Instrumentação e Controle de Processos-1

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Instrumentação e Controle de Processos 
Emília João B. R. Antunes
Franqui Arlindo 
Genoveva Ernesto de Oliveira 
Hélder Zefanias Massagaiia
Inoccencia Manuel Antonio Joao 
Olívia Ernesto de Oliveira
Sacramenta José Carlos Uitrresse
Silena Da Silva A. J. Cipriano 
Objetivos Gerais Desta Didatica
Definir os principais conceitos de instrumentação Industrial;
Identificar num processo a variável manipulada, variável de processo e o set point;
Entender como a vazão pode ser medida indirectamente através da medição de pressão e quais são principais erros que podem aparecer em instrumentação.
Contextualização
Os modernos processos industriais de fabricação exigem sistemas de controlo cada vez mais sofisticados. Esses processos são muitos variados e abrangem a fabricação de produtos diversos como os derivados do petróleo, os produtos alimentícios, o papel e a celulose, entre outros.
Nas instalações industriais e comuns encontrar arranjos complexos de instrumentos de medição e controle. Para se compreender mais facilmente suas funções, e necessário analisa-los, utilizando-se a classificação adequada.
Conceito de instrumentação
“Instrumentação e qualquer dispositivo (instrumento), ou conjunto de dispositivos, utilizado com a finalidade de se medir, indicar, registar ou controlar as variáveis de um processo”. (STARLING, 2003, p. 2)
Existem instrumentos específicos para medição, indicação, para registo e para controlo de uma variável de processo. 
Conceito de processo
Existem muitas definições para processo. Vejamos a seguir duas definições interessantes:
“Equipamento ou meio físico que precisa ser controlado ou monitora do de forma a transformar a matéria-prima em um produto”. (STARLING, 2003, p. 1)
“Operação onde se varia pelo menos uma característica física ou química de um determinado material”. (STARLING, 2003, p. 1)
Cont..
Para ilustrar os diversos aspectos, utilizar-se-á, como processo típico, o trocador de calor mostrado na Figura 1, que e utilizado para aquecer um fluido com vapor.
Este processo consiste em aquecer um fluido que entra frio (a direita da figura) no trocador de calor. Dentro do trocador existe uma serpentina. Ele possui um controle de temperatura formado pela válvula de vapor (a esquerda da figura).
Figura 1 – Processo típico de um trocador de calor (BEGA, 2006, p. 6)
Controle em malha fechada
No controle manual o operador terá como função medir a temperatura do fluido aquecido (variável de processo) e corrigir a vazão do vapor adicionando ao trocador (variável manipulada), de forma a manter a temperatura da variável controlada no valor desejado (referencia ou set point). Caso a temperatura esteja acima ou abaixo do valor desejado, o operador devera atuar sobre a válvula de admissão de vapor fazendo a correção.
Figura: 2 
Figura 2 – Processo típico de um trocador de calor com controlo automático em malha fechada (BEGA, 2006, p. 8)
Resumindo, podemos gerar um quadro para fixar as acções de cada elemento do Processo:
	Acções 	Executada por
	Medição do valor da variável de processo,	Transmissor de temperatura (TT),
	Comparação do valor medido pelo
Transmissor com a referência para obtenção do valor do erro,	Controlador indicador de temperatura (TIC),
	Gerar Sinal de Correcção levando em consideração o erro
 	Algoritmo de controlo contido controlador indicador de temperatura (TIC),
	Correcção da variável.	Válvula de controlo com base no valor do
TIC.
Conceito de pressão
A pressão e uma grandeza medida com relação a referência. Se esta referência for a pressão atmosférica, a medida será dita pressão relativa ou mano métrica. Se a referencia for o vácuo, será dita pressão absoluta. Quando for omissa a pressão de referência, subentende-se que se trata da pressão relativa. e uma maneira geral, pode-se dizer:
	Pressão absoluta = Pressão relativa (manométrica) + Pressão atmosférica
Automação
A automação de um modo geral vem trazendo ao longo do tempo uma série de benefícios nos mais diversos setores da indústria e da própria sociedade. É sinônimo de conforto e facilidade.
Nas indústrias, a urgência no aumento da produção a fim de responder à crescente demanda com custos cada vez mais baixos e à fabricação constante de novos produtos, acarretou no crescimento do número de processos completamente automatizados.
Controle de processos
A função fundamental do controle de processos é manter uma determinada variável em um valor desejado mesmo quando ela for submetida a perturbações externas. 
Figura 3
Cont.. 
Os controlos de processo levam em consideração duas formas de funcionamento, uma mais inteligente, com controle automático; e outra mais tradicional, com controle manual do processo.
Figura: 4
Cont…
Ainda temos o controle de processo manual. É um sistema mais rudimentar, lento e trabalhoso. Basicamente consiste em uma pessoa observando o valor atual do nível e fazendo a comparação com o valor desejado.
Se o valor medido é maior, abre-se a válvula, aumentando a vazão de saída. Se o nível estiver menor que o valor desejado, fecha-se a válvula, reduzindo a vazão de saída, fazendo com que o nível atual observado seja elevado.
Essas operações são feitas repetidamente pelo responsável técnico para que o nível fique o mais próximo possível do valor desejado.
Figura: 5
Medição da pressão
A Medição de Pressão é uma das variáveis de medidas mais importantes da Instrumentação Industrial porque atua no Controle de Processos e o seu princípio fundamental pode ser utilizado em outros tipos de medida além da pressão. Medidas de nível, vazão e densidade podem ser realizadas com o mesmo princípio da Medição de Pressão.
Conceito de vazão
Quando se toma um ponto de referência, a vazão e a quantidade do produto ou da utilidade, expressa em massa ou em volume, que passa por ele, na unidade de tempo.
A vazão volumétrica e igual a quantidade de volume que escoa através de uma secção em um intervalo de tempo considerado. E representada pela letra Qm e e expressa pela seguinte equação:
Cont…
A vazão mágica e igual a quantidade de massa de um fluido que atravessa a secção de uma tubulação por unidade de tempo. E representada pela letra Qm e expressa pela seguinte equação:
A e igual a quantidade de peso que passa por uma certa secção por unidade de tempo. E representada pela letra Qp (onde W e o peso) e expressa pela seguinte equação:
Medição de Vazão
Determinar o controlo e o balanço de materiais é importantíssimo para diversas operações na indústria. Por isso que a Medição de Vazão é valorizada pela Instrumentação Industrial. As principais variáveis encontradas em processos contínuos são medidas a partir de sua vazão.
A medição da vazão inclui no seu sentido mais amplo a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo. Podem também ser incluídos os instrumentos que indicam a quantidade total movimentada em um intervalo de tempo.
Conceito de temperatura
Todos os corpos são constituídos de moléculas que se encontram em constante agitação, quanto mais agitadas estiverem as moléculas mais quente estará o corpo e, consequentemente, quanto menos agitadas mais frias. Temperatura e o grau de agitação destas moléculas. A representação quantitativa da temperatura e feita por escala numérica, onde, quanto maior o valor mostrado, maior a energia cinética media das moléculas do corpo em questão. Tabela 2 Comparação entre medidores de temperatura directos e indirectos
	Aspectos	Medidor de temperatura	
		Directo	Indirecto
	 
Condições necessárias para medir com precisão	Estar em contacto com o objectivo a ser medido.
Praticamente não mudar a temperatura do objecto devido ao contacto do detector.	A radiação do objecto medido tem que chegar até o detector.
	 
Características	É difícil medir a temperatura de um objecto pequeno, porque este tem tendência de mudança de temperatura quando em contacto com um objecto cuja temperatura é diferente.
É difícil medir o objecto que está em movimento.	Não muda a temperaturado objecto porque o detector não está em contacto directo com o mesmo.
Pode medir o objecto que está em movimento.
Geralmente mede a temperatura da superfície.
Depende da emissividade.
	Faixas de temperatura	É indicado para medir temperaturas menores que 1600ºC.	É adequado para medir temperaturas elevadas (>-50ºC).
	Precisão	Geralmente, ± 1% da faixa.	Geralmente 3 a 10ºC
	Tempos de resposta	Geralmente grande (>5min)	Geralmente pequeno (0,3 ~3s)
Medição de Temperatura
Temperatura é a propriedade da matéria que reflete a média da energia cinética dos átomos. O conceito de temperatura está relacionado ao movimento de vibração e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Todas as substâncias são constituídas de átomos que, por sua vez, se compõem de um núcleo e um elétrons. Usualmente, estes átomos possuem certa energia cinética que se traduz na forma de vibração ou no mesmo deslocamento, como no caso de líquidos e gases.
Conceito de nível
Costuma-se definir nível, como a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido. 
Classificação de nível
A medida do nível de um reservatório, contendo líquido ou sólido e efectuada a fim de manter esta variável em um valor fixo ou entre dois valores determinados ou ainda para determinar a quantidade (volume ou massa) do fluido em questão.
Medidores de nível por medição directa
Veja a seguir alguns tipos de medidores de nível que usam o princípio da leitura directa.
Medidor de nível tipo régua ou gabarito
Consiste em uma régua graduada que tem o comprimento conveniente para ser introduzido dentro do reservatório onde vai ser medido o nível (veja a Figura). 
Figura 6 – Medidor de nível tipo régua graduada (SENAI. ES,1999 a,p.83)
Instrumento Indicador (mostrador)
Os indicadores são instrumentos que tem a função de indicar uma variável ou situação de um processo industrial. Os indicadores podem ser do tipo: Analógicos – Os instrumentos analógicos usualmente dispõem de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor da variável.
As escalas podem ser lineares (coeficiente de proporcionalidade constante ao longo da escala) ou não lineares (exemplo: escala logarítmica, escala quadrática).
Figura 7- Indicador do tipo analógico
Instrumento Registador
Os instrumentos registadores são aqueles que registaram a (s) variável (s) através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico. Nos dias actuais é comum a interacção com computadores e registadores digitais. 
A indicação pode ser analógica ou digital, os valores de mais de uma grandeza podem ser apresentados simultaneamente. Com o avanço da tecnologia as variáveis podem ser registadas via internet em servidores a distância.
Figura 8- Instrumento registado analógico e digital.
Instrumento Transmissor
Transmissor: instrumento que tem a função de converter sinais do transdutor, geralmente sinais elétricos de baixa potência, em outra forma de sinal (analógico ou digital) capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado longe do ponto de medição.
Os Instrumentos transmissores são aqueles que determinado um valor de uma variável no processo através de um elemento primário, transmite a outro equipamentotendo o sinal de saída cujo valor varia apenas em função da variável do processo.
Figura 9 - Instrumento transmissor. Cortesia Zurich e SILTRAN. 
Instrumento Transdutor
Os instrumentos transdutor de uma forma simples e clara, “traduzem” uma variável física. Ao receber informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica caso necessário às informações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo. 
Figura 10 - Instrumento transdutor. Fonte Schaevitz
Instrumento Controlador
Os instrumentos controladores têm como objetivo controlar. O controlo é feito comparando a variável controlada com um valor desejado (set point) e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. Alguns instrumentos controladores, a variável pode ser medido, diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.
Figura 11 - Instrumento controlador.
Instrumento Elemento Final de Controlo
Os instrumentos elemento final de controlo são o que vai actuar no sistema de controlo. Após ser mensurado, indicado, registado e comparado com um set point, o controlador para controlar a variável utiliza o instrumento elemento final de controlo para modificar o sistema e a variável.
Figura: 11 Elemento final de controle
Figura 12 - Planta de controle fechada com instrumentos
Pontos Chaves
Variável de processo ou variável controlada e qualquer propriedade ou grandeza física monitora da pelo processo. A variável manipulada e a grandeza que e operada a fim de manter a variável de processo no valor desejado. O set point e o valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto e controle (no qual o valor controlado deve permanecer). Numa malha aberta, a variável controlada não influencia na variável de processo.