525706341-08-Automacao-Industrial-Instrumentacao-e-Controle

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Instrumentação 
e controle
série AUTOMAÇÃO iNDUsTriAL
série AUTOMAÇÃO iNDUsTriAL
Instrumentação 
e controle
CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI
Robson Braga de Andrade
Presidente
DIRETORIA DE EDuCAÇÃO E TECNOLOgIA
Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti
Diretor de Educação e Tecnologia
SENAI-DN – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAgEM INDuSTRIAL
Conselho Nacional
Robson Braga de Andrade
Presidente
SENAI – DEPARTAMENTO NACIONAL
Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti
Diretor-Geral
Gustavo Leal Sales Filho
Diretor de Operações
Série AUTOMAÇÃO iNDUSTriAL
Instrumentação 
e controle
SENAI
Serviço Nacional de 
Aprendizagem Industrial 
Departamento Nacional
Sede
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Simonsen . 70040-903 . Brasília – DF . Tel.: (0xx61)3317-9190 
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SENAI Departamento Nacional
Unidade de Educação Profissional e Tecnológica – UNIEP
SENAI Departamento Regional do Rio Grande do Sul
Unidade Estratégica de Desenvolvimento Educacional – UEDE/Núcleo de Educação a 
Distância – NEAD
FICHA CATALOGRÁFICA
S491i 
 Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional
 Instrumentação e controle/ Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial 
 Departamento Nacional, Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. 
 Departamento Regional do Rio Grande do Sul. Brasília: SENAI/DN, 2012. Ou 2013
 256 p.: il. (Série Automação Industrial)
 
 ISBN 978-85-7519-629-8
 1 Engenharia de controle automático. 2. Sistemas, técnicas, equipamentos 
 de controle. 3. Tecnologia da automação I Serviço Nacional de Aprendizagem 
 Industrial. Departamento Regional do Rio Grande do Sul. IITítulo.III.Série.
CDU – 681.5
Bibliotecário Responsável: Enilda Hack- CRB 599/10
Lista de ilustrações
Figura 1 - Exemplo de indústria de manufatura. ..................................................................................................18
Figura 2 - Exemplo de indústria de processo. ........................................................................................................18
Figura 3 - Exemplo do controle das variáveis no dia a dia. ...............................................................................19
Figura 4 - Malha de controle da instrumentação. ................................................................................................19
Figura 5 - Experiência de Torricelli. ............................................................................................................................20
Figura 6 - Pressão aplicada perpendicularmente a uma área. .........................................................................20
Figura 7 - Princípio de Pascal .......................................................................................................................................21
Figura 8 - Cilindro hidráulico. .......................................................................................................................................23
Figura 9 - Sistema em equilíbrio descrito no Exemplo 3. ..................................................................................24
Figura 10 - Pressão atmosférica, relativa e absoluta ............................................................................................25
Figura 11 - Pressão estática e pressão dinâmica. ..................................................................................................26
Figura 12 - Transformação isotérmica.......................................................................................................................27
Figura 14 - Pressão exercida sobre o mergulhador .............................................................................................28
Figura 13 - Cilindro demonstrando a transformação isotérmica. ...................................................................28
Figura 15 - Transformação isobárica. ........................................................................................................................29
Figura 16 - Cilindro demonstrando a transformação isobárica.. .....................................................................30
Figura 17 - Transformação isovolumétrica. .............................................................................................................30
Figura 18 - Cilindro demonstrando a transformação isovolumétrica . .........................................................31
Figura 19 - Relação entre pressão e volume. ..........................................................................................................32
Figura 20 - Manômetro em “U”. ...................................................................................................................................34
Figura 21 - (a) Manômetro de coluna reta vertical (b) Manômetro de coluna reta inclinada. .............34
Figura 22 - (a) Medidor tipo U; (b) Medidor de coluna inclinada; (c) Medidor de coluna vertical. .....35
Figura 23 - Esquemas dos tubos de Bourdon mais usuais na indústria. ......................................................35
Figura 24 - Detalhes do tubo tipo C. .........................................................................................................................36
Figura 25 - Medidor de pressão de diafragma. .....................................................................................................36
Figura 26 - Esquema do medidor de pressão de fole. ........................................................................................36
Figura 27 - Sensor capacitivo de um transmissor de pressão ..........................................................................38
Figura 28 - Sensor Piezo-resistivo...............................................................................................................................38
Figura 29 - Sensor de pressão microcontrolado, seu componente interno (sensor de pressão) e 
piezorresistor utilizado nesta última como elemento detector de pressão. ...............................................39
Figura 30 - Sensor de pressão do tipo Pressostato de membrana. ................................................................39
Figura 31 - Histerese. .......................................................................................................................................................41
Figura 32 - Ponte de Wheatstone. ..............................................................................................................................41
Figura 33 - Sensor de pressão de silício. ..................................................................................................................42
Figura 34 - Transdutor de pressão capacitivo. .......................................................................................................42
Figura 35 - Unidade de conservação de ar .............................................................................................................43
Figura 36 - (a) Sinal 4 a 20 mA; (b) Sinal 1-5 V ........................................................................................................44
Figura 37 - (a) Conexão a 2 fios; (b) Conexão a 3 fios; (c) Conexão a 4 fios. ................................................44
Figura 38 - Exemplo de ligação 2,3 e 4 fios .............................................................................................................45Figura 39 - Exemplo de ligação dos transmissores de pressão. ......................................................................46
Figura 40 - Conversão analógico/digital. .................................................................................................................47
Figura 41 - Processo do Exemplo 4. ...........................................................................................................................48
Figura 42 - Aferição/calibração em campo. ............................................................................................................50
Figura 43 - Calibração em laboratório. .....................................................................................................................50
Figura 44 - Exemplo de uma caixa d’água, utilizando a boia para controlar o nível ...............................51
Figura 45 - Visor de nível................................................................................................................................................52
Figura 46 - (a) Medidor de nível por flutuador e régua externa; (b) Chaves de nível por flutuadores. .....53
Figura 47 - Chave de nível por eletrodos. ................................................................................................................53
Figura 48 - Chave de nível por lâminas vibratórias. .............................................................................................54
Figura 49 - Chave de nível por pá rotativa. .............................................................................................................54
Figura 50 - Pressão exercida pela altura da coluna líquida (hidrostática). ..................................................55
Figura 51 - Medição indireta por manômetro .......................................................................................................55
Figura 52 - (a)Transmissores de pressão; (b) Transdutor de pressão .............................................................56
Figura 53 - Transmissor de nível capacitivo. ...........................................................................................................56
Figura 54 - Medição de nível por ultrassom. ..........................................................................................................57
Figura 55 - Medição de nível por radar. ....................................................................................................................58
Figura 56 - Medição por pesagem. ............................................................................................................................58
Figura 57 - Medição indireta de nível – Exemplo 5. .............................................................................................59
Figura 58 - Sensor digital. ..............................................................................................................................................59
Figura 59 - Sensor analógico. .......................................................................................................................................60
Figura 60 - Sensor de nível digital e um sensor de nível analógico com uma bomba. ..........................60
Figura 61 - Reservatório de água................................................................................................................................61
Figura 62 - Reservatório de água com sensor potenciométrico. ....................................................................61
Figura 63 - Reservatório de água com sensor de ultrassom.............................................................................62
Figura 64 - Reservatório de água com sensor variação de feixe de luz. .......................................................62
Figura 65 - Reservatório de água com sensor de campo magnético. ...........................................................62
Figura 66 - Reservatório de água com sensor de força. .....................................................................................63
Figura 67 - Reservatório de água com sensor de condutividade. ..................................................................63
Figura 68 - Fluxograma simplificado - conforme ISA 5.1. ..................................................................................64
Figura 69 - Troca de experiências com outros técnicos e engenheiros. .......................................................66
Figura 70 - Vazão. .............................................................................................................................................................67
Figura 71 - Exemplo no cotidiano de cálculo de vazão ......................................................................................67
Figura 72 - Bomba de máquina de lavar com vazão de 1l/min .......................................................................68
Figura 73 - Bomba de jardim com vazão de 10l/min. ........................................................................................68
Figura 74 - Bomba industrial com vazão de 100l/min. .......................................................................................68
Figura 75 - Gráfico da vazão x velocidade do fluido x diâmetro da mangueira. .......................................69
Figura 76 - Medição da Viscosidade em SSU. .........................................................................................................70
Figura 77 - Unidade hidráulica. ...................................................................................................................................72
Figura 78 - (a) Medidor de lâminas rotativas; (b) Medidor com engrenagens ovais; (c) Medidor com 
engrenagens. ......................................................................................................................................................................73
Figura 79 - Medidor tipo turbina ................................................................................................................................74
Figura 80 - (a) Placas orifício; (b) Placa orifício instalada na tubulação.. ......................................................75
Figura 81 - Tipos de orifícios: (a) Concêntrico; (b) Excêntrico; (c) Segmental .............................................76
Figura 82 - Quedas de pressão na restrição; posicionamento de tomadas de pressão. ........................77
Figura 83 - (a) Tubo de Venturi curto; (b) Tubo de Venturi universal. ............................................................78
Figura 84 - Medidor de vazão tipo Venturi com o manômetro diferencial ampliado .............................78
Figura 85 - Bocal de vazão ............................................................................................................................................79
Figura 86 - Rotâmetro .....................................................................................................................................................80
Figura 87 - Esquema de instalação de laboratório ...............................................................................................82
Figura 88 - Sensores de turbinas ................................................................................................................................83
Figura 89 - Tubulação com ponto de estrangulamento ....................................................................................83
Figura 90 - Representação de um sensor tipo pilot .............................................................................................84
Figura 91 - Válvulas. .........................................................................................................................................................85
Figura 92 - Válvula de controle. ...................................................................................................................................85
Figura 93 - Válvulas com comando remoto: (a) Atuadorpneumático; (b) Atuador hidráulico; 
(c) Atuador solenóide; (d) Atuador motorizado. ....................................................................................................87
Figura 94 - Válvulas rotacionais: (a) Válvula esfera; (b) Válvula borboleta; (c) Válvula borboleta com 
alavanca. ...............................................................................................................................................................................88
Figura 95 - Válvula de atuação linear: (a) Válvula globo; (b) Componentes da válvula globo .............89
Figura 96 - Válvula “Y” ou oblíqua ..............................................................................................................................89
Figura 97 - Válvula gaveta .............................................................................................................................................90
Figura 98 - Plugs mais utilizados ................................................................................................................................90
Figura 99 - Características de vazão inerentes. .....................................................................................................91
Figura 100 - Cálculo do coeficiente da vazão da válvula. ..................................................................................93
Figura 101 - Tubulação de desvio ..............................................................................................................................94
Figura 102 - Fluxograma simplificado - conforme ISA 5.1. ................................................................................94
Figura 103 - Controlador Digital Multi-Loop CD 600 e sua ferramenta de configuração. .....................96
Figura 104 - Comparativo entre as escalas Kelvin e Celsius ........................................................................... 101
Figura 105 - Termômetros. ......................................................................................................................................... 103
Figura 106 - (a) Termômetro a dilatação de líquido com proteção metálica; (b) Termômetros a 
dilatação de líquidos. ................................................................................................................................................... 104
Figura 107 - (a) Detalhes do termômetro em recipiente metálico; (b) Termômetro comercial ....... 104
Figura 108 - Detalhes construtivos do termômetro a dilatação de sólidos ............................................ 105
Figura 109 - Construção do termorresistor. ......................................................................................................... 105
Figura 110 - (a) Circuito básico; (b) Dispositivo de medição; 
(c) Corte do termômetro e poço de proteção; (d) Sensores comerciais. .................................................... 106
Figura 111 - Termômetro Pt100 a três fios ........................................................................................................... 106
Figura 112 - Pirômetros de radiação; (a) fixos; (b) portáteis. ......................................................................... 107
Figura 113 - Curva de sensores NTC e PTC genéricos ...................................................................................... 108
Figura 114 - Voltímetro ............................................................................................................................................... 109
Figura 115 - Efeito Peltier ........................................................................................................................................... 110
Figura 116 - Lei do circuito homogêneo .............................................................................................................. 111
Figura 117 - Lei das metais intermediárias .......................................................................................................... 113
Figura 118 - Lei das temperaturas intermediárias ............................................................................................. 114
Figura 119 - Sonda com termopar . ........................................................................................................................ 117
Figura 120 - 2 Curvas de termopares, entre temperatura e tensão gerada em milivolts. ................... 117
Figura 121 - Fotografia feita com uma câmera termográfica ........................................................................ 118
Figura 122 - Sensor infravermelho para a medição de temperaturas da Contemp. ............................. 118
Figura 123 - Técnico recebendo os parabéns dos diretores da empresa pelos trabalhos realizados. ....... 120
Figura 124 - Eletrodo combinado. .......................................................................................................................... 122
Figura 125 - Curvas (A e B) desviadas lateralmente com relação ao ponto isopotencial (I), da curva 
teórica (T), relacionando potencial do eletrodo de pH com pH. ................................................................. 123
Figura 126 - Medidor de pH. ..................................................................................................................................... 123
Figura 127 - Sensor de pH .......................................................................................................................................... 124
Figura 128 - Potenciômetro ....................................................................................................................................... 124
Figura 129 - Condutor ................................................................................................................................................. 128
Figura 130 - Sensor de condutividade e resistividade. .................................................................................... 129
Figura 131 - Unidade eletrônica remota. .............................................................................................................. 130
Figura 132 - Projeto do suporte com o condutor. ............................................................................................. 131
Figura 133 - Circuito da fonte de tensão............................................................................................................... 131
Figura 134 - Circuito utilizado para medir a resistividade. ............................................................................. 131
Figura 135 - Curva cinética. ....................................................................................................................................... 133
Figura 136 - Velocidade média da reação. ........................................................................................................... 134
Figura 137 - Avanço da reação ................................................................................................................................. 135
Figura 138 - Exemplo de identificação de instrumento conforme ISA S 5.1. .......................................... 137
Figura 139 - Exemplo de aplicação de simbologia - conforme ISA 5.1 ...................................................... 144
Figura 140 - Quadrado ou Tetraedro do Fogo .................................................................................................... 147
Figura 141 - Barreira de segurança intrínseca .................................................................................................... 153
Figura 142 - Nomenclatura de classificação de instrumentos para áreas classificadas ....................... 154
Figura 143 - Sistema de Controle de Processo ................................................................................................... 157
Figura 144 - Controle em malha aberta ................................................................................................................158
Figura 145 - Sistema de controle em malha fechada ....................................................................................... 159
Figura 146 - Visualização do atraso de transporte ............................................................................................ 162
Figura 147 - Equivalente elétrico da descarga de reservatório: (a) descarga de reservatório; (b) 
equivalente elétrico; (c) analogias............................................................................................................................ 164
Figura 148 - Resposta do sistema: (a) Resposta em malha aberta; (b) Resposta em malha fechada. .... 166
Figura 149 - Sinais de teste – (a) Degrau; (b) Rampa ........................................................................................ 166
Figura 150 - Resposta ao degrau de um sistema de nível: (a) Processo; (b) Equivalente elétrico; (c) 
Ensaio do sistema. .......................................................................................................................................................... 168
Figura 151 - Processo ................................................................................................................................................... 168
Figura 152 - Sistema de nível .................................................................................................................................... 169
Figura 153 - (a) Função constante; (b) Integral de uma função constante. .............................................. 170
Figura 154 - Resposta ao degrau típica ................................................................................................................. 172
Figura 155 - Sistema de controle de malha fechada - Função de transferência ..................................... 174
Figura 156 - Sistema massa-mola ............................................................................................................................ 174
Figura 157 - Oscilação do sistema massa-mola ................................................................................................ 175
Figura 158 - Sistema massa-mola: posição em função do tempo ............................................................... 175
Figura 159 - Sistema massa-mola-amortecedor ................................................................................................ 176
Figura 160 - Sistema massa-mola sobreamortecido. ....................................................................................... 176
Figura 161 - Sistema de controle em malha fechada ....................................................................................... 179
Figura 162 - Ação de controle ON-OFF ................................................................................................................. 180
Figura 163 - Forno elétrico ......................................................................................................................................... 181
Figura 164 - (a) Controle de temperatura do forno em malha fechada com ação ON-OFF; (b) Dia-
grama de blocos ............................................................................................................................................................. 181
Figura 165 - Controle ON-OFF de temperatura do forno elétrico ............................................................... 182
Figura 166 - Ação ON-OFF com histerese............................................................................................................. 182
Figura 167 - (a) Controle de temperatura do forno em malha fechada com ação ON-OFF com 
histerese; (b) Diagrama de blocos ............................................................................................................................ 183
Figura 168 - Controle ON-OFF com histerese de temperatura do forno elétrico .................................. 183
Figura 169 - Controlador proporcional ................................................................................................................. 184
Figura 170 - Resposta ao degrau de um sistema de controle proporcional de processo de primeira 
ordem ................................................................................................................................................................................. 184
Figura 171 - Exemplo de sistema de nível – Casos e relatos .......................................................................... 186
Figura 172 - Aproximação da integral de uma função .................................................................................... 187
Figura 173 - Sistema de controle proporcional-integral, ou PI ..................................................................... 187
Figura 174 - Exemplo numérico do efeito da ação integral ........................................................................... 188
Figura 175 - Resposta ao degrau do sistema do Exemplo 22. ...................................................................... 188
Figura 176 - Efeito da ação somente proporcional no Exemplo 22. ........................................................... 189
Figura 177 - Efeito da ação PI no sistema do Exemplo 22. ............................................................................. 189
Figura 178 - Sistema em malha fechada com ação PID .................................................................................. 190
Figura 179 - Aproximação da derivada de uma função .................................................................................. 190
Figura 180 - Resposta do sistema do Exemplo 22 com ação PID ................................................................ 191
Figura 181 - Resposta ao degrau de um sistema de primeira ordem em malha aberta ..................... 196
Figura 182 - Resposta do sistema de primeira ordem em malha fechada com controle proporcional .... 197
Figura 183 - Efeito do aumento de ganho proporcional no sistema de primeira ordem ................... 197
Figura 184 - Sistema com ganho proporcional Kp = 1,2 ................................................................................. 198
Figura 185 - Sistema de primeira ordem realimentado, com ação PI ........................................................ 199
Figura 186 - Efeito do aumento do ganho integral .......................................................................................... 200
Figura 187 - Limites de aumento do ganho integral ........................................................................................ 201
Figura 188 - Sistema com controle PI e limitação do ganho integral ........................................................ 201
Quadro 1 - Unidades de medida de pressão ...........................................................................................................22
Quadro 2 - Identificação de instrumentos conforme a ISA S 5.1 ................................................................... 138
Quadro 3 - Símbolos de linhas de instrumentação - conforme ISA 5.1 ...................................................... 139
Quadro 4 - Simbologia Gráfica - conforme ISA 5.1 ............................................................................................. 140
Quadro 5 - Símbolos de instrumentos - conforme ISA 5.1 .............................................................................. 140
Quadro 6 - Simbologia de válvulas - conforme ISA 5.1..................................................................................... 142
Quadro 7 - Símbolos de atuadores - conforme ISA 5.1 ..................................................................................... 142
Quadro 8 - Símbolos de atuadores na falta de energia - conforme ISA 5.1 .............................................. 143
Quadro 9 - Símbolos de elementos primários de vazão - conforme ISA 5.1 ............................................. 143
Quadro 10 - Símbolos de dispositivos autoatuados ..........................................................................................144
Quadro 11 - Tipos de Proteção Segundo a Norma IEC .................................................................................. 150
Quadro 12 - Classificação de temperaturas máximas na superfície de equipamentos ........................ 150
Quadro 13 - Classificação por grupos ................................................................................................................... 151
Quadro 14 - Classificação de grau de estanqueidade IP .................................................................................. 152
Quadro 15 - Equivalência entre sistemas físicos ................................................................................................. 163
Tabela 1: Técnico em automação industrial .............................................................................................................15
Tabela 2: Unidades de medida de pressão e seus fatores de conversão. ......................................................22
Tabela 3: Tabela para conversão de viscosidade cinemática. ............................................................................70
Tabela 4: Valores de resistividade de materiais.................................................................................................... 127
Tabela 5: Parâmetros de Ziegler e Nichols para o método 
da curva de reação ......................................................................................................................................................... 211
Tabela 6: Parâmetros de Ziegler e Nichols para o método do ganho crítico ............................................ 213
Figura 189 - Controle P de sistema integrador ................................................................................................... 202
Figura 190 - Resposta ao degrau do processo integrador com controle PI ............................................. 203
Figura 191 - Resposta do sistema de primeira ordem em malha fechada com ação PID ................... 204
Figura 192 - Resposta do sistema de primeira ordem em malha fechada com ação PID com aumen-
to de Kd .............................................................................................................................................................................. 205
Figura 193 - Resposta ao degrau de um sistema de malha aberta ............................................................ 211
Figura 194 - Ensaio de processo em malha fechada com ação bang-bang............................................. 213
Figura 195 - Diagrama de blocos de um controlador ...................................................................................... 218
Figura 196 - Transmissor de temperatura: (a) Tipo bloco de ligação; 
(b) Para montagem em trilho Din ............................................................................................................................. 219
Figura 197 - Modulação por largura de pulsos (PWM) .................................................................................... 221
Figura 198 - Malha de controle ................................................................................................................................ 225
Figura 199 - Cilindro com retorno por mola ........................................................................................................ 228
Figura 200 - Controle de malha aberta ................................................................................................................. 228
Figura 201 - Vista em corte do atuador pneumático diafragma-mola; (a) ação direta; (b) ação reversa ... 229
Figura 202 - Atuador pneumático diafragma-mola.......................................................................................... 229
Figura 203 - Atuador pneumático a pistão; (a) Deslocamento linear; (b) deslocamento rotativo .. 230
Figura 204 - Atuador pneumático a pistão .......................................................................................................... 230
Figura 205 - Funcionamento de válvula com posicionador .......................................................................... 231
Figura 206 - Posicionador eletropneumático ..................................................................................................... 232
Figura 207 - Posicionador eletro-hidráulico ........................................................................................................ 233
Figura 208 - Posicionador pneumático inteligente .......................................................................................... 234
Figura 209 - Posicionador hidráulico inteligente .............................................................................................. 234
1 Introdução ......................................................................................................................................................................15
2 Variáveis de Processo ..................................................................................................................................................17
2.1 Pressão ............................................................................................................................................................20
2.1.1 Princípio de pascal e equação manométrica ..................................................................21
2.1.2 Pressão atmosférica, pressão relativa e pressão absoluta ..........................................25
2.1.3 Pressão estática e pressão dinâmica ..................................................................................25
2.1.4 Teoria cinética dos gases .......................................................................................................26
2.1.5 Dispositivos de medição de pressão .................................................................................33
2.1.6 Sensores de pressão .................................................................................................................37
2.1.7 Transdutores de pressão .........................................................................................................40
2.1.8 Transmissor de pressão ...........................................................................................................43
2.1.9 Conversão analógico/digital e digital/analógico ..........................................................46
2.2 Nível .................................................................................................................................................................50
2.2.1 Medição de nível .......................................................................................................................51
2.2.2 Sensores de nível ......................................................................................................................59
2.3 Vazão ...............................................................................................................................................................66
2.3.1 Lei da vazão .................................................................................................................................67
2.3.2 Regimes de escoamento e número de Reynolds ..........................................................69
2.3.3 Viscosidade ..................................................................................................................................69
2.3.4 Medição de vazão .....................................................................................................................72
2.3.5 Válvulas e atuadores ................................................................................................................84
2.4 Temperatura ..................................................................................................................................................97
2.4.1 Termodinâmica ..........................................................................................................................982.4.2 Unidades de temperatura ................................................................................................... 101
2.4.3 Medição de temperatura .................................................................................................... 102
2.4.4 Sensores de temperatura .................................................................................................... 107
2.5 Potencial hidrogeniônico - pH ............................................................................................................ 121
2.5.1 Medição de pH ........................................................................................................................ 122
2.5.2 Sensor de potencial hidrogeniônico - pH ..................................................................... 123
2.6 Resistividade e condutividade ............................................................................................................ 126
2.6.1 Medição de condutividade / resistividade ................................................................... 129
2.6.2 Sensores de condutividade ................................................................................................ 130
2.7 Cinética química ....................................................................................................................................... 133
2.7.1 Velocidade média de uma reação química ................................................................... 133
2.7.2 Velocidade instantânea de uma reação química ........................................................ 135
2.7.3 Fatores que influenciam a velocidade da reação ....................................................... 135
2.8 Simbologia ISA .......................................................................................................................................... 136
Sumário
3 Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) ..................................................................................................... 147
3.1 Processos potencialmente explosivos.............................................................................................. 147
3.2 Técnicas de prevenção ........................................................................................................................... 148
3.3 Áreas classificadas - conceitos ............................................................................................................. 148
3.4 Segurança intrínseca .............................................................................................................................. 152
3.4.1 Instrumentos com segurança intrínseca ....................................................................... 153
4 Controle de Processos ............................................................................................................................................. 157
4.1 Malha de controle .................................................................................................................................... 158
4.1.1 Malha aberta e malha fechada .......................................................................................... 159
4.1.2 Problema de controle ........................................................................................................... 161
4.2 Características do processo .................................................................................................................. 161
4.2.1 Tempo morto ........................................................................................................................... 161
4.2.2 Resistência ................................................................................................................................ 162
4.2.3 Capacitância............................................................................................................................. 162
4.2.4 Inércia ......................................................................................................................................... 163
4.3 Analogias de sistemas físicos ............................................................................................................... 163
4.4 Teste do sistema: resposta ao degrau ............................................................................................... 166
4.5 Processos típicos e suas respostas ao degrau................................................................................ 168
4.5.1 Sistema integrador ............................................................................................................... 168
4.5.2 Sistema de primeira ordem ............................................................................................... 170
4.5.3 Sistema de segunda ordem .............................................................................................. 171
4.6 Desempenho do sistema ..................................................................................................................... 172
4.6.1 Regime transitório e regime permanente .................................................................... 172
4.6.2 Sobrepasso ou overshoot ................................................................................................... 172
4.6.3 Tempo morto ou atraso de transporte ........................................................................... 173
4.6.4 Tempo de subida .................................................................................................................... 173
4.6.5 Tempo de acomodação ....................................................................................................... 173
4.7 Função de transferência ....................................................................................................................... 173
4.8 Análise de estabilidade .......................................................................................................................... 174
5 Tipos de Controladores ........................................................................................................................................... 179
5.1 Ação de controle ON-OFF ..................................................................................................................... 180
5.2 Ação de controle proporcional (P) ..................................................................................................... 184
5.3 Ação de controle proporcional-integral (PI) ................................................................................... 186
5.3.1 Integral de uma função........................................................................................................ 187
5.3.2 Ação proporcional-integral ............................................................................................... 187
5.4 Ação de controle proporcional-integral-derivativa (PID) .......................................................... 190
5.4.1 Derivada de uma função .................................................................................................... 190
5.4.2 Ação de controle PID ............................................................................................................ 191
6 Parâmetros P-I-D ........................................................................................................................................................ 195
6.1 Controlador P ............................................................................................................................................ 196
6.2 Controlador PI ........................................................................................................................................... 198
6.3 Controlador PID ........................................................................................................................................ 203
6.4 Banda proporcional – limites de operação .....................................................................................205
7 Sintonia de Controladores ..................................................................................................................................... 209
7.1 Ajuste manual por tentativa e erro .................................................................................................... 209
7.2 Determinação de parâmetros PID utilizando a resposta ao degrau – Método da curva de 
reação .................................................................................................................................................................. 211
7.3 Método do ponto crítico ....................................................................................................................... 212
8 Dispositivos Controladores Comerciais ............................................................................................................. 217
8.1 Componentes de um controlador comercial ................................................................................. 218
8.2 Entradas ....................................................................................................................................................... 219
8.3 Saídas ........................................................................................................................................................... 220
8.4 Algoritmo PID - Sintonia ........................................................................................................................ 221
8.5 Setpoint ....................................................................................................................................................... 222
8.6 Taxa de amostragem ............................................................................................................................... 222
8.7 Outras funções .......................................................................................................................................... 222
8.8 Interfaces .................................................................................................................................................... 223
9 Hidráulica e Pneumática Proporcional .............................................................................................................. 225
9.1 Introdução aos sistemas de controle ................................................................................................ 225
9.1.1 Sistema de posicionamento............................................................................................... 227
9.2 Atuadores e posicionadores ................................................................................................................ 228
9.3 Atuador pneumático do tipo mola-diafragma e atuador com pistão .................................. 229
9.4 Posicionadores .......................................................................................................................................... 230
9.4.1 Posicionador pneumático ................................................................................................... 231
9.4.2 Posicionador eletropneumático ....................................................................................... 232
9.4.3 Posicionador eletro-hidráulico .......................................................................................... 232
9.4.4 Posicionadores inteligentes ............................................................................................... 233
Referências ........................................................................................................................................................................ 237
Minicurrículo dos Autores ........................................................................................................................................... 244
Índice .................................................................................................................................................................................. 245
A unidade curricular “Instrumentação e Controle” visa propiciar ao aluno o desenvolvimento das 
capacidades técnicas, sociais, organizativas e metodológicas requeridas para a instrumentação e 
controle em sistemas de controle e automação. Em vista disso, seu enfoque está no desenvolvimento 
de conhecimentos relacionados a variáveis de processo, cinética química e termoquímica, sensores, 
transdutores e conversores, válvulas de controle, malhas de controle, controle de processos, tipos de 
controladores, parâmetros P-I-D, dispositivos controladores comerciais, sintonia de controladores, 
hidráulica e pneumática proporcional, entre outros (DCN-DN).
A seguir, são descritos, na matriz curricular, os módulos e as unidades curriculares previstos e a 
respectiva carga horária do Curso Técnico de Automação Industrial. 
Tabela 1: Técnico em automação industrial
Módulos denoMInação unIdades CurrICulares Carga
HorárIa
Carga HorárIa
Módulo
Módulo Básico Fundamentos técnicos e 
científicos
• Fundamentos da Comunicação
• Fundamentos da Eletrotécnica
• Fundamentos da Mecânica
100 h
140 h
100 h
340 h
Módulo 
Introdutório
Fundamentos técnicos e 
científicos
• Acionamento de Dispositivos 
Atuadores
• Processamento de Sinais
160 h
180 h
340 h
Específico I Manutenção e 
Implementação de 
equipamentos e dispositivos
• Gestão da Manutenção
• Implementação de Equipamentos 
Dispositivos
34 h
136 h
102 h
68 h
340 h
• Instrumentação e Controle
• Manutenção de Equipamentos e 
Dispositivos
Específico II Desenvolvimento de 
sistemas de controle e 
Automação
• Desenvolvimento de Sistemas de 
Controle
• Sistemas Lógicos Programáveis
• Técnicas de Controle
100 h
160 h
80 h
340 h
Fonte: SENAI 
A carga horária da fase escolar totaliza 1.360 horas, em atendimento ao Catálogo Nacional de 
Cursos Técnicos.
Introdução
1
2
Variáveis de Processo
Neste capítulo, veremos as variáveis de processos, seus dispositivos e equipamentos e as 
transformações térmicas e químicas dessas variáveis, assim como a simbologia dos mesmos.
Podemos descrever a instrumentação como sendo a tecnologia que aplica e desenvolve 
técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle 
de variáveis físicas e químicas em equipamentos nos processos industriais das indústrias de 
processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, entre outras.
Na indústria de processo, existem diversas variáveis chamadas de variáveis de processo, que 
é uma grandeza física que altera seu valor em função de outras variáveis, como pressão, vazão 
nível, temperatura, pH, condutividade, entre outros. Seu monitoramento e controle permitem, 
por exemplo, minimizar a variabilidade na qualidade do produto final, manter o processo 
dentro de limites seguros e otimizar o processo, resultando, assim, em redução de custos de 
produção e outros. 
Desta forma conheceremos a obtenção de um produto final através do resultado da 
transformação de matérias-primas. Assim, as matérias-primas se modificam, normalmente 
por reação com outras matérias primas a que chamamos de reagentes. Numa reação 
química, os reagentes perdem suas características químicas. Evidentemente, a velocidade 
com que as reações se produzem resulta de particular importância em termos de, por 
exemplo, produtividade. 
Os processos de transformação na indústria podem ser classificados em dois grandes grupos: 
indústria de manufatura e indústria de processo.
•	 Indústrias de manufatura: este tipo de indústria envolve principalmente variáveis 
discretas, essas variáveis têm características mensuráveis que podem assumir apenas 
um número finito ou infinito contável de valores e utilizam somente valores inteiros. São 
exemplos de processo discreto as montadoras de veículos, fabricantes de móveis e de 
eletrodomésticos, entre outras.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL18
Figura 1 - Exemplo de indústria de manufatura.Fonte: Baseado em Agência FIEP, 2012.
•	 Indústrias de processo: o processo produtivo envolve principalmente 
variáveis contínuas no tempo, essas variáveis têm características mensuráveis 
que assumem valores em uma escala contínua (na reta real), a qual utiliza 
valores fracionários. São exemplos de processo contínuo as indústrias de 
óleo e gás, químicas, de celulose, de alimentos e bebidas, metalúrgica e 
de geração de energia, entre outras. O processo de transformação nestas 
indústrias parte de matérias primas que são transformadas ou refinadas para 
a obtenção de um produto final.
Figura 2 - Exemplo de indústria de processo.
Fonte: Autor.
exemplo 1: Controle das variáveis no dia a dia
Como exemplo prático do nosso cotidiano, temos uma pessoa tomando 
banho. Ela nem imagina que esse simples ato de tomar banho contém as 
quatro principais variáveis de processo, ou seja, o nível da caixa d’água que 
controla a vazão da bomba que, por sua vez, gera uma pressão na rede para 
levar água até o reservatório (caixa-d’água), e a resistência do chuveiro que 
controla a temperatura da água, de forma que o seu banho estará sempre na 
temperatura ideal, conforme mostra a Figura 3. 
2 VariáVeis de processo 19
Nível de água
nível máximo
nível minimo
Vazão da bomba
Pressão do sistema Temperatura
Figura 3 - Exemplo do controle das variáveis no dia a dia.
Fonte: Autor.
Toda indústria de manufatura primária ou secundária, 
indiferentemente de seu ramo, utiliza essas variáveis em 
seus diversos processos, seja na obtenção do ar comprimido 
para máquinas industriais nas metalúrgicas (pressão), ou, 
ainda, em tanques para refinarias (nível e vazão), ou fornos 
industriais para siderúrgicas (temperatura) e, indiretamente, 
seus processos físico-químicos.
 VOCÊ 
 SABIA?
Como vimos no Exemplo 1, os instrumentos que controlam as variáveis de processo 
geralmente estão interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos 
processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha, e, em uma 
malha, cada instrumento executa uma função. Neste capítulo, também estudaremos 
alguns componentes que fazem parte desta malha, conforme demonstrado na Figura 4.
Indicador Controlador
Conversor
sensor
Atuador
sensor
Detector
Transmissor
Válvula
Integrador
Figura 4 - Malha de controle da instrumentação.
Fonte: Autor.
A instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, 
fazendo com que toda energia cedida seja transformada em trabalho na 
elaboração do produto desejado. As principais grandezas físicas que traduzem 
transferências de energia no processo são: pressão, nível, vazão e temperatura. 
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL20
São denominadas de Variáveis de Processo e, a seguir, serão tratadas com seus 
respectivos equipamentos e processos físico-químicos.
2.1 PreSSão
A pressão tem, usualmente, como unidade de medida milímetros de mercúrio 
(mmHg). Essa unidade de medida resultou de uma experiência feita pelo físico 
italiano Evangelista Torricelli (1608-1647). Torricelli emborcou um tubo cheio de 
mercúrio em um recipiente contendo também mercúrio. Em um dado momento, 
o mercúrio contido no tubo não escoava mais para o recipiente. Com isso, ele 
verificou que existia uma pressão externa, atmosférica que impedia que todo 
o mercúrio do tubo escoasse para o recipiente onde esse estava emborcado. 
Portanto, estava inventado o Barômetro, que é o instrumento que mede a pressão 
atmosférica e serve também para medir a pressão de qualquer gás (FELTRE, 2001).
Hg
Pressão
do ar
Praticamente
vácuo
h
Figura 5 - Experiência de Torricelli.
Fonte: Baseada em Feltre, 2001.
Se o experimento de Torricelli for efetuado ao nível do mar, a altura h será de 
760 mmHg, o que equivale a 1 atmosfera (outra unidade de medida de pressão). 
Já na indústria, a unidade de medida de pressão utilizada é o bar, que:
1 atm = 1,053 bar 
A pressão é, particularmente, de interesse na instrumentação industrial, já que, 
a partir dela, podemos medir, de forma indireta, outras duas variáveis de processo, 
o nível e a vazão; mas isso será visto mais adiante.
Por definição, pressão é a relação entre uma força F aplicada perpendicularmente 
a uma área A. Assim, temos demonstrado na Figura 6:
ÁREA
PRESSÃO
F
O
R
Ç
A
Figura 6 - Pressão aplicada perpendicularmente a uma área.
Fonte: Baseado na Festo, 2012.
2 VariáVeis de processo 21
2.1.1 PrincíPio de Pascal e equação manométrica
O princípio da lei de Pascal “estabelece que uma pressão aplicada em 
qualquer ponto de um líquido em equilíbrio (em situação estática) se transmite 
integralmente em todas as direções”.
Consideremos o sistema hidráulico onde uma força de F1 é aplicada sobre 
o êmbolo de área A1; a pressão P resultante se transmite em todas as direções, 
resultando na aplicação de uma força F2 sobre o êmbolo de área A2, conforme 
ilustrado na Figura 7.
2. Se aplicamos uma força de 10 kgf 
numa rolha de 1 cm2 de área...
1. Suponhamos uma 
garrafa cheia de 
um líquido, o qual é 
praticamente 
incompressível.
3... o resultado será uma força 
de 10 Kgf em cada cm2 das 
paredes da garrafa.
4. Se o fundo da garrafa tiver uma área de 20 cm2 e cada cm estiver sujeito a uma força 
de 10 Kgf. teremos como resultante uma força de 200 kgf aplicada ao fundo da garrafa.
100 Kgf
10 cm2
10 cm
1 cm2
10 Kgf
F1
A1
F2
A2
1. Se o pistão se move 10 centímetros, desloca 10 
centimetros cúbicos de líquido (1 cm2 x 10 cm = 10 cm3).
2. 10 cm2 de líquido movimentarão 
somente 1 cm neste pistão.
1 cm
3. A energia transferida será igual a 
10 quilos x 10 centímetros 
ou 100 kgf. cm.
4. Neste ponto também 
teremos uma energia de 
100 kgf. cm (1 cm x 100 kgf ).
2. Se aplicamos uma força de 10 kgf 
numa rolha de 1 cm2 de área...
1. Suponhamos uma 
garrafa cheia de 
um líquido, o qual é 
praticamente 
incompressível.
3... o resultado será uma força 
de 10 Kgf em cada cm2 das 
paredes da garrafa.
4. Se o fundo da garrafa tiver uma área de 20 cm2 e cada cm estiver sujeito a uma força 
de 10 Kgf. teremos como resultante uma força de 200 kgf aplicada ao fundo da garrafa.
100 Kgf
10 cm2
10 cm
1 cm2
10 Kgf
F1
A1
F2
A2
1. Se o pistão se move 10 centímetros, desloca 10 
centimetros cúbicos de líquido (1 cm2 x 10 cm = 10 cm3).
2. 10 cm2 de líquido movimentarão 
somente 1 cm neste pistão.
1 cm
3. A energia transferida será igual a 
10 quilos x 10 centímetros 
ou 100 kgf. cm.
4. Neste ponto também 
teremos uma energia de 
100 kgf. cm (1 cm x 100 kgf ).
Figura 7 - Princípio de Pascal
Fonte: SENAI-RS, 2007.
A pressão resultante aplicada pela força F1 no êmbolo de área A1 é calculada 
pela seguinte equação:
F1
P = A1
Pelo princípio de Pascal, esta pressão é transmitida para todos os pontos do fluido 
e, em particular, para todos os pontos da superfície do êmbolo de área A2. Logo,
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL22
P = F2
A2
Finalmente, resulta:
F1
A1
=
F2
A2
E a força F2 resultante é:
F2 = A2
A1
F1
No Quadro 1, a seguir, veja algumas das unidades de medida de pressão:
unIdade de MedIda síMbolo
Pascal Pa
Newton por metro quadrado N/m2
Quilograma força por centímetro quadrado Kgf/cm2
Libras por polegada quadrada lb/in2
Pound Square Inch PSI
Milímetro de coluna de água (mm H2O ou mm Ca)
Milímetro de mercúrio (mmHg)
Unidade geralmente utilizada na pneumática/hidráulica bar
Quadro 1 - Unidades de medida de pressão
Fonte: Autor
Como existem muitas unidades de medida de pressão, é 
necessário saber a correspondência entre elas, pois nem 
sempre na indústria temos instrumentos padrão com todas 
essas unidades e, para isso, é necessário que o técnico em 
automação saiba fazer as conversões.
 SAIBA 
 MAIS
E, para fazer essas conversões, podemos utilizar as relações da Tabela 2.
Tabela 2: unidades de medida de pressão e seus fatores de conversão.
Pa bar at atm Torr Psi mmHg
1 
Pa
=1 N/m2 = 10-5 bar ≈ 10,2.10-6 at ≈ 9,87.10-6 
atm
≈ 7,5.10-3 
Torr
≈ 145.10-6 psi 0,0075 
mmHg
1 
ba
r = 100 0000 
Pa
= 106 dyn/
cm2
≈1,02 at ≈ 0,987atm ≈ 750 Torr ≈ 14, 504 psi 750,061 
mmHg
1 
at
= 98 066,5 
Pa
= 0, 980665 
bar
Ξ 1 kgf/cm2 ≈ 0,968 atm ≈ 736 Torr ≈ 14, 223 psi 735,559 
mmHg
1 
at
m = 101 325 
Pa
= 1,01325 
bar
≈1,033 at Ξ 101 325 Pa = 760 Torr ≈ 14, 696 psi 760 mmHg
1 
To
rr ≈133,322 Pa ≈1,333. 10
-3 
bar
≈1,360.10-3 at ≈1,316.10 -3 
atm
Ξ 1 mmHg ≈ 19,337.10-3 
psi
1 Torr
1 
ps
i ≈6894,757 
Pa
≈68,948.
10-3 bar
≈70,307.10-3 at ≈68,046.10-3 
atm
≈ 51,7149 
Torr
Ξ 1 lbf/in2 51,715 
mmHg
Fonte: Wikipedia, 2013
2 VariáVeis de processo 23
Na indústria, as unidades de medida de pressão mais 
utilizadas são o bar, para os países que utilizam o sistema 
métrico, e o PSI, para os países que utilizam o sistema inglês, 
porém o sistema internacional (SI) utiliza o Pascal (Pa). Essa 
unidade, muito utilizada na indústria, ou seja, o bar equivale 
a 1,0197162 kgf/cm2.
 VOCÊ 
 SABIA?
exemplo 2: Cálculo da força máxima de um cilindro.
Para compreendermos melhor esse tópico, vamos analisar o exemplo de 
cálculo da força máxima de um cilindro hidráulico.
Um cilindro hidráulico, Figura 8, é um dispositivo composto basicamente 
por uma camisa, um êmbolo e uma haste unida rigidamente a esse último. 
Consideremos um cilindro de diâmetro d = duas polegadas (2”) e uma pressão de 
trabalho de 710 PSI, qual seria a força aplicada em Kgf desse atuador?
Assim:
Convertendo polegada em milímetros, temos:
d = 2” . 2,54 = 5,08 cm
Utilizando a Tabela 2 para a conversão das unidades de medida de PSI para 
Kgf/cm2, temos:
P = 710 . 0,07 = 50 Kgf/cm2
Então, calculando a área do êmbolo, temos:
A = π . d2
4
= 20,26 cm2
P = 50 barSabendo que: P = 50 Kgf/cm2
E sendo o conjunto êmbolo-haste rígido, a força F aplicada no êmbolo é 
transmitida para a ponta da haste. 
F = P . A = 50 . 20, 26 [ [kgfcm2 . cm2 = 1.013 kgf
Após os cálculos, teremos uma força aplicada de 1.013 Kgf.
MANCAL
MANCAL
ESPAÇADOR
ESPAÇADOR
BUCHA
GUIA
VÁLVULA
HASTE
EMBOLO
VEDAÇÕES
BUCHA 
Figura 8 - Cilindro hidráulico.
Fonte: Baseado em Parker, 1999.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL24
 FIQUE 
 ALERTA
Evite acidentes: Se for executar trabalhos num sistema 
óleo-hidráulico ou qualquer outro que trabalhe com 
pressão, verifique se o circuito não ficou pressurizado e 
utilize sempre luvas e óculos de proteção, além de outros 
EPIs específicos que possam ser indicados para a tarefa.
exemplo 3: aplicação da equação manométrica.
Veja neste exemplo a aplicação da equação manométrica.
Consideremos o sistema em equilíbrio da Figura 9, onde as áreas dos êmbolos 
são iguais. Desejamos conhecer qual é a relação entre a diferença das pressões (P1 
e P2) e das alturas (h1 e h2). A densidade do líquido é δ (densidade = massa/volume).
P1
A
P2
A
S
h1
h2
Figura 9 - Sistema em equilíbrio descrito no Exemplo 3.
Fonte: Autor.
A pressão no fundo do recipiente da Figura 9, do lado esquerdo da figura (lado 
1), é a somatória da pressão aplicada P1 e da resultante do peso da coluna de líquido. 
Do lado direito (lado 2), a pressão no fundo será a somatória da pressão P2 e da 
resultante do peso da coluna 2. Pelo princípio de Pascal, as duas pressões são iguais. 
Sendo a área e o peso específico constantes, existe uma relação de 
proporcionalidade entre a diferença das pressões e a diferença de alturas, e a 
constante de proporcionalidade é o peso específico, gerando a equação a seguir:
∆P = δ . g . ∆h
Onde:
∆P é a variação de pressão; 
∆h é variação atmosférica; e 
g = 10 m/s2 
2 VariáVeis de processo 25
2.1.2 Pressão atmosférica, Pressão relativa e Pressão 
absoluta
A seguir, veja os conceitos e as diferenças existentes entre as pressões. 
A pressão atmosférica é aquela exercida pela atmosfera sobre a superfície da 
terra. A pressão relativa é aquela medida com relação à pressão atmosférica. Já a 
pressão absoluta é o somatório da pressão relativa medida e da pressão atmosférica.
Concluímos que: Pressão absoluta = Pressão relativa + Pressão atmosférica
Para melhor compreensão, esses conceitos são apresentados graficamente 
na Figura 10.
Pressão
Pressão
relativa
Pressão
absoluta
Pressão
atmosférica
Vácuo absoluto
(pressão nula)
Figura 10 - Pressão atmosférica, relativa e absoluta
Fonte: Autor
Para saber mais sobre Pressão atmosférica, você poderá 
acessar o site: http://videoseducacionais.cptec.inpe.br/swf/
mov_atm/2/02_01_ba_01_a_00_x.swf, e fazer uma simulação 
sobre esse conteúdo. Acesso jan/2013.
 SAIBA 
 MAIS
A pressão relativa ou manométrica pode ser positiva ou negativa. Quando essa 
está negativa, é também chamada de vácuo.
Exemplo: É importante sempre definir se a pressão é absoluta ou relativa.
10 Kgf/cm2 ABS = Pressão absoluta
15 Kgf/cm2 = Pressão relativa
Na indústria, os instrumentos geralmente efetuam a medição utilizando a 
pressão relativa.
2.1.3 Pressão estática e Pressão dinâmica
Os conceitos sobre pressão, tratados até agora, consideram uma situação 
estática, ou seja, consideram um sistema em equilíbrio. Um fluido em movimento 
gera também uma pressão chamada de pressão dinâmica.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL26
X1 X2
h1
V
h2
Figura 11 - Pressão estática e pressão dinâmica.
Fonte: Autor.
A pressão no ponto x1 da Figura 11 corresponde à pressão estática, e a pressão 
no ponto x2 corresponde à pressão total, que é a somatória de ambas.
A pressão dinâmica é definida pela seguinte equação:
Pd =
1
2
. . = P2 - P1
2v
Onde:
g é a aceleração da gravidade; 
δ é a densidade ou massa específica do fluido; e 
v é a velocidade do fluido. 
Assim, a velocidade do fluido pode ser determinada partindo da fórmula 
anterior. Temos:
= 2 .
P2 - P1v
2.1.4 teoria cinética dos gases 
Essa teoria é constituída pelas seguintes premissas:
• Todos os gases são constituídos por átomos, moléculas e íons, e 
essas partículas estão em constante movimento desordenado e com 
velocidade elevada.
• Como as partículas estão muito afastadas, o espaço ocupado por elas se 
torna desprezível, uma vez que o vazio existente é muito grande. Por isso, os 
gases possuem baixa densidade e são facilmente comprimidos, misturam-se 
com facilidade. Por estarem distantes, as partículas quase não se atraem e, 
com isso se dilatam facilmente com a presença de calor.
2 VariáVeis de processo 27
• Os choques existentes ocorrem em relação às paredes do recipiente e entre 
elas, porém esses choques são elásticos e, portanto, sem perda de energia, 
justificando o movimento perpétuo das partículas componentes de um gás. 
A pressão do gás é feita nas paredes do recipiente devido aos choques das 
partículas com a parede do mesmo. Isso ocorre, por exemplo, nas bolas de 
futebol, as partículas do gás estão em constante choque entre elas e com as 
paredes da bola.
Um gás ideal é aquele que tem um comportamento conforme as leis da 
mecânica clássica. Assim suas moléculas não perdem energia nas colisões, as 
forças de coesão são nulas e o volume de cada molécula é considerado nulo. 
Um gás está caracterizado por três variáveis fundamentais: pressão (P), volume 
(V) e temperatura (T). Essas variáveis são descritas nas leis físicas dos gases, que 
relacionam as variações de pressão, temperatura e o volume dos gases.
•	Transformação Isotérmica - lei de boyle-Mariotte
Essa lei diz que, se mantivermos a temperatura constante e comprimirmos 
uma determinada massa constante de gás, teremos a seguinte equação:
=
P1 V1 P2 V2
T2T1
Se a temperatura não é alterada, a fórmula passa a ser:
P1V1 = P2V2
 
P1
V1
P2
V2
Massa constante
Temperatura constante
1º estado 2º estado
1
2
V1
V
V2
P1 P2 P
Isoterma
Figura 12 - Transformação isotérmica.
Fonte: Baseada em Feltre, 2001.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL28
Mantendo a temperatura e diminuindo o volume, nesse caso, aumentamos a 
pressão, conforme demonstrado na Figura 12.
Para demostrar o princípio da Lei de Boyle-Mariotte, temos um cilindro 
industrial conforme Figura 13.
0
10
60 90
120
150
MANÔMETRO
MAX.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
TE
RM
Ô
M
ET
RO
20 L
Figura 13 - Cilindro demonstrandoa transformação isotérmica.
Fonte: Autor
Para calcular a quantidade de ar que um mergulhador 
necessita ao mergulhar, precisamos conhecer melhor as 
transformações isotérmicas. Veja o caso:
Qual o volume de ar necessário para que um mergulhador 
possa descer até 30 metros de profundidade?
Sabe-se que a cada metro de profundidade a pressão 
aumenta em 1 atm. e o mergulhador, que está a 30 metros 
de profundidade, suporta a pressão da coluna de água 
de 30 metros e mais a pressão que o ar exerce sobre o 
mar. Sendo assim, serão 1 atmosfera mais 3 atmosferas da 
coluna de água, resultando em 4 atmosferas de pressão 
sobre o mergulhador.
30 METROS
Figura 14 - Pressão exercida sobre o mergulhador
Fonte: Harold’s Planet, 2010.
Aplicando a Lei de Boyle-Mariotte (FELTRE, 2001), teremos:
P1V1 = P2V2 ->1 atm. 1l = 4 atm. V2
V2 = 0,25 l ou 250 ml 
Então, o mergulhador utilizará 250 mililitros de ar para 
descer até 30 metros de profundidade na água.
 VOCÊ 
 SABIA?
2 VariáVeis de processo 29
•	Transformação isobárica - lei de gay-lussac
Essa lei diz que, se mantivermos a pressão constante e aquecermos o gás a 
uma determinada massa constante de gás, o volume se altera pela dilatação e, 
assim, teremos:
=
P1 V1 P2 V2
T2T1
Se a pressão é constante, teremos:
=V1 V2
T1 T2
T1
V1
T2
V2
Massa constante
Pressão constante
1º estado 2º estado
Isóbara
1
2
V2
V
V1
T1 T2 T
Figura 15 - Transformação isobárica.
Fonte: Baseada em FELTRE, 2001.
Mantendo a pressão constante e aumentando a temperatura, nesse caso, 
aumentará o volume, conforme demonstrado na Figura 15.
Para demostrar o princípio da Lei de Gay-Lussac, temos o cilindro industrial 
conforme Figura 16.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL30
0
10
60 90
120
150
MANÔMETRO
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
TERMÔMETRO
40 L
MAX.
Figura 16 - Cilindro demonstrando a transformação isobárica..
Fonte: Autor.
•	Transformação isovolumétrica - lei de Charles
Essa lei diz que, se mantivermos o volume constante e aquecermos o gás, uma 
determinada massa constante de gás, a pressão aumenta. Assim, temos:
=
P1 V1 P2 V2
T2T1
Se o volume é constante, temos:
=
P1 P2
T1 T2
P1 Massa constante
Volume constante
1º estado 2º estado
T1 T2
P2
Isométrica
1
2
P2
P
P1
T1 T2 T
Figura 17 - Transformação isovolumétrica.
Fonte: Baseada em FELTRE, 2001.
2 VariáVeis de processo 31
Mantendo o volume constante e aumentando a temperatura, nesse caso, 
aumentaremos a pressão, conforme demonstrado na Figura 17.
Para demostrar o princípio da Lei de Charles, temos o cilindro industrial 
conforme Figura 18.
0
10
60 90
120
150
MANÔMETRO
MAX.
TERMÔMETRO
30 L
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
MAX.
Figura 18 - Cilindro demonstrando a transformação isovolumétrica .
Fonte: Autor.
Sabendo das leis dos gases e conhecendo suas equações, finalmente 
poderemos calcular as variáveis de gases ideais. Veja como é feito isso na aplicação 
das equações a seguir.
Considere 1(um) mol de gás ideal (por exemplo, oxigênio ou hidrogênio, 
considerados gases perfeitos). Em condições normais de pressão e temperatura 
(CNPT, condição de temperatura de 0 °C e pressão de 1 atm.), suas variáveis se 
relacionam como segue:
PV
T
= R
Onde R é a chamada constante dos gases perfeitos. Para n mols,
PV
T
= nR
A equação anterior permite estabelecer a relação entre um estado inicial e um 
estado final em um gás que sofre uma transformação. Assim,
P0V0
T0
PfVf
Tf
=
onde:
Po, Vo e To são pressão, volume e temperatura iniciais; e
Pf, Vf e Tf são pressão, colume e temperatura finais.
Uma extensão da equação para o caso de um sistema de dois gases ideais A e 
B é:
PTVT
TT
PAVA
TA
=
PBVB
TB
+
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL32
 CASoS e reLAToS
Se pegarmos um balão e o afundarmos na água, devido à pressão da água, 
seu tamanho diminuirá; mas, uma vez trazido à superfície, ele retorna ao 
tamanho original. Isto ocorre devido à compressão dos gases. Pressão e volume 
são inversamente proporcionais, ou seja, se a pressão dobrar, o volume cai pela 
metade. Se a pressão cair pela metade, o volume dobra.
1 Atmosfera
2 Atmosfera
3 Atmosfera
1
1/2
1/3
0m
10m
20m
Figura 19 - Relação entre pressão e volume.
Fonte: Baseada em Stars, 2006.
A medição e controle de pressão é a variável de processo 
mais utilizada nas indústrias de controle de processos 
nos seus mais diversos segmentos. Além disso, através da 
pressão, é facilmente possível inferir uma série de outras 
variáveis de processo, tais como nível, volume, vazão e 
densidade.
 SAIBA 
 MAIS
2 VariáVeis de processo 33
2.1.5 disPositivos de medição de Pressão 
Temos dois tipos de dispositivos de medição de pressão:
Os que podem efetuar medições através de coluna de líquido, como os 
medidores por coluna de líquido, que são menos utilizados na indústria. 
Os por deformação de um elemento elástico que se deformam em função 
da pressão exercida sobre eles, como o diafragma, o fole e o tubo de bourdon, 
sendo esses de grande utilização nas indústrias.
Quanto aos dispositivos atuantes em uma medição, são descritos a seguir:
• O sensor (elemento sensor ou elemento transdutor) é o elemento que é afetado 
diretamente pela variável de processo. É o chamado elemento primário;
• O transmissor é o componente do sistema de medição que, a partir do 
elemento primário fornece um sinal não padronizado, produz um sinal 
geralmente proporcional à variável de processo, padronizado e da mesma 
ou de diferente natureza;
• O atuador é um dispositivo que converte um sinal de controle num sinal 
de atuação sobre o processo (por exemplo, válvula proporcional, cilindro 
hidráulico, motor elétrico, resistência de aquecimento e outros);
• O conversor capta um sinal padronizado e o converte em outro sinal 
padronizado (exemplos: conversores corrente/tensão, tensão/corrente, 
corrente/pressão, pressão/corrente).
medidor por coluna de líquido
Com os avanços na tecnologia, os medidores por coluna de líquido não são 
muito utilizados. As principais aplicações se limitam a medições em laboratórios 
e, no caso da indústria, em pontos afastados das salas de controle, onde um 
monitoramento remoto é difícil ou pouco necessário.
•	Medidor em “u”
Este tipo de medição baseia-se no equilíbrio de um sistema, em que uma das 
pressões é conhecida. Assim sendo, realiza uma medição de pressão manométrica. 
A Figura 20 demonstra esse tipo de sensor formado por um tubo em “U” com 
mercúrio (ou outro líquido) e com uma escala graduada, na qual a leitura do desnível 
entre colunas, introduzido por uma alteração na pressão, é proporcional à pressão. 
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL34
h
Hg Hg
P
0
 
1
1
2
2
3
3
4 
4 
 5
5
6
6
0
1
1
 2
 2
3
3
4 
4 
5
5
6
6
Figura 20 - Manômetro em “U”.
Fonte: Autor.
• Medidores de coluna
Os medidores de coluna possuem o mesmo princípio que o medidor anterior, 
sendo que a pressão na parte superior do tubo é nula (vácuo), logo a medição é 
de pressão absoluta. A escala é graduada em unidades de pressão. Na Figura 21 
a, está esquematizado um medidor de coluna reta vertical e, na Figura 21b, um 
medidor de coluna reta inclinada. 
P
1
 2
3
4
 5
6
7
8
9
L
α h
h
P
(a) (b)
Figura 21 - (a) Manômetro de coluna reta vertical (b) Manômetro de coluna reta inclinada.
Fonte: Autor.
Na Figura 22, são apresentadas imagens dos medidores acima descritos.
2 VariáVeis de processo 35
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
(a) (b) (c)
Figura 22 - (a) Medidor tipo U; (b) Medidor de coluna inclinada; (c) Medidor de coluna vertical.
Fonte: Baseada em Fenômenos, 2010.
medição por deformação de um elemento elástico
O princípio desse tipo de medição é o de equilíbrio entre forças: a pressão 
exerce uma força sobre um componente elástico, cuja deformação exerce uma 
força contrária, proporcional à deformação. Os tipos de medidores mais comuns 
na instrumentação são: tubo de Bourdon, membrana ou diafragma