2
V2V1
A2
A1
Figura 12 - Vazão
Fonte: SENAI-RS, 2007
lei da vazão
Um determinado fluido que passa por um tubo de diversos diâmetros, o 
volume que circula por unidade de tempo é o mesmo, independente das seções 
do tubo. Isto significa que a velocidade do fluido é variável.
2 VariáVeis de processo 29
A vazão Q que flui pelo tubo resulta do volume v em litros do líquido, dividida 
pela unidade de tempo (t) em minutos.
Sendo assim:
Q = V / t (litros/min)
A vazão Q também corresponde ao produto entre a área de seção transversal 
do tubo A e a velocidade do fluído v.
Sendo assim:
Q = A . v (litros/min)
exemplo 5: velocidade de saída de um líquido a través de um orifício 
pequeno (Figura 13)
A2
V2
h1
h1
A1
Figura 13 - Velocidade de saída de um líquido através de um orifício pequeno
Fonte: Autor
As pressões P1 e P2 são iguais à pressão atmosférica. Considerando A1>>A2 , a 
velocidade v1<< v2 ; seja, também, h1>>h2. Com estas aproximações (P1 = P2, v1 = 
0 e h2 = 0), a equação de Bernoulli resulta:
g h1 =
1
2 2
2v
Logo, a velocidade de saída do líquido pelo orifício é
2 = 2 g hv
A vazão de um fluido também é calculada pelo produto entre a área da seção 
transversal do conduto por onde ele circula e a sua velocidade:
Q = A.v
2.3.1 regimes de escoamento e número de reynolds
Considere um fluido circulando num tubo redondo. São definidos dois tipos 
de escoamento, o laminar e o turbulento. No regime laminar, a uma determinada 
vazão o fluido escoa em camadas tubulares concêntricas nas quais as velocidades 
são mantidas e não há migração de partículas de uma camada para outra. No 
regime turbulento, o movimento das partículas é caótico, sem trajetória definida.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL30
A velocidade de um fluido num conduto não é uniforme; devido à viscosidade, 
resulta maior na área central e diminui até chegar ao seu valor mínimo nas 
paredes do duto. Em 1883, o engenheiro inglês Osborne Reynolds introduziu um 
coeficiente para descrever o perfil de velocidades de fluído numa tubulação. Este 
número, conhecido como número de Reynolds, é dado pela seguinte equação:
Re = D / µ v
Onde:
• D: diâmetro da tubulação (em m)
• v: velocidade do fluido (em m/s)
• δ: densidade do fluido (em kg/m3)
• μ: viscosidade do fluido (em Pa x s)
Observou-se na prática que para fluidos circulando numa tubulação, o regime 
é laminar para números de Reynolds abaixo de 2.000 e turbulento para números 
acima de 2.400; o fluxo para números entre 2.000 e 2.400 corresponde à transição 
entre o regime laminar e o turbulento. (Figura 14)
A determinação do diâmetro interno da mangueira é em 
função da vazão do circuito. Desta forma, o gráfico abaixo 
serve para auxiliar na escolha correta do diâmetro interno 
da mangueira, e não teremos um sistema de trabalho 
turbulento, pois ele pode causar afrouxamentos nas 
conexões gerando os inconvenientes vazamentos.
 VOCÊ 
 SABIA?
O grá�co abaixo foi construído baseado na seguinte fórmula:
D = Q x 0.4081
Vazão em galões 
por minuto (gpm)
V
Q = Vazão em Galões por Minuto (GPM)
D = Velocidade do Fluído em Pés por Segundo
V = Diâmetro da Mangueira em Polegadas
Diametro interno da Mangueira em pol
1 m/s = 3,28 pes/s
Mangueira Bitoia Cano Todas as Outras - Diâmetro Real 
Velocidade do Fluído em pés por segundo
Velocidade máxima
 recomendada para
 linha de sucesso
Velocidade máxima
 recomendada para
 linha de retorno
Velocidade máxima
 recomendada para 
linha de acessão
2
200
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1.0
.9
.8
.7
.6
.5
.4
2·3/8”
1·13/16”
1·3/8”
1·1/8”
7/8”
5/8”
1/2”
13/32”
5/16”
1/4”
3/16”
2”
1·12/2”
1·1/4”
1
3/4”
5/8”
1/2”
3/8”
5/16”
1/4”
3/16”
40
32
24
20
16
12
10
8
6
5
4
32
24
20
16
12
10
8
6
5
4
3
3
5
6
7
30
8
15
4
10
20
Figura 14 - Gráfico da vazão x velocidade do fluido x diâmetro da manguira
Fonte: Autor
2 VariáVeis de processo 31
 CaSoS e reLaToS
A função de uma unidade hidráulica ou de potência nas indústrias é, 
além de armazenar o fluido hidráulico que é a fonte de energia de trabalho, 
também verificar as variáveis de nível e temperatura através do visor na parede 
do reservatório, assim como a pressão de trabalho dos sistemas através dos 
manômetros, a vazão da bomba e a viscosidade do óleo hidráulico. Caso 
uma destas variáveis esteja fora do aceitável, ela comprometerá o trabalho a 
ser desempenhado pela máquina ou dispositivo, como abrir, fechar, prensar, 
triturar, prender, movimentar e girar, entre outros. (Figura 15)
Figura 15 - Unidade hidráulica
Fonte: Baseada em Festo, 2012
2.4 TemPeraTura
A matéria é constituída por átomos que se agrupam em moléculas, e elas estão 
em movimento. Quanto mais rápido este movimento for, maior será o calor que a 
matéria irradia. Assim, a temperatura de um corpo pode ser definida como o nível 
de movimento ou grau de agitação das moléculas que o compõem. Já o calor 
é definido como a energia que flui entre pontos com diferente temperatura, na 
direção do ponto de maior temperatura para o de menor temperatura.
Vamos compreender melhor com o exemplo a seguir.
exemplo 6: Analogia entre sistemas físicos (1) 
As dinâmicas de sistemas físicos apresentam analogias do ponto de vista 
matemático. Num sistema hidráulico, em um conduto com diferenças de pressão 
o fluido circula desde o ponto de maior pressão para o de menor pressão. 
Considere uma barra de ferro a temperatura ambiente: se submetermos um dos 
seus extremos a uma fonte de calor, o calor fluirá na direção do outro extremo. 
Assim, surge a seguinte analogia:
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL32
pressão <-> Temperatura
vazão <-> Fluxo de Calor
A transferência de energia térmica se produz por meio de três fenômenos:
• Condução: o fluxo de calor acontece dentro de um meio sólido, líquido ou 
gasoso ou em meios diferentes em contato. 
• Radiação: o fluxo se produz entre sistemas separados no espaço (exemplo: 
calor irradiado pelo sol).
• Convecção: a transmissão de calor se dá através do movimento de um 
fluido (líquido ou gasoso). Por exemplo: num sistema de calefação com 
um aquecedor por resistência, o calefator aquece o ar, que se torna menos 
denso; este ar menos denso sobe, deslocando ar mais frio. A isso também 
chamamos de convecção natural. No sistema de refrigeração do motor de 
um carro, o motor transfere calor para a água que circula impulsada por uma 
bomba; neste caso, dizemos que a convecção é forçada. 
2.4.1 unidades de temPeratura
As unidades ou escalas de temperatura mais usuais são:
• Escala Farenheit (símbolo °F, grau Farenheit): considera a temperatura de 
congelamento de uma mistura de gelo e amônia como sendo de 32°F, e a 
temperatura de ebulição da água como 212°F.
• Escala Celsius (símbolo °C, grau Celsius): define que entre a temperatura 
do gelo e o ponto de ebulição da água existem 100 unidades, o °C, 
correspondendo o 0°C à temperatura do gelo.
• Escala Kelvin (símbolo K, Kelvin): em 1832, o físicoWilliam Thomson (barão 
Kelvin Oflargs) descobriu, através de experiências com gases, que sua 
descompressão provoca esfriamento. O limite teórico desse esfriamento 
corresponde ao chamado zero absoluto de temperatura, 0K. A divisão da 
escala é a mesma que a da escala Celsius, correspondendo 0°C a 273,16K.
• Escala Rankine (símbolo R, Rankine): assim como a escala Kelvin, é uma 
escala absoluta; ou seja, o zero da escala Rankine é o zero da escala Kelvin. A 
diferença está em que adota a divisão do grau Farenheit.
As escalas Farenheit e Celsius são escalas relativas. Ou 
seja: para suas definições foram fixados, por convenção, 
determinados valores como referência (temperatura do 
gelo e temperatura do ponto de ebulição da água). Já as 
escalas Kelvin e Rankine são absolutas; o zero delas está no 
que seria a menor temperatura atingível.
 VOCÊ 
 SABIA?
2 VariáVeis de processo 33
2.5 PoTeNCIaL HIdrogeNIôNICo - pH
O potencial hidrogeniônico ou pH é utilizado para indicar o grau de acidez 
ou basicidade de uma solução aquosa a 25°C, que é a temperatura resultante da 
concentração do íon hidrogênio H+ nessa solução. 
Muitos solventes se ionizam “espontaneamente”. Assim, moléculas de água, 
em pequenas proporções, se dissociam da seguinte forma:
H2O <-> H
+ + OH-
Uma molécula de água pode doar um íon H+ a outra:
H2O + H2O <-> H3O
+ + OH-
A concentração é expressa em mol por litro (mol/l), onde mol representa uma 
quantidade, neste caso, a quantidade de moléculas de interesse em 1 litro de 
solução é (1 mol = 6,02 × 1023). De acordo com a concentração de íons H+, uma 
solução é:
• ácida, se [H+] > 10-7;
• neutra, se [H+] = 10-7;
• básica, se [H+] < 10-7.
Para facilitar a expressão desta concentração foi definido o pH como o 
logaritmo negativo da concentração H+:
pH = - log H 
+
H +
= log 1
Assim, em termos de pH, a solução é:
• ácida, se pH>7;
• neutra, se pH=7;
• básica, se pH<7.
A água pura a uma temperatura de 25°C tem pH = 7.
O monitoramento do pH é de grande importância em 
processos industriais, pois muitas reações químicas 
dependem dele. Como exemplo, o valor do pH pode ser 
determinante da qualidade final de um produto, ou serve 
como indicador de nível de contaminação de água, ou, 
também, de fertilidade ou esterilidade de solos. E ainda, 
em sistemas onde ferro ou aço são expostos a água, o valor 
de pH tem influência na corrosão.
 VOCÊ 
 SABIA?
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL34
2.6 reSISTIVIdade e CoNduTIVIdade
Considererando um fio de material condutor, quando aplicada a ele uma 
diferença de potencial (tensão) V, se produz uma circulação de corrente I. 
Esta é a lei de Ohm:
V = R × I
A relação entre corrente e tensão é linear, e R é a resistência do fio. Expressando 
a tensão em volts e a corrente em ampères, a unidade de medição de resistência 
é o Ohm, Ω = V/A. 
A resistividade, cujo símbolo é ρ (RÔ), é uma característica dos materiais e 
expressa a relação entre um campo elétrico aplicado a um material e a densidade 
de corrente resultante que circula nele (Figura 16). Assim, temos:
ρ = E
J
Onde
E: campo elétrico aplicado (V/m)
J: densidade de corrente (A/m2)
J
E+ -
Figura 16 - Condutor
Fonte: Autor
Logo, a unidade de resistividade é Vm/A=Ωm. Se o condutor da Figura 13 tiver 
uma seção uniforme S e um comprimento l, resultam:
E = V
l
J = IS
ρ = V x S = R xl x I
S
l
Assim, a resistência do condutor é função da resistividade e das suas 
características geométricas, seção e comprimento:
R = ρ x l
S
A condutividade de um material σ é a inversa da resistividade, e sua unidade no 
sistema internacional é o Siemens S = Ω-1. Logo, é definida como sua capacidade 
de conduzir corrente elétrica. De forma análoga, é definida a condutância C como 
a inversa da resistência:
2 VariáVeis de processo 35
C = 
1
R
XC = 
S
l
Salientamos que resistividade e sua inversa, a condutividade, são características 
físicas do material e não dependem de sua geometria. 
Vamos analisar o exemplo a seguir:
exemplo 7: Analogia entre sistemas físicos (2)
Como foi apresentado, num condutor ao qual é aplicada uma diferença de 
potencial se produz uma circulação de corrente no sentido do maior para o menor 
potencial. Assim, as analogias expostas no exemplo 6 podem ser ampliadas:
pressão <-> Temperatura <-> Tensão
vazão <-> Fluxo de Calor <-> Corrente
A condutividade elétrica do leite é utilizada para a 
detecção de mastite (doença bovina).
 VOCÊ 
 SABIA?
Para o estudo de variáveis de processo sugerimos 
pesquisas nas fontes citadas no final do livro. Apostilas e 
artigos também podem ser encontrados na web (termos 
de busca sugeridos: “variáveis de processo industrial”, 
“instrumentação”, “instrumentação processos” e outros).
 SAIBA 
 MAIS
 reCaPITuLaNdo
Neste capítulo foram apresentadas as principais variáveis físicas envolvidas nos 
processos industriais. A abordagem objetivou munir o aluno do conhecimento 
básico de variáveis de processo do ponto de vista físico. Foram apresentados desde 
exemplos introdutórios até a aplicação real dos conhecimentos adquiridos.
3
Cinética Química e Termoquímica: 
Processos endotérmicos e Isotérmicos
Como foi visto no capítulo anterior, nas indústrias de processos a obtenção de um produto 
final é o resultado da transformação de matérias-primas. Assim, as matérias-primas se 
modificam, normalmente por reação com outras matérias primas a que chamamos de reagentes. 
Numa reação química, os reagentes perdem suas características químicas. Evidentemente, a 
velocidade com que as reações se produzem resulta de particular importância em termos de, 
por exemplo, produtividade. 
A cinética química estuda a velocidade das reações químicas e os fatores que a influenciam, 
e a termoquímica estuda as energias – liberação ou absorção de calor - envolvidas numa reação 
química e as mudanças de estado físico.
3.1 CINéTICa QuímICa
Numa reação química, a concentração dos reagentes diminui enquanto a concentração do 
produto aumenta. Assim, a velocidade de uma reação química pode ser definida como a taxa 
de diminuição da concentração de um dos reagentes ou como a taxa de variação do produto, 
ambas em função do tempo. 
Na Figura 17 estão representadas estas taxas de variação, na chamada curva cinética. 
Como podemos observar, a taxa é alta no início da reação e vai diminuindo com o transcorrer 
do tempo.
Produto
Reagente
Tempo
Concentração
Figura 17 - Curva cinética
Fonte: Autor
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL38
3.1.1 velocidade média de uma reação química
Definiremos a velocidade média de uma reação como a razão entre a variação 
de concentração de um dos reagentes ou de um dos produtos e o intervalo de 
tempo no qual ela ocorreu:
Vm = 
variação de concentração do reagente ou produto 
intervalo de tempo
Considere uma reação química entre dois reagentes A e B que resulta um 
produto C:
A + B -> C
Assim,
∆ ∆ ∆
∆ ∆ ∆=
[ ]
t
A
=
[ ]
t
B
=
[ ]
t
C
Vm = 
Na equação anterior, [A] e [B] representam, respectivamente, as concentrações 
dos reagentes A e B, e [C] a concentração de produto. (Figura 18)
Tempo
Concentração
∆[ ]A
∆t
Figura 18 - Velocidade média da reação
Fonte: Autor
O sinal negativo nos termos da equação acima deve-se ao fato de a concentração 
dos reagentes diminuir com o transcorrer do tempo, e a do produto, aumentar.
Para compreender como se calcula a velocidade de uma reação química, veja 
os exemplos abaixo.
exemplo 8: 
O ozônio (O3) decompõe-se em oxigênio (O2), conforme a equação:
2O3 -> 3O2
Consideremos que 10 mols de ozônio se decompõem e, passado 1 minuto, 
restam 4 mols de ozônio. Qual é a velocidade média da decomposição do ozónio?
mol / min = 6 mol / min∆
∆ =
[ ]
t
O3
1
6Vm = 
3 CinétiCa QuímiCa e termoQuímiCa – ProCessos endotérmiCos e isotérmiCos 39
Tendo em vista a equação de decomposição do ozônio, acima, calcule qual 
será a velocidade de formação de oxigênio. A equação da reação de 2 mols de 
ozônio se decompõe em 3 mols de oxigênio; logo, 6 mols de ozônio produzem 9 
mols de oxigênio.