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DESCRIÇÃO
Definição de grandezas físicas e analógicas, teoria da propagação de erros, aterramento e blindagem.
PROPÓSITO
Compreender os conceitos de grandezas físicas e analógicas, entender como os erros nas medições das
grandezas se propagam, aprender as principais técnicas de redução de ruído e a importância do Aterramento e
da Blindagem na Instrumentação Industrial.
PREPARAÇÃO
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos papel, caneta e uma calculadora ou use a calculadora de
seu smartphone/computador.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Definir o que são grandezas físicas
MÓDULO 2
Reconhecer as características e vantagens das grandezas analógicas
MÓDULO 3
Definir os conceitos relacionados à teoria de propagação dos erros
MÓDULO 4
Reconhecer os fundamentos e a importância do aterramento e da blindagem na instrumentação e seu papel na
redução de ruído
GRANDEZAS ANALÓGICAS E TÉCNICAS DE
REDUÇÃO DE RUÍDO EM MEDIÇÕES
MÓDULO 1
 Definir o que são Grandezas Físicas
GRANDEZAS FÍSICAS - CONCEITOS
FUNDAMENTAIS
Uma grandeza física é, essencialmente, tudo aquilo que pode ser medido ou quantificado. Pode ser,
portanto, mensurada (quantificada) em unidades de uma escala predefinida. Quando uma medição é realizada, a
grandeza física deve vir acompanhada da unidade que a representa.
 EXEMPLO
A extensão de um fio que será utilizado em uma determinada instalação elétrica pode ser medida em metros. Se
for adquirido um rolo de 50 metros de comprimento desse fio, poderão ser retirados 50 pedaços de 1 metro ou
5.000 pedaços de 1 centímetro, em que metro e centímetro são unidades utilizadas na medição de comprimento.
O Sistema Internacional de Unidades, cuja sigla é SI, reúne as unidades de medidas das grandezas fundamentais
e de suas derivações. Uma grandeza fundamental é aquela medida diretamente, como massa, espaço, tempo e
comprimento.
Quando duas ou mais grandezas fundamentais são combinadas, é gerada uma grandeza derivada ou combinada.
Por exemplo, quando o espaço é dividido pelo tempo, gera-se velocidade. Essas combinações só podem ser
realizadas quando as grandezas apresentam coerência entre si.
O Sistema Internacional de Unidades adota como unidades fundamentais para a medição das grandezas físicas:
ESPAÇO

METRO
MASSA

QUILOGRAMA
TEMPO

SEGUNDO
Outro sistema internacionalmente utilizado é o Sistema Inglês, que utiliza como unidade para essas mesmas
grandezas físicas:
ESPAÇO

POLEGADA
MASSA

LIBRA
TEMPO

SEGUNDO
Em algumas aplicações, as unidades adotadas para a medição das grandezas físicas espaço, massa e tempo
são centímetro, grama e segundo. Esse sistema recebe o nome de CGS (centímetro, grama e segundo). De
maneira similar, o SI é conhecido como MKS (metro, quilograma e segundo).
Neste módulo, serão apresentadas as principais unidades de medida das grandezas fundamentais e de suas
derivações. Também serão apresentados os conceitos de potência, notação científica e ordem de grandeza.
SISTEMA INTERNACIONAL DE MEDIDAS
Toda grandeza física pode ser mensurada, ou seja, quantificada. Para tal, é necessário fazer uso de uma unidade
de medida. O Vocabulário Internacional de Metrologia (FILIPE, et al., 2012) define que o Sistema Internacional
de Unidades é composto por sete unidades de medida fundamentais, que fazem referência a sete
grandezas físicas, que são:
Comprimento
Tempo
Massa
Corrente elétrica
Temperatura termodinâmica
Quantidade de matéria
Intensidade luminosa
GRANDEZAS FUNDAMENTAIS
As unidades de medida das grandezas fundamentais mencionadas anteriormente no Sistema Internacional
de Medidas podem ser vistas na Tabela 1. Essas grandezas e suas respectivas unidades foram retiradas do
Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia (VIM), publicado e
disponibilizado pelo Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO).
Grandeza Unidade Símbolo
Comprimento metro m
Tempo segundo s
Massa quilograma kg
Corrente elétrica ampère A
Temperatura termodinâmica kelvin K
Quantidade de matéria mol mol
Intensidade luminosa candela cd
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 1: Unidades básicas do SI. Fonte: Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de
Metrologia (2020)
É importante destacar que, embora cada grandeza física possa ser mensurada e possua sua respectiva unidade
de medida definida pelo SI, outras unidades de medida podem ser adotadas para representar essa mesma
grandeza. A unidade do comprimento no SI, por exemplo, é o metro, cujo símbolo é a letra m.
Entretanto, essa mesma grandeza física pode ser representada por outras unidades como:
Centímetro
Pé
Polegada
Essas unidades são exploradas em outros países e, em alguns casos por razões históricas, ainda são utilizadas
em paralelo com o SI.
Na Tabela 2, é possível visualizar algumas unidades que são utilizadas em paralelo com as unidades do Sistema
Internacional.
Grandeza Física SI Britânico (Inglês) CGS
Comprimento metro (m) pé (foot ou ft) centímetro (cm)
Massa
quilograma
(kg)
libra (lb) grama (g)
Densidade kg/m3 lb/ft3 g/cm3
Velocidade m/s
mi/h, onde mi representa milhas e h
são horas
cm/s, onde s são
segundos.
Aceleração m/s2 cm/s2
Força Newton (N) libra-força Dina
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 2: Comparativo entre unidades em diferentes sistemas. Fonte: Paulo Godoy
GRANDEZAS DERIVADAS
Partindo-se das unidades fundamentais, é possível obter as unidades derivadas que são utilizadas na
quantificação de outras grandezas físicas. Na Figura 1, como exemplo, o volume de um tanque pode ser
quantificado em metro cúbico (m3), ou seja, multiplicando-se a unidade de comprimento (m) por três vezes. Isso é
possível sabendo-se que o volume desse tanque é obtido pelo produto: comprimento (m) x largura (m) x altura
(m).
 Figura 1: Volume de um sólido
Na Tabela 3, é possível visualizar outras unidades derivadas que são obtidas de unidades fundamentais.
Grandeza Unidade Símbolo
Área metro quadrado m2
Volume metro cúbico m3
Velocidade metro por segundo m/s
Aceleração metro por segundo ao quadrado m/s2
Vazão metro cúbico por segundo m3/s
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 3: Saída do contador assíncrono de 4 bits decrescente. Fonte: EnsineMe
OBTENÇÃO DE UNIDADES DERIVADAS DO SI
Como observado, algumas grandezas derivadas do SI são fundamentais em aplicações diversas. Em geral,
essas grandezas são produzidas diretamente das grandezas fundamentais.
Por exemplo, a área de uma estrutura cujas dimensões são dadas em metros (m) será em metro ao quadrado
(m2). Isso acontece porque a área é obtida pelo produto das dimensões que compõe esse objeto, conforme
ilustrado na Figura 2.
 Figura 2: Área de uma estrutura
Observando-se a Figura 2, a área é obtida pelo produto entre a largura e o comprimento: área = 2m x 2m = 4m2.
De maneira similar, a velocidade de um carro é calculada pela divisão da distância percorrida por ele em
quilômetros (km) pelo tempo necessário para percorrer essa distância em horas (h). Assim, se um carro percorre
100km em 2 horas, a sua velocidade média durante o percurso foi de 50km/h.
NOTAÇÃO CIENTÍFICA E ORDEM DE GRANDEZA
Algumas grandezas físicas são muito maiores do que a unidade utilizada em sua quantificação.
 EXEMPLO
A distância entre cidades pode ser mensurada em quilômetros (km), já a velocidade de um carro em quilômetros
por hora (km/h). Por outro lado, algumas grandezas podem ser menores do que a unidade, como o comprimento
de uma caneta esferográfica que é dado em centímetros (cm), ou a velocidade de um atleta de 100 metros em
metros por segundo (m/s).
Ao utilizar as unidades fundamentais, os números obtidos podem apresentar muitos zeros ou muitas casas
decimais, o que dificultaria as operações matemáticas com essas grandezas.
Por exemplo, ao mensurar uma barra de alumínio,como a da Figura 3, poderá ser necessário escrever a medida
em notação científica ou potência de dez.
 Figura 3: Comprimento de uma barra de alumínio
Na Figura 3, o comprimento da barra é de 0,01m e, em notação científica, pode ser reescrito como 10-2,
podendo o comprimento da barra ser expresso por 1 x 10-2m.
Dessa maneira, percebe-se que a notação científica ou potência de dez pode ser obtida ao escrever um número
no seguinte formato:
N X 10 Y
equação 1
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
N é um valor compreendido entre 1 e 9 e multiplicado por uma potência de 10, e y é o expoente (positivo ou
negativo) da potência de 10. Então, o número 200 poderia ser escrito como 2 x 10 +2, em que N = 2 e y = +2, na
equação 1.
Na Tabela 4, são exibidas algumas potências de 10 fundamentais para o uso da notação científica.
100 = 1
10+1 = 10 10-1 = 0,1
10+2 = 100 10-2 = 0,01
10+3 = 1.000 10-3 = 0,001
10+4 = 10.000 10-4 = 0,0001
10+5 = 100.000 10-5 = 0,00001
100 = 1
10+6 = 1.000.000 10-6 = 0,000001
10+7 = 10.000.000 10-7 = 0,0000001
10+8 = 100.000.000 10-8 = 0,00000001
10+9 = 1.000.000.000 10-9 = 0,000000001
10+10 = 10.000.000.000 10-10 = 0,0000000001
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 4: Exemplos de potências de base 10. Fonte: Paulo Godoy
ORDEM DE GRANDEZA
A ordem de grandeza pode ser definida como a potência de dez que mais se aproxima da quantidade da
grandeza mensurada.
 EXEMPLO
Um prédio com 30 metros de altura pode ser descrito como tendo uma altura de 3 x 10+1 metros. De maneira
semelhante, a velocidade da luz no vácuo é dada por 300.000.000m/s e pode ser representada por 3 x 10+8m/s.
OPERAÇÕES MATEMÁTICAS COM ORDENS DE
GRANDEZA
ADIÇÃO E SUBTRAÇÃO
MULTIPLICAÇÃO E DIVISÃO
ADIÇÃO E SUBTRAÇÃO
Para a realização dessas operações matemáticas, é necessário representar as grandezas pela mesma potência
de 10 (expoentes iguais). Depois de igualadas as potências, somam-se as bases e repete-se a potência.
Exemplo:
10-2 + 10-3 = 1 x 10-2 + 1 x 10-3 = 10 x 10-3 + 1 x 10-3 = 11 x 10-3 ou 1,1 x 10-2
10-2 - 10-3 = 1 x 10-2 - 1 x 10-3 = 10 x 10-3 - 1 x 10-3 = 9 x 10-3 ou 0,9 x 10-2
MULTIPLICAÇÃO E DIVISÃO
Durante as operações de multiplicação, é necessário realizar o produto dos números em notação científica e a
adição dos expoentes. Para a divisão, é efetuada a divisão dos números em notação científica e a subtração dos
expoentes. Exemplo:
(3 x 10+2) x (3 x 10+3) = (3 x 3) x (10+2+3) = 9 x 10+5
(3 x 10+2) ÷ (3 x 10+3) = (3 ÷ 3) x (10+2-3) = 1 x 10-1
MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DO SISTEMA
INTERNACIONAL
Nas situações em que a grandeza física é muito maior ou muito menor do que a unidade, é possível a utilização
de múltiplos e submúltiplos das unidades do SI.
No caso dos múltiplos, a utilização ocorre quando a grandeza física medida é muito maior do que a unidade do SI.
Por exemplo, a distância entre a cidade do Rio de Janeiro e a cidade de São Paulo é dada em quilômetros (km)
em vez de metros (m).
Isso ocorre porque, se representássemos essa distância em metros, utilizaríamos um valor demasiadamente
grande. De maneira similar, o comprimento de uma mesa seria dado em centímetros (cm) no lugar de metros,
tendo em vista que o número utilizado seria menor do que 1 metro.
Outros exemplos podem ser citados, como: o diâmetro de uma broca de uma furadeira que é dado em milímetros
(mm) e a potência de um motor em quilowatts (kW).
Na Tabela 5, são apresentados os prefixos dos múltiplos e submúltiplos das unidades fundamentais.
10y Prefixo (símbolo) Decimal
10+12 tera (T) 1.000.000.000.000
10+9 giga (G) 1.000.000.000
10+6 mega (M) 1.000.000
10+3 quilo (k) 1.000
10+2 hecto (h) 100
10+1 deca (da) 10
100 - 1
10-1 deci (d) 0,1
10-2 centi (c) 0,01
10-3 mili (m) 0,001
10-6 micro (µ) 0,0001
10-9 nano (n) 0,000 000 001
10-12 pico (p) 0,000 000 000 001
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 5: Múltiplos e submúltiplos da unidade fundamental. Fonte: Paulo Godoy
CONVERSÃO DE UNIDADES
Algumas vezes é necessário realizar a conversão entre unidades. Por exemplo, litro em metro cúbico; km em m;
hora em segundo. Para isso, é necessário utilizar um método de conversão adequado.
Por exemplo, digamos que seja necessário transformar 20km em metros. Há três maneiras que essa conversão
pode ser feita:
MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS
20km = 20 k m = 20 000m
DIRETAMENTE POR TABELAS DE CONVERSÃO
Disponíveis no VIM, em livros ou na internet:
Unidade Multiplicar por Unidade
km 1.000 m
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
Assim: 20km x 1000 = 20 000m.
REGRA DE 3 SIMPLES
Para utilização desse método, é necessário saber a correspondência entre as unidades que se deseja converter.
1KM – 1.000M
20KM – XM
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Efetuando-se o produto cruzado: 1 x X = 20 x 1.000 ---- X = 20.000m.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
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MÓDULO 2
 Reconhecer as características e vantagens das grandezas analógicas
GRANDEZAS ANALÓGICAS – CONCEITOS
FUNDAMENTAIS
SINAIS ANALÓGICOS
No contexto da utilização de sinais analógicos, as grandezas físicas discutidas no Módulo 1 podem chamadas
apenas de sinais. De maneira simplificada, os sinais são as variáveis físicas de um sistema que se deseja
conhecer.
Por exemplo, em um circuito elétrico a tensão, a corrente e a potência podem ser consideradas sinais. No
sistema financeiro, a variação na taxa de juros, o valor das ações e a taxa de inflação são considerados sinais.
Em sistemas mecânicos, a velocidade, a aceleração e a posição podem ser consideradas sinais. Enfim, as
informações de interesse em um sistema podem ser consideradas sinais.
Geralmente, essas variáveis não podem ser corretamente representadas por um único valor, mas, sim, por um
conjunto de valores. Nesses casos, o valor do sinal é escrito como uma função de outra variável, como o tempo,
sendo definida como uma função (t).
 EXEMPLO
Se considerarmos um veículo deslocando-se a uma determinada velocidade constante (Figura 4), ele estará em
posições diferentes com o passar do tempo. Ou seja, ao buscar-se o valor da posição, é necessário especificar
em qual instante essa posição está sendo observada.
Outro exemplo é o nível de água dentro de um tanque que esteja sendo cheio ou esvaziado. O nível desse tanque
mudará com o tempo, variando de forma mais rápida ou mais lenta, de acordo com a velocidade com a qual a
água será colocada ou retirada. Portanto, o nível dependerá não apenas do tempo, mas também da vazão.
 Figura 4: Posição de um veículo em função do tempo
 ATENÇÃO
Vale destacar que os sinais também podem variar em função de outras grandezas que não seja o tempo. Por
exemplo, a pressão dentro da água no oceano varia com a profundidade. Quanto mais fundo no oceano, maior é
a pressão.
Na prática, um sinal pode ser função de mais de uma variável. Por exemplo, o preço das ações no mercado
financeiro é função das taxas de juros, do prazo e de outros fatores relacionados ao mercado de capitais como a
oferta e a demanda, como a Figura 5.
 Figura 5: Valor das ações de uma empresa hipotética ao longo de 1 mês
Por vezes, esses sinais precisam de algum tipo de processamento ou análise para serem adequadamente
utilizados. Para isso, é necessário quantificá-los, ou seja, representá-los por meio de valores. Para que
seja possível quantificá-los em qualquer instante, é necessário conhecer a função que descreve o comportamento
desse sinal em função de uma variável conhecida (tempo, profundidade etc.).
Por exemplo, a tensão elétrica disponível pelo sistema elétrico brasileiro é uma função senoidal, com frequência
de 60Hz, como na Figura 6.
V(T) = VMÁXIMO . SEN(Ω.T) = VMÁXIMO . SEN(2.Π.F.T)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontalEm que: Vmáximo é a máxima amplitude do sinal, ω é a velocidade angular, f é a frequência do sinal e t é o
instante de tempo em que o sinal é observado.
 Figura 6: Sinal senoidal em função do tempo
A velocidade angular ω é obtida pela equação 2, sendo diretamente proporcional à frequência do sinal. Assim,
quanto maior a frequência, maior será a velocidade angular:
Ω = 2.Π.F
equação 2
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
No caso do sistema elétrico brasileiro, a frequência é de 60Hz. Isso significa que a cada 16,67ms (um
período completo) o sinal se repete e que, durante esse período, parte do sinal é positiva e parte é negativa.
O período do sinal é obtido a partir da frequência do sinal, a partir da equação 2:
equação 3
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
É importante destacar que só faz sentido falar em período ou frequência quando o sinal é periódico, ou seja,
quando se repete a cada intervalo de tempo T.
O período do sinal é o tempo necessário para um ciclo completo do sinal, ou seja, é o tempo que leva para que o
sinal se repita.
A frequência de um sinal é o número de ciclos que ele realiza em 1 segundo. Por esse motivo, a unidade
da frequência é o Hertz (Hz), que equivale a 1/s ou s-1. Quanto maior a frequência de um sinal, mais
rapidamente ele se repetirá ou maior será o número de ciclos realizados em 1 segundo.
No módulo anterior, foi discutido o conceito de grandezas físicas e a capacidade de medição para quantificação
delas. É fundamental destacar que as grandezas podem ser de natureza analógica ou digital.
GRANDEZAS DIGITAIS
São aquelas que variam apenas em valores bem definidos e que mudam de um valor para outro por meio de um
salto entre eles. Como exemplo, pode-se considerar os relógios digitais, em que a menor variação ocorre
de 1 em 1 segundo. Assim, é possível observar o relógio variando de 10 segundos para 11 segundos, mas não
em intervalos menores como 10,5 segundos para 10,6 segundos.
De maneira equivalente, um termômetro digital pode ser capaz de exibir a temperatura com uma variação mínima
de 1°C, passando de 37°C para 38°C e não em intervalos menores.
As chaves lógicas funcionam como sinais digitais, enviando um nível lógico, que pode ser apenas alto ou
baixo (1 ou 0), para um controlador digital que esteja conectado a elas.
Assim, é possível fazer uma analogia dos sinais digitais com uma escada, como pode ser visto na Figura 7, em
que a variação mínima que pode ser realizada é a passagem de um degrau para outro.
T =
1
f
 Figura 7: Variação de uma grandeza digital
GRANDEZAS ANALÓGICAS
São, essencialmente, aquelas que podem assumir infinitos valores dentro de um intervalo de valores.
Observando-se um relógio de ponteiro ou o velocímetro de um carro, é possível verificar duas grandezas
analógicas, pois em ambos os ponteiros variam continuamente durante o seu funcionamento.
Se fizermos uma analogia similar à da escada para a grandeza digital, como pode ser visto na Figura 8, uma
grandeza analógica seria uma rampa. Dessa maneira, valores intermediários, entre os degraus da digital, podem
ser considerados.
 Figura 8: Variação de uma grandeza analógica
Assim, comparando-se as Figuras 7 e 8, pode-se notar que a variação da posição 1 para a posição 2 na
Figura 7 não permite que degraus menores, como 1,5, sejam atingidos, tendo em vista que não há variações
menores. Para isso, seria necessária a inclusão de degraus intermediários que permitissem variações cada vez
menores. A inclusão de infinitos degraus na escada a transformaria em uma rampa (como a da Figura 8).
RESOLUÇÃO
É simples observar que o mundo é essencialmente analógico. Grandezas presentes no dia a dia, como a
umidade do ar, a temperatura e a pressão, variam como sinais analógicos, podendo assumir infinitos valores
entre um mínimo e um máximo.
 VOCÊ SABIA?
O que define quantos “degraus” a sua escala analógica possuirá é a resolução na escala do seu instrumento. De
acordo com o VIM, a resolução pode ser definida como a menor diferença entre as indicações de um dispositivo
mostrador que pode ser significativamente percebida. Ou seja, é o menor intervalo de medida que um instrumento
oferece.
Na Figura 9, observa-se o desenho do fundo de escala de um instrumento arbitrário.
 Figura 9: Fundo de escala de um instrumento ideal
É possível observar que a escala arbitrária varia de 0 a 60 e possui uma resolução de 2,5, sendo a menor
variação possível de ser lida. Apesar de ser a escala de um instrumento analógico, variações menores do que
2,5 levam a leituras estimadas.
Assim, é possível perceber que, em uma comparação entre a escala arbitrária e a escada, a resolução é
representada pela quantidade de traços na escala ou de degraus na escada. Logo, quanto maior o número de
traços ou de degraus, menores serão os intervalos, e mais próximo o valor lido estará do valor real. Para isso,
basta dividir o intervalo da variável (formado por todos os valores que a variável pode assumir) por todo os
intervalos que a escala possui (equação 4).
Para compreender melhor o conceito de resolução, imagine uma escala com 100 intervalos (uma escada
com 100 degraus), que será utilizada na medição de um sinal que poderá possuir valores compreendidos entre
0 e 5, como pode ser visto na Figura 10. Cada intervalo na escala possuirá um valor igual a:
INTERVALO = VARIÁVEL / ESCALA = (5-0)/(100) = 5/100 = 0,05
equação 4
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Dessa maneira, observa-se que a menor variação mensurável na escala será de 0,05.
 Figura 10: Determinação da resolução de um sistema
Se o número de intervalos for aumentado, por exemplo, para 1.000, essa variação será ainda menor. Você seria
capaz de descobrir qual seria o intervalo?
De maneira simplificada, um sinal analógico é aquele que possui seu valor variando continuamente e possui uma
resolução infinita em tempo e amplitude.
 EXEMPLO
Uma bateria, por exemplo, é um dispositivo analógico, cuja tensão de saída muda ao longo do tempo, uma vez
que a energia armazenada é utilizada na alimentação de uma carga. Isso ocorre porque a corrente fornecida pela
bateria não é limitada e, dessa maneira, a velocidade com que a tensão fornecida pela bateria dependerá da
corrente drenada pelo circuito. Quanto mais corrente for drenada, mais rapidamente a tensão na bateria será
reduzida.
Os sinais analógicos e os sinais digitais possuem suas aplicações. A partir da tensão e da corrente
analógicas, é possível controlar a velocidade de rotação de um motor ou o volume de um aparelho de
som. O uso de uma resistência variável permite o aumento ou a redução da corrente que flui por meio do resistor
e, consequentemente, o aumento ou a redução do som ou da velocidade de rotação do motor, como pode ser
observado na Figura 11.
 Figura 11: Redução do som com o aumento da resistência
 ATENÇÃO
É possível observar que, mesmo após atravessar a resistência, o sinal continua sendo analógico. De modo
similar, um sinal analógico de tensão, ao atravessar uma resistência, produziria um sinal analógico de corrente.
Mesmo que pareça intuitivo e simples, o controle da amplitude de um sinal analógico nem sempre é fácil ou
economicamente viável. O efeito joule (aquecimento) é uma preocupação real, tendo em vista que a potência
dissipada nos componentes é proporcional à tensão e à corrente que alimenta os componentes do circuito.
Além disso, os componentes que compõem o circuito sofrem desgastes com o uso, o que pode influenciar no
funcionamento do circuito a partir das mudanças nos parâmetros.
Os sinais analógicos também são sensíveis ao ruído e, devido à sua resolução infinita, qualquer perturbação ou
ruído em um sinal analógico necessariamente altera o seu valor.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 3
 Definir os conceitos relacionados à Teoria de Propagação dos Erros
TEORIA DE PROPAGAÇÃO DOS ERROSINCERTEZAS DE UMA MEDIDA
Um dos princípios básicos da Engenharia e da Física diz que: “Não se pode medir uma grandeza física com
precisão absoluta.” Esse princípio destaca que, qualquer medição, independentemente de quão bem for
realizada, sempre será aproximada.
O valor medido nunca representa o valor real (verdadeiro) de uma grandeza. Quando esse valor mensurado é
aplicado ou registrado, é preciso saber o grau de confiança que se tem de que o número medido representa o
valor verdadeiro da grandeza física. Assim, é necessário expressar o valor medido com a incerteza da medição. A
incerteza da medição recebe o nome de erro experimental ou desvio experimental.
 VOCÊ SABIA?
O termo erro experimental não tem relação com distração, descuido, engano ou falha na medição. O erro
experimental não pode ser evitado, mesmo com todos os cuidados no procedimento experimental.
ALGARISMOS SIGNIFICATIVOS
Ao expressar-se uma medição, é necessário incluir uma estimativa da incerteza do valor medido. Essa
incerteza pode estar associada ao desvio-padrão de um conjunto de medições de uma mesma grandeza ou a
incerteza estimada em uma única medição.
 EXEMPLO
Para realizar a medição do comprimento de um prego, como na Figura 12, utiliza-se uma régua cujas menores
divisões são em mm.
 Figura 12: Medição do comprimento de um prego utilizando-se uma régua com escala de cm (menor intervalo
de 1mm)
A incerteza na medição realizada na Figura 13 pode ser estimada como sendo a metade da menor divisão da
escala do instrumento utilizado. A estimativa da incerteza, nessa medição, é uma avaliação visual. Assim, o
comprimento desse prego poderia ser:
COMPRIMENTO = 0,85 ± 0,05CM
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
O resultado é representado com três algarismos significativos. A incerteza, ou o erro da medição, nesse caso, é
representada com três algarismos significativos. A incerteza, nessa medição, é representada pela metade da
menor divisão do instrumento utilizado, nesse caso, 0,5mm ou 0,05cm.
Esse procedimento só deve ser adotado quando houver segurança na medição visual realizada.
No caso do resultado da medição do prego, os algarismos significativos são representados pelos dois
algarismos corretos e pelo primeiro algarismo duvidoso.
Algarismos significativos = algarismos corretos + primeiro algarismo duvidoso
5,75 = 5,75 + 5,75
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
Quanto maior for o número de algarismos significativos (maior o número de algarismos corretos), maior é a
precisão da medição.
OPERAÇÕES ARITMÉTICAS
A adição ou a subtração de números que possuem algarismos significativos é feita com o alinhamento das casas
decimais, sendo completados com zero, da mesma forma que a operação aritmética convencional. Ao final da
operação, o resultado deve ser expresso com o mesmo número de algarismos significativos do número com
menor precisão (menor número de algarismos significativos).
 EXEMPLO
Suponha que se deseja somar os resultados das medições de três comprimentos: 25mm + 25,3mm + 25, 75mm.
Deve-se alinhar os resultados da seguinte maneira:
25 mm
25,3 mm
+ 25,75 mm
76,05 mm
O resultado obtido é 76mm.
A multiplicação e a divisão de números significativos também seguem o mesmo procedimento.
O resultado deve ser expresso com o mesmo número de algarismos significativos do número menos preciso da
operação.
 EXEMPLO
Considere os números 85,4mm e 85mm. A operação será realizada como:
85,4 mm
X 85 mm
7259
O resultado da operação será escrito como 72 x 10+2mm2 ou 7,2 x 10+3mm2.
REGRAS DE ARREDONDAMENTO
O arredondamento de números é feito de acordo com as seguintes regras:
ALGARISMOS 1, 2, 3 E 4
Arredondados para baixo, ou seja, os algarismos que estão à esquerda não são alterados (também é dito que
são truncados): 2,72 = 2,7; 3,21 = 3,2; 7,84 = 7,8.
ALGARISMOS 6, 7, 8 E 9
Arredondados para cima, ou seja, os algarismos que estão à esquerda são acrescidos de uma unidade: 2,88 =
2,9; 3,26 = 3,3; 6,86 = 6,9.
NÚMERO 5
Alguns autores estabelecem que, caso o algarismo à esquerda do número 5 seja par, o resultado deverá ser
truncado e, no caso de o número antecessor ao 5 ser ímpar, o resultado deverá ser arredondado. Dessa maneira,
considerando-se o número 6,75, o resultado será 6,8; e para o número 6,65, o resultado será 6,6.
CLASSIFICAÇÃO DOS ERROS
De maneira geral, os erros podem ser divididos em:
ERROS ESTATÍSTICOS
 
ERROS SISTEMÁTICOS
Os erros estatísticos, também chamados de erros aleatórios, são aqueles que ocorrem mesmo quando
todos os cuidados com os procedimentos experimentais para minimizar as incertezas são tomados. Os erros
estatísticos não podem ser eliminados e, por esse motivo, sua ocorrência durante uma medição deve ser
sempre considerada.
Os erros sistemáticos, por sua vez, são erros operacionais. Podem ocorrer por um desvio ou falha no
procedimento experimental, como:
Mudanças nas condições de execução do processo experimental (temperatura, umidade etc.).
Falhas na execução do procedimento experimental, como o erro de paralaxe (que consiste em um desvio ou
mau posicionamento durante a leitura dos dados de um experimento).
 ATENÇÃO
Diferentemente dos erros estatísticos, os Erros Sistemáticos podem ser reduzidos ou, em alguns casos,
eliminados com ajuste de parâmetros, calibração dos instrumentos ou correta execução dos procedimentos
experimentais envolvidos. Contudo, existem limites para a eliminação de erros sistemáticos.
Dentre esses limites, estão os erros associados aos instrumentos de medição e que não podem ser corrigidos,
mesmo com a calibração. Esse erro “residual” é especificado pelo fabricante do instrumento e deve ser levado
em considerado quando medições são realizadas.
VARIÂNCIA E DESVIO-PADRÃO
A variância permite perceber o quanto um conjunto de valores está do próximo ou distante de valor
médio desse conjunto.
 ATENÇÃO
Quanto maior a variância, mais distantes os valores estão da média. Quanto menor a variância, mais próximos os
valores estão da média.
A variância é calculada pela equação 5:
equação 5
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
V ariância =
(x1 − x)
2 + (x2 − x)
2 + (x3 − x)
2 +. . . +(xn − x)
2
n
O desvio-padrão (σ) dá um indicativo da dispersão de um determinado conjunto de resultados em torno do valor
médio de uma determinada amostra. Esse parâmetro indica a tendência de divergência que os valores
mensurados apresentam diante da média dos valores.
Em resumo, o desvio-padrão é capaz de identificar o “erro” em um conjunto de dados, informando o quão
“confiável” é o valor medido, quando comparado com o valor real.
O valor do desvio-padrão fornece um indicativo da incerteza padrão de todas as medidas realizadas. Esse
parâmetro pode ser interpretado como o valor esperado (estatisticamente) para as próximas medições a serem
realizadas.
O desvio-padrão é obtido de acordo com a equação 6 a seguir:
equação 6
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Por exemplo, suponha que 10 medições consecutivas de um procedimento experimental sejam realizadas. Os
resultados experimentais e o valor médio (por meio da linha de tendência) estão exibidos na Tabela 6 e na
Figura 13.
Amostra Medição
1 2,25
2 2,75
3 2,25
4 2,75
5 2,75
6 2,75
7 2,25
σ = √V ariância
Amostra Medição
8 2,25
9 2,75
10 2,25
Média 2,50
Variância 0,0625
Desvio-padrão 0,25
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 6: Medições consecutivos de um procedimento experimental. Fonte: Paulo Godoy
 Figura 13: Medições consecutivas de um procedimento experimental e linha de tendência
Utilizando a equação 5, é possível calcular o valor da variância como 0,0625 e o desvio-padrão como 0,25.
Dessa maneira, o valor da 1° medição poderia ser escrito como 2,25 ± 0,25.
PROPAGAÇÃO DE ERROS OU DESVIOS
Na determinaçãode grandezas indiretas (que são aquelas calculadas a partir da medição de outras
grandezas físicas), o valor do erro ou da incerteza deve levar em consideração os erros de cada uma das
grandezas envolvidas no cálculo.
No cálculo da potência elétrica de um equipamento, pode-se utilizar o produto da tensão elétrica pela corrente, de
acordo com a equação 7.
P = V X I
equação 7
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Nesse caso, os erros da tensão e da corrente devem ser considerados na determinação da potência.
Assim, o desvio-padrão da potência deve ser calculado a partir da equação 8:
equação 8
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que a e b indicam a influência das variáveis V e I na potência, e σV e σI são os desvios-padrão da tensão
e da corrente, respectivamente.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 4
σ ¯̄̄ ¯
P
= √a2σ2¯̄¯̄
V
+ b2σ2¯̄̄
I
a = b =
∂P
∂V
∂P
∂I
 Reconhecer os fundamentos e a importância do aterramento e da blindagem na instrumentação e
seu papel na redução de ruído
MÉTODOS DE REDUÇÃO DE RUÍDOS
RUÍDOS
Os ruídos são, essencialmente, caracterizados por sinais indesejados que interferem nas medições e
que, normalmente, são provocados por fontes externas que influenciam negativamente no sinal. Podem ser
separados em:
RUÍDO DE INTERFERÊNCIA
 
RUÍDO ALEATÓRIO
Essas interferências podem ser produzidas por campos magnéticos ou por campos elétricos externos próximos
aos sistemas de medições.
 VOCÊ SABIA?
Motores, cabos de tensão, transformadores, entre outros, podem produzir campos magnéticos ou campos
elétricos que interferem nos sistemas de medição localizados nas proximidades desses equipamentos.
Os ruídos aleatórios são inerentes aos sistemas eletrônicos e ocorrem devido ao comportamento das cargas e
dos elétrons nesses sistemas.
Entre os tipos de ruídos de interferência, têm-se:
ACOPLAMENTO CAPACITIVOS
ACOPLAMENTO INDUTIVO
ACOPLAMENTO GALVÂNICO
TERRAS MÚLTIPLOS
ACOPLAMENTOS MICRO-ONDAS OU RÁDIO FREQUÊNCIA
INTERFERÊNCIA POR INTERMODULAÇÃO
Nos sistemas de aquisição de sinais, a existência de campos elétricos nas proximidades dos pontos de conexão
dos fios dos transdutores poderá promover um ruído na medição. Isso poderá ocorrer na medida em que o campo
elétrico poderá gerar uma diferença de potencial, que será somado ao sinal de medição. Esse tipo de ruído
também é chamado de acoplamento capacitivo.
O efeito do campo elétrico é proporcional à frequência e inversamente proporcional à distância. O nível de
perturbação depende das variações da tensão e do valor da capacitância de acoplamento.
Alguns fatores contribuem para o aumento do acoplamento capacitivo, tais como:
A frequência do sinal
A distância entre os cabos
A altura dos cabos em relação ao solo
A impedância de entrada do circuito
O isolamento dos cabos
De maneira similar, condutores elétricos que estejam conduzindo e localizados próximos aos fios que conectam
os sistemas de aquisição de sinais podem produzir um fluxo magnético a partir dos circuitos que compõem esse
sistema — Lei de Faraday. Desse modo, interferências poderão surgir nos fios desses sistemas de transmissão
de sinais, podendo mascarar os sinais medidos. Esse tipo de ruído também é conhecido como acoplamento
indutivo.
A variação da corrente contribui para um aumento no acoplamento indutivo. Alguns fatores, similares aos do
acoplamento capacitivo, também contribuem para o aumento do acoplamento indutivo, tais como:
A frequência do sinal
A distância entre os cabos paralelos
A altura dos cabos em relação ao solo
A impedância de carga do cabo
Quando sistemas diferentes possuem aterramentos diferentes, uma diferença de potencial é estabelecida entre
eles, promovendo um acoplamento indesejado entre os sistemas por meio de um acoplamento direto. Esse tipo
de ruído é chamado de acoplamento galvânico.
Um instrumento que possua diversas ligações para a terra (diversos aterramentos) pode possibilitar a produção
de uma interferência nos sistemas de medição, pela existência de uma diferença de potencial entre os pontos de
aterramento. Esse ruído é chamado de terras múltiplos.
Sistemas de radiofrequência ou micro-ondas podem promover interferência nos sistemas de medição. Essas
interferências são chamadas de acoplamentos micro-ondas ou rádio frequência.
Esse tipo de interferência ocorre quando os circuitos de transmissão utilizados estão sintonizados na mesma
frequência do sistema afetado. Esses ruídos são provocados por transmissões de ondas eletromagnéticas. Entre
os principais causadores desse tipo de ruído pode-se citar os equipamentos de comunicação de rádio, sistemas
de vídeo, celulares, entre outros.
Mais recentemente, a Anatel passou a exigir certificação de drones contra interferências de RF, tendo em vista
que drones podem gerar energia de radiofrequência como parte normal de sua operação. Os sinais de
interferência podem ser ou não transmitidos intencionalmente, promovidos por defeitos ou características
indesejadas. Para causar problemas, não é necessário que o sinal interferente esteja exatamente na mesma
frequência do sistema afetado.
Sinais de RF que estejam próximos da frequência operacional podem provocar interferência. Frequências
harmônicas e múltiplas das frequências de operação também representam um problema, tendo em vista que
essas frequências provocam o fenômeno da ressonância.
A Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) determina que os fabricantes projetem seus produtos de
maneira a não provocarem esse tipo de interferência.
A interferência por intermodulação é causada pela combinação interna de sinais de rádio de alguns
equipamentos, meios de transmissão ou dispositivos associados.
 VOCÊ SABIA?
A intermodulação é um tipo diferente de interferência pelo fato de ser gerada no próprio circuito afetado por ela, e
não diretamente por alguma fonte externa. A interferência devida à intermodulação é causada por sinais fortes,
que geralmente não estão próximos da frequência afetada.
Esses sinais fortes sobrecarregam o circuito, fazendo com que ele gere internamente frequências harmônicas dos
sinais fortes. Essas frequências harmônicas combinam-se para produzir outra frequência que não originalmente
presente no equipamento. Essa nova frequência criada recebe o nome de produto da intermodulação e pode
promover interferência no circuito.
O aterramento de um sistema de aquisição de sinais e da fonte de alimentação de um sistema não estão no
mesmo nível de potencial. Essa diferença de potencial é denominada de modo comum e pode promover o
aparecimento de ruídos no sistema de medição. Um aterramento adequado é suficiente para atenuar esse tipo de
ruído, conhecido por laços de terra.
MÉTODOS DE ATENUAÇÃO DE RUÍDOS
Um dos principais métodos de atenuação de ruídos é a separação física dos sistemas. Como os
acoplamentos capacitivo e indutivo ocorrem pela proximidade dos condutores elétricos com os sistemas de
medição, esse acoplamento é inversamente proporcional à distância. Ou seja, quanto maior a distância entre os
condutores e o sistema, menor será o acoplamento e, consequentemente, a interferência.
A redução do acoplamento capacitivo pode ser obtida com:
O limite do comprimento dos cabos

O aumento da distância entre os cabos

O aterramento das blindagens

A redução na variação da tensão
Outra forma de se atenuar o acoplamento indutivo é a utilização de fios e pares trançados, também chamada de
blindagem eletromagnética (Figura 14). As diferentes direções das correntes nos cabos fazem com que os
campos magnéticos se cancelem. Esse tipo de topologia atenua o efeito do acoplamento indutivo.
 Figura 14: Atenuação de ruído por pares trançados
De maneira similar, o acoplamento indutivo pode ser reduzido com a adoção de algumas medidas, tais como:
Limite do comprimento dos cabos paralelos
Aumento na distância entre os cabos
Aterramento das blindagensUtilização de cabos entrelaçados (par trançado)
Limite na altura dos cabos em relação ao solo
Utilização de núcleos de ferro ou filtros eletromagnéticos
Redução na variação da corrente
Outro artifício que pode ser adotado no distanciamento é a grade eletrostática ou blindagem
eletrostática. A grade eletrostática ou a gaiola de Faraday (Figura 15) é utilizada como uma capa protetora para
o sistema, na medida em que todo o sistema se encontra cercado por grades metálicas aterradas. Contudo, esse
método pode apresentar o problema dos terras múltiplos.
 Figura 15: Atenuação de ruído por gaiola de Faraday
A utilização de cabos blindados (Figura 16) reduz consideravelmente a interferência, uma vez que diminui os
efeitos das interferências dos acoplamentos micro-ondas e das rádios frequências. Essa blindagem também
possui similaridades com a grade eletrostática.
 Figura 16: Atenuação de ruído por cabos blindados
A utilização de canaletas metálicas pode auxiliar a redução dos ruídos e facilitar o aterramento das instalações.
Entretanto, o espaçamento entre as canaletas pode facilitar a perturbação gerada pelo campo magnético
(acoplamento indutivo). Além disso, essa descontinuidade pode facilitar a diferença de potencial entre cada
segmento da canaleta. No caso de um surto de corrente, descarga atmosférica ou curto-circuito, a falta de
continuidade elétrica não permitirá que a corrente circule pela canaleta de alumínio e, consequentemente, não
protegerá o circuito.
O ideal é que se una cada canaleta com a maior área de contato possível, aumentando proteção ao acoplamento
indutivo. O uso de um condutor ao lado da canaleta servirá para garantir um caminho alternativo às correntes,
caso haja aumento de resistência nas junções entre os segmentos.
A condição ideal de aterramento para uma planta e suas instalações é quando se obtém o mesmo potencial em
qualquer ponto. Isso pode ser conseguido com a ligação de todos os sistemas de aterramento a partir de um
condutor de equalização de potencial. Assim, para qualquer pessoa dentro da planta, mesmo se houver aumento
das tensões presentes, não haverá o risco de choque elétrico, uma vez que todos os elementos estarão com o
mesmo potencial de terra.
O uso de um único aterramento pode reduzir os efeitos dos terras múltiplos. Contudo, esse tipo de topologia não é
compatível com os sistemas de aterramento utilizados nos sistemas de proteção a descargas atmosféricas
(SPDA), que preveem o uso de terras múltiplos.
Essencialmente, um sistema deve possuir:
Um aterramento elétrico

Um aterramento da instrumentação

Um aterramento intrinsecamente seguro
O aterramento elétrico tem como principal objetivo a proteção do equipamento elétrico e dos operados
contra choques. É conhecido como aterramento de proteção. Esse aterramento deve seguir as normas da
ABNT NBR 5410.
O aterramento da instrumentação (blindagens e cabos) deve ser separado do aterramento elétrico. Esse
aterramento também é chamado de referência, servindo como loop do instrumento.
O aterramento intrinsecamente seguro é fundamental para instalações em ambientes potencialmente explosivos
(que apresentam risco de explosão). O objetivo é manter um nível mínimo de resistência, garantindo que qualquer
corrente elétrica anormal possa ser aterrada.
Outro ruído bastante comum é produzido pela reflexão do sinal. Essa reflexão ocorre quando um sinal é
transmitido ao longo de um meio de transmissão — um cabo de cobre ou fibra óptica — e parte da
energia do sinal é refletida de volta para sua origem. Isso pode acontecer por:
Imperfeições no cabo
Mudança de impedância ao longo da linha de comunicação
Falta de terminadores
Comprimento total além do permitido
Os pontos mais prováveis para reflexões são as conexões ou junções do cabo ou pontos. A curvatura mínima do
cabo não é respeitada.
A utilização de filtros passivos ou ativos permite eliminar as interferências quando utilizadas de maneira
adequada. Por exemplo, o uso de amplificadores operacionais tende a atenuar os sinais de modo comum, o que
pode reduzir significativamente os ruídos nos sinais medidos.
 ATENÇÃO
Enfim, aterramento e blindagem são fundamentais para garantir a integridade dos dados de uma planta industrial.
Funcionamento intermitente e erros grosseiros em medições podem ser provocados ou intensificados por más
instalações.
Os efeitos de ruídos podem ser minimizados com técnicas adequadas de projetos, instalação, distribuição de
cabos, aterramento e blindagens. Aterramentos inadequados podem ser fontes de potenciais indesejados e
perigosos, capazes de comprometer a operação efetiva de um equipamento ou o próprio funcionamento de um
sistema.
 VOCÊ SABIA?
O aterramento em áreas classificadas (atmosferas potencialmente explosivas) precisa estar de acordo com a
NBR 5418 para aterramento e ligação com sistema equipotencial de sistemas intrinsecamente seguros. Um
circuito intrinsecamente seguro deve flutuar ou estar ligado ao sistema equipotencial associado com a área
classificada em somente um ponto. O nível de isolação requerido deve ser projetado para suportar 500V no
ensaio de isolação de acordo com 6.4.12 da IEC 60079-11. Mais de uma conexão ao terra é permitida no
circuito, desde que este seja dividido em subcircuitos galvanicamente isolados, e cada qual esteja aterrado
somente em um ponto. Blindagens devem ser conectadas a terra ou à estrutura de acordo com a ABNT NBR IEC
60079-14. Preferencialmente, todos os equipamentos e as bandejas de cabos devem estar conectados ao
sistema de linha equipotencial.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
CONCLUSÃO
CONSIDERAÇÕES FINAIS
No primeiro módulo, foram apresentados os conceitos fundamentais sobre grandezas físicas. Foram introduzidos
os conceitos de unidades de medidas e apresentados os principais sistemas de medição, incluindo o Sistema
Internacional de Unidades e os conceitos de grandezas fundamentais e derivadas. Noções de ordem de
grandeza, notação científica e conversão de unidades de medida também foram apresentados.
No segundo módulo, foram introduzidas as grandezas analógicas. Foi ilustrada a diferença entre sinais
analógicos e digitais e apresentada a noção de sinais periódicos, incluindo as noções de período e frequência.
Também foram introduzidas a ideia de resolução e a definição de intervalos em uma escala de medida.
No terceiro módulo, foi apresentado o conceito da teoria e da propagação de erros. O conceito de algarismos
significativos, as regras de arredondamento e a classificação dos erros também foram apresentados. Além disso,
as noções de variância, desvio-padrão e propagação de erros e desvios também foram ilustradas.
No último módulo, foi apresentada a importância dos aterramentos para redução dos ruídos de medição. Algumas
das principais causas de ruídos de medição foram apresentadas e as principais técnicas de aterramento para
redução desses ruídos foram descritas. Também foram destacadas a importância da utilização do tipo de
aterramento adequado e a necessidade de separação de aterramentos com finalidades distintas.
 PODCAST
AVALIAÇÃO DO TEMA:
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410 – instalações elétricas de baixa tensão.
Rio de Janeiro: ABNT, 2004.
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas – Vol. 1. Rio de Janeiro:
Livros Técnico e Científicos, 2010.
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação E Fundamentos de Medidas. Vol. 2 . Rio de Janeiro:
Grupo Gen-LTC, 2000.
BEGA, E. A. Instrumentação industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 2006.
CAPELLI, A. Aterramento elétrico. Saber Eletrônica, v. 329, p. 56-59, 2000.
CASTELETTI, L. F. Instrumentação industrial. v. 10, p. 04-14, 2013. Colégio Politec. Consultado em meio
eletrônico em: 10 dez. 2020.
CREDER, H. Instalações elétricas. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2007.
FIALHO, A. B. Instrumentação industrial: conceitos, aplicações e análises. São Paulo: Saraiva Educação,2002.
GIÃO, R. A.; ROCHA, A. Divisão de Comunicação Social. Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM).
Duque de Caxias: Inmetro, 2012.
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física 1: mecânica. Rio de Janeiro: Livros Técnicos
e Científicos, 1996.
LUNET, N.; SEVERO, M.; BARROS, H. Desvio-padrão ou erro padrão. Arquivos de Medicina, v. 20, n. 1-2, p.
55-59, 2006.
MATUO, C. Y.; MARINELLI, J. R. Importância do cálculo da propagação de erros em um experimento de
atrito estático. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 24, n. 1, p. 132-139, 2007.
MORENO, H.; COSTA, P. F. Aterramento elétrico. São Paulo: Procobre, 1999.
PEREIRA, E. L. et al. Propagação de erros e incertezas em experimentos. Revista da Universidade Vale do
Rio Verde, v. 14, n. 2, p. 1136-1151, 2016.
TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros. Vol. 1: física moderna: mecânica quântica,
relatividade e a estrutura da matéria . Rio de Janeiro: Grupo Gen-LTC, 2000.
EXPLORE+
Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema, recomendamos as seguintes leituras:
NBR 5410:2004, a NBR 7117, a NBR 15749, a NBR 16527 e a NBR 16254, para entender melhor sobre
aterramentos
A norma NBR NM ISSO 7347, para auxiliar no aprendizado sobre erros sistemáticos e propagação
O VIM 2012, para compreender os termos aplicados em metrologia
CONTEUDISTA
Paulo José Godoy da Silva
DESCRIÇÃO
Descrição de símbolos e nomenclaturas aplicados à instrumentação industrial. Apresentação da classificação dos instrumentos e das normas técnicas
aplicáveis.
PROPÓSITO
Compreender os principais símbolos e as nomenclaturas utilizados em aplicação industrial; a classificação dos instrumentos e as principais normas
técnicas aplicadas em instrumentação.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Identificar os principais símbolos e as nomenclaturas utilizados em instrumentação industrial
MÓDULO 2
Reconhecer a classificação dos instrumentos
MÓDULO 3
Identificar as principais normas técnicas aplicadas em instrumentação
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
MÓDULO 1
 Identificar os principais símbolos e as nomenclaturas utilizados em instrumentação industrial
SIMBOLOGIA E NOMENCLATURA DE INSTRUMENTAÇÃO
INTRODUÇÃO
Os símbolos utilizados em instrumentação são fundamentais para a representação correta dos documentos (diagramas, plantas baixas etc.), pois são
usados em instalações elétricas, controle industrial e instrumentação.
Os órgãos responsáveis pela padronização da simbologia utilizada na instrumentação industrial são a ANSI/ISA e a ABNT.
ANSI/ISA
American National Standard Institute/International Society of Automation.
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas.
A NOMENCLATURA E A SIMBOLOGIA SÃO UTILIZADAS SIMULTANEAMENTE PARA A
REPRESENTAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS APLICADOS AOS PROCESSOS INDUSTRIAIS EM
javascript:void(0)
javascript:void(0)
DOCUMENTOS DE INSTRUMENTAÇÃO E PROCESSOS (P&ID). TAIS DOCUMENTOS SÃO
FUNDAMENTAIS PARA O CORRETO ENTENDIMENTO DAS INSTALAÇÕES QUE COMPÕEM UM
PROCESSO.
 EXEMPLO
Imagine o seguinte caso: um sensor de temperatura localizado em uma caldeira industrial apresenta um problema. O operador do equipamento identifica a
falha em um monitor na sala de controle e solicita à equipe de manutenção o devido reparo. Como ele será capaz de informar em qual caldeira e qual é o
instrumento com problema? Para isso, um tag adequado é fundamental.
O que é um tag?
O tag nada mais é do que uma etiqueta contendo a nomenclatura pertinente a determinado instrumento baseada nas normas técnicas vigentes. Por meio
dela, uma pessoa com o devido conhecimento técnico deve ser capaz de identificar qual é o instrumento e qual a sua funcionalidade naquela planta
industrial.
Imagem: Shutterstock.com
De maneira complementar, as informações de localização são obtidas da documentação contida no memorial descritivo (hand book) da planta, incluindo o
P&ID. O memorial descritivo contém todas as informações pertinentes ao processo de montagem, manutenção e operação de uma planta industrial.
Esses diagramas devem conter:

Instrumentação e nomenclatura dos equipamentos.
Dimensões da planta, das tubulações e dos grandes equipamentos


Direção do fluxo do processo.
Entradas e saídas dos controladores.


Sistemas de intertravamento e segurança
AS PLANTAS INDUSTRIAIS DEVEM CONTER OS SÍMBOLOS E AS IDENTIFICAÇÕES DOS
INSTRUMENTOS UTILIZADOS, ALÉM DE SUA LOCALIZAÇÃO E AS FUNÇÕES PROGRAMADAS
APLICADAS NAS MALHAS DE CONTROLE.
A Norma S5.1 da ISA (ISA 5.1) estabelece os símbolos gráficos e a nomenclatura para identificação dos instrumentos e sistemas utilizados na medição e
no controle de processos industriais.
Pelo padrão estabelecido na norma, cada instrumento possui uma identificação específica ou uma função programada, que é identificada por uma
sequência de letras utilizada para classificar corretamente o instrumento. Essa sequência é complementada por um conjunto de letras e números que
auxiliam na identificação da localização do instrumento na planta industrial.
 ATENÇÃO
O tag de um instrumento deve possuir as informações da variável medida ou controlada pelo instrumento, a função do instrumento na planta, a área na qual
ele se localiza e sua sequência na malha da qual faz parte.
Essas informações são fundamentais, pois uma planta industrial pode possuir vários setores ou áreas distintas, tornando necessário identificar a que
setor/área aquele instrumento pertence. Além disso, um setor pode possuir várias malhas de instrumentação e controle, sendo necessária a identificação
de sua numeração na malha.
Por exemplo, suponha um instrumento com o seguinte tag:
TRC – A02B.
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
TRC
A02B
O primeiro conjunto de letras (TRC) indica a variável de controle e a função que o instrumento desempenha na malha industrial.
O segundo conjunto (A02B) indica a área da fábrica e a posição na malha à qual o instrumento pertence.
Para a compreensão correta desse tag, é necessário conhecer a sequência de letras da Norma S5.1 da ISA.
IDENTIFICAÇÃO DO INSTRUMENTO
Essa norma técnica estabelece que, para representar os instrumentos ou a função programada em um diagrama P&ID de malha de instrumentação e
controle, deve-se empregar um conjunto de letras definidas conforme a Tabela 1.
Letra
1º grupo de letras 2º grupo de letras
Variável medida Função
1ª letra Modificadora Passiva Ativa Modificadora
A Análise Alarme 
B Chama 
C Condutividade elétrica Controlador 
D Densidade Diferencial 
E Tensão Sensor 
F Vazão Razão 
G Escolha do usuário Visão direta 
H Manual Alto
I Corrente elétrica Indicador 
J Potência
Varredura/Seleção
manual
 
K Temporização
Taxa de variação
com o tempo
 Estação de controle 
L Nível 
Lâmpada
piloto
 Baixo
M Umidade Instantâneo Médio/intermediário
N/O Escolha do usuário 
Orifício de
restrição
 
P Pressão 
Conexão
para teste
 
Q Quantidade Integração/Totalização 
R Radiação Registrador 
S Velocidade/Frequência Segurança Chave 
T Temperatura Transmissor 
U Multivariável Multifunção Válvula/Damper 
V
Vibração/Análise
mecânica
 
W Peso/Força 
Poço ponta
de prova
 
X Não classificada Eixo X
Não
classificada
Não classificada Não classificada
Y
Estado/Presença/Sequência
de eventos
Eixo Y 
Relé/Conversor
solenoide
 
Z Posição/Dimensão Eixo Z 
Acionador/Atuador/Elemento
final de controle
 
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 1 - Tabela 4.1 da norma ISA S5.1 - Identificação das letras
Observando-se a tabela, é possível identificar no 1o grupo de letras: a variável medida pelo instrumento (na coluna 1a letra) e a modificação inerente
àquela letra. Por exemplo, um instrumento cuja identificação (tag) comece com a letra T possui como variável medida a temperatura (temperature), e um
instrumento que comece com a letra P tem como variável medida a pressão (pressure).
A modificadora indicaqual é a modificação promovida pelo instrumento na variável mensurada. Por exemplo, um instrumento que comece com a
identificação PD é responsável pela medição da pressão diferencial (pressure differential), e ES é tensão de segurança (voltage safety).
Letra
1º grupo de letras
Variável medida
1ª letra Modificadora
A Análise 
B Chama 
⋮
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Recorte da tabela 1 – Tabela 4.1 da norma ISA S5.1 - Identificação das letras
O 2o grupo de letras é responsável pela identificação da função do instrumento. A primeira coluna do grupo Função é responsável pela função passiva ou
de informação do instrumento. Por exemplo, um instrumento identificado pela sigla TR é responsável pelo registro da temperatura (temperature record), e
um instrumento identificado com a sigla LA é um alarme de nível (level alarm).
A segunda coluna do 2o grupo de letras é responsável pela função ativa ou de saída do instrumento. Por exemplo, um instrumento identificado pela sigla
TC é responsável pelo controle de temperatura (temperature control), e um instrumento identificado pela sigla LS é uma chave de nível (level switch).
A terceira coluna do 2o grupo de letras é a letra modificadora da função. Para compreender melhor a necessidade dessa letra, imagine a seguinte
situação:
2º grupo de letras
Função
Passiva Ativa Modificadora
Alarme 
 
⋮
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Recorte da tabela 1 – Tabela 4.1 da norma ISA S5.1 - Identificação das letras
“É solicitado a você que faça a instalação de um alarme de nível em um tanque de óleo.”
Fica a pergunta:
“Esse alarme deve ser acionado quando o tanque atingir um nível alto ou baixo?”
SE VOCÊ FEZ ESSA PERGUNTA, DEVE TER PERCEBIDO A IMPORTÂNCIA DESSA LETRA
MODIFICADORA PARA ALGUNS INSTRUMENTOS.
 EXEMPLO
Imagine um instrumento com a sigla LSH — chave de nível alto (level switch high) e a sigla TAL — alarme de temperatura baixa (temperature alarm low).
Também é possível inserir uma dupla modificação do tipo LSHH — chave de nível muito alto (level switch high high).
Alguns exemplos são:
FIC
LT
WIC
FRC
Controlador e indicador de vazão.
Transmissor de nível.
Indicador e controlador de peso.
Registrador e controlador de vazão.
SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS
Na Tabela 2, estão representados os símbolos dos instrumentos utilizados nos fluxogramas de processo, com os quais pode-se definir em que local de
uma planta industrial um instrumento está localizado.
 
Sala de controle central Local auxiliar
Acessível ao operador Inacessível ao operador Acessível ao operador Inacessível ao operador
Equipamento
- Instrumento
discreto
Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy
Equipamento
compartilhado
- Instrumento
compartilhado
Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy
Software -
Função de
computador
Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy
Lógica
compartilhada
- Controlador
lógico
programável
Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy Imagem: Paulo Godoy
Instrumentos compartilhando o mesmo invólucro.
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 Tabela 2 – Identificação da localização dos instrumentos.
PADRÃO DE COMUNICAÇÃO
A correta identificação dos instrumentos é fundamental. Contudo, ela não é a única. A representação dos meios de comunicação utilizados para a
integração entre as diversas partes que compõem a planta também é necessária. Por exemplo, considere a Figura 1.
Imagem: Paulo Godoy
 Figura 1 - Fluxograma de uma instalação industrial.
Nela, é possível observar um tanque industrial, um instrumento para controle e indicação da pressão do tanque (PIC – 12-A) e uma válvula pneumática do
tipo gaveta. É interessante observar que a comunicação entre esses equipamentos ocorre por um padrão específico, conforme pode ser visto na Tabela 3.
Na Tabela 3, é possível visualizar os padrões de comunicação (tipos de conexão) utilizados entre os instrumentos.
Meio de comunicação Simbologia Meio de comunicação Simbologia
Suprimento
Imagem: Paulo Godoy
Tubo capilar
Imagem: Paulo Godoy
Sinal não definido
Imagem: Paulo Godoy
Ligação mecânica
Imagem: Paulo Godoy
Sinal pneumático
Imagem: Paulo Godoy
Sinal binário pmeumático
Imagem: Paulo Godoy
Sinal hidráulico
Imagem: Paulo Godoy
Sinal elétrico
Imagem: Paulo Godoy
Sinal fieldbus
Imagem: Paulo Godoy
Sinal binário elétrico
Imagem: Paulo Godoy
Sinal eletromagnético guiado
Imagem: Paulo Godoy
Sinal eletromagnético
Imagem: Paulo Godoy
Ligação por software
Imagem: Paulo Godoy
 
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 Tabela 3 – Padrões de comunicação.
FUNÇÕES MATEMÁTICAS
Alguns equipamentos instalados no campo têm por finalidade a execução de funções matemáticas necessárias ao controle de processos ou adequação
de variáveis (seja na conversão entre unidades ou na linearização do sinal). Sendo assim, símbolos específicos são estabelecidos na ISA 5.1 para permitir
a identificação da função matemática realizada por determinado equipamento, como pode ser visto na Tabela 4.
Símbolo Função Símbolo Função
ou Soma Multiplicação
Média Divisão
ou Subtração Extração de raiz quadrada
ou Proporcional Extração
ou
Integral Exponenciação
ou Derivativo Função não-linear
Seletor de sinal alto Limite superior
Seletor de sinal baixo Limite inferior
Polarização Limitador de sinal
Função tempo Conversão de sinal
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 Tabela 4 – Símbolos e funções de processamento de sinais.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
Σ
+
×
Σ/N ÷
Δ
−
√
K
P
n√
∫
I
Xn
d/dt
D
f(x)
>
<
±
f(t) ∗/∗
1. OBSERVANDO-SE O TAG DE UM INSTRUMENTO, FOI POSSÍVEL IDENTIFICAR A SEGUINTE SEQUÊNCIA DE
LETRAS: TIC. ASSIM, É POSSÍVEL AFIRMAR QUE A VARIÁVEL MENSURADA POR ESSE INSTRUMENTO É:
A) Tensão
B) Vazão
C) Fluxo
D) Temperatura
E) Pressão
2. OBSERVANDO-SE O DIAGRAMA A SEGUIR, É POSSÍVEL IDENTIFICAR A FUNCIONALIDADE DO INSTRUMENTO E A
VARIÁVEL MENSURADA. ALÉM DISSO, PELO SÍMBOLO UTILIZADO, É POSSÍVEL AFIRMAR QUE O EQUIPAMENTO SE
ENCONTRA:
IMAGEM: PAULO GODOY
A) Montado no campo.
B) Em uma sala de controle e é acessível ao operador.
C) Em uma sala de controle e não é acessível ao operador.
D) É um instrumento auxiliar e acessível ao operador.
E) É um instrumento auxiliar e não acessível ao operador.
GABARITO
1. Observando-se o tag de um instrumento, foi possível identificar a seguinte sequência de letras: TIC. Assim, é possível afirmar que a variável
mensurada por esse instrumento é:
A alternativa "D " está correta.
Observando-se a norma ISA 5.1, é possível verificar que a primeira letra da identificação de um instrumento é responsável por indicar qual é a variável
mensurada. Observando-se a Tabela 1, pode-se afirmar que a letra T indica temperatura.
2. Observando-se o diagrama a seguir, é possível identificar a funcionalidade do instrumento e a variável mensurada. Além disso, pelo
símbolo utilizado, é possível afirmar que o equipamento se encontra:
Imagem: Paulo Godoy
A alternativa "A " está correta.
Por meio da Norma ISA 5.1, é possível verificar os símbolos utilizados para representação dos instrumentos. Na Tabela 2, pode-se notar que o símbolo do
diagrama anterior é o de um instrumento montado no campo.
MÓDULO 2
 Reconhecer a classificação dos instrumentos
CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTAÇÃO
CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS
Existem diversos tipos de instrumentos capazes de realizar uma mesma medição. Por exemplo: uma régua e um paquímetro podem ser utilizados para
medir a espessura de um objeto, como um cilindro metálico. Então, qual a diferença? A diferença está na precisão do instrumento, que é somente uma de
suas características.
Vamos agora conhecer as características que definemos instrumentos:
FAIXA DE MEDIDA (RANGE)
Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro dos limites inferior e superior da capacidade de medida ou de transmissão do
instrumento.
ALCANCE (SPAN)
Diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida do instrumento.
PRECISÃO (REPETIBILIDADE)
Propriedade de um instrumento de, em condições idênticas, indicar o mesmo valor para determinada grandeza medida.
EXATIDÃO (ACURÁCIA)
Aptidão de um instrumento para dar respostas próximas ao valor verdadeiro do mensurando (valor real da variável).
A Figura 2 a seguir apresenta a relação entre precisão e exatidão dos instrumentos.
Imagem: Paulo Godoy
 Figura 2 - Relação entre precisão e exatidão. A – baixa precisão e alta exatidão; B – alta precisão e alta exatidão; C – baixa precisão e baixa exatidão
e D – alta precisão e baixa exatidão.
FUNÇÕES DOS INSTRUMENTOS
A MEDIÇÃO DE UMA VARIÁVEL IMPLICA SUA QUANTIFICAÇÃO. ESSA MEDIDA, ENTRETANTO, NÃO
IMPLICA PRODUZIR UM VALOR QUE INDIQUE SUA QUANTIDADE.
Por exemplo, considere o tanque da Figura 3. Nessa figura, é possível observar um alarme de nível alto (LAH - Level Alarm High), sinalizando que o nível
do tanque ultrapassou um patamar considerado alto para o processo operacional, ou seja, o nível do tanque ultrapassou um limite máximo seguro para o
processo industrial.
Imagem: Paulo Godoy
 Figura 3 - Exemplo de medição descontínua.
Dessa maneira, é possível perceber que a medição de uma variável pode ser realizada de três maneiras distintas: medição direta, medição indireta e
medição descontínua.
TIPOS DE MEDIÇÃO
1. MEDIÇÃO DIRETA
A medição direta é aquela na qual a variável é observada diretamente para determinação da quantidade. Como exemplo, pode-se observar um tanque de
água (Figura 4) com um visor de nível.
Nesse tanque, o nível pode ser observado diretamente pela observação da água dentro do tanque.
Imagem: Paulo Godoy
 Figura 4 - Exemplo de medição direta.
Imagem: Paulo Godoy
 Figura 5 - Exemplo de medição indireta.
2. MEDIÇÃO INDIRETA
A medição indireta é aquela na qual quantifica-se uma variável a partir da medição de outra relacionada indiretamente a ela.
Como exemplo, na Figura 5, é possível observar um transmissor de nível (LT - Level Transmitter), que utiliza a pressão exercida pelo fluido armazenado no
tanque para mensuração do nível.
A pressão hidrostática exercida pelo fluido dentro do tanque é dada pela equação 1:
Equação 1
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
ONDE:
p = pressão hidrostática
d = densidade do fluido
g = aceleração da gravidade
h = altura da coluna do fluido dentro do tanque.
Assim, conhecendo-se a densidade do fluido dentro do tanque e medindo-se a pressão, é possível, a partir de uma manipulação da equação 1 para a
equação 2, determinar o nível (a altura) do fluido dentro do tanque.
Equação 2
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
3. MEDIÇÃO DESCONTÍNUA
É aquela em que apenas pontos especificados são observados, conforme observado nas Figuras 3 e 5.
APLICAÇÕES DA MEDIÇÃO
A instrumentação em processos industriais pode ser utilizada para: controle, monitoramento e alarme.
CONTROLE
Pode ter como objetivo manter uma variável entre valores previamente especificados ou manter a variável constante. Nesse tipo de operação, a variável
mensurada é enviada para um controlador que atua sobre o processo (direta ou indiretamente) para manutenção do valor desejado. Como exemplo, um
sensor de nível em um tanque pode enviar um sinal para um controlador que produza o aumento ou a redução do nível dentro do tanque.

p = d ⋅ g ⋅ h
h = p/d ⋅ g
MONITORAMENTO
É a utilização do instrumento que permite monitorar uma variável em um processo. O acompanhamento de determinada variável pode permitir sua
operação segura. Por exemplo, a medição da radioatividade em algum setor da usina nuclear de Angra, onde não era esperado que houvesse radiação.

ALARME
Permite o acionamento de um aviso (sonoro, luminoso etc.) na ocorrência de uma condição indesejável ou perigosa. O objetivo do alarme é despertar a
atenção do operador para condições anormais. Por exemplo, a luz vermelha da temperatura de óleo do painel de um automóvel, indicando que a
temperatura chegou a uma temperatura crítica, capaz de danificar o motor.
PARTES INTEGRANTES DE UM INSTRUMENTO
Um instrumento eletrônico é composto por diversos elementos que, conectados, integram esse elemento de aferição. Vamos conhecer essas partes
integrantes.
ELEMENTO SENSOR
É PARTE INTEGRANTE DO INSTRUMENTO. É O SENSOR QUE POSSIBILITA A MEDIÇÃO DA VARIÁVEL
CRIANDO CONDIÇÕES PARA QUE SEJA MEDIDA. A ESCOLHA DO ELEMENTO SENSOR DEPENDE DA
VARIÁVEL QUE ESTÁ SENDO MEDIDA.
 EXEMPLO
A vazão do fluido dentro de uma tubulação pode ser medida pela variação da pressão dentro dela. Nesse caso, o elemento sensor seria responsável por
criar a diferença de pressão necessária para determinação da vazão.
EM ALGUNS CASOS, UM INSTRUMENTO PODE POSSUIR MAIS DE UM ELEMENTO SENSOR. NESSA
SITUAÇÃO, O ELEMENTO SENSOR QUE ESTÁ EM CONTATO COM A VARIÁVEL RECEBE A
DENOMINAÇÃO DE PRIMÁRIO E O OUTRO ELEMENTO SENSOR RECEBE A DENOMINAÇÃO DE
SECUNDÁRIO.
TRANSDUTOR
É a parte integrante do instrumento que realiza a conversão de uma grandeza física em outra.
 EXEMPLO
Um transdutor converte um sinal pneumático em elétrico, mecânico em pneumático, elétrico em mecânico, entre outras conversões possíveis. Esse tipo de
conversor é fundamental por possibilitar que grandezas como nível, pressão, umidade etc. sejam convertidos em sinais elétricos e enviadas para um
controlador.
CONVERSOR
É o dispositivo responsável por realizar a transformação de um sinal analógico em digital ou um sinal digital em analógico. Diferentemente dos
transdutores, as grandezas físicas convertidas não mudam, ou seja, um sinal elétrico analógico é convertido em um sinal elétrico digital, ou vice-versa.
Essa conversão pode ser necessária para uma transmissão mais eficiente.
 EXEMPLO
Um controlador digital, ao receber a informação de um sensor analógico, precisa convertê-la para um sinal digital. Somente assim o controlador será
capaz de lidar com os dados do sensor.
TRANSMISSOR E RECEPTOR
É, essencialmente, um dispositivo utilizado para disponibilizar um dado (seja um sinal elétrico, pneumático ou mecânico) em uma sala de controle ou ponto
de operação, localizados a certa distância do(s) ponto(s) de medição.
O transmissor recebe a variável do elemento sensor e a converte em um sinal proporcional padronizado ao valor medido para um receptor. É desejável
que a saída do transmissor seja, linearmente, proporcional à variável medida, o que nem sempre é possível.
 EXEMPLO
Um transmissor eletropneumático recebe a informação pneumática do sensor (20 a 100 kPa) e o converte em um sinal elétrico (4 a 20 mA).
Na Figura 6, é possível observar um sensor e transmissor de temperatura. Esse instrumento é capaz de medir a temperatura no processo industrial e
convertê-la em um sinal elétrico capaz de ser transmitido.
Foto: Paulo Godoy
 Figura 6 - Exemplo de transmissor.
O RECEPTOR É UM EQUIPAMENTO CAPAZ DE RECEBER A INFORMAÇÃO TRANSMITIDA E
ENTREGÁ-LA A UM CONTROLADOR OU DISPONIBILIZÁ-LA EM UMA TELA.
Os transmissores podem ser:
TRANSMISSOR SABIDO (SMART)
TRANSMISSOR INTELIGENTE
Transmissor microprocessado capaz de corrigir erros de não linearidades ou compensar erros secundários.
Transmissor microprocessado acoplado a um controlador, capaz de receber a informação e atuar sobre o processo.
CONDICIONADORES DE SINAIS
É RESPONSÁVEL POR EFETUAR UM TRATAMENTO ESPECÍFICO (PROCESSAMENTO) NO SINAL
RECEBIDO DE UM INSTRUMENTO.
 EXEMPLO
Considere um amplificador. Nesse tipo de condicionador, um sinal recebido de um instrumento e que se deseja disponibilizar em um display LCD. Caso o
sinal possua uma intensidade muito baixa (na faixa dos microamperes ou miliamperes), insuficiente parasensibilizar o display, um condicionador pode ser
utilizado para a amplificação desse sinal a um nível suficientemente alto.
De maneira similar, um atenuador é responsável por reduzir a intensidade do sinal recebido, caso seja excessivamente alta para o sistema utilizado.
Um condicionador também pode atuar na linearização do sinal recebido, a partir de operações matemáticas fundamentais.
INDICADORES
Um indicador recebe a informação da variável do processo e a disponibiliza, podendo ser em um display analógico ou digital (Figura 7) ou para uma tela
de operação, que pode ser do tipo touch screen (interface homem-máquina ou IHM), como a da Figura 8, ou uma tela de computador com um sistema de
supervisão, também conhecido como supervisório.
Foto: Paulo Godoy
 Figura 7 - Exemplos de displays: (A) analógico com escala horizontal e (B) digital
Foto: Paulo Godoy
 Figura 8 - Exemplo de interface homem-máquina (IHM)
REGISTRADOR
Como o nome indica, é um dispositivo responsável pelo registro ou armazenamento da informação fornecido por um instrumento. As variáveis mensuradas
pelo elemento sensor são registradas de forma contínua ou descontínua (em determinados intervalos de amostragem ou de leitura pré-ajustados).
Esse registro pode ser na forma numérica ou gráfica e armazenado em uma memória, banco de dados ou em papel. Esses dados armazenados permitem
a análise do processo monitorado por um intervalo de tempo que pode ser de horas, dias, meses ou anos, dependendo da necessidade do processo.
COM OS DADOS ARMAZENADOS É POSSÍVEL OBSERVAR AS VARIAÇÕES QUE OCORREM EM UM
PROCESSO AO LONGO DO TEMPO. OS DADOS ARMAZENADOS TAMBÉM SÃO IMPORTANTES EM
INVESTIGAÇÕES DE ACIDENTES, TENDO EM VISTA QUE OS DADOS ARMAZENADOS PERMITEM
OBTER INFORMAÇÕES SOBRE O PROCESSO ANTES E DEPOIS DO OCORRIDO.
CONTROLADORES
O principal componente em uma malha de controle de processos é o controlador. Esse equipamento funciona como o “cérebro” do sistema. Ele recebe as
informações que são mensuradas do processo (previamente processadas) e as compara com um sinal de referência (previamente ajustado).
Os controladores podem ser do tipo “liga ou desliga” (on-off) ou do tipo PID (proporcional, integral e derivativo).
CONTROLADORES DO TIPO “LIGA OU DESLIGA”
Essencialmente, tais controladores recebem as informações medidas do processo e realizam uma comparação simples. O resultado dessa comparação
gera um comando simples de “ligar ou desligar”, “abrir ou fechar”, “acender ou apagar”, dependendo do que se está controlando no processo, uma bomba,
uma válvula ou uma lâmpada.
Um controlador do tipo “liga ou desliga” atua por meio de uma comparação simples entre a informação proveniente da instrumentação e a informação
fornecida pelo operador do processo. A partir dessa comparação e dependendo da programação colocada na memória do controlador, determinada ação
é efetuada.
Como exemplo, imagine um controlador do tipo “liga ou desliga” que esteja recebendo a informação de nível de um tanque e seja capaz de ligar ou
desligar uma bomba que abastece esse tanque com água, conforme a Figura 9.
Imagem: Paulo Godoy
 Figura 9 - Ilustração de um sistema de controle de nível de um tanque
Pela ilustração, é possível imaginar que, quando o nível do tanque fica abaixo de determinado ponto onde o transmissor de nível (LT 12-A) se encontra, o
controlador de nível (LC 12-A) recebe essa informação e aciona uma bomba, capaz de fazer o nível de água dentro do tanque subir.
Algumas situações para o funcionamento desse sistema podem ser imaginadas:
SITUAÇÃO 1
SITUAÇÃO 2
SITUAÇÃO 3
Um segundo transmissor de nível (LT 12-B) poderia ser instalado em um ponto mais alto do tanque para enviar um sinal para o controlador desligar a
bomba, indicando que o tanque está cheio;
Um controlador poderia ser programado com um temporizador. Dessa maneira, a bomba permaneceria ligada por um tempo (após o comando do
transmissor de nível LT 12-A) e, após esse intervalo de tempo pré-ajustado, a bomba desligaria. Nesse tipo de situação o tempo ajustado para a bomba
permanecer ligada depende de informações do processo (vazão de bombeamento da água, dimensões do tanque etc.);
O transmissor de nível LT 12-A poderia ser instalado em um ponto intermediário do tanque, por exemplo 50% do nível. Dessa maneira, a bomba seria
ligada todas as vezes que o nível do tanque ficasse abaixo da metade e desligada quando o nível ultrapassasse mais da metade. Nesse tipo de
funcionamento, uma característica fundamental é a histerese da instrumentação.
HISTERESE
É um atraso na resposta de um sistema, quando há um acréscimo ou decréscimo de sinal.
 VOCÊ SABIA
A histerese funciona como uma memória temporária do instrumento. Dessa maneira, o instrumento envia um sinal ao controlador indicando que o nível está
abaixo da metade. Esse sinal continuará sendo enviado ao controlador, mesmo quando o nível estiver um pouco acima da metade, fazendo com que o
controlador mantenha a bomba ligada por um período além do necessário para ultrapassar a metade do tanque. Somente depois desse curto período, o
sensor deixaria de enviar um sinal de nível baixo para o tanque e o controlador desligaria a bomba.
Essa característica é de grande importância para os sistemas de controle, porque é responsável por evitar que o sistema mande comandos excessivos
para o processo. Por exemplo, no caso do controlador da Figura 9, se não houvesse a histerese, todas as vezes que o nível ficasse abaixo de 50% a
bomba seria ligada e, assim que o nível ultrapassasse os 50%, a bomba desligaria. Isso se repetiria inúmeras vezes em um curto intervalo de tempo,
fazendo a bomba ligar e desligar sucessivas vezes e, consequentemente, reduzindo sua vida útil.
javascript:void(0)
CONTROLADORES DO TIPO “PID”
Esses controladores (proporcional-integral e derivativo) atuam no sentido de reduzir o erro existente entre o valor medido pelo sensor (variável controlada)
e o valor especificado por um operador (variável ajustada ou set point). Para isso, o controlador “PID” manipula uma terceira variável (variável manipulada),
que é capaz de modificar o valor da variável controlada.
DIFERENTEMENTE DO CONTROLADOR DO TOPO “LIGA OU DESLIGA”, QUE APENAS ATUA NO
SENTIDO DE MANTER O VALOR MEDIDO PELO SENSOR ACIMA OU ABAIXO DE UM VALOR
ESPECIFICADO PELO OPERADOR, O CONTROLADOR “PID” BUSCA ATENUAR O ERRO EXISTENTE
ENTRE O VALOR MEDIDO PELO SENSOR E O VALOR ESPECIFICADO PELO OPERADOR,
UTILIZANDO, PARA ISSO, TRÊS AÇÕES BEM DEFINIDAS: PROPORCIONAL, INTEGRAL E DERIVATIVA.
AÇÃO PROPORCIONAL
ATUA NO SENTIDO DE ANULAR A DIFERENÇA ENTRE O VALOR DO SINAL MEDIDO PELO SENSOR E
O VALOR ESPECIFICADO PELO OPERADOR. A ESSA DIFERENÇA DÁ-SE O NOME DE ERRO. QUANTO
MAIOR FOR O ERRO, MAIS “INTENSA” É A AÇÃO DO CONTROLADOR.
Assim, pode-se imaginar a seguinte situação: um tanque de óleo diesel está vazio. Deseja-se encher esse tanque até 70% de sua capacidade máxima
com o uso de uma válvula que permite a entrada do óleo nesse tanque.
Imaginando-se essa situação, pode-se pensar que a abertura total da válvula (100%) permitirá chegar aos 70% de maneira mais rápida do que uma
abertura parcial da válvula, digamos 50%. Isso é fácil de imaginar sabendo-se que a diferença entre o que se deseja (70%) e o que se tem (0%) é muito
grande.
Contudo, conforme o nível aproxima-se do valor desejado, a abertura em 100% da válvula pode não ser adequada, tendo em vista que seu fechamento
pode ser lento. Dependendo do trecho de tubulação existente entre a válvula e o tanque, uma quantidade razoável de óleo ainda pode ser colocada dentro
do tanque mesmo após o fechamento da válvula.
Dessa maneira, é fácil imaginar que, nesse sistema de controle, a abertura da válvula deve ser proporcional à distância entre o nível desejado e o nível real
do tanque. É para isso que existe a ação proporcional no PID.
A AÇÃO PROPORCIONAL SEGUE UMA PROPORCIONALIDADE DO ERRO ENTRE A VARIÁVEL
CONTROLADA (NÍVEL REAL DO TANQUE) E A VARIÁVEL AJUSTADA (NÍVEL DESEJADO PARAO
TANQUE). QUANTO MAIOR O ERRO, MAIOR É A AÇÃO PROPORCIONAL.
AÇÃO INTEGRAL
A AÇÃO PROPORCIONAL APRESENTA UM GRAVE LIMITAÇÃO. QUANDO A VARIÁVEL CONTROLADA E
A VARIÁVEL AJUSTADA APRESENTAM O MESMO VALOR (ERRO NULO), A AÇÃO PROPORCIONAL É
ANULADA.
Contudo, considerando-se sinais analógicos, isso é bem difícil de ocorrer, tendo em vista que o número de casas decimais a serem consideradas pode
variar de acordo com a capacidade do controlador.
Além disso, existe um atraso (delay) entre a leitura do sinal pelo instrumento e a chegada da informação no controlador, o que pode fazer com que a ação
tomada pelo controlador só tenha efeito sobre o sistema após o erro deixar de ser nulo. Esse atraso ocorre pela necessidade de processamento da
informação que é lida pelo sensor antes de sua chegada no controlador.
Entretanto, considerando-se a possibilidade de erro nulo e ação proporcional anulada, implicaria um sistema “sem controle”. Isso significaria um sistema
momentaneamente sem controle, ou seja, qualquer comando poderia ser enviado pelo controlador naquele momento.
A AÇÃO INTEGRAL FOI DESENVOLVIDA PARA EVITAR ISSO. ESSA AÇÃO ATUA NO SENTIDO DE
PROMOVER CORREÇÕES EM INTERVALOS DE TEMPO PROPORCIONAIS À DURAÇÃO E A
MAGNITUDE DO ERRO, OU SEJA, AO ERRO TOTAL PRODUZIDO (ERRO ACUMULADO).
 ATENÇÃO
Enquanto houver erro haverá uma correção sendo feita e a amplitude dessa correção será proporcional à do erro. Se o erro for grande a correção também
será e vice-versa.
Contudo, a intensidade da ação integral (ganho integral) e o intervalo de tempo de aplicação da ação são inversamente proporcionais. Isso significa que,
se a ação integral for de baixa intensidade, o tempo de duração da ação será elevado, e a recíproca é verdadeira. Resumidamente, para correções de
baixa magnitude o tempo necessário pode ser consideravelmente alto. Caso o erro seja muito grande (elevada intensidade na ação integral), a correção
será muito rápida, o que poderá levar o sistema à instabilidade.
AÇÃO DERIVATIVA
A AÇÃO DERIVATIVA TAMBÉM É CONHECIDA COMO ANTECIPATÓRIA. ESSA AÇÃO É PROPORCIONAL
À TAXA DE VARIAÇÃO DO ERRO, SIGNIFICANDO QUE, QUANTO MAIS RÁPIDA FOR A VARIAÇÃO DO
SINAL (QUANTO MAIS RÁPIDO O SINAL VARIAR), MAIS INTENSA SERÁ A AÇÃO CORRETIVA.
Assim, a ação derivativa produz uma correção antecipada do erro, reduzindo o tempo de resposta e contribuindo para a estabilidade do sistema.
 ATENÇÃO
As três ações corretivas devem ser ajustadas de maneira integrada, ou seja, as ações devem ser combinadas de maneira a produzir o melhor resultado
para o sistema. Existem algumas técnicas utilizadas para o ajuste dos parâmetros, mas que fogem ao escopo deste módulo.
ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE
Falando de maneira simplificada:
Os controladores recebem os sinais dos sensores e processam essa informação de acordo com sua programação.

Após o processamento, os controladores podem enviar essa informação para ser disponibilizada para o operador (monitor, display, IHM etc.) ou podem
atuar sobre o processo a partir do acionamento de uma bomba ou da abertura/fechamento de uma válvula, entre outras ações.
ESSA ATUAÇÃO DO CONTROLADOR SOBRE O PROCESSO OCORRE POR INTERMÉDIO DOS
ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE.
O instrumento (sensor, transmissor etc.) mede determinada variável, condiciona e envia para o controlador.

O controlador utiliza sua programação para “analisar” a informação recebida e tomar uma ação pré-definida.

Essa ação é executada pelo elemento final de controle que tem condições de atuar sobre o processo (na variável manipulada) de maneira a influenciar na
variável controlada, reduzindo o erro e buscando o ponto de ajuste (set point).

O elemento final de controle pode ser uma bomba, uma válvula, um pistão, uma chave. Enfim, qualquer dispositivo que possa atuar sobre o processo
quando desejado.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. EM UMA REFINARIA, VARIÁVEIS COMO TEMPERATURA, PRESSÃO E NÍVEL SÃO FUNDAMENTAIS PARA O
PROCESSO PRODUTIVO E PARA A SEGURANÇA DOS EQUIPAMENTOS E DOS OPERADORES. A CORRETA MEDIÇÃO
DESSAS GRANDEZAS POSSIBILITA AOS OPERADORES SUPERVISIONAREM O PROCESSO E GARANTIR A
INTEGRIDADE DAS INSTALAÇÕES. TENDO COMO BASE OS CONCEITOS ESTUDADOS, PODE-SE AFIRMAR QUE A
PARTE DE UM INSTRUMENTO RESPONSÁVEL PELA MEDIÇÃO DA VARIÁVEL É O:
A) Transdutor
B) Receptor
C) Atuador
D) Conversor
E) Sensor
2. UM CONTROLADOR QUE SEJA CAPAZ APENAS DE LIGAR OU DESLIGAR UMA BOMBA CADA VEZ QUE O NÍVEL DE
UM TANQUE FICAR ABAIXO DE UM VALOR ESPECIFICADO PELO OPERADOR É DO TIPO:
A) Liga ou desliga.
B) PID.
C) Integral.
D) Proporcional.
E) Derivativo.
GABARITO
1. Em uma refinaria, variáveis como temperatura, pressão e nível são fundamentais para o processo produtivo e para a segurança dos
equipamentos e dos operadores. A correta medição dessas grandezas possibilita aos operadores supervisionarem o processo e garantir a
integridade das instalações. Tendo como base os conceitos estudados, pode-se afirmar que a parte de um instrumento responsável pela
medição da variável é o:
A alternativa "E " está correta.
O elemento sensor é a parte integrante do instrumento que cria as condições e efetua a leitura da variável do processo a ser medida.
2. Um controlador que seja capaz apenas de ligar ou desligar uma bomba cada vez que o nível de um tanque ficar abaixo de um valor
especificado pelo operador é do tipo:
A alternativa "A " está correta.
O controlador eletrônico “liga ou desliga” atua de maneira simples no sistema, analisando a variável controlada e atuando quando esta variável se encontra
acima ou abaixo do set point.
MÓDULO 3
 Identificar as principais normas técnicas aplicadas em instrumentação
NORMAS TÉCNICAS APLICADAS À INSTRUMENTAÇÃO
NORMAS TÉCNICAS APLICADAS
As Normas Técnicas ANSI/ISA 5.1 à 5.5, ANSI/ISA-62382-2012, NBR IEC 62337 e NBR IEC 62381 auxiliam na compreensão dos conceitos de
instrumentação.
As normas ANSI/ISA estabelecem os símbolos e identificações que deverão ser utilizados para designação dos instrumentos e seus meios de
comunicação, de maneira a criar uma padronização.
NORMA ANSI/ISA 5.1
A ISA 5.1 é adequada para qualquer referência (identificação ou símbolo) de um instrumento, ou sua função, em um sistema de controle. É
internacionalmente aceita em projetos de instrumentação, exemplos didáticos, fluxograma de processo, diagramas de fluxo de engenharia, simbologia de
controle, em diagramas de instalação e diagramas de malhas entre outras aplicações.
DE ACORDO COM ESSA NORMA, A IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL DE UM INSTRUMENTO É BASEADA
NA VARIÁVEL MEDIDA E EM SUA FUNÇÃO.
Sua finalidade é fornecer informações suficientes para permitir que qualquer pessoa envolvida, e que possua pelo menos um pouco de conhecimento,
entenda as maneiras de medir e controlar o processo, não sendo necessariamente um especialista em instrumentação.
O memorial descritivo de um sistema de controle e instrumentação deve conter diagramas de fluxo, diagramas de instrumentação (com índices e base de
dados), especificações, diagramas lógicos, plantas das instalações e diagramas unifilares.
 ATENÇÃO
Essa documentação é fundamental para as atividades de produção, manutenção e projeto, e sua atualização nos casos de modificações na planta é
fundamental.
NORMA ANSI/ISA 5.2
A Norma ISA 5.2 busca padronizar os diagramas lógicos binários de processos. A lógica operacional pode ser diagramada para diferentes níveis de
integridade de informações. Qualquer que seja o nível de complexidade, o diagrama comunica informações funcionais explicitamente no grau de
complexidade pretendido pelo diagramador. O diagrama pode servir, por exemplo, para melhorar a coordenação da interface entre um projetista de
circuitos pneumáticos ou pode simplesmente fornecer uma descrição simbólica do sistema funcional para um gerente de fábrica.
Essa norma supre um método de diagrama lógico de sistemas binários de intertravamento e sequenciamento para inicialização, operação, alarme e
desligamento de equipamentos em indústriasquímicas, de petróleo, geração de energia, ar-condicionado, refino de metal e várias outras.
Essa padronização tem como objetivo simbolizar as funções de controle binário de um sistema de maneira que possa ser aplicada a qualquer classe de
hardware, seja ele eletrônico, elétrico, fluídico, pneumático, hidráulico, mecânico, manual, óptico ou outro.
NORMA ANSI/ISA 5.3
ESSA NORMA ESTIPULA OS SÍMBOLOS GRÁFICOS PARA OS SISTEMAS DE CONTROLE
DISTRIBUÍDOS E PARA INSTRUMENTAÇÃO COMPARTILHADA, LÓGICA E OS SISTEMAS DE
COMPUTADORES.
Dispõe sobre os requisitos para representação simbólica das funções de controle distribuído/instrumentação compartilhada, lógica e sistemas de
computador. A instrumentação é geralmente composta de redes de comunicação de hardware de campo e dispositivos de operação da sala de controle.
Essa norma é aplicável a todas as indústrias que usam sistemas de controle de processo e instrumentação.
Porém, não define detalhes de diagramas de fluxo para a construção interna, configuração ou método de operação desses sistemas de instrumentação,
lógica e sistemas de computador. Essa norma disserta sobre os diagramas de fluxo de conhecimento básico do sistema total para correta interpretação
do diagrama. Os cálculos ou o uso das variáveis de processo dentro de um programa não são indicados, exceto quando a variável de processo é parte
integrante da estratégia de controle. Em aplicações em que todas as informações da base de dados do sistema do instrumento estão disponíveis para o
computador por meio do link de comunicação, a descrição das interconexões do computador é opcional, para economizar espaço nos diagramas de fluxo.
O padrão estabelecido nessa norma deve ser usado sempre que for necessária qualquer referência a um instrumento para os seguintes usos — bem
como para outros:
Diagramas de fluxo, processo e mecânico.
Diagramas do sistema de instrumentação.
Especificações, ordens de compra e outras listas.
Desenhos de construção.
Artigos técnicos, literatura e discussões.
Etiquetagem de instrumentos.
Instruções, desenhos e registros de instalação, operação e manutenção.
 SAIBA MAIS
Esse padrão complementa ANSI / ISA-5.1-1984 (R1992) – Símbolos de Instrumentação e Identificação, para símbolos e formatos que
representam códigos de identificação funcional. Para esclarecimento de exemplos, algumas informações da ANSI / ISA-5.1-1984 (R1992) foram
incluídas na Norma ISA 5.3.
Seu objetivo é estabelecer a documentação para a instrumentação consistindo de computadores, controladores programáveis, minicomputadores e
sistemas baseados em microprocessador que possuem controle compartilhado, exibição compartilhada ou outros recursos de interface. Os símbolos são
fornecidos para a instrumentação de campo de interface, instrumentação da sala de controle e outro hardware. A terminologia é definida de forma genérica
mais ampla para descrever as várias categorias desses dispositivos.
 ATENÇÃO
Essa norma não exige o uso de símbolos específicos para cada ocorrência, mas de um dispositivo genérico dentro do sistema de controle geral.
O uso de símbolos específicos pode resultar em complexidade indevida, no caso de uma tubulação e desenho de instrumento (P&ID). Se, por exemplo, um
componente de computador é parte integrante de um sistema de controle distribuído, o uso do símbolo de computador normalmente seria uma
redundância indesejável. Se, no entanto, um computador de uso geral estiver conectado ao sistema, a inclusão do símbolo pode fornecer o grau de clareza
necessário para a compreensão do sistema de controle.
Esse padrão tenta fornecer aos usuários um simbolismo definido e regras de uso, que podem ser aplicadas conforme necessário para fornecer clareza
suficiente de intenção. A extensão a qual esses símbolos são aplicados a vários tipos de desenhos devem ser estabelecida pelos usuários da norma. Os
símbolos podem ser tão simples ou complexos quanto necessário para definir o processo.
NORMA ANSI/ISA 5.4
A ISA 5.4 TEM POR FOCO ESTIPULAR AS NORMAS PARA ELABORAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE LOOP
DE INSTRUMENTAÇÃO.
Tem como objetivo fornecer um método uniforme de diagramação das interconexões físicas dos instrumentos de um circuito e fornecer informações
necessárias para a instalação dos instrumentos. O padrão cobre instrumentos pneumáticos, hidráulicos, elétricos, eletrônicos e outros tipos que são
interconectados para formar um circuito.
O padrão é para uso de projetistas de sistemas de instrumentação, pessoal de construção, pessoal de manutenção e outros que estejam envolvidos com
arranjos de instalação para os vários loops de instrumentos de um projeto.
Cabe ao usuário verificar o quão difundido é o uso de diagramas de loop de instrumento e determinar o grau de uniformidade na simbologia, semântica e
apresentação entre esses diagramas.
NORMA ANSI/ISA 5.5
A Norma ISA-5.5-1985 estabelece os símbolos gráficos para telas de processo. Os símbolos são incluídos para representar funções matemáticas,
gráficos, equipamentos de processo, instrumentos e equipamentos elétricos. Os símbolos são adequados para uso em visores dinâmicos, como os LCDs
e visores estáticos, como painéis gráficos. Embora o usuário possa fazer uso de símbolos padronizados utilizados para tubos e diagramas de
instrumentos, diagramas lógicos, diagramas de loop, trabalhos matemáticos e outros documentos, geralmente é esperado que tais diagramas sejam
utilizados de forma complementar aos existentes nos documentos de engenharia.
Os símbolos devem ser independentes do tipo ou da marca de hardware ou software de computador. Deve-se respeitar as diretrizes estabelecidas nas
Normas ISA 5.1, ISA 5.2, ISA 5.3 e ISA 5.4.
 ATENÇÃO
A Norma ISA 5.5 não está mais ativa. A padronização produzida por ela, ISA-5.5-1985 – símbolos gráficos para telas de processo, não está atualizada
com a tecnologia de telas de processo atuais. No entanto, com base nas revisões dos documentos da ISA 5, essa norma parece ser de uso contínuo
para aqueles cujas exibições de processos foram estabelecidas até meados da década de 1980.
NORMA ANSI/ISA-62382-2012
O ponto principal dessa norma é a calibração em malha, que consiste no estímulo do elemento primário (responsável pela detecção da grandeza no
instrumento) e a leitura dessa variável no indicador (display ou IHM).
Esta norma define os procedimentos e especificações necessárias para esse check loop (checagem ponto a ponto) na etapa de calibração.
NORMA NBR-62337-2020
Essa nova norma trata do comissionamento de sistemas elétricos, de instrumentação e de controle de processos industriais. O comissionamento ocorre
após a finalização da montagem da planta e antes do “aceite” definitivo por parte do(s) proprietário(s).
Essa etapa consiste nos testes da planta para verificação se os sistemas, componentes e edificações estão de acordo com o projeto e de acordo com as
especificações do processo ao qual são dedicados.
A NBR IEC 62337 complementa as etapas de Testes de Aceitação de Fábrica (TAF), Testes de Aceitação de Campo (TAC) e Testes de Integração em
Campo (TIC), que são estabelecidos pela NBR IEC 62381.
NORMA NBR-62381
Essa norma trata dos testes de aceitação e integração dos sistemas de automação de processos industriais. Esses testes são fundamentais para
demonstrar que o sistema está operando de acordo com as especificações técnicas do projeto.
TESTES DE ACEITAÇÃO DE FÁBRICA
OS TAF SÃO DEFINIDOS COMO ENSAIOS CONTROLADOS. SERVEM COMO VALIDAÇÃO DE
INTEGRIDADE, FUNCIONALIDADE E CONFORMIDADE DA DOCUMENTAÇÃO DO SISTEMA COM AS
ESPECIFICAÇÕES.
Em geral, estímulos controlados são produzidos para verificar se o sistema principal e os auxiliares estão de acordo com as especificações. Alarmes são
forçados a acionar, simulando condições fora do padrão operacional.
Esse teste inclui inspeções visuais, testes de energização, testes de instrumentação, verificação de parâmetros, alarmes, entre outros pontos importantes.
Nesse ensaio, os equipamentos podem estar instaladosem uma bancada ou planta modulada (pré-montada) para realização dos ensaios.
TESTES DE ACEITAÇÃO DE CAMPO
Nos Testes de Aceitação de Campo (TAC), os equipamentos instalados no campo e já configurados são submetidos a uma bateria de ensaios, avaliando
o correto funcionamento dos equipamentos em conformidade com o projeto.
TESTES DE INTEGRAÇÃO EM CAMPO
Os Testes de Integração em Campo (TIC) são executados para demonstrar que todas as partes que compõem o sistema estão perfeitamente integradas e
funcionam como um único sistema integrado.
Neste teste, é verificado se todos os componentes estão operando em conjunto e de acordo com as especificações técnicas.
 ATENÇÃO
Vale destacar que a NBR 8190, que estabelecia símbolos gráficos para identificação dos instrumentos e dos sistemas de instrumentação usados para
medição e controle, foi cancelada, não devendo ser utilizada como referência para projetos de instrumentação. Em seu lugar, utilizam-se as normas
citadas anteriormente.
NORMA PETROBRAS N-2933
A nova Norma Petrobras N-2933 fixa as condições mínimas exigíveis para o desenvolvimento de projeto, especificação de equipamentos e sistemas e
configuração, parametrização, testes e comissionamento de equipamentos e sistemas de automação de sistemas elétricos, para instalações terrestres e
marítimas da PETROBRAS.
Essa norma abrange o sistema de automação de sistemas elétricos industriais e a automação de sistemas de fontes de energia distribuídas, tais como a
automação de sistemas de energia eólica e a automação de sistemas de energia solar.
A Norma Petrobras N-2933 possui como escopo as atividades de desenvolvimento de projeto, especificação de equipamentos e sistemas e configuração,
parametrização, testes e comissionamento de equipamentos e automação de sistemas elétricos.
ESSA NORMA É ESPECÍFICA PARA PROJETOS ENVOLVENDO EMPRESAS LIGADAS À PETROBRAS E
ÀS SUAS SUBSIDIÁRIAS.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. SOBRE A NORMA NBR 8190, PODE-SE AFIRMAR QUE:
A) É fundamental na identificação dos instrumentos.
B) Descreve os ensaios realizados nos Testes de Aceitação de Campo (TAC).
C) Foi cancelada e não deve ser utilizada como referência.
D) Descreve os ensaios realizados nos Testes de Aceitação de Fábrica (TAF).
E) É fundamental na representação dos padrões de comunicação entre instrumentos.
2. NO TESTE DE INTEGRAÇÃO EM CAMPO, OS EQUIPAMENTOS:
A) São montados em uma bancada de laboratório e submetidos a um teste controlado.
B) São montados separadamente e testados para verificar seu funcionamento isoladamente.
C) Não devem estar interligados, pois isso dificultaria a identificação de possível problemas.
D) São interligados para funcionarem como um único sistema.
E) Não devem estar energizados, conforme padrão estabelecido pela ISA 5.1.
GABARITO
1. Sobre a norma NBR 8190, pode-se afirmar que:
A alternativa "C " está correta.
A NBR 8190 tratava das simbologias gráficas utilizadas na identificação de instrumentos. Contudo, a norma foi cancelada e substituída pelas normas
ANSI/ISA-5.1 a 5.5.
2. No Teste de Integração em Campo, os equipamentos:
A alternativa "D " está correta.
A NBR IEC 62381 estabelece os Testes de Aceitação de Fábrica (TAF), Testes de Aceitação de Campo (TAC) e Testes de Integração em Campo (TIC).
No TIC, os equipamentos devem ser interligados de maneira a funcionar como um único sistema, permitindo verificar se estão dentro das especificações
técnicas.
CONCLUSÃO
CONSIDERAÇÕES FINAIS
No primeiro módulo, foram apresentados os símbolos utilizados na identificação dos instrumentos e nos padrões de comunicação. A norma ISA 5.1 foi
apresentada, e a sequência utilizada para identificação dos instrumentos, no que diz respeito às variáveis medidas, e as funções foram ilustradas.
No segundo módulo, foi realizada a introdução às partes que compõem os instrumentos. Cada parte foi apresentada com especial atenção ao elemento
sensor, responsável por criar as condições necessárias para a medição das variáveis.
No terceiro módulo, foram mostradas as normas técnicas aplicáveis à instrumentação. Foram citadas desde as normas responsáveis pela padronização
da identificação dos instrumentos até as normas utilizadas como referência nos ensaios de aceitação do sistema.
AVALIAÇÃO DO TEMA:
REFERÊNCIAS
ANSI/ISA-5.1-2009. Instrumentation Symbols and Identification. North Carolina, 2009.
ANSI/ISA-5.1-2009. Automation Systems in the Process Industry – Electrical and Instrumentation Loop Check. North Carolina, 2009.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR IEC 62337:2020 - Comissionamento de sistemas elétricos, de instrumentação
e de controle de processos industriais - Fases e marcos específicos. Rio de Janeiro: ABNT, 2020.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR IEC 62381:2019 - Sistemas de automação de processos industriais - Testes de
aceitação em fábrica (TAF), testes de aceitação em campo (TAC) e testes de integração em campo (TIC). Rio deJaneiro: ABNT, 2019.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410 - Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro: ABNT, 2004.
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas. Rio de Janeiro: Livros Técnico e Científicos, 2010.
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação E Fundamentos de Medidas. Volume 2. Rio de Janeiro: Grupo Gen-LTC, 2000.
BEGA, E. A. Instrumentação industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 2006.
CASTELETTI, L. F. Instrumentação industrial. Colégio Politec, v. 10, p. 04-14, 2013. Consultado em meio eletrônico em: 15 dez. 2020.
CREDER, H. Instalações elétricas. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2007.
FIALHO, A. B. Instrumentação industrial: conceitos, aplicações e análises. São Paulo: Saraiva Educação SA, 2002.
GIÃO, R. A.; ROCHA, A. Divisão de Comunicação Social. Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM). Duque de Caxias: Inmetro, 2012.
EXPLORE+
Consulte as normas NBR 15708-4, a NBR 6881 e a NR 10. Elas podem ser interessantes, dependendo da área em que se vai atuar. A NBR 15708
estabelece os requisitos de materiais, métodos de ensaio e tolerâncias dimensionais para utilização na indústria do petróleo e gás natural.
A NBR 6881 trata do método para execução de ensaios de tensão elétrica (contínua e alternada) e cabos de potência e controle. A NR 10 estabelece os
requisitos mínimos para a implementação de medidas de controle e prevenção a acidentes, garantindo a segurança de trabalhadores envolvidos direta e
indiretamente com serviços e instalações com eletricidade.
CONTEUDISTA
Paulo Godoy
DESCRIÇÃO
Apresentação dos condicionadores de sinais (amplificadores, filtros, conversores e
transmissores) e sua função em instrumentação industrial.
PROPÓSITO
Compreender o funcionamento de amplificadores de sinais, filtros analógicos eletrônicos,
conversores analógicos para digital e conversores digitais para analógico, transmissores
utilizados em instrumentação industrial e a sua importância em condicionamento de sinais.
PREPARAÇÃO
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos papel, caneta e smartphone/computador.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Descrever o funcionamento de amplificadores de sinais e filtros analógicos eletrônicos
MÓDULO 2
Descrever o funcionamento de transmissores de sinais e os princípios da transmissão analógica
MÓDULO 3
Descrever o funcionamento de conversores de sinais A/D e D/A
CONDICIONADORES DE SINAIS
Carregando conteúdo
MÓDULO 1
 Descrever o funcionamento de amplificadores de sinais e filtros analógicos
eletrônicos
AMPLIFICAÇÃO E FILTRAGEM DE SINAIS
ANALÓGICOS
TRANSÍSTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO (TBJ)
O transístor bipolar recebe esse nome devido à sua construção, e o conceito de bipolaridade vem
do fato de que esses transístores são formados pela junção de dois materiais: um do tipo n e um
do tipo p ou vice-versa.
O TRANSÍSTOR É UM DISPOSITIVO SEMICONDUTOR DE TRÊS
CAMADAS: DUAS CAMADAS TIPO N E UMA TIPO P, OU DUAS
TIPO P E UMA TIPO N. O PRIMEIRO É CHAMADO DE
TRANSÍSTOR NPNE O SEGUNDO TRANSÍSTOR PNP.
Veja:
 Figura 1 – Representação simbólica dos transistores do tipo PNP e NPN
Dopagem do tipo P
A dopagem do tipo P é responsável pela inserção de materiais carentes de elétrons (com
excesso de lacunas) em um material semicondutor. Isso faz com que esse material seja receptivo
a elétrons vindos de uma fonte.

Dopagem do tipo N
A dopagem do tipo N torna um material rico em elétrons livres. Dessa maneira, ele converte-se
em um doador de elétrons quando posto em contato com um material receptor.
Em relação ao nível de dopagem, as camadas do transístor são divididas em:
EMISSOR
A dopagem é forte para emitir elétrons

BASE
É a mais fina das camadas e levemente dopada, de maneira a permitir que as cargas migrem da
base para o coletor ou do coletor para a base

COLETO
Possui uma dopagem entre a base e o emissor. O coletor recebe as cargas da base ou as envia
para esta.
POLARIZAÇÃO
A polarização do transístor é realizada conforme apresenta a Figura 2. A junção entre a base e o
emissor (BE) é feita diretamente. A polarização entre a base e o coletor (BC) é polarizada
reversamente. Essas polarizações são importantes de modo a garantir um fluxo de elétrons do
emissor para a base e o coletor (NPN), ou entre o coletor e a base para o emissor (PNP).
 Figura 2: Polarização dos transistores
TRANSÍSTOR PNP
TRANSÍSTOR NPN
TRANSISTORES TBJ
No transístor PNP, um fluxo constante de elétrons é estabelecido entre o coletor e o emissor, além
de uma corrente entrando pela base.
Já no transístor NPN, uma corrente estável é estabelecida entre o emissor e o coletor, além de um
fluxo de corrente para a base.
Os transistores TBJ são controlados por corrente. Isso significa que uma pequena corrente na
base provoca um fluxo de corrente muito maior no emissor, quando o transístor é corretamente
polarizado.
Quando os transistores são adequadamente conectados, ou seja, uma realimentação é
estabelecida a partir de resistores e fonte de alimentação, um transístor pode ser utilizado como
chave ou amplificador.
 Figura 3: Transístor TBJ realimentado
 ATENÇÃO
O comportamento do transístor como chave ou amplificador é definido pela sua polarização, isto
é, pelos resistores e fontes utilizados no circuito e em sua realimentação.
Uma forma de definir os valores dos resistores e das fontes a serem utilizadas nos circuitos, ou
de verificar o comportamento de um circuito com transístor é utilizando a sua curva de
polarização.
A curva de polarização permite a determinação do ponto de operação do transístor. Assim, os
valores de corrente e tensão polarizarão o transístor para uma determinação da tensão de
alimentação e para os resistores utilizados na polarização.
 Figura 4: Curva de polarização
Observando essa curva, é possível verificar que ela é definida pela tensão entre o coletor e o
emissor do transístor (VCE) e a corrente do coletor do transístor (IC) estabelecida pelo fabricante,
com os valores máximos suportados por ele.
São observados também um conjunto de valores de corrente de base (IB) produzidos nesse
transístor com as variações nos valores de VCE e IC.
 ATENÇÃO
O ponto de encontro entre a reta definida pela polarização do transístor, também chamada de
reta de carga, e a curva da corrente de base é definido como Ponto Quiescente (Ponto Q).
A curva de polarização do transístor define regiões bem distintas de seu funcionamento. A seguir,
são definidas as regiões do corte (verde), saturação (vermelha) e ativa (azul).
 Figura 5: Regiões de operação de um transístor
O transístor é definido como uma chave se ele atua apenas nas regiões de corte e saturação. De
maneira simplificada, uma chave, do ponto de vista de circuitos elétricos, pode assumir as
posições aberta ou fechada.
 Figura 6 – Chave desligada
Uma chave aberta desliga um circuito à medida que nenhuma corrente consegue fluir por meio de
seus terminais e toda a tensão fornecida pela fonte é retida na chave. Essa situação é similar a
obtida com um transístor em situação de corte.
 Figura 7: Chave ligada
Uma chave fechada liga um circuito à medida que a corrente consegue fluir através de seus
terminais e toda a tensão fornecida pela fonte é enviada para a carga que se deseja alimentar.
Essa situação é similar à obtida com um circuito em saturação.
Na região ativa, o transístor atua como um amplificador. Logo, um transístor realimentado pode
ser utilizado para amplificação da corrente colocada na base pelo ganho do transístor (
), de acordo com a Equação 1:
(1)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Para o circuito da Figura 3, é possível observar que a curva de polarização e a reta de carga
terão o seguinte Ponto Quiescente:
β
IC = β ⋅ IB
 Figura 8: Reta de carga do circuito
OBSERVANDO-SE O CIRCUITO, É POSSÍVEL TRAÇAR A RETA
DE CARGA PELOS DOIS PONTOS BÁSICOS QUE DEFINEM UMA
RETA: A TENSÃO VCE E A CORRENTE DE COLETOR IC. ESSES
DOIS PONTOS SÃO OBTIDOS PELAS SITUAÇÕES MÁXIMAS DE
OPERAÇÃO DO TRANSÍSTOR, OU SEJA, PELO CORTE E PELA
SATURAÇÃO.
Durante o corte, nenhuma corrente é esperada através do transístor, podendo-se montar a
seguinte equação:
VCE = VFONTE − VRC
VCE = VFONTE − RC ⋅ IC
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
No corte, espera-se que a corrente IC seja nula. Então:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Durante a saturação, a tensão entre o coletor e o emissor é esperada nula e a corrente máxima.
Assim:
VCE = 15 − 1500 ⋅ IC
VCE = 15 − 1500 ⋅ 0
VCE = 15V
VRC = VFONTE − VCE
RC ⋅ IC = VFONTE − VCE
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na saturação, espera-se que a tensão VCE seja nula. Logo:
IC =
VFONTE − VCE
RC
IC =
15 − VCE
1500
IC =
15 − 0
1500
IC =
15
1500
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Esses dois pontos, VCE = 15 V e IC = 10 mA, definem a reta de carga do transístor, conforme
abaixo:
 Figura 9: Definição da reta de carga do circuito
 ATENÇÃO
O Ponto Quiescente é definido observando-se o circuito completo e utilizando-se os valores da
tensão VCE, da corrente de coletor, da corrente de base e do ganho.
Caso a corrente do coletor seja de 6 mA, pela reta de carga, a tensão entre o coletor e o emissor
(VCE) será de 5,5 V e pode-se descobrir que o ganho desse transístor é de:
IC = 0, 01 = 10mA
IC = β ⋅ IB
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Ou seja, a corrente de base será multiplicada 200 vezes e disponibilizada no coletor, podendo ser
utilizada na alimentação de uma carga:
β =
IC
IB
β =
6mA
30μA
β = 200
 Figura 10: Transístor na alimentação de uma carga
De maneira similar, um transístor com ganho 100 (
) e corrente de base de 1 mA, apresentará uma corrente de coletor:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS
Os amplificadores operacionais são circuitos integrados bastante utilizados para
condicionamento de sinais eletrônicos analógicos obtidos de instrumentos.
Esses dispositivos têm aplicações diversas em sistemas eletrônicos, tais como:
Controle industrial
β = 100
IC = β ⋅ IB
IC = 100 ⋅ 1mA
IC = 100mA

Instrumentação industrial

Instrumentação biomédica

Aquisição e processamento de dados
Veja uma ilustração dessas aplicações diversas:
 Figura 11 – Simbologia e um amplificador operacional ideal
OS AMPLIFICADORES OPERACIONAIS APRESENTAM
CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS ATRIBUÍDAS À SUA
CONSTRUÇÃO. ENTRE ELAS DESTACAM-SE:
Ganho infinito.
Impedância de entrada infinita.
Impedância de saída nula.
Observando-se tais características, é possível notar que, no funcionamento de um amplificador
operacional ideal, não fluem correntes elétricas entre as entradas inversora e não inversora. Isso
se deve basicamente à impedância infinita que o amplificador operacional apresentaem sua
entrada
 Figura 12 – Impedância de entrada infinita
Como Zin é muito grande (sendo considerado infinito), pela lei de Ohm (Equação 2), a corrente
entre as entradas aproxima-se de zero.
(2)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS
A saída do amplificador operacional é um múltiplo da diferença de potencial entre as entradas,
conforme a equação 3:
V = R . I
(3)
Considerando-se então que um amplificador operacional possui ganho infinito (
), intuitivamente a saída seria infinita (
). Isso seria fisicamente impossível, limitando a saída à alimentação do amplificador.
Observe o circuito da figura a seguir:
 Figura 13 – Amplificador operacional entrada diferencial
Considerando-se um ganho muito grande para o amplificador (A = 10000), pela Equação 3
teríamos:
VO = A ˙[(V +) − (V −)]
A = ∞
VO = ∞
VO = 10000 ˙(8 − 6) = 10000(̇2)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
É EVIDENTE QUE ESSE VALOR DE TENSÃO SERIA
IMPOSSÍVEL, TENDO EM VISTA QUE A ALIMENTAÇÃO DO
AMPLIFICADOR É SIMÉTRICA E VALE +12 V E -12 V E QUE A
DIFERENÇA ENTRE OS SINAIS DE ENTRADA É DE 2 V. COM
ESSA ALIMENTAÇÃO, O VALOR DA TENSÃO DE SAÍDA SÓ
PODERIA VARIAR ENTRE +12 V E -12 V.
FONTES DE ALIMENTAÇÃO
FONTE DE TENSÃO COM UM AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
O fornecimento de energia elétrica (alimentação) de circuitos e instrumentos deve ser feito por
meio de fontes de tensão e correntes estáveis, reduzindo oscilações durante o seu
funcionamento.
Um circuito clássico para alimentação de instrumentos é baseado na utilização da entrada não
inversora de um amplificador operacional.
VO = 20000 V
 Figura 14 – Fonte de tensão de referência
 ATENÇÃO
Neste circuito, a tensão na saída é estável e seu valor depende apenas da tensão de entrada. A
corrente, embora varie com a carga, também apresenta um valor bem definido e limitado pela
tensão de alimentação.
FONTE DE CORRENTE COM UM AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
De maneira similar, uma fonte de corrente apresenta uma corrente estável e uma tensão que varia
com a aplicação. Veja um exemplo clássico no circuito abaixo:
 Figura 15 – Fonte de corrente de referência
 ATENÇÃO
A corrente que alimenta a carga (RL), neste circuito, é fixa e ajustável pela tensão de entrada Vin.
AMPLIFICADORES ATIVOS
Os amplificadores operacionais, além de seu uso como fontes de alimentação reguladas,
também apresentam aplicações em instrumentação como amplificadores de sinais. Elevar ou
atenuar (reduzir) os valores de uma grandeza física obtidos por um elemento sensor pode ser
fundamental para que sua leitura seja realizada por um instrumento.
 SAIBA MAIS
Amplificar ou atenuar um sinal significa multiplicá-lo por um determinado valor x. Se x for maior
que a unidade (x > 1), o sinal será amplificado, porém, se o valor for maior ou igual a zero e menor
do que a unidade (0 ≤ x < 1), este sinal será atenuado.
Algumas grandezas apresentam variações tão sutis (amplitude consideravelmente baixa) que
pode não ser possível mensurá-las sem sua amplificação. Nesses casos, o nível baixo das
grandezas pode se tornar insuficiente para estimular o elemento sensor, ou o valor mensurado
baixo demais a ponto de ser confundido com o erro experimental, ou ainda o valor da variável
medida pode ser ocultado pelo ruído experimental.
Nesses casos, é necessária a amplificação dos sinais, e as topologias mais comum são:
AMPLIFICADOR INVERSOR
Nessa configuração do amplificador operacional (Figura 16), o sinal na saída do circuito é
amplificado ou atenuado pela razão entre os resistores utilizados na polarização do amplificador.
Vale destacar que a fase do sinal de saída é invertida em 180° em relação ao sinal de entrada, ou
seja, se o sinal medido for positivo, a saída do amplificado possuirá sinal negativo ou vice-versa.
A relação entre o sinal de entrada e o sinal de saída pode ser vista na Equação 4:
(4)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 Figura 16 – Amplificador inversor
Vout = − ⋅ Vin
R2
R1
AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR
Outra configuração bastante utilizada com amplificadores operacionais é a do amplificador não
inversor (Figura 17). Nessa topologia, o sinal de entrada também é multiplicado por um fator que
depende das resistências de polarização. Entretanto, diferentemente do que acontece com o
amplificador inversor, o sinal produzido na saída não apresenta uma inversão de fase quando
comparado com o sinal de entrada:
(5)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 Figura 17 – Amplificador não inversor
Vout = (1 + ) ⋅ Vin
R2
R1
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
Uma última topologia de amplificação utilizando amplificadores de instrumentação é o
amplificador diferencial (Figura 18). Esse circuito permite amplificação da diferença de tensão
entre dois sinais de entrada aplicados a esse circuito. Por meio dessa topologia, é possível
realizar a medição da variação de um sinal em relação a um sinal de referência. Por vezes, esse
circuito é utilizado em conjunto com a Ponte de Wheatstone, exibida anteriormente.
 Figura 18 – Amplificador diferencial
O funcionamento desse circuito baseia-se na aplicação dos sinais de entrada em circuitos
amplificadores não inversores (primeiro estágio), seguido da aplicação desses sinais em um
estágio de diferenciação (segundo estágio ou subtrator) com ganho unitário, conforme abaixo:
(6)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Vout = (1 + ) ⋅ (V2 − V1)
2R1
R
FILTROS ANALÓGICOS ELETRÔNICOS
Na instrumentação industrial, é comum o uso de filtros eletrônicos para remoção ou atenuação de
ruídos, limitação de banda ou separação de sinais indesejáveis. Basicamente, os filtros são
classificados em:
Passivos
Os filtros passivos são aqueles formados por elementos passivos (capacitores, indutores e
resistores) e não dependem de fontes de alimentação para funcionar. Nesses filtros, os
elementos passivos são especificados e combinados de maneira a eliminarem faixas de
frequências indesejáveis

Ativos
Os filtros ativos apresentam melhor desempenho e versatilidade do que os filtros passivos. São
montados com a utilização de componentes passivos (resistores e capacitores), amplificadores
operacionais e necessitam de alimentação de uma fonte.
Os filtros ativos são classificados em:
FILTRO PASSA-BAIXA
Neste circuito, determinada frequência de corte (f0) é estabelecida (a partir da especificação dos
componentes) e todas as frequências acima dela (de ordem superior) são atenuadas. A figura a
seguir apresenta a topologia de um circuito passa-baixa e a resposta em frequência desse
circuito.
 Figura 19 – Filtro passa-baixa
A resposta em frequência permite observar que as frequências abaixo da frequência de corte não
sofrem atenuação. De maneira complementar, as frequências acima da frequência de corte
sofrem uma atenuação gradual até sua completa eliminação.
Veja a simbologia representativa de um filtro passa-baixa:
 Figura 20 – Simbologia filtro passa-baixa
FILTRO PASSA-ALTA
O filtro passa-alta também possui uma frequência de corte (f0). Porém, diferentemente do que
ocorre com um filtro passa-baixa, as frequências abaixo da frequência de corte são atenuadas. O
circuito de um filtro passa-alta e a resposta em frequência podem ser vistos a seguir:
 Figura 21 – Filtro passa-alta.
Veja a simbologia do filtro a seguir:
 Figura 22 – Simbologia filtro passa-alta
FILTRO PASSA-FAIXA
A combinação em cascata de um filtro passa-baixa com uma frequência de corte (f1) e um filtro
passa-alta com uma frequência de corte (f2), permite a obtenção de um filtro passa-faixa,
conforme o diagrama (Figura 23). Sua simbologia pode ser vista na Figura 19.
Esse tipo de filtro atenua todos os sinais que apresentam uma frequência diferente da frequência
de corte, deixando de atenuar apenas uma pequena banda em tornoda frequência.
Na prática, uma pequena faixa de frequências é estabelecida em torno da frequência de corte e
esse filtro atenua quaisquer frequências localizadas fora dessa faixa de frequências estabelecida
(seja acima ou abaixo).
 Figura 23 – Diagrama de um filtro passa-faixa
Veja a simbologia do filtro a seguir:
 Figura 24 – Simbologia filtro passa-faixa
FILTRO REJEITA-FAIXA (OU REJEITA-BANDA)
Diferentemente do filtro passa-faixa, o rejeita-faixa atenua quaisquer frequências localizadas
dentro da faixa de frequências estabelecida (seja acima ou abaixo) pelo circuito, o qual é,
basicamente, uma combinação dos circuitos passa-faixa e passa-alta somados, conforme o
diagrama abaixo e a sua simbologia na Figura 26.
 Figura 25 – Diagrama de um filtro rejeita-faixa
 Figura 26 – Simbologia filtro rejeita-faixa
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 2
 Descrever o funcionamento de transmissores de sinais e os princípios da
transmissão analógica
TRANSMISSORES DE SINAIS ANALÓGICOS
TRANSMISSORES DE SINAIS
Os transmissores são dispositivos utilizados para que determinada variável medida por um
sensor em certo processo seja disponibilizada em um ponto distante do local da medição.
 EXEMPLO
Nas indústrias, é muito comum a existência de salas de controle, onde as informações referentes
àquele processo são disponibilizadas aos operadores, os quais podem monitorar as variáveis do
processo industrial sem ficarem expostos às intempéries ou a qualquer risco operacional.
Em geral, os transmissores são montados no campo, próximo ao processo. Contudo, isso não é
uma regra, e o transmissor pode estar localizado em um ambiente protegido, caso o processo
envolvido seja um ambiente potencialmente hostil ao circuito eletrônico do transmissor. Em
ambientes com altas temperaturas, por exemplo, o transmissor pode ser localizado a certa
distância do processo de maneira a ficar protegido.
COM A IMPLEMENTAÇÃO DOS TRANSMISSORES, É POSSÍVEL
DISPONIBILIZAR AS INFORMAÇÕES DOS SENSORES LONGE
DOS LOCAIS DE PROCESSO, DEIXANDO OS OPERADORES
PROTEGIDOS DE FLUIDOS INFLAMÁVEIS, CORROSIVOS,
TÓXICOS, ÁCIDOS, ALTAS TEMPERATURAS E PRESSÕES
ELEVADAS.
As salas de controle, por outro lado, se tornam centros de operações mais práticos e protegidos,
garantindo aos operadores um ambiente mais seguro para monitoramento e controle dos
processos.
É importante destacar que o transmissor é diferente do transdutor e do conversor, como pode ser
visto a seguir:
TRANSDUTOR
CONVERSOR
TRANSMISSOR
O transdutor é responsável por realizar uma conversão entre grandezas, permitindo que uma
grandeza mecânica seja transformada em um sinal elétrico e vice-versa.
Um conversor permite a transformação de uma informação analógica em digital ou digital em
analógica.
Um transmissor não modifica a natureza da informação ou do sinal. Um transmissor de sinal
pneumático apenas garante que esse sinal será disponibilizado em um local distante da medição,
mas ele ainda será pneumático.
 SAIBA MAIS
Um transmissor converte um sinal não padronizado em um sinal de mesma natureza ou não, mas
com um padrão predefinido. Por exemplo, um sinal de pressão de 15 a 60 MPa percebido por um
transmissor será convertido em um sinal de corrente elétrica contínua de 4 a 20 mA. Esse mesmo
sinal de pressão (15 a 60 Mpa) recebido de um sensor poderá ser convertido em um sinal de
pressão padronizado de 3 a 15 Psi ou 20 a 100 kPa.
PONTE DE WHEATSTONE
Um dos amplificadores mais importantes na instrumentação possui uma configuração em ponte,
chamada de Ponte de Wheatstone.
Alguns sensores utilizam a sensibilidade em suas características elétricas como forma de
medição de grandezas físicas. Dessa maneira, variações na resistência de uma
termorresistência são utilizadas na medição de temperatura ou variações na resistência de um
strain gauge são utilizadas para medição da pressão exercida sobre ele. Assim, é possível
relacionar o valor da resistência que esses instrumentos apresentam com a temperatura ou a
pressão naquela medição.
 ATENÇÃO
A determinação dessa resistência nem sempre é fácil, tendo em vista que esses valores de
resistência, em geral, são muito baixos e a própria resistência de cabos utilizados na medição
pode mascarar os resultados.
TOPOLOGIAS DE MEDIÇÃO
Existem topologias específicas utilizadas em instrumentos de medição. São elas:
TOPOLOGIA A 2 FIOS
Essa topologia é a mais fácil e mais barata de ser utilizada. O instrumento é conectado
diretamente a uma ferramenta de medição (multímetro, ohmímetro, amperímetro etc.) e uma fonte
de alimentação.
 Figura 27 – Topologia a 2 fios
Como os fios de alimentação e de medição são compartilhados, o valor medido é uma
combinação do valor do instrumento e da fonte de alimentação, podendo levar a um erro de
medição elevado.
TOPOLOGIA A 3 FIOS
A topologia a 3 fios corresponde a uma melhoria na topologia a 2 fios, em uma tentativa de
reduzirem-se os efeitos da fonte de alimentação no valor medido do instrumento.
 Figura 28 – Topologia a 3 fios
Nessa topologia, o circuito de medição e a fonte estão conectados ao instrumento. Desse modo,
a alimentação do instrumento e a medição são realizadas de forma “quase” paralela,
apresentando apenas um ponto de referência em comum. Porém, tal ponto ainda pode produzir
alguns erros de medição.
TOPOLOGIA A 4 FIOS
A topologia a 4 fios corresponde à melhor topologia entre as três consideradas. Como a
alimentação e a medição são realizadas de maneira completamente independente, não é
observada influência da fonte de alimentação no medidor.
 Figura 29 – Topologia a 4 fios
Tal tipo de medição, porém, é consideravelmente mais complexo e custoso, tornando essa
topologia inviável para um ambiente industrial, onde o uso de um grande quantitativo de
instrumento (dezenas, centenas ou milhares) é esperado.
Embora as diversas topologias tenham grande importância na instrumentação industrial, a Ponte
de Wheatstone ainda é o circuito mais adequado para as medições envolvendo sensores com
resistência variável (termorresistores, strain gauge etc.).
TAL PREDILEÇÃO DEVE-SE AO BAIXO VALOR DE RESISTÊNCIA
QUE ESSES SENSORES APRESENTAM (MUITAS VEZES NA
FAIXA DOS MILI OU MICRO OHMS), QUE, AO SEREM MEDIDAS
POR INSTRUMENTOS CONVENCIONAIS (MULTÍMETROS,
OHMÍMETROS, ENTRE OUTROS), PODEM INDICAR UM ERRO
DE MEDIÇÃO CONSIDERAVELMENTE ELEVADO OU ATÉ MESMO
NÃO SEREM CAPAZES DE REALIZAR AS MEDIÇÕES.
A Ponte de Wheatstone consiste basicamente em uma montagem com dois pares de resistores
em paralelo (Figura 30).
Os quatro resistores que compõem a ponte estão interligados de maneira que, ao determinar-se
a resistência equivalente, é possível calcular o valor da tensão V0 em função da tensão de
alimentação da ponte Vp e dos valores das resistências:
(7)
Ao balancear-se a ponte, isto é, igualar-se o produto entre as resistências (R1 . R3 = R2 . R4) o
valor a tensão V0 torna-se nulo.
V0 = Vp ⋅ ( )
R1R3 − R2R4
(R1 + R2). (R3 + R4)
 Figura 30 – Ponte de Wheatstone
Na prática, uma ou mais resistências da ponte são substituídas pelo elemento sensor resistivo.
Então, substituindo-se um dos resistores pelo elemento sensor e outro resístor por uma
resistência variável, obtém-se o circuito abaixo:
 Figura 31 – Ponte de Wheatstone com elemento sensor
IGUALANDO-SE OS VALORES DE R1 E R3 COM A VARIAÇÃO DA
RESISTÊNCIA DO ELEMENTO SENSOR, É POSSÍVEL REALIZAR
O BALANCEAMENTO DA PONTE A PARTIR DA MODIFICAÇÃO
NO VALOR DA RESISTÊNCIA VARIÁVEL (RV). DESSE MODO,
CONHECEMOS O VALOR DA RESISTÊNCIA DO ELEMENTO
SENSOR PELO VALOR AJUSTADO NA RESISTÊNCIA RV.
Como existe uma diferença entre a grandeza medida e o valor da resistência para sensores
resistivos, é possível determinar o valor da variável conhecendo-se o valor da resistência que o
sensor apresenta.
Atualmente, na instrumentação industrial, novas famílias de transmissores mais modernos foram
desenvolvidas de maneira a otimizar, compactar e simplificar os processos de instalação e
transmissãode dados. Circuitos integrados têm sido bastante utilizados para garantir aos
transmissores maior independência, autonomia e multifuncionalidade.
Esses novos transmissores são capazes de realizar um pré-tratamento à informação recebida
antes de sua transmissão, de maneira a reduzir ruídos e corrigir distorções do processo de
amostragem.
De maneira simplificada, as novas famílias de transmissores são divididas em: smart e
inteligentes.
TRANSMISSORES SMART
Transmissores capazes de corrigir pequenas não linearidades nos sinais de medição a serem
transmitidos. Essas correções são feitas por interpolação e são muito importantes para corrigir
efeitos de influências secundárias nas medições.
TRANSMISSORES INTELIGENTES
Microprocessados capazes de realizar pequenas operações aritméticas com o sinal recebido,
além de trocarem informações com outros transmissores ou elementos finais inteligentes. Com
isso, são capazes de realizar o gerenciamento das informações locais do processo. Por
exemplo, abertura de uma válvula em condições de pressão alta, desligar uma bomba em caso
de nível alto, entre outras.
Esses transmissores recebem informações analógicas, mas precisam convertê-las em digitais
para os microprocessadores serem capazes de tratá-las. Por esse motivo, são equipados com
conversores A/D e, no caso de possuírem uma saída analógica, também são equipados com um
conversor D/A.
 ATENÇÃO
As topologias a 2 fios, 3 fios e 4 fios também são válidas para a transmissão de sinais elétricos
de um sensor, sendo útil as mesmas observações realizadas na seção Topologias de medição.
PADRÕES DE TRANSMISSÃO
Os padrões de transmissão são conhecidos como:

SINAL PNEUMÁTICO
O Sistema Internacional (SI) define o padrão de transmissão de sinais pneumáticos como 20 a
100 kPa, sendo equivalente a 3 a 15 Psi (fora do SI).
SINAL ELÉTRICO
O sinal padronizado para transmissão de corrente elétrica é de 4 a 20 mA, estabelecido pela
Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC). O sinal de tensão elétrica é de 1 a 5 V contínua.
Entretanto, transmissões com tensão elétrica não são comuns pois, dependendo das distâncias e
dos cabos utilizados, pode haver atenuação do sinal antes de chegar ao receptor (dispositivo
responsável por receber o sinal do transmissor). Continue lendo
javascript:void(0)
Todas as faixas de transmissão começam em valores superiores a zero (apresentam supressão
do zero da variável). Por exemplo, a corrente varia de 4 a 20 mA, a tensão de 1 a 5 Vcc, a
pressão de 20 a 100 kPa. Isso é feito porque o zero representaria a ausência de sinal, podendo
indicar problemas com o equipamento, com a alimentação, cabos danificados ou partidos,
problemas com o transmissor, entre outros.
Uma exceção são os circuitos com zero vivo, ou seja, sinais de tensão com valores de referência
de 0 a 10 Vcc. Nesses casos, quando há algum problema, o valor de tensão transmitido assume
um valor negativo.


TRANSMISSOR PNEUMÁTICO
Os transmissores pneumáticos são aqueles que transmitem o sinal medido pelo sensor a partir
de um sinal pneumático padronizado, na fixa de 20 a 100 kPa (3 a 15 Psi), proporcional ao valor
da variável.
TRANSMISSOR ELETRÔNICO ANALÓGICO
O sinal medido da variável é transmitido em uma corrente de 4 a 20 mA contínua, proporcional à
medição.


TRANSMISSOR INTELIGENTE DIGITAL
O transmissor inteligente digital possui um circuito microprocessado e uma saída digital, ao em
vez da saída de 4 a 20 mA. Ele é apropriado para comunicação com dispositivos digitais que
apresentam o mesmo protocolo de comunicação.
TRANSMISSOR ANALÓGICO-DIGITAL
Esse tipo de transmissor híbrido consegue transmitir sinais analógicos e digitais
simultaneamente, a partir de rápidas conversões A/D e D/A.


SINAIS DE TRANSMISSÃO
Os sinais de transmissão pneumáticos e elétricos possuem proporcionalidade entre os valores
máximo e mínimo da escala (5:1). Isso significa que os valores máximos das escalas superam em
5 vezes os valores mínimos.
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Essa padronização facilita o processo de conversão dos sinais pelos transdutores.
RECEPTORES
Os receptores são os dispositivos que recebem os sinais padronizados enviados pelos
transmissores e os convertem novamente nos sinais mensurados pelos sensores, de maneira a
disponibilizá-los para os registradores, displays e telas de operação (IHM’s).

VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 3
 Descrever o funcionamento de conversores de sinais A/D e D/A
= = = = 5
100kPa
20kPa
20mA
4mA
15psi
3psi
5V
1V
CONVERSÃO A/D E D/A
CONVERSORES
Atualmente, os controladores são digitais em sua maioria. Daí, surge a necessidade cada vez
maior de comunicação entre sensores de natureza analógicos com controladores digitais. Essa
comunicação é possível graças aos dispositivos chamados conversores.
 Figura 32 – Diagrama de conversão analógica em digital
O CONVERSOR É UM DISPOSITIVO QUE TRANSFORMA SINAIS
DE NATUREZA ELÉTRICA EM FORMATOS DIFERENTES, MAS
SEM ALTERAR SUA NATUREZA, OU SEJA, ELE É CAPAZ DE
TRANSFORMAR UM SINAL ELÉTRICO ANALÓGICO CONTÍNUO
EM UM SINAL ELÉTRICO DIGITAL E VICE-VERSA.
Enquanto um sinal analógico é aquele que varia continuamente entre um mínimo e um máximo, o
sinal digital é aquele que tem apenas dois níveis.
CONVERSOR ANALÓGICO PARA DIGITAL (A/D)
O CONVERSOR ANALÓGICO PARA DIGITAL (A/D)
BASICAMENTE CONVERTE UM SINAL ANALÓGICO
QUE RECEBE EM UM SINAL DIGITAL EQUIVALENTE.
A conversão A/D é realizada a partir da amostragem do sinal analógico na entrada do conversor,
possibilitando converter um sinal analógico em digital.
A amplitude do sinal analógico amostrado é quantizada dentro dos níveis possíveis do conversor
A/D. Um conversor de 2 bits possui 2n níveis, ou seja, 4 níveis. Esses níveis são codificados em
palavras binárias. Veja:
 Figura 33 – Processo de quantização
 SAIBA MAIS
A quantização é o processo de atribuição de valores discretos para sinais analógicos.
É importante destacar algumas recomendações no processo de conversão A/D. Entre elas:
1
Durante a aquisição, o sinal analógico deve permanecer estável (estático) na entrada do
conversor A/D.
2
Durante o processo de conversão, o sinal de entrada é amostrado e a amostra é armazenada no
conversor.
3
De acordo com o Teorema de Nyquist, a frequência de amostragem deve ser ao menos duas
vezes maior do que a frequência do sinal analógico (OPPENHEIM, 2010).
Entre os conversores A/D mais comuns, encontram-se:
Conversor paralelo ou flash

Conversor de aproximações sucessivas
CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL PARALELO OU
FLASH
ESSE CONVERSOR A/D PARALELO UTILIZA EM SEU
FUNCIONAMENTO UM CIRCUITO MUITO COMUM FORMADO
POR UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL: O COMPARADOR DE
TENSÃO.
Os amplificadores operacionais são circuitos integrados que possuem um ganho extremamente
alto (tendendo ao infinito) em malha aberta. Assim, pequenas variações na entrada desse circuito
geram valores elevados na saída. Contudo, como já visto, a amplitude do sinal de saída é limitada
pela alimentação do circuito integrado, isto é, o valor da saída nunca ultrapassa o valor da
alimentação do circuito.
O COMPARADOR DE TENSÃO UTILIZA ESSAS LIMITAÇÕES DO
AMPLIFICADOR OPERACIONAL PARA CONVERTER SINAIS
ANALÓGICOS EM SINAIS BINÁRIOS OU ONDAS QUADRADAS,
COMPARANDO-SE O VALOR DA ENTRADA COM UMA
REFERÊNCIA, NORMALMENTE FIXA.
Dessa maneira, pode-se comparar um sinal analógico contínuo com qualquer valor que se deseje,
podendo ser com o zero, uma tensão negativa ou uma tensão positiva.
 Figura 34 – Circuito comparador de tensão
O conversor paralelo (flash) é composto por vários circuitos comparadores de tensão que
comparam um sinal de tensão de referência (diferente para cada comparador) com o sinal de
entrada. Todas as comparações ocorrem de maneira simultânea.
Embora as entradas de referência sejam geradas por uma mesma fonte de referência, elas
diferem entre si por resistores divisores de tensão. Observea figura a seguir: a entrada de
referência atravessa 8 resistores (8 x R) até chegar ao terra. Como os resistores estão em série,
eles funcionam como divisores de tensão.
 Figura 35 – Conversor A/D paralelo (flash)
Imagine um circuito com uma fonte de tensão V aplicada a dois resistores associados em série:
 Figura 36 – Circuito divisor de tensão
A corrente que passa pelo circuito é calculada pela Lei de Ohm (equação 8):
(8)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
É possível determinar, dessa forma, a tensão em cada ponto (A, B e C) observando-se o circuito
da Figura 25. A tensão em A é V, pois o ponto está ligado diretamente à fonte de alimentação e a
tensão C é zero (pois o ponto C está ligado ao terra).
V = R. i
V = 2R. i
i =
V
2R
Já a tensão no ponto B depende da corrente e dos resistores. Por exemplo, é possível calcular o
valor da tensão nesse ponto em relação ao B. Como existe apenas uma resistência entre o ponto
B e o terra, basta calcular a tensão sobre essa resistência:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Também é possível calcular a tensão no ponto B em relação à fonte de alimentação. Como existe
apenas uma resistência entre a fonte e o ponto B:
VB = R.
V
2R
VB =
V
2
VB = V − R.
V
2R
VB = V −
V
2
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 ATENÇÃO
Qualquer opção nos levará ao mesmo resultado!
Ou seja, a corrente que percorre os resistores é obtida pela tensão de referência dividida por 8
(Figura 37). Isso significa que a tensão de referência no comparador 1 (C1) é equivalente à
tensão aplicada sobre uma resistência (em relação ao terra).
 Figura 37 – Divisor de tensão do conversor A/D paralelo (flash)
Logo:
VB =
V
2
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
De maneira similar, a tensão no comparador 2 (C2) é igual a:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Desse modo, caso a entrada analógica seja inferior a
, a saída do comparador C1 será 0. Do contrário, a saída de C1 será 1.
Agora, caso a entrada analógica seja superior a
, mas inferior a
, as saídas dos comparadores C1 e C2 serão, respectivamente, 1 e 0. Caso a entrada seja
superior a as saídas dos comparadores C1 e C2 serão, respectivamente, 1 e 1
Considerando-se um sinal analógico cuja amplitude varie continuamente entre de 0 e E, é possível
preencher todos os valores dos comparadores (C1 a C7), como na Tabela 1:
E C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 S2 S1 S0
VC1 = R. = E
E
8R
1
8
VC2 = 2R. = E
E
8R
2
8
E
1
8
E
1
8
E
2
8
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1
2 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1
3 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1
4 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0
5 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1
6 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 1 – Tabela do conversor A/D paralelo (flash)
Um multiplexador (circuito capaz de combinar 2n entrada em n saídas) gera as combinações das
saídas S0, S1 e S2.
A vantagem desse tipo de conversor é a velocidade da conversão, tendo em vista que ela
depende apenas da rapidez dos circuitos comparadores e do multiplexador.
VALE OBSERVAR QUE O NÚMERO DE COMPARADORES
CRESCE CONSIDERAVELMENTE COM A RESOLUÇÃO DO
CONVERSOR. PARA OBTER-SE OITO AMOSTRAS FORAM
NECESSÁRIOS SETE COMPARADORES, OU SEJA, PARA UM
CONVERSOR DE N BITS SÃO NECESSÁRIOS 2N-1
COMPARADORES.
Como maior resolução permite melhor amostragem do sinal, o número de comparadores pode
ser consideravelmente elevado para que o sinal analógico seja adequadamente convertido e
posteriormente reproduzido.
CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL POR
APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS
ESSE CONVERSOR É BASEADO EM UM CONTADOR
DIGITAL E TEM CONDIÇÕES DE REALIZAR
CONVERSÕES DE UM NÚMERO RAZOÁVEL DE BITS,
POR EXEMPLO 32 BITS, EM TAXAS DE CONVERSÃO
RAZOAVELMENTE ELEVADAS, TAL COMO 1 MHZ.>
Seu princípio de funcionamento é simples e o circuito pode ser visto na Figura 38. Um contador
binário é iniciado do valor mais baixo (bit menos significante) e convertido em um sinal analógico
(conversor D/A) para servir como sinal de referência. Esse valor é comparado com o sinal
analógico.
Caso o sinal analógico seja maior do que o sinal de referência, o valor do número binário do
contador é armazenado como valor digital convertido. Caso o sinal analógico seja menor,
continua-se a comparação do mesmo valor com o sinal analógico em outra amostragem.
 Figura 38 – Conversor A/D aproximações sucessivas
CONVERSOR DIGITAL PARA ANALÓGICO (D/A)
O CONVERSOR DIGITAL PARA ANALÓGICO (D/A)
RECEBE, COMO ENTRADA, DADOS DIGITAIS E
PRODUZ UMA SAÍDA ANALÓGICA. UM
REGISTRADOR ARMAZENA O DADO DA ENTRADA
DO CONVERSOR D/A E MANTÉM O DADO ESTÁVEL
ATÉ QUE OUTRA ENTRADA ESTEJA DISPONÍVEL.>
Todos os bits de uma palavra digital (conjunto de bits) são convertidos simultaneamente. É
comum a utilização de filtros para atenuação de descontinuidades no sinal analógico da saída do
conversor.
 Figura 39 – Diagrama de conversão A/D e D/A.
CONVERSOR D/A MALHA RESISTIVA PONDERADA
No conversor D/A com malha resistiva ponderada (Figura 40), os resistores possuem valores
compatíveis com os bits das respectivas entradas, que seguem a equação 9:
(9)
Dessa maneira, a entrada digital 0 (D0), apresentará um resístor com a seguinte razão:
Rn =
R
2n
R0 = =
R
20
R
1
R0 = R
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 Figura 40 – Conversor D/A – malha resistiva ponderada
Os dígitos das entradas podem assumir um valor lógico alto ou baixo (1 ou 0, respectivamente). O
valor lógico alto (1) equivalente à tensão de referência (Vref) e o valor baixo (0) equivale à tensão
nula (0 V), que corresponde ao terra.
Entrada digital Valor lógico Valor de tensão (V)
D
0 0
1 Vref
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
 Tabela 2 – Valores das entradas digitais.
Assim, o sinal na saída (Vo) é definido pela equação 10:
(10)
V0 = − (23D3 + 22D2 + 21D1 + 20D0)
RfVref
R
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
CONVERSOR D/A COM REDE TIPO R-2R
O conversor do tipo R-2R combina esses dois tipos de resistores:
 Figura 41 – Conversor D/A – tipo R-2R
De forma similar ao que acontece com a malha resistiva ponderada, a combinação de resistores
em cada entrada digital confere um “peso” a cada entrada na tensão de saída.
Portanto, a tensão de saída (V0) pode ser vista na equação 11:
(11)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Logo, escolhendo-se Rf = 3 R, a equação 11 seria modificada para:
V0 = − (23D3 + 22D2 + 21D1 + 20D0)
RfVref
48R
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Para uma entrada Vref = -5 V e uma entrada digital igual a 1000, a tensão de saída seria:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
VERIFICANDO O APRENDIZADO
CONCLUSÃO
V0 = − (23D3 + 22D2 + 21D1 + 20D0)
Vref
16
V0 = − (23.1 + 22.0 + 21.0 + 20.0)
(−5)
16
V0 = 2, 5V
CONSIDERAÇÕES FINAIS
No primeiro módulo, apresentamos os conceitos fundamentais dos amplificadores de sinais, com
especial atenção aos amplificadores operacionais, detalhando as suas principais topologias.
Também abordamos os conceitos de filtros de sinais analógicos com enfoque nos filtros ativos,
suas particularidades e simbologia.
No segundo módulo, detalhamos os processos de transmissão e a padronização de sinais
analógicos. Os padrões utilizados nas transmissões de sinais pneumáticos e elétricos foram
especificados, e os tipos de transmissores foram descritos, incluindo-se os transmissores
inteligentes e os híbridos.
Por fim, apresentamos a natureza dos conversores A/D e D/A, suas aplicações e recomendações
foram detalhadas, bem como o diagrama dos circuitos mais simples utilizados na conversão de
sinais.
 PODCAST
Agora, o especialistaPaulo Godoy encerra falando sobre os principais pontos abordados no
tema.
AVALIAÇÃO DO TEMA:
REFERÊNCIAS
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas. Rio de
Janeiro: Livros Técnico e Científicos, 2010.
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas. V 2. Rio
de Janeiro: Grupo Gen-LTC, 2000.
BEGA, E. A. Instrumentação industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 2006.
BOYLESTAD, R. L. Introdução à Análise de Circuitos. 12. ed. São Paulo: Pearson Prentice
Hall, 2012.
CASTELETTI, L. F. Instrumentação industrial. v. 10, 2013. Colégio Politec. Consultado em
meio eletrônico em: 10 dez. 2020.
FIALHO, A. B. Instrumentação industrial: conceitos, aplicações e análises. São Paulo: Saraiva
Educação, 2002.
OPPENHEIM, A. WILLSKY, A. NAWAB, H. Sinais e Sistemas. São Paulo: Pearson Prentice-Hall,
2010.
PERTENCE JR., A. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos. 8. ed. Porto Alegre:
Bookman, 2015.
EXPLORE+
Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema, pesquise o artigo científico:
Um termômetro eletrônico de leitura direta com termistor. Rev. Bras. Ensino Fís. v.27
n.3 São Paulo, 2005.
CONTEUDISTA
Paulo Godoy
DESCRIÇÃO
Os sensores e os transdutores constituem a parte mais importante da instrumentação industrial.
Esses dispositivos são responsáveis pela medição da variável que se deseja conhecer no
processo.
PROPÓSITO
Compreender o funcionamento dos principais tipos de sensores e transdutores aplicados em
processos industriais.
PREPARAÇÃO
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos papel, caneta e smartphone/computador.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de grandezas elétricas,
temperatura e vazão
MÓDULO 2
Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de pressão e força, presença,
posição e deslocamento
MÓDULO 3
Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de nível e velocidade
MÓDULO 4
Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de gases, pH e aceleração
A IMPORTÂNCIA DOS SENSORES NOS
PROCESSOS INDUSTRIAIS

MÓDULO 1
 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de grandezas
elétricas, temperatura e vazão
MEDIDORES DE GRANDEZAS ELÉTRICAS E
SENSORES DE TEMPERATURA, ÓPTICOS E
DE VAZÃO
MEDIDAS ELÉTRICAS
As medições de grandezas elétricas são fundamentais em diversas atividades industriais. O
próprio funcionamento dos equipamentos elétricos que compõem a instrumentação depende de
fontes de alimentação estáveis, cujos valores de tensão e de corrente fornecidos aos circuitos
precisam ser conhecidos e/ou mensuráveis.
 VOCÊ SABIA
Atividades de operação e manutenção em circuitos e instalações elétricas também dependem da
correta medição dessas variáveis (tensão e corrente) para uma operação correta e segura.
Diversos instrumentos podem ser utilizados nos processos de medição de grandezas elétricas
para quantificação desses parâmetros. Veja alguns abaixo:
MULTÍMETROS
GALVANÔMETROS
CONVERSORES
DINAMÔMETROS
OHMÍMETROS
Tais instrumentos estão entre as ferramentas mais utilizadas e cada um pode apresentar um
princípio de funcionamento distinto que varia com a grandeza mensurada.
TENSÃO DC (CORRENTE CONTÍNUA)
A medição da intensidade da tensão DC pode ser baseada no princípio da força magnética, que
descreve a relação entre:
Força magnética
Campo magnético.
Cargas elétricas móveis
Corrente elétrica.
Baseando-se nesse princípio, é possível desenvolver um galvanômetro, que consiste
principalmente em uma bobina móvel — também conhecida como bobina móvel de D’Arsonval.
Ela possui uma agulha (ponteiro) que se move com a intensidade da corrente elétrica contínua
aplicada.
 Figura 1 – Galvanômetro (bobina móvel de D’Arsonval).
A corrente contínua — proporcional à tensão contínua aplicada — interage com o campo
magnético (ímã) e provoca a movimentação da agulha de maneira proporcional.
 ATENÇÃO
A unidade da tensão elétrica é o volt (V).
CORRENTE DC (CORRENTE CONTÍNUA)
O método mais utilizado é a partir da resistência de shunt (Rshunt). Nesse método, um divisor de
corrente é utilizado de maneira que a quase totalidade da corrente passe pela resistência de
shunt.
 Figura 2 – Medidor de corrente DC.
Um galvanômetro é utilizado para medir a tensão. A determinação da corrente que passa pela
resistência de shunt é feita por meio da Lei de Ohm.
(1)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que é a corrente (A), é a tensão (V) e é a resistência (Ω).
 ATENÇÃO
A unidade da corrente elétrica é o Ampére (A).
TENSÃO AC (CORRENTE ALTERNADA)
A medição de tensões AC funciona basicamente com o mesmo circuito de medição de tensão
DC. Utiliza-se um circuito retificador e mede-se a tensão DC com o uso do galvanômetro.
 Figura 3 – Medidor de tensão AC.
A tensão medida equivale ao valor eficaz da tensão AC, dado pela Equação 2:
Vgalvanômetro = Rshunt ⋅ Ishunt
Ishunt =
Vgalvanômetro
Rshunt
Ishunt Vgalvanômetro Rshunt
(2)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que é a tensão máxima do sinal AC (V) e
é o valor eficaz da tensão AC (V).
 ATENÇÃO
A unidade da tensão elétrica é o volt (V).
POTÊNCIA DC (CORRENTE CONTÍNUA)
A potência DC é a quantidade de trabalho realizado por unidade de tempo. A potência é
calculada a partir da Equação 3:
(3)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual P é a potência em Watt (W), V é a tensão em Volts (V) e I é a corrente em Ampères (A).
Assim, a potência DC é medida utilizando-se um medidor de corrente DC e um medidor de
tensão DC:
Veficaz=
Vmáximo
√2
Vmáximo
Veficaz
P = V . I
 Figura 4 – Medidor de potência DC.
 ATENÇÃO
A unidade da potência elétrica é o Watt (W).
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
Por definição, temperatura é o grau de agitação das moléculas de um corpo. Quanto mais
agitadas, maior é sua temperatura. Porém, não é possível realizar diretamente a medição do grau
de agitação das moléculas que compõem um corpo.
Desse modo, a temperatura é uma grandeza de medição indireta, ou seja, é realizada a medição
de outra variável que esteja intrinsicamente relacionada com a temperatura do corpo.
 EXEMPLO
Existem instrumentos cuja resistência elétrica varia com a temperatura de maneira bem definida.
Outros apresentam variações em suas dimensões (dilatação) com variação da temperatura.
Neste módulo serão detalhados alguns dos instrumentos mais utilizados na indústria para a
medição da temperatura.
 ATENÇÃO
A unidade da temperatura utilizada será o Kelvin (K).
TERMÔMETRO BIMETÁLICO
O termômetro bimetálico é, basicamente, constituído por duas lâminas metálicas que possuem
coeficientes de dilatação diferentes. Essas lâminas são fixadas juntas, de modo que a
deformação de uma é refletida na outra:
 Figura 5 – Termômetro bimetálico.
Conforme os metais apresentam coeficientes de dilatação diferentes, uma variação na
temperatura resultará em uma maior deformação no metal com maior coeficiente de dilatação.
Essa deformação levará a uma curvatura das lâminas.
 Figura 6 – Dilatação do termômetro bimetálico.
A curvatura é utilizada para implementar termômetros por dilatação, que podem ser dos tipos:
Helicoidal
espiral
Linear (cantilever)
 Figura 7 – Termômetro bimetálico espiral.
O outro metal, com coeficiente de dilatação linear menor, serve como mola trazendo os dois
metais para a situação de repouso com redução da temperatura.
TERMORRESISTORES
Os termorresistores são dispositivos essencialmente metálicos que apresentam coeficientes
muito sensíveis de variação da resistência com a temperatura. Suas resistências variam de
maneira significativa com as mudanças na temperatura, possibilitando seu uso na medição das
variações dessa grandeza física.
A relação da variação da resistência dos termorresistores com a temperatura é descritapela
equação a seguir:
(4)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual Rt é a resistência em ohms do dispositivo à uma temperatura T (oC); Ro é a resistência
em ohms à uma temperatura de referência;
 DICA
Tais dados são fornecidos pelo fabricante da termorresistência especificada.
A medição da termorresistência é, normalmente, realizada com um circuito do tipo Ponte de
Wheatstone.
TERMISTORES
Alguns dispositivos semicondutores apresentam variações exponenciais em suas resistências
com a temperatura, dentre eles os óxidos metálicos (cromo, ferro, manganês, entre outros).
Os termistores do tipo NTC apresentam uma resistência decrescente com o aumento da
temperatura:
(5)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual Ro é a resistência em ohms, à uma temperatura de referência em Kelvin, T é a
temperatura absoluta em Kelvin (K) e β é a constante do termistor.
Rt = R0 .  (1 + αT + βT 2 + … + γT 3)
RNTC = R0e
( )β
T
TERMOPARES
Os termopares são dispositivos que desenvolvem um potencial elétrico proporcional a uma
diferença de temperatura entre as junções metálicas do instrumento.
 SAIBA MAIS
Os termopares apresentam uma larga faixa de edição (-270 até 2.700 oC), além de serem
baratos e de fácil construção.
A junção de dois metais diferentes apresenta uma diferença de potencial que depende dos
metais utilizados e da temperatura da junção (Figura 7). Essencialmente, um termopar é
composto de dois fios de metais distintos soldados em uma extremidade (junção bimetálica ou
junta quente).
 Figura 7 – Termopar.
Na prática, a utilização do termopar é feita com uma junção de referência (junta a frio) que serve
como modelo para a variação da temperatura da junta quente. A junta a frio é mantida a uma
temperatura de referência (0 oC) e a junta quente é exposta ao ambiente onde deseja-se
determinar a temperatura, conforme a figura abaixo:
 Figura 8 – Termopar: juntas a frio e quente.
Quando a temperatura é igual nas duas junções, o potencial produzido é zero. Quando a
temperatura entre as duas junções é diferente, um potencial elétrico é formado entre os pontos A
e B.
UMA FORMA USUAL DE UTILIZAR UM TERMOPAR É
POR MEIO DE UM BLOCO ISOTÉRMICO, CUJA
TEMPERATURA VARIA DE MANEIRA UNIFORME COM
A TEMPERATURA AMBIENTE. O TERMOPAR É
INSTALADO NESSE BLOCO E A MEDIÇÃO DE SUA
TEMPERATURA É REALIZADA A PARTIR DE UM
SENSOR TÉRMICO (TERMISTOR,
TERMORRESISTÊNCIA ETC.).
As medições da temperatura do sensor térmico são inseridas em um circuito de compensação
que realiza subtração dessa medição da temperatura total medida, permitindo que apenas a
temperatura do termopar seja registrada.
 Figura 9 – Termopar: bloco de compensação.
 SAIBA MAIS
Alguns dispositivos semicondutores (diodos e transistores) apresentam características que
mudam com a variação da temperatura, podendo assim serem utilizados para medição da
temperatura. São exemplos: os diodos 1N4148, 1N914; e os sensores de temperatura, como o
LM 35, que são circuitos integrados com boa precisão.
ELEMENTOS ÓPTICOS E FOTOSSENSÍVEIS
Alguns materiais apresentam características fotossensíveis ou propriedades ópticas que
possibilitam seu uso como transdutores, permitindo a conversão de fótons (luz) em sinais
elétricos.
Outro tipo de sensor óptico funciona com um sinal de luz gerado por um diodo emissor de luz
(LED), no papel de transmissor, e com um receptor sensível ao sinal de luz do transmissor. Como
o sinal gerado possui uma frequência específica, o receptor apresenta um filtro que só considera
sinais com a mesma frequência.
CÉLULAS FOTOCONDUTORAS
As propriedades físicas dos materiais utilizados nessas células permitem que, por meio da
sensibilidade à incidência da luz, a condutividade desses materiais aumente e a resistência
diminua.
 Figura 10 – Célula fotocondutora.
FOTOACOPLADOR
Um dispositivo fotoacoplador é formado por um diodo emissor de luz (emissor de fótons) e um
dispositivo detector de luz. Dessa maneira, esse dispositivo, quando acionado, emite um feixe de
luz que é detectado pelo fotodetector, gerando um sinal na saída.
 Figura 11 – Fotoacoplador.
O FOTOACOPLADOR PERMITE UM ISOLAMENTO
MECÂNICO E ELÉTRICO ENTRE CIRCUITOS, TENDO
EM VISTA QUE O CIRCUITO RESPONSÁVEL PELO
ACIONAMENTO DO EMISSOR DE LUZ NÃO
APRESENTA CONTATO MECÂNICO OU ELÉTRICO
COM O CIRCUITO CONECTADO AO FOTODETECTOR
SENSOR RETRORREFLEXIVO
Dispositivo montado com um emissor e um receptor na mesma base ou em bases
diametralmente opostas (barreira). O feixe de luz enviado pelo emissor é detectado pelo receptor
(detector) após ser refletido por uma superfície refletora, até que o feixe de luz seja interrompido
por um objeto.
 Figura 12 – Retrorreflexivo: (A) bases individuais e (B) mesma base (barreira).
 SAIBA MAIS
Quando o transmissor e o receptor são montados em bases opostas, o sensor retrorreflexivo
recebe o nome de barreira e quando essa barreira é quebrada (o feixe de luz é interrompido) o
sensor é acionado.
SENSOR DIFUSO
Um emissor e um receptor são montados na mesma base. A luz enviada pelo emissor cria uma
“região ativa” na qual, na presença de um objeto, a luz é refletida e detectada pelo receptor.
 Figura 13 – Sensor difuso.
FIBRAS ÓPTICAS
Fibras ópticas são fios capilares formados por dois materiais cristalinos e homogêneos. O centro
da fibra óptica recebe o nome de núcleo e a camada externa recebe o nome de casca (Figura
14). Os materiais do núcleo e da casca possuem índices de refração calculados de maneira a
permitirem reflexão total da luz incidente no interior da fibra, segundo a Lei de Snell-Descartes.
 SAIBA MAIS
Uma das vantagens das fibras ópticas é a imunidade a ruídos externos, tendo em vista que a
informação no interior das fibras propaga-se como luz.
 Figura 14 – Fibra óptica.
A utilização da fibra óptica na instrumentação é baseada na emissão de um sinal de uma fonte de
luz e na detecção do sinal luminoso a partir de um foto detector. O sinal luminoso é modulado (em
fase, frequência ou cor) pela variável a ser detectada.
 Figura 15 – Funcionamento da fibra óptica
A utilização de fibras ópticas para detecção de temperatura é um exemplo. Uma máscara (rede
Bragg), que consiste em um pedaço da fibra com determinado padrão, é fixada em uma placa de
metal capaz de se dilatar e contrair com a variação da temperatura (Figura 16). Essa mudança no
comprimento da placa de metal promove uma mudança no comprimento de onda detectado pelo
foto detector, proporcional à mudança na temperatura.
 Figura 16 – Funcionamento da fibra óptica.
 SAIBA MAIS
Outra vantagem na utilização das fibras ópticas é a imunidade a ruídos elétricos que, em geral,
afetam os instrumentos baseados em grandezas elétricas.
MEDIDAS DE VAZÃO
O volume de um fluido (líquido ou gasoso) ou a quantidade de massa de um sólido em uma
unidade de tempo é denominada “vazão”, que pode ser:
Vazão volumétrica
Quando essa quantidade se refere ao volume de um líquido ou um gás.

Vazão mássica
Quando essa quantidade está relacionada à quantidade de massa de um sólido.
A vazão é uma variável de grande importância para os processos industriais e pode ser utilizada
na determinação da quantidade e do volume de uma variável do processo.
 ATENÇÃO
A unidade da vazão é a unidade do volume ou da massa que se está medindo, dividida pela
unidade de tempo considerada, podendo ser: m3/h, L/minuto, kg/h, entre outras.
VAZÃO VOLUMÉTRICA
A determinação da vazão volumétrica é feita de maneira indireta, ou seja, por meio da medição
de outra grandeza física que possibilita o cálculo da vazão.
DIFERENÇA DA PRESSÃO
Uma das maneiras mais usuais de se calcular a vazão volumétrica é através da medição da
pressão diferencial. Uma diferença de pressão em um trecho da tubulação por onde o fluido
passa é provocada pelo elemento primário do sensor de maneira a possibilitar o cálculo da
vazão.
Entre os sensores mais utilizadostemos:
PLACA DE ORIFÍCIO
Consiste em um disco posicionado de maneira a restringir a área de passagem do fluido dentro
da tubulação.
 Figura 17 – Placa de orifício.
A placa de orifício pode ser concêntrica, excêntrica ou segmentar, dependendo da aplicação.
A determinação da vazão com as placas de orifício é definida pela equação a seguir:
Q = α ⋅ A ⋅ √ ⋅(P1 − P2)2ρ
(6)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual α é o coeficiente geométrico do sistema, A é área do orifício (m2) e ρ é a densidade do
fluido (N/m3).
TUBO DE PITOT
É um dispositivo paralelo e perpendicular à direção do fluxo, que fornece a velocidade do fluxo
pela diferença entre as pressões total (PT) e estática (PS).
 Figura 18 – Tubo de Pitot.
A determinação da velocidade, em m/s, do fluido é definida pela equação:
(7)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual ξ é o coeficiente experimental entre 0,98 e 0,99.
ν = ξ ⋅ √ ⋅(PT − PS)2ρ
ROTÂMETRO
Consiste basicamente em um dispositivo flutuador colocado em um tubo com área variável. O
fluxo na direção vertical posiciona o flutuador em uma altura de equilíbrio, que é proporcional à
vazão volumétrica.
 Figura 19 – Rotâmetro.
A determinação da vazão volumétrica é definida pela equação:
(8)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual é uma constante que depende do coeficiente de descarga, At é a área da seção do
tubo e Af é a área do flutuador.
 VOCÊ SABIA
Q = k ⋅(At − Af)
k
Existem outras formas de medição da vazão como: o tubo de Venturi, o Vórtex, a turbina, a hélice,
o ultrassom e o sensor eletromagnético. Cada qual com suas particularidades (Veja nas
referências).
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 2
 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de pressão e
força, presença, posição e deslocamento
SENSORES DE FORÇA, PRESSÃO,
PRESENÇA E DESLOCAMENTO

MEDIÇÃO DE GRANDEZAS MECÂNICAS
A medição de grandezas mecânicas consiste, basicamente, em monitorar a variável mecânica
(força, velocidade, deslocamento etc.) e transformá-la em uma grandeza elétrica (tensão,
corrente, resistência etc.).
FORÇA
A força é definida, essencialmente, como o produto entre a massa e a aceleração (Segunda Lei
de Newton):
(9)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual F é a força em Newton (N), m é a massa em kg e a é a aceleração .
De maneira similar, temos a força peso e o produto entre a massa e a aceleração gravitacional:
(10)
F = m ⋅ a
(m/s2 )
W = m ⋅ g
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual é a força peso (kg.F), m é a massa em kg e g é a aceleração da gravidade .
 ATENÇÃO
A unidade do peso é o Newton (N).
BALANÇA DE BRAÇOS IGUAIS
Essa balança utiliza em seu funcionamento o princípio do momento de uma força (ou torque). O
momento de uma força é determinado pela equação a seguir:
(11)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual M é o momento da força , F é a força em Newton (N) e d é a distância em
relação a um ponto de referência (m).
A balança é formada por uma haste rígida apoiada em um pivô central, conforme a figura abaixo:
W (m/s2 )
M = F ⋅ d
F (N ⋅ m)
 Figura 20 – Balança de braços iguais.
O FUNCIONAMENTO DESSA BALANÇA SE DÁ PELO
EQUILÍBRIO DE FORÇAS. QUANDO O MOMENTO
PRODUZIDO PELA FORÇA CONHECIDA E O
MOMENTO CONHECIDO PELA FORÇA
DESCONHECIDA SÃO IGUAIS, O VALOR DA MASSA
DESCONHECIDA (MD) PODE SER CALCULADO PELA
PRÓXIMA EQUAÇÃO.
md ⋅ g ⋅ d = mc ⋅ g ⋅ d
md = mc
(12)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 ATENÇÃO
O que se está medindo com a balança é a massa do corpo, embora esteja sob ação da
aceleração da gravidade e, assim, relacionada à força peso.
STRAIN GAUGES
Os strain gauges são resistências cuja resistividade elétrica varia com a aplicação de uma força
sobre elas.
 Figura 21 – Strain gauge.
Tal resistência pode ser montada sob uma plataforma e a variação na resistência elétrica do
strain gauge pode ser medida com a utilização de uma Ponte de Wheatstone.
 Figura 22 – Balança com strain gauge.
MEDIDAS DE PRESSÃO
De maneira simplificada, a pressão pode ser definida como a aplicação de uma força normal
(perpendicular ao plano) sobre determinada superfície.
 RESUMINDO
Pressão é a razão entre a força aplicada e a área na qual essa força é aplicada.
Considerando-se, então, forças de mesma intensidade, quanto menor for a área na qual a força
será exercida, maior será a pressão aplicada. 
Ao aplicar-se uma força (F) de maneira perpendicular sobre uma área (A), a pressão pode ser
calculada pela seguinte equação:
(13)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A pressão sobre um corpo é medida em Pascal (Pa), definida como Newton por metro quadrado
(N/m2). Ela pode ser dividida em:
Pressão absoluta
Medida em relação ao vácuo (pressão zero).
Pressão manométrica
Medida em relação à pressão atmosférica.
Pressão negativa
Pressão abaixo da pressão atmosférica e acima do vácuo.
Pressão diferencial
Diferença de pressão entre dois pontos.
P = F
A
 VOCÊ SABIA
Pressão atmosférica é aquela exercida sobre todas as coisas na superfície do planeta pelo peso
da coluna de ar que forma a atmosfera da Terra. Por esse motivo, ao nível do mar a pressão é
maior do que no alto de uma montanha, visto que a coluna de ar também é maior.
MANÔMETRO TIPO U
O manômetro do tipo U permite a determinação da diferença de pressão entre dois pontos.
 Figura 23 – Manômetro do tipo U.
A EQUAÇÃO A SEGUIR É CHAMADA DE
EQUAÇÃO DE BERNOULLI:
(14)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 A equação de Bernoulli descreve o comportamento de fluidos em movimento no interior de um
tubo. Para o caso de fluidos estáticos, ela pode ser simplificada para:
(15)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Assim, na Figura 23, a pressão no ponto A é dada por:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
E, no ponto B:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Igualando-se as duas equações, obtém-se:
p + ρ ⋅ + ρ ⋅ g ⋅ h = constanteν
2
2
p + ρ ⋅ g ⋅ h = constante
pA + ρ ⋅ g ⋅ hA = constante
pB + ρ ⋅ g ⋅ hB = constante
pA + ρ ⋅ g ⋅ hA = pB + ρ ⋅ g ⋅ hB
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
(16)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Desse modo, pela Equação 16, a diferença de pressão entre os dois pontos pode ser calculada
pela diferença de altura (H) entre as colunas do manômetro U.
ELEMENTOS ELÁSTICOS
Os elementos elásticos são dispositivos que permitem a medição da pressão a partir da
deformação de estruturas elásticas, como os instrumentos do tipo Bourdon.
TAIS DISPOSITIVOS APRESENTAM ESTRUTURAS
COM FORMATOS DISTINTOS (TIPO C, ESPIRAL E
HELICOIDAL), QUE SE DEFORMAM COM O AUMENTO
DA PRESSÃO EM SUAS ENTRADAS. QUANTO MAIOR
A PRESSÃO, MAIOR É A DEFORMAÇÃO. QUANDO A
PRESSÃO É REDUZIDA, AS ESTRUTURAS
RETORNAM AO SEU FORMATO ORIGINAL.
Na figura abaixo é possível observar dois tipos de manômetros Bourdon: a) espiral e b) Tipo – C.
No manômetro Tipo – C, com o aumento da pressão, o arco em formato de C se deforma (se
abre); quando a pressão é reduzida, o arco volta ao formato original.
pA − pB = ρ ⋅ g ⋅(hB − hA)
Δh =
Δp
ρ⋅g
 Figura 24 – Manômetro do tipo Bourdon: a) espiral e b) Tipo – C.
MANÔMETRO TIPO MEMBRANA OU DIAFRAGMA
Instrumento utilizado na medição da pressão constituído por um disco de material elástico fixo
pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. 
A membrana se desloca de forma proporcional à pressão aplicada.
MANÔMETRO TIPO FOLE
Também utilizadona medição de pressão, ele é basicamente um cilindro metálico com o formato
de uma sanfona. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole do manômetro, ela provoca
sua distensão. Essa distensão se opõe à força de uma mola e o deslocamento é proporcional à
pressão aplicada à parte interna.
 Figura 25 - Manômetro do tipo Fole.
SENSORES DE PRESENÇA
Os sensores de presença são utilizados na detecção de objetos, pessoas e animais em
determinado local. Sua utilização vai de sistemas de vigilância, detecção de pessoas não
autorizadas dentro de locais, até em segurança operacional e processo produtivo.
SENSOR INFRAVERMELHO
O sensor infravermelho pode ser ativo ou passivo.
Sensor infravermelho ativo
Funciona com um emissor (transmissor) e um receptor instalados em bases opostas, criando
uma barreira luminosa entre eles. Quando o feixe é interrompido, o sensor é acionado.

Sensor infravermelho passivo
É formado apenas por um receptor com sensibilidade ajustável. Quando algum feixe
infravermelho é detectado por esse receptor, o alarme dispara.
SENSOR ULTRASSÔNICO
Esse tipo de sensor funciona emitindo sinais ultrassônicos a partir de um emissor. Um receptor
ultrassônico recebe esse sinal quando refletido em um objeto:
 Figura 26 –Sensor ultrassônico.
SENSOR INDUTIVO
São sensores de proximidade sem necessidade de contato, porque um campo magnético é
produzido por um sinal de alta frequência, produzido por um oscilador e uma bobina. A presença
de um corpo condutor metálico altera o campo magnético gerado e essa alteração é detectada
pelo sensor.
 Figura 27 - Sensor indutivo.
 VOCÊ SABIA
Quando dois ou mais sensores indutivos forem instalados em um mesmo local, é necessário
manter uma distância entre eles para evitar interferências.
SENSORES CAPACITIVOS
São similares aos sensores indutivos, entretanto, no lugar de um campo magnético apresentam
um campo elétrico. As alterações nesse campo elétrico são percebidas pelo sensor.
SENSORES DE POSIÇÃO
Essencialmente são dispositivos que convertem a posição de um objeto em um sinal elétrico.
Alguns exemplos são:

CHAVE LIMITADORA
Consiste em um contato elétrico simples. O contato se mantém fechado enquanto o objeto está
encostado na chave e o contato se abre quando o objeto se afasta o suficiente.

SENSOR RESISTIVO DO TIPO POTENCIÔMETRO
Esse sensor consiste em uma resistência que varia com a mudança na posição do objeto..
SENSOR DE DESLOCAMENTO
Dentre os sensores de deslocamento mais comuns estão os encoders, que podem ser lineares
ou rotativos:
 Figura 28 – Encoders: (A) linear e (B) angular.
Quanto ao funcionamento, podem ser incrementais ou absolutos.
Incrementais
Indicam o deslocamento a partir da contagem de pulsos em relação a um ponto inicial de
referência.

Absolutos
Fornecem determinada palavra (conjunto de bits) para cada posição.
Os encoders convertem deslocamento linear ou angular em trens de pulsos ou bits.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 3
 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de nível e
velocidade
SENSORES DE NÍVEL E VELOCIDADE
MEDIDORES DE NÍVEL
A medição de nível é uma das mais importantes do meio industrial. Sistemas para medição de
nível podem ser muito simples ou extremamente complexos, além de permitirem monitoramento
local ou remoto.
Os métodos de medição de nível dividem-se em:
Direta
Indireta
Descontínua
MEDIÇÃO DIRETA
Nesse método, a medição é realizada a partir da observação direta da posição da variável.
RÉGUA OU GABARITO
É fundamentalmente uma régua instalada dentro de um reservatório. A posição do nível do fluido
nessa régua indica o nível do reservatório.
 Figura 29 – Régua ou gabarito.
VISOR DE NÍVEL
O visor de nível é aplicável à monitoração do nível de líquido ou da interface entre dois líquidos
imiscíveis. Esse instrumento funciona com o princípio dos vasos comunicantes.
Nesse tipo de instrumento, um tubo transparente é colocado a partir da base do reservatório até o
seu ponto mais alto, permitindo a leitura precisa do nível do líquido, mesmo para altas pressões.
 Figura 30 – Visor de nível.
FLUTUADOR
Esse medidor indica o nível dentro de um tanque a partir da movimentação de subida ou descida
do fluido. A medição do nível é feita por meio de uma boia ou flutuador ligado por um cabo a um
indicador de nível do tanque (escala).
 Figura 30 – Visor de nível.
Vale destacar que a escala do tanque é invertida (o zero da escala coincide com o topo do
tanque), isso se deve à construção do instrumento. Quando a boia desce, o nível abaixa e o
indicador na escala sobe.
MEDIÇÃO INDIRETA
Nesse método, a medição do nível é realizada a partir da medição de outra variável
intrinsicamente relacionada ao nível, como a pressão.
EMPUXO
Esse tipo de medidor utiliza em seu funcionamento o princípio do empuxo de Arquimedes, que é
a força exercida pelo fluido em um corpo submerso ou flutuante. A força empuxo sobre um
flutuador é transmitida para um indicador instalado no tanque.
 Figura 32 – Empuxo.
PRESSÃO DIFERENCIAL
Esse tipo de instrumento permite a medição do nível a partir das medições da pressão de “alta” e
de “baixa” do tanque. A pressão de “alta” é a pressão na base do tanque exercida pela coluna de
fluido dentro dele. A pressão de “baixa” é a pressão no topo do tanque. Se ele estiver aberto, a
pressão de “baixa” é igual à pressão atmosférica.
 Figura 33 – Pressão diferencial.
A determinação do nível (Δh) é feita a partir da mesma Equação 16 do manômetro tipo U:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
BORBULHADOR
Tal medidor utiliza a injeção de gás de instrumentação (gás inerte) ou ar de instrumentação no
interior do tanque, cujo nível se deseja mensurar. A pressão de ar ou gás é aumentada até que
bolhas do ar (gás) sejam observadas na superfície do líquido (Figura 34).
O processo de medição é baseado no seguinte princípio: para que o ar escape (as bolhas surjam
na superfície) é necessário que a pressão de injeção seja igual à pressão no interior do tanque.
 Figura 34 – Borbulhador.
MEDIDOR DE NÍVEL CAPACITIVO
O medidor capacitivo de nível utiliza uma sonda (eletrodo) submersa no tanque e a capacitância
entre as paredes do tanque e a sonda são mensuradas. O nível do fluido dentro do tanque altera o
valor da capacitância. Quanto maior o nível, maior é a capacitância.
Δh =
Δp
ρ⋅g
 Figura 35 – Capacitivo.
Outra topologia para o medidor de nível capacitivo é apresentada na figura a seguir. A sonda
capacitiva forma um capacitor de placas paralelas com a superfície do líquido. Quanto mais
elevado o nível, maior será a capacitância.
 Figura 36 – Capacitivo: placas paralelas.
MEDIDOR DE NÍVEL ULTRASSÔNICO
Esse medidor de nível funciona com o mesmo princípio do sensor de presença ultrassônico. A
emissão de sinais de alta frequência do sensor de nível é utilizada para detecção do nível de
fluidos ou sólidos dentro de um tanque. A emissão e a detecção do sinal são realizadas pelo
sensor de nível ultrassônico (Figura 37). 
As ondas ultrassônicas são geradas pelo sensor, refletem-se na superfície do fluido ou sólido
armazenados dentro do tanque e são detectadas pelo mesmo sensor. O tempo necessário para o
deslocamento das ondas permite a determinação da distância percorrida por elas e,
consequentemente, do nível dentro do tanque.
 Figura 37 – Sensor de nível ultrassônico.
SENSOR DE NÍVEL POR RADAR
Esse tipo de sensor possui uma antena que emite pulsos eletromagnéticos de alta frequência à
superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida pode ser
calculada pela diferença de tempo entre a emissão e a recepção do sinal.
MEDIÇÃO DESCONTÍNUA
A medição descontínua é utilizada para medição do nível em pontos predeterminados (medição
descontínua) por meio de sensores pontualmente instalados, como boias e chaves de nível. Essa
medição é utilizada fundamentalmente em sistemas de alarmes aplicados emsistemas de
segurança e alarmes.
MEDIÇÃO DESCONTÍNUA POR ELETRODOS DE
CONDUTIVIDADE
O medidor por eletrodos de condutividade permite a determinação do nível pela medição da
corrente elétrica no amperímetro (A). Uma tensão contínua é fornecida aos eletrodos que estão
submersos. 
Quando o nível do fluido dentro do tanque aumenta, os eletrodos ficam submersos e as
resistências ligadas a ele ficam em by-pass (curto-circuito). Isso faz com que a resistência
equivalente do circuito diminua (Figura 38). 
Pela 1a Lei de Ohm (Equação 1 – Medidas Elétricas – Corrente DC) a relação entre a resistência
e a corrente é inversamente proporcional, ou seja, quando a resistência reduz, a corrente
aumenta. Assim, medindo-se a corrente é possível estimar se o nível do tanque aumentou ou
diminuiu internamente.
 Figura 38 – Medidor por eletrodos.
MEDIÇÃO DESCONTÍNUA POR BOIA
A utilização dos medidores do tipo boia permite a detecção do nível de líquidos dentro de tanques
quando atingem determinados pontos de referência preestabelecidos. A boia é ligada a um
contato elétrico (que pode ser normalmente aberto ou normalmente fechado) quando o fluido
chega até ela (Figura 39).
Dessa maneira, a chave da boia fecha ou abre um contato elétrico, dependendo da topologia do
circuito utilizado para ligar ou desligar uma bomba ou alarme quando determinado nível é
atingido.
 Figura 39 – Medidor do tipo boia.
MEDIDOR DE VELOCIDADE
O sensor de velocidade fornece um sinal em forma de onda com frequência proporcional à
velocidade do veículo. Se o veículo se movimenta a uma velocidade relativamente baixa, o sensor
produz um sinal de baixa frequência. À medida que a velocidade aumenta, o sensor gera um sinal
de frequência maior.
 Figura 40 – Medidor de velocidade.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 4
 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de gases, pH e
aceleração
SENSORES DE GASES, PH E ACELERAÇÃO

SENSORES DE GASES
Os sensores de gases são fundamentais nas indústrias para detecção de gases tóxicos e/ou
inflamáveis. São de grande importância para a segurança de pessoas, equipamentos e
processos.
A finalidade desse tipo de sensor é fornecer em sua saída um sinal elétrico que pode ser
proporcional à concentração do gás (analógico) ou um sinal único após determinada
concentração limiar (digital).
 Figura 41 – Medidor de gás: (A) analógico e (B) digital.
Há diversos tipos de sensores de gases disponíveis e com tecnologias distintas. Alguns fazem
uso de reações eletroquímicas e outros o uso de sensores infravermelhos.
SENSORES ELETROQUÍMICOS
Os sensores eletroquímicos funcionam com dois eletrodos separados por uma solução chamada
de eletrólito. O eletrodo superior é altamente permeável, permitindo a passagem do gás, e o
eletrólito é feito com uma solução capaz de reagir com o gás que se deseja medir (Figura 42).
Com o aumento da concentração do gás, aumenta a condutividade elétrica da solução e,
consequentemente, maior é a corrente que circula entre os dois eletrodos, indicando o aumento
da concentração do gás de maneira proporcional.
 Figura 42 – Sensor eletroquímico.
SENSORES INFRAVERMELHOS
Essa família de sensores utiliza em seu princípio de funcionamento a absorção da radiação
infravermelha.
 VOCÊ SABIA
A radiação infravermelha é amplamente utilizada na identificação de elementos químicos, pois
cada componente possui um comprimento específico de absorção. Isto é, cada componente
absorverá um, e apenas um, comprimento de onda.
Assim, ao passar um feixe infravermelho por uma amostra de gás, os elementos químicos que
compõem a amostra absorvem a luz infravermelha de seus respectivos comprimentos de onda.
Dessa maneira, é possível identificar a presença de um gás reconhecendo apenas os
comprimentos de onda absorvidos.
UTILIZANDO-SE FILTROS ESPECÍFICOS PARA O
COMPRIMENTO DE ONDA DO GÁS QUE SE DESEJA
DETECTAR, É POSSÍVEL RECONHECER SE A
FREQUÊNCIA DAQUELE GÁS FOI ABSORVIDA. CASO
POSITIVO, UM SINAL ELÉTRICO É GERADO.
SENSOR DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Esse sensor é específico para gases com condutividade térmica muito maior do que o ar. Dois
eletrodos aquecidos são colocados em duas câmaras diferentes: Uma câmara selada contendo
ar está a uma temperatura específica com um eletrodo de referência; a outra câmara permite a
entrada do gás, e quanto maior a sua concentração, maior será a condutividade térmica e menor
a temperatura do eletrodo.
 RESUMINDO
A diferença de temperatura entre o eletrodo de referência e o eletrodo exposto ao gás é
proporcional à sua concentração.
SENSORES DE PH
Um sensor de pH é formado por um eletrodo conectado a um potenciômetro que converte o valor
de potencial do eletrodo em unidades de pH. No momento em que esse eletrodo é submerso na
amostra que será analisada, como a água, por exemplo, ele produz milivolts que são
transformados para a escala de pH. Esse resultado pode ir de 0 a 14.
 SAIBA MAIS
Quanto mais próximo do zero, mais ácida é a solução. Se, porém, os valores são maiores —
mais próximos do 14 — a amostra é mais alcalina. A solução é considerada neutra quando o
valor do pH for 7.
ACELERÔMETROS
Acelerômetros são dispositivos dedicados a medir a aceleração sofrida por um corpo. São
muitas as situações nas quais os acelerômetros são aplicados.
Existem diversos métodos para a construção de um acelerômetro:
Utilizando materiais piezoelétricos
Os cristais piezoelétricos, quando são comprimidos por forças como a aceleração, geram um
potencial elétrico.

Capacitativo
A força exercida modifica a distância entre as placas paralelas do capacitor e,
consequentemente, sua capacitância equivalente.
Veja um exemplo do método capacitativo:
 Figura 43 – Funcionamento de um acelerômetro.
Os acelerômetros são extensamente utilizados em sistemas de airbags automotivos e celulares
(na rotação das telas).
VERIFICANDO O APRENDIZADO
CONCLUSÃO
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Apresentamos os sensores para medição de grandezas elétricas e introduzimos os sensores
para medição de temperatura, os sensores ópticos e os sensores de vazão. A partir do conteúdo
estudado, os conceitos fundamentais sobre o funcionamento desses sensores puderam ser
compreendidos. 
Em seguida, vimos os conceitos básicos dos instrumentos para medição de força e de pressão.
Os sensores de presença também foram apresentados, além dos sensores de posição e
deslocamento, como os encoders. 
No terceiro módulo, analisamos os sensores para medição de nível, incluindo os sensores para
medição direta, indireta e descontínua. Vimos os sensores para medição da velocidade,
largamente utilizados na indústria automotiva. 
Por fim, estudamos os sensores de gases, amplamente utilizados em sistemas de segurança
para proteção operacional e da produção. Os sensores de pH nos permitiram o entendimento
sobre a medição do nível de acidez de uma solução, já os acelerômetros nos apresentaram o
funcionamento desses sensores responsáveis pela rotação das telas dos celulares e pelo
funcionamento de airbags.
 PODCAST
AVALIAÇÃO DO TEMA:
REFERÊNCIAS
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas. Rio de
Janeiro: Livros Técnico e Científicos, 2010. 
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas. Vol. 2.
Rio de Janeiro: Grupo Gen-LTC, 2000. 
BEGA, E. A. Instrumentação industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. 
CASTELETTI, L. F. Instrumentação industrial. v. 10, 2013. Colégio Politec. Consultado em
meio eletrônico em: 10 dez. 2020. 
FIALHO, A. B. Instrumentação industrial: conceitos, aplicações e análises. São Paulo: Saraiva
Educação, 2002.
EXPLORE+
Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema, leia o artigo:
Desenvolvimento de um dispositivo eletrônico para calibração de sensores de
umidade do solo. Engenharia Agrícola. In: Scielo.
CONTEUDISTA
Paulo Godoy
DESCRIÇÃO
Os equipamentos de aquisição de dados, os softwares utilizados nos sistemas de aquisiçãode
dados e as principais ferramentas de processamento de sinais para o controle digital.
PROPÓSITO
Compreender o funcionamento dos equipamentos de aquisição de dados, os softwares
empregados nos sistemas de aquisição e os sistemas de processamento de sinais digitais para
o controle da qualidade da ação industrial.
PREPARAÇÃO
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha à mão papel, caneta e smartphone ou computador.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Descrever o funcionamento dos equipamentos de aquisição de dados
MÓDULO 2
Descrever o funcionamento dos principais softwares utilizados nos sistemas de aquisição de
dados
MÓDULO 3
Identificar a aquisição digital de sinais de instrumentação e controle digital
OS SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS E
PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS
MÓDULO 1
 Descrever o funcionamento dos equipamentos de aquisição de dados
EQUIPAMENTOS DE AQUISIÇÃO DE DADOS
COMO OCORRE A AQUISIÇÃO DE DADOS?
Os sistemas de aquisição de sinais, chamados de Data Acquisition (DAQ) ou Digital Acquisition
Systems (DAS), são utilizados para o recebimento de sinais mensurados dos processos
industriais e obtidos pelos sensores para monitoramento e/ou controle desses processos.
Originalmente, esses sistemas de aquisição registravam as informações em fitas ou papel. Os
atuais convertem os sinais analógicos em digitais, permitindo seu armazenamento em meios
digitais (virtuais ou físicos) e a exibição das informações em sistemas supervisórios — telas que
permitem seu monitoramento e controle.
Essencialmente, os sistemas digitais de aquisição de sinais são divididos em:
Sensores;
Condicionadores de sinais;
Conversores A/D e D/A;
Sistemas de aquisição de sinais.
Sensores, condicionadores de sinais e conversores foram abordados em temas anteriores.
Neste tema, falaremos sobre os sistemas de aquisição de sinais, seu princípio de funcionamento
e suas especificidades.
TIPOS DE SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE
DADOS
É possível realizar a aquisição de dados de variadas maneiras, tendo em vista que, de maneira
simplificada, sua aquisição consiste na medição de sinais de alguma natureza física seguida de
seu armazenamento.
O processo é similar aos sentidos do corpo humano, como a visão, em que o olho humano
recebe informações provenientes da reflexão da luz visível nos corpos e as envia para o cérebro,
que efetua seu processamento e armazenamento. O mesmo se pode dizer do olfato, tato, paladar
e audição.
Os passos para a aquisição de um sinal proveniente de um meio físico são:
Captação pelo elemento sensor

Transformação em um sinal passível de ser entendido pelo sistema (pelo transdutor)

Conversão em sinal digital

Tratamentos necessários para que o sinal seja armazenado de maneira conveniente
Contudo, também é necessário haver a transformação desse sinal em um formato reconhecível
pelo operador para a disponibilização e o monitoramento do dado obtido do meio físico
considerado. Esse monitoramento pode ser feito por um display digital, uma interface homem-
máquina (IHM) ou um sinal sonoro.
O SISTEMA TAMBÉM PODE REALIZAR A
AQUISIÇÃO DOS DADOS E ATUAR SOBRE ELES.
NESSES CASOS, DIZ-SE QUE ELE É DE
AQUISIÇÃO E CONTROLE.
 EXEMPLO
Um sistema de ar-condicionado realiza o monitoramento da temperatura em um ambiente e pode
disponibilizar o valor dela apurado em um display digital. Quando o valor medido está abaixo
daquele especificado pelo usuário, o compressor do aparelho (responsável pelo resfriamento do
ar ambiente) desliga e o ar ambiente fica apenas circulando no local. Contudo, quando a
temperatura medida está acima do valor especificado pelo usuário, o compressor é ligado e o ar
ambiente, resfriado de maneira a abaixar a temperatura no local.
A leitura dos dados é feita pelas entradas do sistema de aquisição, enquanto os sinais de
controle são enviados pelas saídas do sistema.
SISTEMAS LOCAIS
Os sistemas de aquisição locais são aqueles cujos instrumentos de medição (sensores) estão
próximo do sistema de processamento e controle.
SISTEMAS REMOTOS
Os sistemas remotos são aqueles em que as unidades de processamento e controle estão
localizadas distantes do processo industrial, necessitando de meios mais robustos de
transmissão.
ETAPAS DA AQUISIÇÃO DE DADOS
Os sistemas de aquisição de dados são preparados para receber dados de variáveis
analógicas, como temperatura, tensão, umidade e corrente, entre outras, a partir de sinais
digitais.
Esses sistemas possuem uma interface de entrada de sinais analógicos cujos canais são
equipados com condicionadores de sinais com conversores analógico-digitais (A/D).
No caso de aquisição de sinais com natureza digital (chaves, botões, sensores descontínuos
etc.), os conversores A/D não são necessários. As entradas passam por outros condicionadores
de sinais (amplificadores, filtros etc.) quando necessário.
As variáveis analógicas (temperatura, pressão, umidade etc.) são percebidas pelos sensores e
processadas (convertidas pelos transdutores, transmissores e conversores em sinais elétricos
padronizados e digitais). Esses dados digitais são utilizados pelos controladores e, por meio das
lógicas digitais, processados e utilizados no monitoramento e controle dos processos industriais.
OS SENSORES SÃO RESPONSÁVEIS POR
TRANSFORMAR UM FENÔMENO FÍSICO EM
SINAIS ELÉTRICOS. UMA VEZ DETECTADOS,
ESSES SINAIS VARIAM DE ACORDO COM OS
PARÂMETROS DO PROCESSO INDUSTRIAL QUE
ESTÃO SENDO MONITORADOS E DEVEM SER
ACONDICIONADOS PARA FORNECER SINAIS
APROPRIADOS AO
HARDWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS.
Os elementos de processamento dos sinais amplificam, convertem e filtram os sinais para que
eles sejam apropriados aos hardwares de aquisição. Uma vez condicionados e trabalhados da
forma desejada, os sinais podem ser lidos em controladores ou até mesmo computadores, com
placas específicas instaladas e armazenadas de diferentes formas, como arquivos de texto,
Excel, banco de dados etc.
 Fonte: EnsineMe, 2021. Aquisição de sinais.
Portanto, um sistema de aquisição de dados é composto por uma arquitetura de elementos
condicionadores de sinais que se comunicam mutuamente. Eles são responsáveis pelo
processamento do sinal analógico para sua posterior disponibilização aos circuitos digitais de
controle e monitoramento.
ELEMENTOS USADOS EM UM SISTEMA DE
AQUISIÇÃO DE DADOS
Um sistema de aquisição é composto basicamente por:
SENSORES

CONDICIONADORES DE SINAIS

SISTEMA DE AQUISIÇÃO
SENSORES
Os sensores são responsáveis pela observação da variável, deixando-a disponível para que seja
mensurada. Quando associados aos transdutores, são responsáveis por converter a grandeza
física mensurada em um sinal elétrico que pode ser tratado para sua utilização.
CONDICIONADORES DE SINAIS
Os condicionadores de sinais são divididos em amplificadores, conversores e filtros, além de
outros já estudados em temas anteriores. São responsáveis por tratar o sinal de maneira a torná-
lo adequado para ser utilizado pelo circuito digital.
Um tipo de condicionador de sinal com alta relevância são os multiplexadores. Eles permitem que
um circuito digital receba múltiplas entradas digitais simultaneamente e as converta em apenas
uma.
Um multiplexador pode, por exemplo, possuir oito entradas digitais e transformá-las em apenas
uma saída a ser repassada ao controlador (multiplexador 8x1). Dessa maneira, o controlador
selecionaria qual dessas entradas seria utilizada em cada leitura.
MÓDULO DE AQUISIÇÃO
Os módulos de aquisição são compostos essencialmente de entradas analógicas, conversor A/D,
sinais analógicos, trigger, entradas e saídas digitais, contadores e temporizadores e
processadores. Vamos conhecer melhor cada um deles.
ENTRADA ANALÓGICA
As entradas analógicas recebem os dados provenientes dos sensores analógicos que serão
tratadas pelo sistema de condicionamento de sinais e pelo conversor A/D. As especificações
fundamentais para a seleção das entradas analógicas são:
NÚMERO DE CANAIS
As entradas analógicas podem ser dotipo single-ended ou diferenciais. Entradas single-ended
são específicas para sinais com amplitude suficientemente alta para serem diferenciadas de
possíveis ruídos (por exemplo, sinais de tensão maiores do que 1V). Normalmente, para esse tipo
de entrada, a distância entre o sensor e o sistema de aquisição é reduzida para se evitar perdas
significativas durante a transmissão. Em casos de sinais com amplitudes menores, circuitos
diferenciais são utilizados a fim de reduzir os efeitos dos ruídos.
TAXA DE AMOSTRAGEM
Esse parâmetro define a quantidade de amostras do sinal de entrada vindo do sensor que serão
lidas pelo conversor A/D na entrada do controlador. Quanto maior a taxa de amostragem, mais
amostras do sinal enviado pelo sensor serão lidas pelo controlador. Um elevado número de
amostras torna o lido por ele mais próximo do sinal real da variável.
RESOLUÇÃO
Corresponde ao número de bits utilizado pelo controlador para representar o sinal enviado pelo
sensor.
ESCALA DE ENTRADA
Refere-se aos limites de tensão (máximo e mínimo) que o conversor é capaz de receber na
entrada do controlador.
CONVERSOR A/D
Responsável pela conversão dos sinais analógicos vindos dos sensores em digitais. As
características fundamentais de um conversor A/D são:
TEMPO DE CONVERSÃO
Tempo necessário para a completa conversão do sinal analógico em digital.

TEMPO DE AQUISIÇÃO
Tempo necessário para a completa aquisição do sinal analógico pelo conversor A/D.

TEMPO DE TRANSFERÊNCIA
Tempo total necessário para a transferência dos dados da interface para o processador do
controlador.
De maneira geral, os tempos mencionados anteriormente são somados e chamados de
throughput.
 VOCÊ SABIA
A taxa de amostragem deve respeitar o teorema de Nyquist, segundo o qual a taxa de
amostragem deve ser ao menos duas vezes maior que a frequência do sinal a ser adquirido.
SINAIS ANALÓGICOS
São produzidos por um sistema de controle a partir de um estímulo obtido na entrada do sistema
de aquisição. Entre as especificações fundamentais para os circuitos de saídas analógicas,
estão:
TEMPO DE AJUSTE
Tempo necessário para que as saídas do controlador estejam estáveis e disponíveis para serem
enviadas ao processo industrial.
SLEW RATE
Taxa máxima em que o conversor digital-analógico produz o sinal de saída do controlador.
RESOLUÇÃO DE SAÍDA
Número de bits do sinal produzido na saída do controlador. Quanto maior esse número, melhor
será a qualidade do sinal produzido nessa saída.
 VOCÊ SABIA
O tempo de ajuste e o slew rate precisam ser compatíveis para que o sinal a ser disponibilizado
pelo controlador na saída esteja completamente convertido.
TRIGGER
Esse circuito é responsável por definir quando a aquisição de dados pelo módulo deve começar
e parar. Os circuitos de trigger definem quando a leitura dos dados efetuada pela entrada
analógica precisa começar e quando tem de parar a fim de que a conversão possa acontecer.
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS
Essas entradas não necessitam de conversão A/D. Contudo, é importante destacar que a taxa
que se pode admitir e gerar dados pelo controlador precisa ser respeitada, tendo em vista a
utilização adequada dos bits do controlador. Por exemplo, o número de bits produzido na saída
pode ser responsável por gerar o nível DC de uma saída digital, e essa informação pode ser
fundamental para a abertura e o fechamento de uma válvula grande ou para controlar a potência
de um motor com uma saída PWM (modulação por largura de pulso).
CONTADORES E TEMPORIZADORES
São utilizados em inúmeras atividades do controlador digital, como a contagem dos eventos
digitais e a sincronização entre as diversas partes que compõem o controlador.
PROCESSADORES
São responsáveis pelo processamento dos sinais adquiridos e pela execução das funções
especificadas pela programação do controlador.
INTERFACES DE SAÍDA
A interface homem-máquina (IHM) é um exemplo de periférico ou interface de saída. Ela permite a
comunicação entre o sistema e o operador, possibilitando seu monitoramento e controle.
Possibilita ainda a visualização das informações e, em alguns casos, a inserção de novas
informações no processo ou modificações de variáveis, possibilitando a alteração do processo.
Essa diferenciação ocorre porque as interfaces entre a máquina e o operador podem ser apenas
lâmpadas indicadores (sinais luminosos), campainhas ou buzzers (sinais sonoros) ou telas de
operações com teclados, membranas ou touch screen.
As IHMs mais antigas eram do tipo monocromática e possuíam teclados de membrana. Sua
programação era feita a partir de softwares próprios fornecidos pelos fabricantes e necessitavam
de um computador para serem programadas. As novas interfaces possuem telas do tipo touch
screen e sistemas operacionais próprios, podendo ser programadas na própria tela.
Alguns sistemas permitem alterações nas configurações do processo apenas com ele parado, ou
seja, sem que o sistema esteja em atividade. Esse tipo de intervenção é chamado de intervenção
a frio.
Outros sistemas, entretanto, permitem que alterações sejam feitas com o sistema em
funcionamento, isto é, há mudanças nos parâmetros em tempo real (real time), e elas influenciam
o comportamento do sistema simultaneamente ao seu monitoramento. Esse tipo de intervenção é
denominado intervenção a quente.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 2
 Descrever o funcionamento dos principais softwares utilizados nos sistemas de
aquisição de dados
SOFTWARES DE AQUISIÇÃO DE DADOS
SISTEMA SUPERVISÓRIO DE CONTROLE E
AQUISIÇÃO DE DADOS (SCADA)
Em processos industriais, é fundamental centralizar as informações para se ter a maioria das
informações disponíveis no menor intervalo de tempo possível. Nos dias de hoje, os centros de
operações são formados por monitores com sistemas de supervisão (supervisórios).
Os sistemas Scada são os sistemas de controle e supervisão dos processos industriais que
coletam dados do processo transmitidos pelos instrumentos remotos e pelos controladores
lógicos programáveis (CLPs), apresentando tais dados aos operadores.
O propósito dos sistemas Scada é fornecer uma interface de alto nível para os operadores de
processo em “tempo real”. Na verdade, existe um atraso (delay), que corresponde ao tempo
necessário ao processamento dos dados produzidos pelos instrumentos responsáveis pelo
monitoramento da planta.
Para um processo industrial, um sistema supervisório apresenta as seguintes vantagens:
ANÁLISE DE TENDÊNCIAS
Baseado no histórico das informações do banco de dados, é possível tomar ações proativas para
maximizar a produção da planta.
ALARMES
Sinaliza em tempo real alguma falha no processo e a registra no banco de dados para consultas
futuras.
OPERAÇÃO REMOTA NO PROCESSO
Intervenção no processo a partir da sala de controle.
GERAÇÃO DE RELATÓRIOS E GRÁFICOS
É possível gerar relatórios e gráficos sobre os alarmes e as tendências.
AUMENTAR A DISPONIBILIDADE DA PLANTA
A partir das informações geradas em tempo real, permite identificar falhas e consequentemente
otimizar as tomadas de decisão a fim de manter a planta em operação (rodar o maior tempo
possível sem paradas).
SOFTWARE DE AQUISIÇÃO
O software do sistema de supervisão é responsável por fornecer condições para o controle do
processo e pela comunicação entre as diversas partes que compõem o sistema. O Scada realiza
a aquisição de dados dos controladores lógicos programáveis e sua disponibilização na tela do
computador, além do gerenciamento dos dados e do armazenamento das informações do
processo.
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
Os dados adquiridos do processo precisam ser convertidos e condicionados de maneira a serem
disponibilizados em unidades de engenharia adequadas ou do SI, tendo um formato simples e
respeitando o número de casas decimais. Também deve permitir o acesso aos dados do
históricoe o armazenamento das informações no banco de dados. Os dados armazenados têm
de ficar disponíveis aos usuários para realizações de cálculos e determinações de outras
variáveis do processo.
 ATENÇÃO
As telas devem ser configuradas de forma a permitir que cada operador tenha a própria
identificação (login) e que a atuação e a supervisão de cada unidade da planta possam ser
monitoradas e controladas individualmente, estabelecendo os limites específicos e os alarmes
adequados para cada processo.
Por meio do sistema supervisório, as variáveis do processo podem ser manipuladas a fim de
influenciar os parâmetros do circuito e aproximar as variáveis dos set-points.
Em um sistema supervisório, as estações de trabalho são definidas como:
ESTAÇÃO NÓ
Corresponde a qualquer computador que esteja rodando um sistema supervisório.
A estação nó é dividida em:
Local: em que se esta opera ou configura o sistema;
Remota: é acessada a partir de um link de comunicação.
ESTAÇÃO INDEPENDENTE (STAND ALONE)
É uma estação que desempenha todas as funções de um sistema de supervisão não conectado
a uma rede de comunicação. De maneira simplificada, essa estação é associada a um
controlador que monitora uma ou mais variáveis de um processo.
ESTAÇÃO DE BANCO DE DADOS
É responsável pelo gerenciamento dos dados provenientes do sistema de aquisição e por sua
alocação em um banco de dados geral.
ESTAÇÃO DE MONITORAMENTO
Permite ao operador monitorar e gerenciar um processo, reconhecer alarmes e outras tarefas do
processo, mas não o deixa alterar as configurações das telas e dos sistemas de aquisição de
dados. Isso inclui atuar sobre o processo, modificando seus parâmetros.
ESTAÇÃO DE GERENCIAMENTO
Dedicada a supervisores ou gerentes dos processos. Apresenta os relatórios, os gráficos e as
telas dos operadores.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SCADA
O sistema de controle e aquisição de dados é formado por blocos que realizam atividades
específicas como:
Processamento dos dados adquiridos;

Armazenamento dos dados;

Gerenciamento de alarmes;

Interface gráfica;

Comunicação dos sistemas em rede (sensores, outros controladores etc.).
O sistema Scada funciona com o princípio da comunicação entre os diversos equipamentos que
compõem o processo industrial (instalados no campo e em outros setores da planta industrial).
Todas essas atividades são gerenciadas pelo software que distribui o fluxo dessas informações
para os demais módulos do processo industrial. A interface gráfica apresenta gráficos,
animações e relatórios que disponibilizam os dados do monitoramento do processo ao longo do
tempo.
 Sistema Scada.
SOFTWARE ELIPSE SCADA
INTERFACE GRÁFICA
A interface gráfica (tela dos computadores) substituiu os antigos painéis elétricos utilizados no
monitoramento das unidades do processo. A tela permite a visualização de todas as áreas do
processo em detalhes.
Uma vantagem dessa interface é a possibilidade de observação de diversos níveis de hierarquia,
possibilitando uma visão geral ou uma visão específica do processo por área. Esse tipo de
interface recebe o nome de sistema multicamadas (multi-layer).
Visão geral do processo.
Visão específica por área do processo.
O sistema gráfico permite que a interface seja desenvolvida livremente pela combinação de
objetos gráficos (desenhos) que a deixem o mais próximo possível da planta do processo real. É
possível desenhar instrumentos, gráficos e displays para a apresentação dos dados provenientes
do processo (temperatura, pressão etc.).
 Detalhes gráficos para monitoramento da planta.
GERENCIAMENTO DE ALARMES
O gerenciamento dos alarmes de um processo industrial é fundamental para a segurança
operacional (segurança das pessoas, equipamentos e processos desenvolvidos na planta
industrial). Os eventos excepcionais do processo são registrados e identificados, podendo conter
as seguintes informações:
Data e hora do evento responsável pelo alarme;
Variável que levou ao acionamento do alarme (exemplo: temperatura, pressão etc.);
Valor da variável no momento do acionamento do alarme;
Descrição do evento (exemplo: nível alto no tanque 1);
Status do evento que acionou o alarme: alarme ativo, situação normalizada, evento
reconhecido pelo operador (o reconhecimento é a etapa em que ele registra que o alarme
foi acionado). Já o login (contendo os dados do operador responsável pelo reconhecimento
do alarme) é registrado no histórico;
Data e hora em que o evento foi normalizado, ou seja, em que a situação foi controlada ou
contornada.
Todos esses dados são armazenados no banco de dados e registrados no histórico da unidade,
podendo ser acessados a qualquer instante pelos responsáveis pelo processo.
Na figura a seguir, visualiza-se a tela de configurações do alarme no software Elipse Scada. É
possível especificar os valores dos eventos com as seguintes distinções: muito baixo, baixo, alto
e muito alto (caso seja necessário). Alarmes baixos e altos indicam os limites da operação
normal do processo e são indicativos de situações críticas do processo.
 Tela de configurações do alarme.
Os comentários (descrição do evento) referentes à situação específica daquele alarme também
podem ser adicionados, assim como detalhes estéticos, como, por exemplo, cores e fontes.
É possível especificar os níveis de prioridades para os alarmes (aqueles com maior prioridade
aparecem primeiramente em caso de múltiplos alarmes acionados). Na figura abaixo, visualiza-
se uma tela de acionamento de alarmes no software Elipse Scada.
 Tela de alarme.
REGISTRO HISTÓRICO
ANÁLISE GRÁFICA
Geralmente analógica, a análise gráfica de uma variável permite seu acompanhamento em um
intervalo de tempo predefinido. Ela permite observar múltiplas variáveis de um processo
simultaneamente ou de maneira individual, como mostra a figura a seguir.
 Tela gráfica.
 SAIBA MAIS
As opções de escala e cores são uma escolha do programador do sistema, que, em geral,
estabelece cores distintas a fim de tornar a identificação de cada variável mais fácil para o
operador. Os períodos de amostragem são especificados de acordo com a variável do processo
(segundos, minutos ou horas e seus múltiplos).
TABELA
Também é possível registrar os dados do histórico de forma tabelada, algo bastante comum em
processos a batelada. Nesse tipo de histórico, os dados são armazenados de forma descontínua
em intervalos específicos de tempo.
 Tabela do histórico.
RELATÓRIOS
Uma das funções consideradas essenciais dos softwares de supervisão é a possibilidade de
fornecer relatórios das atividades operacionais. Esses relatórios possuem os dados dos
operadores dos turnos, os horários (dias, horas, minutos), os status das variáveis, possíveis
alarmes que tenham sido acionados e todas as informações pertinentes ao processo.
 Tela de produção de relatórios.
 Relatório produzido.
VARIÁVEIS
Na programação de um sistema supervisório, uma das atividades mais importantes é a definição
das variáveis do processo. Essas variáveis serão responsáveis por armazenar os dados
provenientes do sistema de aquisição e permitir seu processamento pelo software.
As variáveis podem ser:
ANALÓGICAS
Descrevem basicamente uma variável analógica do processo adquirida pelo sistema de
aquisição. Apesar de ser analógica no processo, ela já é disponibilizada para o software em seu
formato digital, sendo o número de bits compatível com o sistema de aquisição utilizado
(controladores e conversores) e o software. A variável é composta pelo seu valor, sua
identificação e sua unidade;
DISCRETAS
São uma informação binária (0 ou 1) recebida do processo. Definem o status de uma variável
digital do processo (uma chave, um alarme, o status de uma bomba etc.). São compostas pelo
seu “valor” (status) e sua identificação.
PROGRAMAÇÃO
A programação no Elipse Scada é razoavelmente simples de ser feita. O desenho do processo
industrial é feito na tela que ficará disponível para o operador conformedemonstra a figura a
seguir.
 Elaboração de uma tela de operação.
Os objetos que serão inseridos na tela de operação estão disponíveis na biblioteca do software e
podem ser criados pelo usuário ou importados de um diretório. Os tags de cada objeto da tela
que receberá uma informação do sistema de aquisição de dados devem ser selecionados no
menu Organizer (a ser reproduzido em uma figura mais adiante).
Os tags podem ser do tipo:
PLC
Recebem informações externas de equipamentos de aquisição de dados.
DDE
Trocam informações com servidores do tipo Data Dynamic Exchange (DDE).
DEMO
São tags de demonstração que geram valores randômicos.
MATRIZ
Permitem a criação de matrizes ou vetores de dados.
EXPRESSÃO
Permitem a criação de expressões matemáticas ou lógicas para a manipulação dos dados de
entrada.
BLOCK
Realizam a leitura de um bloco de dados simultaneamente.
RAM
Armazenam valores na memória. São os chamados tags virtuais, ou seja, não geram entrada ou
saídas físicas.
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
 Menu de tags.
Desse modo, é possível, conforme ilustra a figura a seguir, associar cada objeto da interface
gráfica com seu respectivo tag e criar alarmes específicos para cada unidade do processo.
 Exemplo de tela operacional.
SOFTWARE LABVIEW
INTERFACE GRÁFICA
De maneira similar ao Elipse Scada, o software LabView possui uma interface com o usuário
construída por um conjunto de ferramentas e objetos.
DIFERENTEMENTE DO ELIPSE, A
PROGRAMAÇÃO NO LABVIEW É DIVIDIDA EM
DUAS TELAS: UM PAINEL FRONTAL E UM
DIAGRAMA DE BLOCO.
O painel frontal representa a tela que ficará disponível ao usuário (operador). A programação
nessa tela é realizada com o emprego de representações gráficas de controles, indicadores e
desenhos do processo.
 Painel principal.
No diagrama de bloco, são inseridas as funções para controlar os objetos no painel frontal.
 Tela de diagramas em bloco.
Os aplicativos desenvolvidos no LabView são chamados de “instrumentos virtuais” (ou VIs) e
permitem a criação de blocos com funções específicas que, ao serem interligados, executam
toda a função de uma planta.
A barra de ferramentas que aparece no painel principal é utilizada para executar ou editar um VI.
 Barra de tarefas do painel.
1) Botão run: utilizado para executar um VI. Quando aparece quebrado , é a indicação de
que existe algum erro na programação e que ele não pode ser executado;
 Barra de tarefas do painel.
2) Botão de execução contínua: o VI será executado continuamente até ser interrompido;
 Barra de tarefas do painel.
3) Botão de parada: interrompe imediatamente o VI em execução;
 Barra de tarefas do painel.
4) Botão de pause: congela a execução de um VI e indica onde o programa estava quando foi
pausado, continuando-o do ponto onde foi parado;
 Barra de tarefas do painel.
5) Fonte, estilo e cor das letras utilizadas no VI;
 Barra de tarefas do painel.
6) Alinha os objetos do painel;
 Barra de tarefas do painel.
7) Distribui uniformemente esses objetos;
 Barra de tarefas do painel.
8) Permite reordenar os objetos, trazendo-os para frente ou levando-os para trás.
 Barra de tarefas do painel.
A barra de ferramentas que aparece na tela do diagrama de blocos é utilizada para depurar ou
editar um VI.
 Barra de tarefas da tela do diagrama de blocos.
1) Botão highlight execution: visualiza o fluxo de dados ao longo de um diagrama de blocos;
 Barra de tarefas da tela do diagrama de blocos.
2) Step into: executa um diagrama passo a passo (loop, VI etc.);
 Barra de tarefas da tela do diagrama de blocos.
3) Step over: entra diretamente em determinado trecho do programa (loop, VI etc.).
 Barra de tarefas da tela do diagrama de blocos.
ALARMES E GRÁFICOS
Os alarmes e gráficos no LabView são desenhados diretamente pelo usuário no painel a partir do
menu Controls.
 Menu Controls.
Por meio desse menu, é possível desenhar alarmes, gráficos e botões de acordo com a
necessidade da tela do processo.
 Gráficos.
PROGRAMAÇÃO
A programação no LabView é diretamente orientada a objetos, ou seja, é feita inteiramente por
meio da ligação (interação) das unidades chamadas de objetos. Botões, gráficos, displays,
chaves, objetos animados, blocos de aquisição de dados, filtros, blocos de funções matemáticas,
enfim, tudo o que se pode utilizar na programação é chamado de objeto, pois eles possuem
funções particulares bem definidas.
 EXEMPLO
Os botões já são variáveis lógicas ou booleanas (assumem apenas valores 0 ou 1); os controles
numéricos deslizantes já se aproximam de sinais analógicos; e, por fim, os blocos de aquisição
de dados (chamados de DAQ) já exercem essa função de comunicação, precisando apenas do
ajuste dos parâmetros dos dispositivos de entrada. Todos os blocos precisam apenas de um
encadeamento com outros para exercer suas funções.
Os objetos utilizados no LabView são conectados por meio das ferramentas. As entradas de
dados provenientes dos sistemas de aquisição de dados são feitas no ambiente de aquisição de
sinais (DAQ) do LabView.
Dessa maneira, seleciona-se essa ferramenta no menu DAQ Assistant, bastando, em seguida,
incluí-la na tela do diagrama de blocos.
 Menu de ferramentas.
Ao ligar-se o bloco DAQ a um gráfico no diagrama de blocos, os dados obtidos pelo sistema de
aquisição são exibidos diretamente no gráfico.
 Diagrama de blocos com aquisição de dados.
A tela do painel disponível ao operador ficaria como a da figura a seguir.
 Painel frontal com aquisição de dados.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 3
 Identificar a aquisição digital de sinais de instrumentação e controle digital
AQUISIÇÃO DIGITAL DE SINAIS
CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE
AQUISIÇÃO DE DADOS
Quando se fala em aquisição de dados (analógicos ou digitais) por sistemas de aquisição e
controle digitais, alguns detalhes precisam ser considerados. Existem várias vantagens na
utilização desses sistemas de aquisição em computadores ou controladores digitais, como a
simplificação na transmissão da informação e a possibilidade de uso de diversos softwares de
protocolo aberto.
O desenvolvimento de barramentos do tipo industry standard architecture (ISA) permitiu a
utilização de diversos controladores e circuitos de aquisição de dados.
De maneira simplificada, o processo de aquisição de dados pode ser representado como nesta
figura:
=
 Processo de aquisição de dados.
O elemento sensor (acoplado a um transdutor) é convertido em um sinal elétrico. O circuito de
aquisição de dados (DAQ) é a interface entre o computador (ou controlador digital) e o sensor-
transdutor, permitindo que o sinal obtido do processo seja entregue ao circuito digital.
No DAQ, estão presentes circuitos eletrônicos como:
CIRCUITO DE CONDICIONAMENTO DE SINAL
Reduz significativamente os ruídos presentes em sinais analógicos, que são medidos de maneira
que eles possam ser repassados aos controladores com qualidade. Filtros e amplificadores
estão incluídos
CONVERSOR A/D
Digitaliza a informação analógica em digital para que ela possa ser manipulada pelo controlador
digital.
BARRAMENTO DE COMUNICAÇÃO
Permite a comunicação entre os dispositivos e a transmissão dos dados do DAQ para o
controlador digital.
As informações das variáveis importantes para o processo produtivo são mostradas em tempo
real em uma tela após serem processadas. Dessa forma, o sistema permitirá que se conheça o
andamento do processo e a tomada de decisão quando for necessário intervir.
Outras vantagens na utilização de sistemas supervisórios são:
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
Os dados armazenados permitem a análise de uma série histórica dos dados e o
desenvolvimento de linhas de tendência que permitam ações proativas;

As informações obtidas em tempo real permitem a identificação de falhas no processo, o que
pode evitar a necessidade de paradas;
A utilização de sistemas de alarmes virtuais de fácil implementação;

A fácil produção de relatórios e gráficos;

O gerenciamento e a intervenção remota no processo.
RESOLUÇÃO E PRECISÃO
A precisão dos dados adquiridos por um sistema de aquisição depende do dispositivo utilizado
na aquisição. A determinação da precisão deve levar em consideração os dados e as fontes de
onde eles são extraídos.
A precisão de um dado e a resolução de um conversor A/D são conceitos diferentes. A resolução
é a menor variação incremental desse conversor. Já a precisão de um sistema indica quão
próxima a leitura da variável dele se aproxima do valor real da variável.
Por exemplo, um conversor A/D de 8 bits utilizado na amostragem de um sinal de 5V possui uma
resolução definida pela equação 1:
Equação 1
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que é a diferença de potencial e n, o número de bits.
Logo, para o caso do conversor de 8 bits, obtém-se o seguinte resultado:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Já a precisão é variável: cada instrumento pode apresentar uma que seja especificada pelo
fabricante. Ela pode ser em função da amplitude do sinal medido, da escala utilizada, do span da
variável e do valor lido, entre outras formas, dependendo de quem fabricou o instrumento utilizado.
 EXEMPLO
Um instrumento que apresente uma precisão de 1% da leitura efetuada, ao ler um valor de 2V,
fará uma leitura real entre 1,98V e 2,02V ou 2,00 V. Já a leitura de um sinal em uma escala
de 250mV com uma precisão de 0,002% da escala apresenta um erro de V.
SENSIBILIDADE
A sensibilidade descreve a menor quantidade absoluta que um sinal precisa variar para que seja
detectada a mudança na variável.
 EXEMPLO
Resolução = ΔV
2
n
−1
ΔV
R e solução = = = 19,61mV5
28−1
5
255
±0, 02
±5μ
Um instrumento com uma sensibilidade de 1mV precisa de um estímulo superior a 0,001V na
variável para detectar uma mudança.
ERRO
O erro também pode ser introduzido por sinais indesejáveis que afetam as informações
transmitidas, como, por exemplo, interferências eletromagnéticas no sinal transmitido ou ruídos na
rede elétrica.
Os dispositivos de aquisição de dados possuem circuitos de condicionamento de sinal entre a
fonte do dado e o conversor A/D. Os circuitos conversores A/D contribuem para a falta de
exatidão da leitura, incluindo fatores que podem auxiliar no aumento do erro, como o offset, o erro
de ganho e o ruído.
O offset é um valor de tensão diferente de zero inserido pelo conversor A/D quando os dados
(provenientes dos sensores) lidos pelo circuito são diferentes de zero.
O ERRO DE GANHO É A DIFERENÇA ENTRE O
GANHO IDEAL E O REAL.
O ruído pode aparecer na forma de ruído térmico (efeito Joule), pela dissipação de calor nas
resistências, conduzindo ou induzindo níveis de potência DC nas fontes de alimentação ou nos
circuitos digitais e ruídos nos sinais AC.
ATENUAÇÃO DO RUÍDO
A atenuação no efeito produzido pela maioria das fontes de ruído pode ser feita pelo emprego de
dispositivos D/A ou A/D com um canal de condicionamento individual e incluindo-se filtros nos
canais de aquisição de dados.
Outra fonte de erro é o aliasing. Se um conversor A/D converte alguns componentes de
frequência iguais ou próximos da frequência de conversão A/D, o efeito aliasing pode aparecer,
fazendo com que diferentes sinais se tornem indistinguíveis quando amostrados. Pode-se
preveni-lo limitando a largura de banda do circuito de entrada do amplificador para menos da
metade da frequência de conversão A/D.
Frequentemente, alguns fabricantes incluem filtros passa-baixa ou filtros anti-aliasing para
eliminar essa fonte de erro. Outra causa mais comum dele é uma taxa de amostragem muito
baixa em relação ao sinal de entrada. Pode-se evitar isso facilmente por meio do aumento dessa
taxa (basta respeitar o critério de Nyquist).
Os dispositivos de aquisição de dados utilizam algumas ferramentas para reduzir a imprecisão
do sistema. Um exemplo é o circuito sample and hold, que consiste essencialmente em um
circuito que recebe, em sua entrada, um sinal analógico e literalmente retém essa informação,
deixando-a disponível para um circuito conversor. Exemplo: um conversor A/D mantido pelo tempo
necessário para que a conversão A/D ocorra por completo. Outros métodos de atenuação de
ruídos envolvem aterramento, aquisição de dados em etapas etc.
TRANSMISSÃO SEM FIO (WIRELESS)
Os sistemas de transmissão de dados wireless são uma alternativa à realizada com cabos para a
troca de dados e a transmissão de informações. O avanço das tecnologias de transmissão de
dados, tornando-a mais barata e tendo uma alta compatibilidade com diversos sistemas de
aquisição de dados e controle, vem tornando a implementação dos sistemas wireless cada vez
mais utilizadas.
PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS
De maneira similar ao que é feito com sinais analógicos, os digitais também podem ser
processados. Os dispositivos que realizam esse tipo de processamento são chamados de DSPs
(digital signal processors ou processadores de sinais digitais).
Um sinal analógico convertido em digital pode ser devidamente processado, já que a conversão
desse sinal pode gerar inúmeras imperfeições no sinal mensurado pela sua amostragem e
conversão/processamento. O processamento digital também permite extrair informações de um
sinal e/ou torná-lo mais apropriado para determinada aplicação.
Os DSPs são processadores de sinais com arquitetura específica e hardware diferenciado. Eles
são desenvolvidos para a realização de operações típicas de processamento digital de sinais.
O processamento da informação pode ser realizado de maneira:
OFFLINE
Quando não há restrição de tempo, tendo em vista que os dados a serem processados já foram
previamente armazenados.
ONLINE
Os dados são processados durante o processo. Contudo, o processamento da informação não
termina antes que um novo dado do processo esteja disponível na entrada. Quando isso ocorre,
uma unidade de memória é necessária para promover a retenção temporária da informação.
REAL TIME
O processamento do dado precisa terminar antes que um novo seja disponibilizado na entrada.
Isso demanda um tempo de processamento crítico para evitar erros nos dados de saída do
processador.
Ferramentas matemáticas digitais (softwares) são bastante importantes em processamento
digital de sinais, tendo em vista a importância de ferramentas matemáticas, como as Séries de
Fourier (Teorema de Fourier) no tratamento de sinais.
 EXEMPLO
A partir desse teorema, é possível realizar a decomposição de um sinal periódico em ondas
senoidais com frequências múltiplas inteiras da frequência fundamental (a do sinal original).
Esses sinais senoidais de frequências múltiplas recebem o nome de “harmônicos”. Esse
processamento permite a limpeza do sinal (remoção de ruídos e atenuação das não
linearidades).
Contudo, vale destacar que o processamento digital é mais lento que o analógico. Isso ocorre
porque o processamento de um sinal digital depende dos ciclos de máquina do processador
utilizado em seu tratamento. Esse fenômeno pode ser facilmente percebido ao compararmos
dois sinais de televisão: um analógico e outro digital.
A qualidade da imagem digital tende a ser bastante superior à da imagem analógica. Contudo, a
pessoa que estiver acompanhando um programa pela televisão analógica verá a informação
javascript:void(0)
javascript:void(0)
javascript:void(0)
antes daquela que estiver vendo o mesmo programa pela TV digital. Esse atraso (delay) é
inserido justamente pelo processamento digital da imagem.
A REMOÇÃO DE RUÍDOS DO SINAL PODE SER
REALIZADA PELA RETIRADA DE ALGUMAS
HARMÔNICAS, ENQUANTO A DISTORÇÃO DE UM
SINAL PODE SER ATENUADA PELA INCLUSÃO
DE OUTRAS HARMÔNICAS.
Desse modo, softwares matemáticos, como Matlab, Mathcad, Mathematica, Octave e Scilab, são
poderosas ferramentas no processamento digital de sinais.A transformada discreta de Fourier é a equivalente à transformada de Fourier, mas permite a
visualização da forma discreta das harmônicas que compõem o sinal, sendo possível observar
apenas picos nas frequências delas. As transformadas rápidas de Fourier (fast fourier
transforms) são algoritmos (programas de computador) desenvolvidos especificamente para
realizar a transformada discreta de Fourier de maneira rápida e eficiente.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
CONCLUSÃO
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Descrevemos neste tema os conceitos dos equipamentos de aquisição de dados e ilustramos os
tipos de sistemas de aquisição, assim como a composição dos módulos de aquisição, incluindo
as especificações para a seleção de entradas analógicas, conversores A/D, saídas analógicas,
trigger, entradas e saídas digitais, contadores e temporizadores, além dos processadores dos
sinais.
Em seguida, introduzimos o sistema supervisório de controle e aquisição de dados (Scada),
apresentando ainda os softwares de aquisição mais comuns, os detalhes das estações de
trabalho e os componentes do sistema Scada. Por fim, descrevemos as características dos
sistemas de aquisição de dados – entre elas, a precisão, a resolução, a sensibilidade e o erro.
 PODCAST
AVALIAÇÃO DO TEMA:
REFERÊNCIAS
BITTER, R.; MOHIUDDIN, T.; NAWROCKI, M. LabVIEW: advanced programming techniques.
Boca Ratón: CRC Press, 2006.
CURY, J. E. R. Apostila de supervisório de sistemas a eventos discretos. Florianópolis:
UFSC, 2001.
DAQ DESIGNER 2001. National Instruments Corporation. Consultado em meio eletrônico em:
29 dez. 2020.
ELIPSE SOFTWARE. Manual do usuário do Elipse Scada. In: HMI/ Scada Software. 2010.
ELIPSE SOFTWARE. Plataforma HMI/ Scada para aplicações de missão crítica. In: Elipse
E3. 2014.
ELIPSE SOFTWARE. Tutorial sobre o Elipse Scada. In: HMI/Scada software. 2004.
NATIONAL INSTRUMENTS. Introdução ao LabVIEW. In: NI – engineer ambitiously. Consultado
em meio eletrônico em: 29 dez. 2020.
EXPLORE+
Acesse e utilize os softwares Laquis, iFIX, FactoryTalk View SE, InduSoft Web Studio,
ProcessView e ScadaBR.
Leia sobre equipamentos utilizados para a aquisição de dados neste artigo científico:
Sistema de aquisição de dados para equipamento de medida da permeabilidade
intrínseca do solo ao ar. Ele foi publicado na Revista Brasileira de Ciência do Solo em
2011.
Pesquise sobre a aquisição de dados digitais neste artigo científico: Uma interface lab-
made para aquisição de sinais analógicos instrumentais via porta paralela do
microcomputador. Ele foi publicado em Química nova em 2004.
CONTEUDISTA
Paulo Godoy