Instrumentação Basica

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Introdução a Instrumentação 
Definição de instrumentação ; 
Variáveis monitoradas na indústria ; 
 Normas técnicas para instrumentação 
Simbologia de instrumentos ; 
Tipos de instrumentos de acordo com as normas técnicas; 
Terminologia Importante para instrumentos; 
Identificação Funcional de instrumentos (TAG) 
Simbologia Sinais ; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Lucio Fernando da Silva Santos 
Professor Educador Profissional 
Engenheiro Eletricista 
Esp. Engenharia de Automação e Controle 
Esp. Engenharia de Segurança do Trabalho 
CEEP GOV. MARCELO DEDA CHAGAS DRE04/Carmópolis 
Introdução a Instrumentação 
 A Instrumentação é a ciência que estuda, desenvolve técnicas e aplicações 
para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro 
e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais. 
Desta forma, a Instrumentação Industrial visa aperfeiçoar o controle e o 
desempenho de processos industriais. 
Automação x instrumentação 
 Enquanto a automação trata de aplicações de dispositivos com FOCO em 
diminuir esforços humanos ou até substitui-los em tarefas repetitivas ou 
perigosas, afim aumentar a produtividade em processos, a instrumentação 
está voltada ao fornecimento de instrumentos de controle de processos, 
medição de variáveis , registro e transmissão de dados, de tal maneira que 
possibilite a inserção de sistemas supervisórios . 
 A automação em uma primeira analise, utilize justamente de varias técnicas 
presentes na instrumentação , ambas diferenciam-se principalmente no objeto 
final de utilização . 
 No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados na 
definição da instrumentação, através do controle manual das variáveis, 
utilizando somente instrumentos simples analógicos (manômetro, termômetro, 
válvulas manuais etc.). Posteriormente os operadores começaram a diminuir 
sua atuação física direta no processo, novos sistemas foram introduzidos e a 
revolução digital proporcionou uma melhor aquisição de dados e novos 
equipamentos conversando por protocolos industriais de comunicação. 
 Ao mesmo tempo, ocorria a centralização das variáveis em uma única sala 
de controle, onde um operador ou um programa supervisório trata de analisar 
todos os dados colhidos no campo . Com o passar do tempo, os processos 
foram se tornando mais complexos, exigindo um aumento da automação 
através dos instrumentos de medição e controle. 
 Portanto a instrumentação é necessária para auxiliar outras áreas industriais , 
seja na medição de variáveis , aquisição e transmissão de dados ou 
fornecendo equipamentos de controle para coordenar atuadores dos 
processos. 
 Em um processo industrial, diversas variáveis são monitoradas e usadas 
para controlar outras ou a própria variável. Em um mesmo processo industrial 
outras variáveis diferentes podem ser utilizadas. Na Figura 1 mostra essas 
principais variáveis. . 
Parâmetros físicos (Variáveis) 
 
Variáveis térmicas: associadas às características dependentes da energia 
térmica do material. Por exemplo: temperatura, entropia, calor específico; 
Variáveis de força: associadas com modificações dos corpos em relação ao 
movimento (ou repouso). Por exemplo: peso, momento de torque, pressão, 
vácuo; 
Variáveis de radiação: associadas aos fenômenos de absorção, emissão, 
propagação e reflexão, energia no espaço, em materiais ou de forma 
corpuscular. Por exemplo: radiações nuclear e eletromagnética, raios X, raios 
cósmicos; 
Variáveis de quantidade: associadas à porção de material presente em 
determinado momento ou entre limites particulares. Por exemplo: massa a uma 
gravidade local, mols de material, volume; 
Taxa de variáveis: associadas ao afastamento ou à aproximação de um 
material em relação a uma referência ou à repetição de um evento. Por 
exemplo: vazão de um fluido, aceleração, vibração mecânica, frequência, 
velocidade angular; 
Variáveis de propriedades físicas: como o próprio nome diz, estão 
associadas às características físicas do material, com exceção de quando se 
referem à composição química ou massa. Por exemplo: dureza, densidade, 
viscosidade, características estruturais; 
Variáveis elétricas: associadas às características de eletricidade. Por 
exemplo: corrente, tensão, impedância, indutância, capacitância; 
Variáveis de composição química: associadas ao exame de substâncias 
químicas, bem como de suas propriedades. Por exemplo: análise quantitativa 
de CH4, NOx, CO2, pH, solventes. 
Sinais de comunicação para Variáveis 
Os sinais de comunicação são as grandezas físicas envolvidas na 
comunicação entre instrumentos. Esses sinais podem ser digitais ou 
analógicos: pressão, tensão e corrente elétrica . Devem ser escolhidos de 
modo que possam ser manipulados e transmitidos em circuitos elétricos, 
preferencialmente, para uma leitura direta ou para serem armazenados em 
computadores de uma forma histórica. 
Exemplo : O controlador da figura abaixo se comunica com os demais 
instrumentos via sinais elétricos digitais, enquanto o transmissor pode utilizar 
um sinal de corrente elétrica para o indicador interpretar e exibir o valor . 
 
 
 
 
 
Simbologia da instrumentação 
Normas Utilizadas 
ANSI/ISA–S.5.1–1984 (R1992) – (2009) The Instrumentation, Systems and 
Automation Society (ISA): ISA 5.1 - Instrumentation Symbols and Identification. 
Estabelece meios uniformes para designar instrumentos e sistemas de 
instrumentação usados em medidas e controle. 
NBR 8190 – Simbologia de Instrumentação (1983) Associação Brasileira de 
Normas Técnicas (ABNT) REVOGADA. 
 
Há diferentes métodos de classificação de instrumentos. Que leva em 
consideração fatores como: 
• Localização; 
• Função; 
• Tipo de sinal. 
Localização 
 Em relação à localização, os instrumentos podem ser classificados em 
2 categorias: 
• Instrumentos de painel ou uso interno; 
• Instrumentos de campo ou uso externo. 
Função 
 Função para que seja realizada uma tarefa específica, pode ser necessário 
tipos específicos de instrumentos para cada situação. 
NBR 8190 (ABNT, 1983), de acordo com a função desempenhada, os 
instrumentos mais comumente encontrados numa malha de controle são: 
 
Elemento primário, sensor ou detector: parte de uma malha ou de um 
instrumento que primeiro percebe o ambiente e pelo qual pode-se detectar as 
modificações do valor da variável de processo; 
Transmissor: dispositivo que percebe uma variável por meio de um elemento 
primário e produz uma saída no instrumento receptor de valor geralmente 
proporcional ao valor da variável de processo; 
Indicador: dispositivo que mostra o valor de uma variável de processo, sem 
interferir no processo; 
Registrador: dispositivo que armazena os valores de uma variável de processo 
de forma digital ou gráfica; 
Controlador: dispositivo cuja função é manter uma variável de processo em 
um valor predeterminado. O dispositivo geralmente compara os valores 
medidos e predeterminado e, baseado na diferença, envia um sinal para 
corrigir a variável manipulada até que a diferença seja nula; 
 Conversor: dispositivo que gera uma saída padronizada, diferente do sinal de 
entrada; 
Elemento final de controle: dispositivo que modifica o valor de uma variável 
de processo, levando-o ao valor desejado. Válvulas são os exemplos mais 
comuns desse tipo; 
Chave: dispositivo que conecta, desconecta ou transfere circuitos de forma 
automática ou manual. Sua saída pode ser usada para atuar alarmes, 
lâmpadas-piloto, Inter travamento ou sistema de segurança. 
INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO POR FUNÇÃO 
 Instrumento é qualquer dispositivo, ou conjunto de dispositivos, utilizado com 
a finalidade de se medir, indicar, registrar ou controlar as variáveis de um 
processo (pressão, temperatura, nível, vazão, densidade, viscosidade, etc). 
 
 De acordo com a organização norte americana de instrumentação(ISA – 
Instrument Society of America) um instrumento é todo dispositivo usado para 
direta ou indiretamente medir e/ou controlar uma variável. 
 Segundo a ISA, incluem-se os elementos e sensores primários, elementos 
finais de controle, dispositivos computacionais, dispositivos elétricos de alarme, 
chaves e botoeiras. Os componentes internos dos instrumentos já não se 
classificam como instrumentos (segundo ANSIISA-S5.1-1984-R-1992). 
 
 
Tipos de instrumentos 
 
Elementos Primários ou Sensores: são elementos que estão em contato 
direto com a variável medida (sentir) e que utilizam ou absorvem energia do 
próprio meio para fornecer ao sistema uma resposta mensurável, proporcional 
a variável medida. São responsáveis por responder a um estímulo físico 
transformando-o em outra grandeza física. 
 
Transdutor é o tipo de instrumento de destaque para o processo de medição. 
A função do transdutor é converter o sinal da variável física em um sinal da 
variável de saída apropriado. Em outras palavras o transdutor converte uma 
forma de energia (ou grandeza física) em outra , afim de facilitar a leitura por 
outro dispositivo ou um operador humano. 
Todo sensor é um transdutor, porém nem todo transdutor é um sensor. 
O transdutor é o elemento do sistema que está em contato com a grandeza a 
ser medida (um sensor interno/ou não), gerando um valor proporcional ao 
mensurando. O sinal de saída do transdutor normalmente necessita de 
condicionamento. 
A unidade de tratamento de sinais é responsável pela amplificação do 
sinal obtido no transdutor. Ela também pode realizar o processamento e 
o tratamento do sinal (como, por exemplo, filtrar). 
O dispositivo mostrador ( I / R) é responsável pela tradução do sinal em 
forma tangível ao usuário de forma analógica ou digital. Nos casos em que a 
variação da variável medida ocorre muito rápida , são utilizados registradores 
que apresentam de forma gráfica a medição do sinal. Mostradores abaixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sequencia lógica de instrumentos primários. 
 
 
 
 
 
 
Transmissores (T): são instrumentos que convertem o sinal de um sensor ou 
transdutor em um sinal padrão, podendo ser um sinal de corrente (4-20mA, por 
exemplo) , tensão (0-10Vcc), digital, pneumático ou hidráulico e o transmitem 
à distância. 
Abaixo transmissores de temperatura e transmissores de pressão 
 
Controladores (C): são instrumentos que comparam o valor da variável 
medida com o valor desejado (Set-Point) e exercem uma ação de correção na 
variável manipulada, função da diferença entre dois valores (erro) e de sua 
ação de controle (P, PI, PID). O CLP é um controlador clássico. 
 
Elementos Finais de Controle: São equipamentos que recebem o sinal do 
controlador e em função deste sinal atuam sobre a variável manipulada (ex.: 
válvula de controle, motor elétrico, motobombas, atuador , etc.). 
 
 
 
 
Tipo do sinal 
 Os principais tipos de sinais transmitidos em processos de instrumentação 
resumem-se em pneumático, hidráulico, elétrico analógico e digital 
 Tipo pneumático 
 Em um instrumento do tipo pneumático, a pressão de um gás comprimido é 
modificada com o objetivo de atender ao valor a ser representado. A variação 
da pressão do gás é realizada de forma linear em uma faixa específica, 
padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza 
partindo de seu limite inferior até atingir seu limite superior. As principais 
vantagens e desvantagens desse sinal encontram-se no Quadro 1. 
 
 
 
Tipo hidráulico 
 Em um instrumento do tipo hidráulico, a variação de pressão exercida em 
óleos hidráulicos é utilizada para transmitir o sinal. Esse tipo de sinal é 
especialmente solicitado em aplicações onde é necessário um torque elevado 
ou quando o processo envolve pressões elevadas. As principais vantagens e 
desvantagens desse sinal encontram-se no Quadro 2. 
 
 
Tipo elétrico analógico 
 Em um instrumento do tipo elétrico analógico, o sinal é linearmente modulado 
em uma faixa padronizada de corrente ou tensão, representando o conjunto de 
valores de uma variável partindo de seu limite inferior até atingir seu limite 
superior. As principais vantagens e desvantagens desse sinal encontram-se no 
Quadro 3. 
 
Tipo elétrico digital 
Em um instrumento do tipo elétrico digital, o sinal correspondente a 
informações sobre a variável medida ou relacionadas ao processo são 
enviados para uma estação receptora através de sinais digitais modulados e 
padronizados, utilizando protocolos de comunicação (por exemplo Hart, 
Fieldbus, Profbus, Modbus e CAN). As principais vantagens e desvantagens 
desse sinal encontram-se no Quadro 4. 
 
Medição de variável monitorada 
 
 Para associamos o sinal de saída de um transmissor a um valor de variável 
especifico (temperatura ,pressão ou nível por exemplo) devemos proceder 
conforme exemplo abaixo: 
 Um transmissor de Temperatura está ajustado para operar em uma faixa de 0 
a 1000 °C e com sinal de saída de 4 a 20 mA .Qual é temperatura medida se o 
sinal de saída do transmissor for 14mA ? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Definições Importante para medição com instrumentos 
Faixa de indicação: valores contidos entre limites que o instrumento pode 
indicar (caso a indicação seja analógica) ou o número de dígitos que um 
indicador pode mostrar (caso a indicação seja digital). Exemplo: uma régua 
comum possui faixa de indicação de 0 a 30 cm ou um mostrador de 0 a 99 
possui faixa de indicação de 2 dígitos. 
Faixa nominal: valores contidos entre duas indicações extremas obtidos a 
partir do posicionamento de comandos de um sistema de medição. Exemplo: a 
seleção em um voltímetro de faixas de 0 a 200 V ou 200 a 750 V. 
Faixa de Medição (Range): faixa ou conjunto de valores da variável medida 
que estão compreendidos dentro dos limites superior e inferior de capacidade 
de medição do instrumento, transmissão ou controle do instrumento. Vem 
expressa estabelecendo os seus valores extremos. 
A faixa de indicação e de medição podem – mas não necessariamente devem 
– coincidir. Entretanto, para que um instrumento seja aproveitado de melhor 
forma possível, é necessário que a faixa de indicação seja maior que ou igual a 
faixa de medição. 
 
Alcance (span): É a diferença algébrica entre o valor superior e o inferior da 
faixa de medida do instrumento.Para o manômetro anterior da figura , o span é 
= 10-0 = 10. 
Zero : valor mínimo de leitura do instrumento não necessariamente é o digito “ 
0 ” podendo ser qualquer outro valor a depender da construção do 
equipamento. 
Resolução é a menor diferença substancialmente percebida entre indicações 
de um dispositivo mostrador. 
 
 
Sensibilidade: razão entre a variação na saída (resposta) e a variação na 
entrada (entrada) Exemplo: a sensibilidade de um termômetro pode ser 
expressa por 0,1 mm/ºC. 
 
Repetitividade: capacidade de repetir o valor de saída em medições 
consecutivas de uma mesma grandeza e estímulo de entrada, com fatores de 
medição mantidos constantes e curto período entre medições. 
Reprodutibilidade: variação entre medições do mesmo mensurando com o 
mesmo instrumento a partir de condições de medição variadas. 
Erro: diferença entre o valor medido e o valor real da grandeza. Todas as 
medições e instrumentos de medida estão sujeitos a erros, que não devem ser 
entendidos como falhas ou descuido ao se tomar uma medida. 
Precisão: concordância entre valores medidos consecutivamente. Um sistema 
com alta precisão apresenta dispersão pequena entre as diferentes medidas. 
 Exatidão: concordância entre o valor medido e o valor real da grandeza de 
interesse. Um sistema com alta exatidão apresenta pequeno erro. 
 
 
 
Terminologia e simbologia dos instrumentos 
A Norma Internacional ANSI/ISA–S.5.1 Instrumentation Symbols and 
Identification, ou simplesmente ISA 5.1 , estabelece a padronizaçãoadequada 
para instrumentos utilizados em fluxogramas de processos. 
Identificação Funcional (TAG) 
A TAG ou simplesmente Etiqueta ,é padronizada pela ISA . 
 Cada instrumento será identificado por um conjunto de letras (identificação 
funcional) e números (identificação da malha de controle) 
1. Conjunto de letras 
A combinação máxima de letras é de acordo com a ISA ,em quatro letras . 
 1ª letra: identifica a variável medida pelo instrumento (variável de controle, 
distúrbio). 
 Letras subsequentes: funções do instrumento 
2. Número da malha e sufixo (letra): todos os instrumentos da malha devem 
apresentar o mesmo número, se for redundante um sufixo diferenciador é 
necessário . 
Por regra , apenas as quatro letras são normatizadas pela ISA.O numero de 
malha e seu sufixo diferenciador , são a critério do projetista ou do desenho do 
processo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Simbologia 
Sinais 
 
 
 
 
Outros tipos de válvulas consultar a ISA. 
Instrumentos 
A ISA utiliza de símbolos específicos para instrumentos, para tanto devemos 
saber sobre a localização dos instrumentos nos locais adequados. 
A classificação inclui informações se o instrumento está localizado diretamente 
no campo (chão de fabrica) , se está localizado em um quadro auxiliar/principal 
com possibilidade de conferência permanente pelo operador ou se está 
inacessível. .