instrumentação industrial

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<p>W</p><p>BA</p><p>10</p><p>86</p><p>_V</p><p>1.</p><p>0</p><p>INSTRUMENTAÇÃO EM</p><p>INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS</p><p>2</p><p>Lilian Venturi Pinheiro</p><p>São Paulo</p><p>Platos Soluções Educacionais S.A</p><p>2022</p><p>INSTRUMENTAÇÃO EM INSTALAÇÕES</p><p>INDUSTRIAIS</p><p>1ª edição</p><p>3</p><p>2022</p><p>Platos Soluções Educacionais S.A</p><p>Alameda Santos, n° 960 – Cerqueira César</p><p>CEP: 01418-002— São Paulo — SP</p><p>Homepage: https://www.platosedu.com.br/</p><p>Head de Platos Soluções Educacionais S.A</p><p>Silvia Rodrigues Cima Bizatto</p><p>Conselho Acadêmico</p><p>Alessandra Cristina Fahl</p><p>Ana Carolina Gulelmo Staut</p><p>Camila Braga de Oliveira Higa</p><p>Camila Turchetti Bacan Gabiatti</p><p>Giani Vendramel de Oliveira</p><p>Gislaine Denisale Ferreira</p><p>Henrique Salustiano Silva</p><p>Mariana Gerardi Mello</p><p>Nirse Ruscheinsky Breternitz</p><p>Priscila Pereira Silva</p><p>Coordenador</p><p>Mariana Gerardi Mello</p><p>Revisor</p><p>Giancarlo Michelino Gaeta Lopes</p><p>Editorial</p><p>Beatriz Meloni Montefusco</p><p>Carolina Yaly</p><p>Márcia Regina Silva</p><p>Paola Andressa Machado Leal</p><p>Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)_____________________________________________________________________________</p><p>Pinheiro, Lilian Venturi</p><p>Instrumentação em instalações industriais / Lilian</p><p>Venturi Pinheiro. – São Paulo: Platos Soluções</p><p>Educacionais S.A., 2022</p><p>44 p.</p><p>ISBN 978-65-5356-298-1</p><p>1. Instalações industriais. 2. Funcionamento de</p><p>sensores. 3. Diagramas de tubulação e instrumentação.</p><p>I. Título. 3. Técnicas de speaking, listening e writing. I.</p><p>Título.</p><p>CDD 711.5524</p><p>_____________________________________________________________________________</p><p>Evelyn Moraes – CRB: 010289/O</p><p>P654i</p><p>© 2022 por Platos Soluções Educacionais S.A.</p><p>Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou</p><p>transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo</p><p>fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de</p><p>informação, sem prévia autorização, por escrito, da Platos Soluções Educacionais S.A.</p><p>https://www.platosedu.com.br/</p><p>4</p><p>SUMÁRIO</p><p>Apresentação da disciplina __________________________________ 05</p><p>Fundamentos da instrumentação para representação de</p><p>processos em instalações industriais _________________________ 06</p><p>Representação de malhas de controle segundo a padronização</p><p>ANSI/ISA S5.1 a S5.5 __________________________________________ 17</p><p>Malhas de controle e diagramas de tubulação e instrumentação</p><p>(P&ID) aplicados a sistemas de nível e temperatura __________ 30</p><p>Malhas de controle e diagramas de tubulação e instrumentação</p><p>(P&ID) aplicados a sistemas de vazão e pressão ______________ 42</p><p>INSTRUMENTAÇÃO EM INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS</p><p>5</p><p>Apresentação da disciplina</p><p>Seja bem-vindo à disciplina Instrumentação em instalações industriais!</p><p>Durante nossas aulas, serão abordados conceitos importantes para o</p><p>entendimento e o aprendizado dos instrumentos de medição. Serão</p><p>analisados a simbologia em instrumentação, o reconhecimento de</p><p>transdutores e sensores, bem como os instrumentos de campo.</p><p>Apresentaremos o que é instrumentação, os tipos de instrumentos e</p><p>os tipos de controladores, atuadores, medidores de nível, temperatura,</p><p>vazão e pressão, além de outros conceitos fundamentais na análise de</p><p>um processo de instrumentação.</p><p>A eficácia dos processos em que a indústria está envolvida depende</p><p>da qualidade dos instrumentos, da confiança dos equipamentos e</p><p>do suporte dos melhores fornecedores. Quando utilizada de forma</p><p>ponderada e planejada, a instrumentação industrial reduz custos,</p><p>aumenta a produtividade e contribui para a qualidade e a segurança da</p><p>linha de produção em que atua.</p><p>Cada instrumento de medição utilizado na produção industrial é</p><p>importante, seja de nível, vazão, temperatura, pressão ou outras</p><p>variáveis. Dessa forma, nesta disciplina abordaremos estes e</p><p>muitos outros conceitos importantíssimos para o entendimento da</p><p>instrumentação em instalações industriais.</p><p>Bons estudos!</p><p>6</p><p>Fundamentos da instrumentação</p><p>para representação de processos</p><p>em instalações industriais</p><p>Autoria: Lilian Venturi Pinheiro</p><p>Leitura crítica: Giancarlo Michelino Gaeta Lopes</p><p>Objetivos</p><p>• Compreender o conceito de instrumentação</p><p>industrial.</p><p>• Entender a padronização ANSI/ISA S5.1 a S5.5 na</p><p>representação dos processos industriais.</p><p>• Conhecer e entender a simbologia em</p><p>instrumentação.</p><p>7</p><p>1. Instrumentação industrial</p><p>A instrumentação é a ciência que aplica metodologias capazes de medir,</p><p>exibir, registrar e controlar processos de fabricação com o objetivo</p><p>de otimizar esses processos e torná-los eficientes (PAVANI, 2011).</p><p>Os instrumentos são equipamentos capazes de manter padrões de</p><p>operação que identificam um produto a ser produzido e são utilizados</p><p>para controlar variáveis em um processo. Podem ser classificados como:</p><p>hidráulico, mecânico, pneumático, eletrônico ou a associação de todos</p><p>eles.</p><p>Dentro da instrumentação industrial, os principais consumidores são</p><p>indústrias de diversos setores, como: produtos químicos, petróleo,</p><p>alimentos, aço, celulose e papel. Esses processos aparecem na</p><p>demanda de alguns procedimentos de controle, bem como de normas</p><p>determinadas em seus parâmetros.</p><p>Nos processos em geral, é necessário controlar e manter constantes as</p><p>variáveis mais importantes, como pressão, nível, vazão, temperatura,</p><p>pH, condutividade e outras específicas da indústria. Nesse contexto, os</p><p>medidores associados aos controles permitem que essas variáveis sejam</p><p>controladas e mantidas em condições mais razoáveis do que se fossem</p><p>controladas manualmente por um operador (FIALHO, 2013).</p><p>Para que a automação de um processo possa existir propriamente,</p><p>é essencial a participação significativa de alguns conceitos básicos:</p><p>processo e processo industrial. Processo é o conjunto de operações para</p><p>obter um produto ou para controlar uma operação, enquanto processo</p><p>industrial é o conjunto de operações para produzir um produto, simples</p><p>ou complexo, ou para controlar uma operação dentro da indústria, que</p><p>pode ser contínua ou discreta. A instrumentação é muito diversificada</p><p>e ao mesmo tempo específica para cada segmento da indústria, sendo</p><p>ainda especializada para um setor dentro de uma indústria.</p><p>8</p><p>1.1 Tipos de instrumentos</p><p>Os instrumentos de medição são dispositivos essenciais para</p><p>estabelecer e conservar medidas operacionais que reconhecem um</p><p>produto a ser produzido. São usados para controlar variáveis em</p><p>um processo ou sistema com a precisão necessária para atingir as</p><p>especificações do produto em composição, forma, cor ou acabamento</p><p>superficial. Os tipos de instrumentos em instrumentação podem ser</p><p>classificados de forma geral como:</p><p>• Sensor: são os elementos específicos que transformam uma</p><p>determinada variável física de interesse em uma grandeza física</p><p>passível de processamento.</p><p>• Detector: é um dispositivo ou uma substância que indica a</p><p>presença de um fenômeno sempre que um limiar é excedido.</p><p>Normalmente, não indica o valor da grandeza associada.</p><p>• Transdutor: é um dispositivo que converte uma grandeza de</p><p>entrada para uma grandeza de saída de outro tipo, mantendo uma</p><p>relação entre suas magnitudes.</p><p>• Controladores: são instrumentos que podem comparar ou não o</p><p>valor da variável medida/controlada com o valor desejado e, por</p><p>isso, podem ser controladores em malha aberta ou em malha</p><p>fechada; estes últimos exercem uma ação de correção na variável</p><p>manipulada.</p><p>• Elementos finais de controle ou atuadores: são instrumentos</p><p>interligados ao controlador. Recebem o sinal vindo do controlador</p><p>e, a partir desse sinal, agem sobre a variável manipulada (válvula</p><p>de controle).</p><p>9</p><p>2. Simbologia em instrumentação</p><p>Normas e padrões internacionais e nacionais são usados para</p><p>simplificar o entendimento dos documentos usados para representar</p><p>configurações de instrumentos e malhas de instrumentação. No Brasil,</p><p>a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), por meio de sua</p><p>norma NBR 8.190, apresenta e propõe o uso de símbolos gráficos para</p><p>representar os diversos instrumentos e suas funções em malhas de</p><p>instrumentos</p><p>(ALVES, 2017). Porém, como cada empresa tem a liberdade</p><p>de especificar/escolher o padrão a seguir ao criar seus diversos</p><p>documentos de projeto de instrumentação, outras normas e padrões</p><p>são utilizados. Cada norma deve fornecer informações suficientes para</p><p>ser facilmente compreendida ao se examinar um documento, não</p><p>devendo ser necessária a presença de uma pessoa especializada para tal</p><p>função.</p><p>2.1 Padronização ANSI/ISA S5.1 a S5.5</p><p>As normas da ANSI/ISA S5.1 a S5.5 (The Instrumentation, Systems and</p><p>Automation Society, anteriormente chamada de Instrument Society of</p><p>America) são a simbologia mais usada no campo de instrumentação e</p><p>controle de processos (BEGA et al., 2007).</p><p>A padronização ISA está relacionada com a identificação de instrumentos</p><p>de medida através de letras e números. A primeira letra na análise</p><p>dessa identificação representa a variável controlada, enquanto as letras</p><p>posteriores representam a função que o instrumento exerce na malha</p><p>de controle. Já o primeiro agrupamento de números mostra a faixa/</p><p>unidade e o segundo indica a malha à qual o instrumento de medida</p><p>pertence. Ainda pode ser fornecido um sufixo como o mostrado no</p><p>Quadro 1.</p><p>10</p><p>Quadro 1 – Letras de identificação da instrumentação</p><p>1º Grupo de Letras</p><p>Variável Medida ou Inicial</p><p>2º Grupo de Letras</p><p>Função</p><p>1ª Letra Modificadora Informação ou</p><p>Passiva Ativa Modificadora</p><p>A Analisador Alarme</p><p>B Chama (de queimadura)</p><p>C Condutividade elétrica Controlador</p><p>D Densidade ou massa es-</p><p>pecífica (density) Diferencial</p><p>E Tensão elétrica Elemento pri-</p><p>mário-sensor</p><p>F Vazão (flow) Razão fração</p><p>G</p><p>Medida</p><p>dimensional</p><p>Visor</p><p>H Comando manual (hand) Alto</p><p>I Corrente elétrica Indicador</p><p>J Potência Varredura ou</p><p>seleção manual</p><p>K Tempo Taxa de varia-</p><p>ção Estação de controle</p><p>L Nível Lâmpada Baixo</p><p>M Multivariável Multifunção Multifunção Multifunção</p><p>N Livre escolha</p><p>O Livre escolha Orifício</p><p>P Pressão Conexão para</p><p>ponto teste</p><p>Q Quantidade ou evento Integrador ou</p><p>totalizador</p><p>R Radiação, radioatividade Registrador ou</p><p>impressor</p><p>S Velocidade ou frequência Segurança Chave</p><p>T Temperatura Transmissor</p><p>U Unidade Instantâneo Média</p><p>V Viscosidade Válvula</p><p>W Peso ou força Ponto de prova</p><p>ou poço</p><p>X Não classificado Eixo dos X Não classifi-</p><p>cado</p><p>Não classificado Não classificado</p><p>Y Estado, presença ou se-</p><p>quência de eventos Eixo dos Y Relé, conver-</p><p>sor, solenoide</p><p>Z Posição ou dimensão Eixo dos Z</p><p>Acionador,</p><p>atuador não</p><p>classificado</p><p>Fonte: adaptado de Pavani (2011, p. 56).</p><p>11</p><p>Como exemplo e utilizando o Quadro 1 como referência, tem-se a</p><p>seguinte descrição de um instrumento de acordo com a Norma ISA S 5.1</p><p>(PAVANI, 2011, p. 57):</p><p>Exemplo: TRC–210–02A.</p><p>T – Variável medida: temperatura.</p><p>R – Função passiva ou de informação: registrador.</p><p>C – Função ativa ou de saída: controlador.</p><p>210 – Faixa/área/unidade da fábrica onde o instrumento ou a função</p><p>programada atua.</p><p>02 – Número da malha de controle.</p><p>A – Sufixo.</p><p>O Quadro 2 mostra o exemplo de instrumento identificado de acordo</p><p>com a Norma ISA S 5.1. Assim, o instrumento classificado como TRC é</p><p>um registrador e controlador de temperatura.</p><p>Quadro 2 – Exemplo de identificação de instrumento</p><p>T RC 210 02 A</p><p>Variável Função Área de atividades</p><p>Número</p><p>sequencial da</p><p>malha</p><p>Su</p><p>fix</p><p>o</p><p>Identificação funcional Identificação da malha</p><p>Identificação do instrumento</p><p>Fonte: adaptado de Bega et al. (2007).</p><p>A Figura 1 mostra onde estão localizados os instrumentos e os</p><p>componentes do processo e sua configuração. Por exemplo, um</p><p>12</p><p>termômetro pode estar “no campo”, ou seja, não está em uma sala,</p><p>podendo ou não estar acessível ao operador. Por ser um instrumento</p><p>discreto, montado no campo, sua simbologia representada na figura a</p><p>seguir é o símbolo de um círculo vazio, presente na segunda linha.</p><p>Figura 1 – Símbolos gerais para instrumentos ou função programada</p><p>Fonte: Pavani (2011, p. 57).</p><p>Em fluxogramas de processo, a utilização de símbolos e funções de</p><p>processamento de sinais é de extrema importância, representando</p><p>também a necessidade de operações matemáticas, como as</p><p>apresentadas na Figura 2.</p><p>13</p><p>Figura 2 – Símbolos e funções de processamento de sinais</p><p>Fonte: Pavani (2011, p. 58).</p><p>Os símbolos de linhas de instrumentos ou funções programadas</p><p>estão indicados na Figura 3. As linhas representam a conexão e a</p><p>comunicação entre os diversos elementos do fluxograma, que por sua</p><p>vez representam cada setor.</p><p>Para entender como conectar os instrumentos, é necessário ter em</p><p>mãos o fluxograma e o layout da planta. Nesses documentos, você pode</p><p>verificar quais distâncias os sinais realmente precisam percorrer e como</p><p>são transmitidos do instrumento para a válvula de controle.</p><p>14</p><p>Figura 3 – Símbolos para linhas de instrumentos</p><p>ou função programada</p><p>Fonte: Pavani (2011, p. 59).</p><p>A Figura 4 mostra os símbolos para válvulas e atuadores, que também</p><p>são importantes em uma análise de fluxograma. Todos esses símbolos</p><p>são usados em fluxogramas, como o mostrado na Figura 5. Dessa</p><p>forma, você pode representar o que deseja por meio de símbolos</p><p>padronizados.</p><p>Figura 4 – Símbolos específicos de válvulas e atuadores</p><p>Fonte: Schettino (2015, p. 67).</p><p>15</p><p>O exemplo de simbologia mostrado na Figura 5 ilustra os símbolos</p><p>usados para representar instrumentos em fluxogramas e desenhos.</p><p>Também são mostrados exemplos de identificação do instrumento.</p><p>Na maioria dos casos, uma linha de sinal é suficiente para mostrar as</p><p>conexões entre dois instrumentos em fluxogramas, embora possam ser</p><p>conectados fisicamente por mais de uma linha.</p><p>Figura 5 – Exemplo de simbologia: controlador</p><p>indicador de temperatura</p><p>Fonte: Schettino (2015, p. 72).</p><p>Esse é o papel do projetista de processos, o profissional que certifica</p><p>o planeja em um documento digital ou físico (PAVANI, 2011). Em</p><p>seguida, o profissional de instrumentação, juntamente com o</p><p>projetista de processos, verifica as condições de medição e controle e</p><p>implementa a instrumentação no diagrama de fluxograma do processo,</p><p>indicando a instrumentação pretendida. Os fluxogramas de processos</p><p>compreendem os seguintes detalhamentos:</p><p>• Grandezas a serem medidas (temperatura, vazão pressão, nível</p><p>etc.).</p><p>• Como se mede a grandeza.</p><p>16</p><p>• As unidades de medida para cada grandeza.</p><p>• Os tipos de instrumentos.</p><p>• O material de construção do instrumento.</p><p>Neste Tema, foi apresentado o conceito de instrumentação industrial,</p><p>que é aplicado em técnicas de medição, indicação, registro e controle</p><p>de processos de fabricação. Por meio da simbologia, é possível</p><p>conhecer alguns dos elementos importantes em uma análise técnica de</p><p>instrumentação utilizando a padronização ANSI/ISA S5.1 a S5.5, muito</p><p>empregada em padrões internacionais e nacionais para simplificar o</p><p>entendimento dos documentos usados para representar configurações</p><p>de instrumentos e malhas de instrumentação.</p><p>Referências</p><p>ALVES, J. L. L. Instrumentação, Controle e Automação de Processos. 2. ed. Rio de</p><p>Janeiro: LTC, 2017.</p><p>BEGA, E. A. et al. Instrumentação Industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência,</p><p>2007.</p><p>FIALHO, A. B. Instrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises. 7. ed.</p><p>São Paulo: Érica, 2013.</p><p>PAVANI, S. A. Instrumentação básica. Santa Maria: e-Tec Brasil, UFSM, 2011.</p><p>SCHETTINO, V. B. Instrumentação e Controle. Leopoldina: CEFET-MG, 2015.</p><p>17</p><p>Representação de malhas de</p><p>controle segundo a padronização</p><p>ANSI/ISA S5.1 a S5.5</p><p>Autoria: Lilian Venturi Pinheiro</p><p>Leitura crítica: Giancarlo Michelino Gaeta Lopes</p><p>Objetivos</p><p>• Entender e apresentar as malhas de controle.</p><p>• Entender e apresentar os transdutores e sensores.</p><p>• Apresentar os tipos de controladores e atuadores.</p><p>18</p><p>1. Representação de malhas de controle</p><p>Os processos industriais são diversos, englobam diferentes tipos de</p><p>produtos e exigem controle dos produtos produzidos. Normalmente,</p><p>os maiores usuários de instrumentos são as indústrias de petróleo,</p><p>química, petroquímica, alimentícia, cerâmica, siderurgia, papel e</p><p>celulose, têxtil, geração de energia etc.</p><p>Em todos esses processos, é</p><p>importante controlar e manter constantes</p><p>as principais variáveis, como pressão, nível, vazão, temperatura, pH,</p><p>condutividade, velocidade, umidade etc. Os instrumentos de medição</p><p>e controle permitem que essas variáveis sejam mantidas e controladas</p><p>em condições mais apropriadas do que se fossem controladas</p><p>manualmente por um operador. Isso porque os sistemas de controle</p><p>mantêm a variável controlada no valor especificado, comparam o valor</p><p>da variável medida ou condição que está sendo controlada com o valor</p><p>desejado (ponto de ajuste ou setpoint) e fazem correções com base no</p><p>desvio entre os dois valores (erro ou offset) sem exigir intervenção do</p><p>operador (BEGA et al., 2007).</p><p>Quando se fala em controle, é fundamental entender a medida de</p><p>qualquer variável do processo e o que fazer para mantê-la constante,</p><p>ou seja, a informação recebida do controlador é comparada a um valor</p><p>predefinido (setpoint). A diferença entre os dois é revisada, e medidas</p><p>são tomadas para minimizar essa diferença tanto quanto possível.</p><p>Esse processo caracteriza a chamada malha de controle, dividida em</p><p>malha aberta e em malha fechada.</p><p>1.1 Sistema de controle em malha aberta</p><p>Sistemas de malha aberta são aqueles em que as informações sobre</p><p>a variável controlada não são utilizadas para ajustar nenhuma das</p><p>variáveis de entrada, a fim de compensar as flutuações que ocorrem</p><p>19</p><p>nas variáveis de processo que afetam a variável controlada. Em outras</p><p>palavras, o controle de malha aberta tem um efeito de controle</p><p>independentemente da saída, ou seja, a saída não tem efeito sobre a</p><p>ação de controle.</p><p>Com esse tipo de controle, não há elemento de realimentação, pois a</p><p>saída não é medida ou comparada a uma entrada para realizar a ação</p><p>de controle. O diagrama de blocos representado na Figura 1 indica um</p><p>sistema de controle que opera em malha aberta.</p><p>Figura 1 – Diagrama de blocos de um sistema</p><p>de controle em malha aberta</p><p>Fonte: adaptada de Bayer e Araújo (2011).</p><p>O conceito de malha aberta é frequentemente usado em discussões</p><p>de sistemas de controle para indicar que a dinâmica do processo está</p><p>sendo estudada em um estado não controlado, ou seja, apenas a</p><p>dinâmica do processo está sendo estudada. As principais vantagens</p><p>desse tipo de malha são a simplicidade e o baixo custo. Já as</p><p>desvantagens são as imprecisões devido à falta de realimentação.</p><p>1.2 Sistema de controle em malha fechada</p><p>A função básica do sistema de controle em malha fechada ou sistema</p><p>de controle de feedback é manipular a relação de entrada/saída de</p><p>energia de tal forma que a variável controlada do processo permaneça</p><p>dentro dos limites especificados. Em outras palavras, o sistema</p><p>20</p><p>permanece fechado, e a malha de controle regula a variável controlada</p><p>e faz correções em outra variável de processo, chamada de variável</p><p>manipulada.</p><p>O controle em malha fechada pode ser realizado por um operador</p><p>humano (controle manual) ou por meio de instrumentos (controle</p><p>automático). Também conhecido como feedback, é o controle cujo</p><p>processo pode ser executado e compensado antes ou depois de afetar</p><p>a variável controlada. Essa é a forma mais comum de controle. Consiste</p><p>em medir a variável de processo, passando pela medição do ponto</p><p>de ajuste (setpoint) e finalmente chegando a um erro. O sinal de erro,</p><p>também chamado de desvio, é transmitido para um controlador, que</p><p>realiza a correção. O diagrama de blocos representado na Figura 2 indica</p><p>um sistema de controle em malha fechada.</p><p>Figura 2 – Diagrama de blocos de um sistema de</p><p>controle em malha fechada</p><p>Fonte: elaborada pela autora.</p><p>O tipo de execução e o tempo necessário para realizar as ações de</p><p>controle dependem fundamentalmente do sistema de controle utilizado</p><p>e das propriedades do processo controlado. Esse tipo de malha tem as</p><p>vantagens de compensação de erros, saída constante e robustez (menos</p><p>sensível a distúrbios). Já as desvantagens consistem na complexidade e</p><p>nos custos mais altos.</p><p>21</p><p>2. Sensores</p><p>Sensor é um termo usado para denotar dispositivos sensíveis a alguma</p><p>forma de energia do ambiente (como luz, calor e cinética) e contém</p><p>informações sobre uma quantidade física que precisa ser medida.</p><p>Como exemplos, temos: temperatura, pressão, velocidade, corrente,</p><p>aceleração, posição etc.</p><p>Um sensor nem sempre possui as propriedades elétricas necessárias</p><p>para ser utilizado em um sistema de controle. Comumente, o sinal de</p><p>saída deve ser manipulado antes de ser lido no controlador, o que pode</p><p>ser feito usando um circuito de interface ou condicionamento para</p><p>gerar um sinal que pode ser lido pelo controlador. Assim, por exemplo,</p><p>quando a saída de um sensor sensibilizado por uma energia externa é</p><p>dada por um nível de tensão muito baixo, sua amplificação é necessária.</p><p>Esse condicionamento seria então um amplificador capaz de aumentar o</p><p>nível do sinal para o uso efetivo do sensor.</p><p>Na Figura 3, são representados alguns dos sensores comerciais</p><p>encontrados e utilizados nas indústrias.</p><p>22</p><p>Figura 3 – Sensores: (a) pressão, (b) temperatura e (c) vazão</p><p>Fonte: a) iStock.com/imantsu; b) iStock.com/SARINYAPINNGAM;</p><p>c) iStock.com/Scott Christensen.</p><p>2.1 Sensor analógico</p><p>Este tipo de sensor pode assumir qualquer valor em seu sinal de saída</p><p>ao longo do tempo, desde que esteja dentro de sua faixa de operação.</p><p>Essas variáveis (tensão, velocidade) são medidas por elementos sensíveis</p><p>com circuitos eletrônicos não digitais. A Figura 4 mostra a variação de</p><p>uma grandeza física (temperatura) de forma analógica.</p><p>23</p><p>Figura 4 – Variação da temperatura de forma analógica</p><p>Fonte: Wendling (2010, p. 4).</p><p>2.2 Sensor digital</p><p>Esse tipo de sensor pode assumir apenas dois valores em seu sinal</p><p>de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como</p><p>zero ou um. É claro que não existem grandezas físicas que assumam</p><p>esses valores, mas eles são exibidos após a conversão por um circuito</p><p>eletrônico (geralmente um computador) no controlador. É usado,</p><p>por exemplo, para detectar objetos que passam, codificadores para</p><p>determinar distância ou velocidade etc.</p><p>2.3 Transdutor</p><p>É o termo para um dispositivo completo que inclui o sensor usado</p><p>para converter qualquer quantidade em outra que pode ser usada</p><p>em dispositivos de controle. Pode ser visto como uma interface entre</p><p>as formas de energia do ambiente e o circuito de controle ou entre o</p><p>24</p><p>controlador e o atuador. Converte uma grandeza física em um sinal</p><p>elétrico, que pode ser interpretado por um sistema de controle.</p><p>Os termos sensor e transdutor são frequentemente usados de forma</p><p>não distinta. Nesse caso, o transmissor é o instrumento completo que</p><p>inclui o sensor e todos os circuitos de interface que podem ser utilizados</p><p>em uma aplicação industrial.</p><p>2.4 Atuadores</p><p>São dispositivos que alteram uma variável controlada. Eles recebem</p><p>um sinal do controlador e atuam no sistema controlado. Geralmente</p><p>trabalham em alta potência. Como exemplos temos: válvulas</p><p>(pneumáticas, hidráulicas); relés; cilindros (pneumáticos, hidráulicos);</p><p>motores; e solenoides.</p><p>Atuadores são elementos que criam movimento e respondem a</p><p>comandos manuais ou automáticos. São usados na automação para</p><p>fornecer ao sistema a excitação necessária para sua operação na</p><p>forma de energia suficiente. Quando a operação da planta é baseada</p><p>no movimento de uma de suas partes, são necessários atuadores para</p><p>fornecer energia mecânica para o movimento. Por exemplo, se a planta</p><p>for um sistema térmico, é necessário um atuador para fornecer energia</p><p>térmica para atingir a temperatura desejada.</p><p>Para gerar forças, movimentos e sinais, são utilizadas tecnologias no</p><p>âmbito da automação, que estão vinculadas às disciplinas de mecânica,</p><p>elétrica, pneumática, hidráulica, entre outras. Cada tecnologia tem</p><p>suas próprias aplicações e funções. Os atuadores hidráulicos são</p><p>caracterizados por terem como fonte de energia um fluido que se</p><p>move através de uma linha de pressão adequada, em geral óleo ou</p><p>água; os pneumáticos trabalham com gás comprimido, geralmente</p><p>ar</p><p>comprimido; e os elétricos consomem energia elétrica.</p><p>25</p><p>3. Controlador</p><p>O controlador é um instrumento cuja saída muda para regular uma</p><p>variável controlada. Sua função é manter automaticamente uma variável</p><p>de processo em um valor desejado por meio de um sinal de saída</p><p>continuamente variável. Pode ser analógico ou digital, ou o equivalente</p><p>desse instrumento em um sistema digital com controle comum.</p><p>Geralmente é classificado de acordo com a forma de energia que utiliza:</p><p>elétrica, hidráulica, pneumática, mecânica etc.</p><p>Em um controlador, a modificação de saída ocorre automaticamente em</p><p>resposta a uma variável de processo medida. Como exemplo, considere</p><p>o refrigerador doméstico, em que o usuário seleciona um nível “frio”</p><p>por meio de um botão, e a temperatura permanece aproximadamente</p><p>constante apesar das perturbações externas, como oscilações na</p><p>temperatura ambiente, entrada de massas de ar quente através</p><p>da abertura da porta, armazenamento de alimentos à temperatura</p><p>ambiente etc. Com um controlador controlado manualmente, a saída só</p><p>pode ser alterada por ajuste manual.</p><p>Na Figura 5, um sensor lê informações da variável controlada e as</p><p>transmite, através de dispositivos apropriados ao comparador, que</p><p>calcula o desvio e fornece as informações necessárias para que o</p><p>controlador atue no processo.</p><p>Figura 5 – Sistema em malha fechada</p><p>Fonte: Bayer e Araújo (2011, p. 22).</p><p>26</p><p>Os sistemas em malha fechada têm muito menos sensibilidade a</p><p>mudanças de carga do que os sistemas de malha aberta e, portanto, são</p><p>muito mais estáveis. Para que um sistema em malha fechada reduza os</p><p>erros ao longo do tempo, deve ser capaz de gerar internamente um sinal</p><p>a partir de um sinal de ruído para cancelá-lo.</p><p>A seguir trazemos exemplos de malhas de controle baseadas no padrão</p><p>ANSI/ISA S5.1 a S5.5. Ao aquecer um líquido com vapor e um trocador</p><p>de calor, o controle do processo é usado para garantir a eficiência</p><p>deste. Analisando o esquema apresentado na Figura 6, verifica-se que</p><p>o controle está em malha fechada e que o operador está intervindo no</p><p>controle.</p><p>Figura 6 – Exemplo de malhas de controle</p><p>Fonte: Sousa e Silva (2017, p. 8).</p><p>Na Figura 6, o sistema de medição corresponde ao sensor de</p><p>temperatura e se encontra conectado ao controlador, que, por sua</p><p>vez, irá se basear no erro (diferença entre o setpoint estipulado pelo</p><p>operador e o valor efetivamente mensurado) para exercer o controle do</p><p>processo e regular a válvula. Portanto, esse processo é classificado como</p><p>malha fechada, pois o controlador recebe feedback do processo para</p><p>27</p><p>emitir automaticamente os sinais de correção. Porém, também podemos</p><p>dizer que o operador intervém nesse processo, pois ele é o responsável</p><p>pela seleção do setpoint.</p><p>As Figuras 7 e 8 trazem mais alguns exemplos de malhas de controle de</p><p>acordo com a padronização ANSI/ISA S5.1 a S5.5. Na Figura 7, tem-se um</p><p>tubo capilar conectado ao um transmissor de temperatura, instalado no</p><p>campo, ligado a um controlador indicador de temperatura, instalado na</p><p>sala de controle acessível ao operador, conectado a uma válvula com</p><p>atuador pneumático através de um sinal pneumático. Já na Figura 8, um</p><p>controlador de nível instalado no campo, malha 104, e um transmissor</p><p>de vazão, instalado no campo, são conectados a um controlador de</p><p>vazão, instalado no campo, com transmissão pneumática, malha 104, e a</p><p>uma válvula angular também por um sinal pneumático.</p><p>Figura 7 – Exemplo de malha de controle</p><p>Fonte: Schettino (2015, p. 20).</p><p>28</p><p>Figura 8 – Exemplo malha de controle</p><p>Fonte: Schettino (2015, p. 21).</p><p>Neste Tema, foram apresentadas por meio de um diagrama de blocos</p><p>as malhas de controle de um sistema em malha aberta e de um sistema</p><p>em malha fechada. Estudamos sobre sensores, transdutores, atuadores</p><p>e controladores, enfatizando exemplos de controladores utilizados em</p><p>processos industriais.</p><p>Referências</p><p>BAYER, F. M; ARAÚJO, O. C. B. Controle Automático de Processos. Santa Maria:</p><p>e-Tec Brasil, UFSM, 2011.</p><p>BEGA, E. A. et al. Instrumentação Industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência,</p><p>2007.</p><p>FIALHO, A. B. Instrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises. 7. ed.</p><p>São Paulo: Érica, 2013.</p><p>FRANCHI, C. M. Instrumentação de Processos Industriais: Princípios e Aplicações.</p><p>São Paulo: Érica, 2015.</p><p>PAVANI, S. A. Instrumentação básica. Santa Maria: e-Tec Brasil, UFSM, 2011.</p><p>SCHETTINO, V. B. Instrumentação e Controle. Leopoldina: CEFET-MG, 2015.</p><p>29</p><p>SOUSA E SILVA, V. A. Operações e processos para a Petrobras: teoria e questões</p><p>comentadas. São Paulo: Estratégia Concursos, 2017.</p><p>WENDLING, M. Sensores. Guaratinguetá: Unesp, 2010.</p><p>30</p><p>Malhas de controle e diagramas</p><p>de tubulação e instrumentação</p><p>(P&ID) aplicados a sistemas de</p><p>nível e temperatura</p><p>Autoria: Lilian Venturi Pinheiro</p><p>Leitura crítica: Giancarlo Michelino Gaeta Lopes</p><p>Objetivos</p><p>• Apresentar os instrumentos de campo.</p><p>• Entender a sensibilidade e a zona morta dos</p><p>instrumentos.</p><p>• Apresentar e entender diagramas de tubulação e</p><p>instrumentação (P&ID).</p><p>31</p><p>1. Instrumentos de campo</p><p>Os tipos de instrumentos ajudam a definir os requisitos do processo,</p><p>o envolvimento ou não da visão humana, a necessidade de registro</p><p>de dados e outros requisitos. Podem ser categorizados como: cegos,</p><p>indicadores, registradores, primários, transmissores e conversores.</p><p>1.1 Instrumentos cegos</p><p>Não possuem uma indicação visível do mensurando. Por exemplo,</p><p>pressostatos e termostatos (elementos de controle de pressão</p><p>e temperatura) possuem apenas um mostrador externo com</p><p>índice de seleção para definir o setpoint. Pressão, vazão, nível e</p><p>outros transmissores sem display visível também são chamados</p><p>de instrumentos cegos. O pressostato mostrado na Figura 1 é um</p><p>instrumento cego, pois não possui visor e requer um instrumento</p><p>auxiliar para definir o ponto de operação.</p><p>Figura 1 – Pressostato</p><p>Fonte: Pavani (2011, p. 52).</p><p>32</p><p>Um instrumento cego é ajustado na bancada de teste em comparação</p><p>com outros instrumentos indicadores.</p><p>1.2 Instrumentos indicadores</p><p>São instrumentos com visor e escala graduada, podendo o valor da</p><p>grandeza medida ou controlada ser verificado pela leitura. O medidor</p><p>pode ter uma, duas ou mais escalas diferentes dependendo das</p><p>necessidades do processo.</p><p>A Figura 2 mostra um instrumento do tipo indicador, que são o</p><p>velocímetro e os hodômetros. Outros exemplos de instrumentos</p><p>indicadores são os termômetros, manômetros, entre outros.</p><p>Figura 2 – Velocímetro e hodômetro de uma motocicleta</p><p>Fonte: Pavani (2011, p. 53).</p><p>1.3 Instrumentos registradores</p><p>São instrumentos que registram a variável medida/controlada com uma</p><p>ou mais linhas sólidas ou com pontos em um gráfico. Atualmente, a</p><p>interação com computadores e registradores digitais é comum, por meio</p><p>de telas eletrônicas. O display pode ser analógico ou digital, e os valores</p><p>33</p><p>de várias ordens de grandeza podem ser exibidos ao mesmo tempo. À</p><p>medida que a tecnologia avança, as variáveis podem ser registradas em</p><p>servidores remotos pela internet.</p><p>A Figura 3 mostra um exemplo de um instrumento registrador. Um dos</p><p>registradores mais conhecidos é o tacógrafo, que registra as mudanças</p><p>de velocidade do veículo em um disco de papel com escala de tempo.</p><p>Figura 3 – Registrador gráfico circular</p><p>Fonte: Pavani (2011, p. 53).</p><p>Os registradores são empregados quando é preciso informar todos</p><p>os dados de uma ou mais grandezas medidas. O tacógrafo registra a</p><p>velocidade, o tempo gasto nessa velocidade e a hora e o dia dessas</p><p>ocorrências em um veículo. Também são obtidos a partir desses dados:</p><p>velocidade, paradas normais e paradas bruscas.</p><p>1.4 Elementos primários</p><p>São instrumentos diretamente ligados com a variável medida/</p><p>controlada. Usam ou absorvem energia do próprio ambiente para dar</p><p>ao sistema de medição uma resposta baseada na mudança da variável</p><p>medida ou controlada. Podem ser cegos ou indicadores.</p><p>34</p><p>1.5 Transmissores</p><p>São instrumentos que captam as mudanças na variável medida/</p><p>controlada através do elemento primário e</p><p>as transmitem remotamente.</p><p>O elemento primário pode ou não ser parte integrante do transmissor,</p><p>como na Figura 4.</p><p>Figura 4 – (a) Transmissor de pressão e (b) transmissor de pressão</p><p>com compensação de temperatura</p><p>Fonte: Pavani (2011, p. 54).</p><p>Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos; elétricos</p><p>(analógico e digital); hidráulicos; eletrônicos; digitais; binário; entre</p><p>outros.</p><p>1.6 Conversores</p><p>São instrumentos que recebem um sinal de entrada eletrônico ou</p><p>pneumático de outro instrumento e o convertem em um sinal de saída</p><p>padrão, que pode ser de dois tipos: corrente (4 a 20 mA, CC, corrente</p><p>contínua) ou pressão (0,2 a 1,0 kgf/cm² ou 19,614 a 98,07 kPa). Em outras</p><p>palavras, sua função é receber a informação na forma de sinal, mudar</p><p>essa forma e emiti-la como sinal de saída proporcional à entrada.</p><p>35</p><p>2. Terminologia</p><p>Antes de aprofundar os conceitos de sensibilidade do instrumento</p><p>e zona morta, é necessário discutir alguns termos que também são</p><p>importantes na instrumentação.</p><p>A faixa de medição, ou range, é a faixa ou o conjunto de valores do</p><p>mensurando que se enquadra nos limites superior e inferior das</p><p>capacidades de medição, transmissão ou controle do instrumento.</p><p>Define explicitamente seus valores extremos. Um exemplo é mostrado</p><p>na Figura 5 para um indicador de medidor. Sua faixa de manômetro se</p><p>estende de 0 a 10 bar (FRANCHI, 2015).</p><p>Figura 5 – Manômetro</p><p>Fonte: onurdongel/iStock.com.</p><p>Já o alcance, ou a amplitude, também chamado de Span, do instrumento</p><p>é a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de</p><p>medição do instrumento. Por exemplo, para o manômetro na Figura 5, a</p><p>faixa é 10 – 0 = 10 bar.</p><p>36</p><p>Por sua vez, a sensibilidade de um instrumento é a razão entre a</p><p>variação no valor exibido ou relatado de um instrumento e a variação na</p><p>variável que o acionou depois que ele entrou em suspensão. Em outras</p><p>palavras, é a razão entre a variação na saída e a variação na entrada.</p><p>Por exemplo, um termômetro de vidro com faixa de 0 a 500ºC tem uma</p><p>escala de leitura de 50 cm, e, portanto, sua sensibilidade é de 0,1 cm/ºC.</p><p>Por fim, a zona morta, ou banda morta, de um instrumento de um</p><p>medidor é a maior mudança que a variável pode alcançar sem causar</p><p>uma mudança na leitura de um instrumento. Para sensores mecânicos,</p><p>refere-se às distâncias entre as partes móveis dos equipamentos, como</p><p>engrenagens etc. Por exemplo, um modelo de equipamento com faixa</p><p>de 0 a 200 bar possui uma zona morta de +/- 0,1% do Span, ou seja, +/-</p><p>0,1% do Span = (0,1/100 x 200) = +/- 0,2 bar. Logo, se a variável mudar de</p><p>0,2ºC, o instrumento não responde.</p><p>3. Diagrama de Tubulação e</p><p>Instrumentação (P&ID)</p><p>Um Piping and Instrumentation Diagram/Drawing (P&ID), ou Diagrama/</p><p>Desenho de Tubulação e Instrumentação, é um diagrama muito utilizado</p><p>em processos industriais. Ele apresenta a tubulação de um processo</p><p>específico juntamente com equipamentos instalados e a instrumentação</p><p>da planta. Mostra os componentes da tubulação (por exemplo,</p><p>equipamentos, válvulas, redutores etc.) de um fluxo de processos</p><p>físicos e é frequentemente usado em projetos de engenharia, como na</p><p>montagem de caldeiras a vapor, trocadores de calor, caldeiras elétricas</p><p>etc. (FIALHO, 2013).</p><p>37</p><p>Para realizar a leitura de um P&ID facilmente, organize o diagrama</p><p>geral em partes menores e, em seguida, desenhe a partir de um único</p><p>equipamento e siga a tubulação. O último ilustra as etapas individuais de</p><p>um processo em ordenação linear.</p><p>Entre suas muitas finalidades temos: compreender melhor as limitações</p><p>de um projeto de engenharia; atuar, preservar e alterar o sistema</p><p>de processo de forma eficiente; e projetar devidamente o layout e</p><p>confirmar a sequência física dos sistemas com ênfase nos esquemas</p><p>de controle e desligamento, nos requisitos de segurança e nos detalhes</p><p>básicos de inicialização e operação.</p><p>Normalmente, é criado no estágio de sequenciamento do processo. Os</p><p>instaladores referem-se a esse diagrama ao montar o maquinário. No</p><p>entanto, há outro diagrama, chamado Diagrama de Fluxo de Processo</p><p>(DFP), que antecede o P&ID.</p><p>Um DFP mostra o modelo de fluxo de trabalho conceitual, isto é, como</p><p>os dispositivos totalmente funcionais funcionam após a instalação. Não</p><p>contém detalhes, como imagens, números ou dados de medição exatos,</p><p>mas, depois de criado, é usado como uma documentação de referência</p><p>para desenhar um P&ID, contendo os detalhes específicos do fluxo de</p><p>trabalho, como o sistema de tubulação, motores e outras unidades</p><p>importantes.</p><p>É importante observar que o P&ID é usado para ilustrar linhas e</p><p>maquinários importantes e, portanto, não deve ser excessivamente</p><p>detalhado. Se uma seção específica de um diagrama de tubulação e</p><p>instrumentação precisar ser desenvolvida, um diagrama separado deve</p><p>ser criado para esse segmento.</p><p>3.1 Vantagens e desvantagens dos P&IDs</p><p>Um P&ID tem certas vantagens e desvantagens, e, dependendo da</p><p>infraestrutura que você deseja construir, esses pontos podem variar</p><p>38</p><p>muito. No entanto, alguns dos prós e contras mais comuns que vêm com</p><p>um P&ID ideal são:</p><p>Vantagens</p><p>• Se bem elaborado, permite que as pessoas avaliem o processo de</p><p>construção com quase precisão.</p><p>• Ajuda a formar uma base sólida para controlar o cronograma.</p><p>• Serve como uma linguagem simbólica genérica que projetistas</p><p>de todas as regiões do mundo podem usar para se comunicar e</p><p>compartilhar suas ideias de automação industrial.</p><p>• Ajuda a preparar e a implementar sistemas de controle de</p><p>segurança.</p><p>Desvantagens</p><p>• Não é totalmente confiável, pois não contém detalhes exatos.</p><p>• É um desafio desenhá-lo de forma independente, sendo um DFP</p><p>necessário como representação de referência.</p><p>• Não pode ser reutilizado em vários projetos, devendo ser</p><p>personalizado para cada empresa.</p><p>• É necessário aplicar símbolos e sinais apropriados ao desenhá-lo,</p><p>pois, caso contrário, os engenheiros podem acabar gerando um</p><p>dispositivo defeituoso.</p><p>A Figura 6 é um exemplo de diagrama que mostra os detalhes técnicos</p><p>e o layout de equipamentos, instrumentos, tubulações, válvulas e</p><p>acessórios. Engenheiros químicos, mecânicos, de automação e controles</p><p>usam esse esquema para descrever seus processos, e entendê-lo faz</p><p>toda a diferença na operação das malhas de controle.</p><p>39</p><p>Figura 6 – P&ID aplicado a sistemas de nível e temperatura</p><p>Fonte: https://escalab.com.br/guia-definitivo-dos-fluxogramas-de-processos/.</p><p>Acesso em: 9. ago. 2022.</p><p>As linhas de funções podem ser exibidas no P&ID. Para técnicas</p><p>complexas, devem ser usado para representar as linhas de serviço e</p><p>mostrar as conexões de serviço para cada unidade.</p><p>4. Malhas de controle aplicadas a sistemas de</p><p>nível e temperatura</p><p>Um exemplo simples de controle de nível pode ser visto na Figura</p><p>7. Nela é mostrada a variável controlada, que é o nível, e a variável</p><p>manipulada, que é a vazão de produto na entrada do tanque.</p><p>O transmissor recebe a informação do sensor e a converte em</p><p>uma leitura em um sinal de 4-20mA, que é aplicado na entrada do</p><p>controlador. Dependendo de seu algoritmo de controle e levando em</p><p>consideração o valor atual da variável controlada e o valor de ajuste</p><p>(setpoint), é gerada uma saída de 4 a 20 mA, que varia da abertura</p><p>da válvula de controle (FRANCHI, 2015). Na válvula de controle, um</p><p>40</p><p>posicionador recebe como entrada uma corrente de 4-20mA e regula</p><p>a pressão para que o atuador pneumático mova a haste da válvula,</p><p>abrindo-a ou fechando-a para assumir a direção da variável controlada</p><p>para o valor de setpoint.</p><p>Figura 7 – Malha de controle de nível</p><p>Fonte: https://www.vivaceinstruments.com.br/pt/artigo/malhas-de-controle-de-nivel.</p><p>Acesso em: 9. ago. 2022.</p><p>Na malha de controle de temperatura, mostrada na Figura 8, o</p><p>controlador essencialmente mede a temperatura, compara-a com o</p><p>setpoint desejado e utiliza o erro para calcular a variável manipulada</p><p>para atuar na posição da válvula de controle até que o erro seja</p><p>corrigido ou permaneça dentro dos limites considerados apropriados</p><p>para</p><p>o processo.</p><p>41</p><p>Figura 8 – Malha de controle de temperatura</p><p>Fonte: https://www.vivaceinstruments.com.br/pt/artigo/malha-de-controle-de-</p><p>temperatura. Acesso em: 9 ago. 2022.</p><p>Neste tema foram apresentados os instrumentos de campo do</p><p>tipo cegos, indicadores, registradores, primários, transmissores e</p><p>conversores. Estudamos sobre a sensibilidade e a zona morta de um</p><p>instrumento de medida. Apresentamos o Diagrama de Tubulação e</p><p>Instrumentação (P&ID), sua importância dentro da instrumentação, bem</p><p>como suas vantagens e desvantagens. Por meio de um modelo de P&ID,</p><p>analisamos sua aplicação em um sistema de nível e temperatura.</p><p>Referências</p><p>ALVES, J. L. L. Instrumentação, Controle e Automação de Processos. 2. ed. Rio de</p><p>Janeiro: LTC, 2017.</p><p>BEGA, E. A. et al. Instrumentação Industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência,</p><p>2007.</p><p>FIALHO, A. B. Instrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises. 7. ed.</p><p>São Paulo: Érica, 2013.</p><p>FRANCHI, C. M. Instrumentação de Processos Industriais: Princípios e Aplicações.</p><p>São Paulo: Érica, 2015.</p><p>PAVANI, S. A. Instrumentação básica. Santa Maria: e-Tec Brasil, UFSM, 2011.</p><p>42</p><p>Malhas de controle e diagramas</p><p>de tubulação e instrumentação</p><p>(P&ID) aplicados a sistemas de</p><p>vazão e pressão</p><p>Autoria: Lilian Venturi Pinheiro</p><p>Leitura crítica: Giancarlo Michelino Gaeta Lopes</p><p>Objetivos</p><p>• Apresentar os processos de medida: temperatura,</p><p>pressão, vazão e nível.</p><p>• Entender a malha de controle de vazão.</p><p>• Entender a malha de controle de pressão.</p><p>43</p><p>1. Processos de medidas</p><p>A indústria aumenta a cada dia a procura por controle de processos,</p><p>visto que esse domínio adequado está se tornando cada vez mais</p><p>significativo, não apenas para os trabalhadores de campo, mas para a</p><p>organização como um todo, incluindo executivos e gestores de várias</p><p>categorias (BAYER; ARAÚJO, 2011).</p><p>O processo contínuo manipula continuamente um grande número de</p><p>peças e materiais nas mais variadas formas sem manuseio direto. São</p><p>processos compostos por tubulações, tanques, trocadores de calor,</p><p>misturadores, reatores, entre outros.</p><p>Um processo pode ser controlado medindo variáveis que correspondem</p><p>ao estado pretendido e ajustando automaticamente outras</p><p>variáveis para atingir o valor desejado para a variável controlada. As</p><p>circunstâncias ambientais devem a todo tempo ser incluídas na lista de</p><p>variáveis do processo.</p><p>Variáveis de processo são medidas físicas que influenciam no</p><p>comportamento de um processo e podem modificar seu valor facilmente</p><p>devido a condições internas ou externas. Portanto, é necessário</p><p>controlar essas variáveis típicas de processos contínuos, sendo as mais</p><p>importantes medidas e controladas: pressão, vazão, temperatura, nível,</p><p>pH, condutividade, velocidade e umidade.</p><p>1.1 Medida de temperatura</p><p>A medição de temperatura é utilizada em diversos segmentos da</p><p>indústria. Traremos aqui os mais importantes.</p><p>1.1.1 Termômetros à dilação de líquidos em recipiente</p><p>de vidro</p><p>44</p><p>Consistem em um tanque cujas dimensões determinam a sensibilidade</p><p>desejada. São preenchidos com líquidos (mercúrio, álcool, tolueno ou</p><p>acetona) introduzidos em um tubo capilar uniforme fechado na parte</p><p>superior. Após a calibração, a parede do tubo é graduada em graus,</p><p>conforme mostrado na Figura 1.</p><p>Figura 1 – Termômetro de vidro</p><p>Fonte: Seidel (2011, p. 55).</p><p>1.1.2 Termômetros à dilação de líquidos em recipiente</p><p>metálico</p><p>Esse medidor do tipo termômetro tem a capacidade de cobrir todo o</p><p>reservatório, e, à medida que a temperatura aumenta, proporcionalmente</p><p>o líquido se estende. A temperatura é dimensionada usando um sensor</p><p>de volume por meio do líquido expandindo o elemento estendido. Nele,</p><p>o bulbo varia em dimensões dependendo do tipo de líquido utilizado e da</p><p>sensibilidade desejada. A Figura 2 traz um exemplo.</p><p>Figura 2 – Termômetro à dilatação de líquidos</p><p>Fonte: Seidel (2011, p. 56).</p><p>45</p><p>O tubo Bourdon é o elemento de medição mais utilizado na indústria</p><p>para registro e exibição. No entanto, não é recomendado para</p><p>monitoramento, pois é mais lento para responder.</p><p>1.1.3 Termômetros à pressão de gás</p><p>São similares a um termômetro líquido, mas cheios com gás de alta</p><p>pressão. Quando a temperatura muda, o gás muda a pressão e o</p><p>elemento de medição funciona como um manômetro devido à sua</p><p>dependência linear da temperatura, em que o volume é constante. O gás</p><p>mais utilizado é o N2 na faixa de temperatura entre -100 e 600°C, sendo</p><p>o limite inferior limitado pela temperatura crítica.</p><p>1.1.4 Termistores</p><p>São semicondutores cuja resistência varia de acordo com a temperatura.</p><p>Consistem em óxido de níquel, cobalto, magnésio, sulfeto de ferro,</p><p>alumínio ou cobre. A Figura 3 traz um exemplo.</p><p>Figura 3 – Termistor: (a) exemplo e (b) simbologia</p><p>Fonte: Seidel (2011, p. 64).</p><p>Distinguem-se por seu baixo preço e sensibilidade e são limitados a</p><p>temperaturas abaixo de 300°C. O tipo mais comum é o NTC (Coeficiente</p><p>de Temperatura Negativo), que se caracteriza pela diminuição da</p><p>resistência com o aumento da temperatura, ou seja, com um coeficiente</p><p>de variação de temperatura negativo. Com o PTC (Coeficiente Positivo</p><p>de Temperatura), o aumento da temperatura aumenta sua resistência;</p><p>46</p><p>por ter um custo maior, está disponível comercialmente em uma versão</p><p>menor.</p><p>1.1.5 Circuitos integrados (CI)</p><p>Os parâmetros elétricos dos semicondutores mudam com a</p><p>temperatura. Dessa forma, é possível construir sensores linearmente</p><p>utilizando outros elementos, mas com limitações de temperatura devido</p><p>à sensibilidade térmica do semicondutor. O sensor CI LM35 oferece</p><p>baixo custo, além da linearidade.</p><p>1.2 Medida de pressão</p><p>A medição de pressão é uma das medições mais importantes, porque</p><p>outras medições podem ser derivadas dela. O instrumento utilizado para</p><p>medir a pressão é o manômetro, que pode conter diversos elementos</p><p>sensíveis utilizados por transmissores e controladores.</p><p>1.2.1 Manômetro tubo de Bourdon</p><p>Envolve a conversão da pressão do fluido em transferência para</p><p>oferecer um sinal elétrico proporcional à pressão. A Figura 4 apresenta</p><p>as particularidades dos diferentes tipos de tubos Bourdon, que podem</p><p>ser em forma de C, helicoidal ou espiral. O tubo tende a ser circular com</p><p>movimento na extremidade fechada quando a pressão na entrada a ser</p><p>medida atua em seu interior. Esse movimento pode ser transferido para</p><p>uma escala de pressão graduada através de um ponteiro.</p><p>47</p><p>Figura 4 – Principais tipos de tubo de Bourdon</p><p>Fonte: Seidel (2011, p. 71).</p><p>1.2.2 Manômetro tipo membrana ou diafragma</p><p>Representa um disco de material elástico (metálico ou não) amarrado</p><p>à borda. Uma haste amarrada ao centro do disco é ligada a um</p><p>equipamento de exposição. Quando a pressão é aplicada, o diafragma</p><p>é deslocado, e essa transferência é proporcional à pressão aplicada.</p><p>A Figura 5 traz o diagrama esquemático do medidor de pressão do</p><p>diafragma e a foto real.</p><p>Figura 5 – Manômetro tipo membrana: (a) funcionamento</p><p>e (b) exemplo</p><p>Fonte: Seidel (2011, p. 74).</p><p>O pressostato é um dos elementos mais comuns que utilizam o</p><p>diafragma como sensor. Possui mecanismo de ajuste e interruptor de</p><p>duas posições (ligar e desligar). Normalmente, um mecanismo de mola</p><p>48</p><p>permite o ajuste. Pode controlar a pressão em qualquer processo que</p><p>precise de controle liga-desliga ou liga-desliga, pois pode enviar ou parar</p><p>sinais para controlar bombas, atuadores e motores.</p><p>1.3 Medida de vazão</p><p>Nas plantas industriais, o material é transportado em grande parte por</p><p>dutos. Assim, a medição de vazão é muito importante para monitorar</p><p>processos industriais. Existem duas maneiras básicas de medir o fluxo:</p><p>quantitativa (massa) e volumétrica (volume). Portanto, a quantidade</p><p>transportada pode ser medida em unidades de volume ou massa (litros,</p><p>m³ ou kg, toneladas).</p><p>1.3.1 Medidores de quantidade</p><p>Medidores de quantidade são dispositivos geralmente usados para</p><p>medir sólidos em kg e toneladas. Um exemplo desse tipo de medição é</p><p>em escala industrial.</p><p>Os medidores de quantidade volumétrica servem como elemento</p><p>de</p><p>edição primário, pois o mecanismo de indicação é acionado quando</p><p>o fluido passa pelo elemento de medição em quantidade contínua.</p><p>Bombas de ar e medidores de água usam esses dispositivos, não a fim</p><p>de saber a vazão instantânea, mas sim a quantidade de combustível</p><p>fornecida ou a quantidade de água consumida.</p><p>1.3.2 Medidores volumétricos</p><p>Medida de vazão por pressão diferencial</p><p>Pode ser aplicada a uma ampla gama de medições, incluindo a maioria</p><p>dos gases e líquidos, líquidos com sólidos em suspensão, líquidos</p><p>49</p><p>viscosos, em uma ampla faixa de temperaturas e pressões, mas tem</p><p>uma perda de pressão causada pela placa de orifício do medidor.</p><p>Placa de orifício</p><p>A Figura 6 mostra uma placa de orifício. É um dos componentes mais</p><p>simples e mais utilizados para medir a pressão diferencial.</p><p>Figura 6 – Placa de orifício</p><p>Fonte: Seidel (2011, p. 79).</p><p>A placa é perfurada e montada perpendicularmente ao eixo do tubo. A</p><p>borda do furo é ideal para mensurações precisas. Os materiais utilizados</p><p>para a fabricação são geralmente aço inoxidável, monel ou latão, a</p><p>depender do líquido utilizado. Apresenta fácil instalação, baixo custo,</p><p>baixa manutenção e fácil substituição, mas possui altas quedas de</p><p>pressão e curto alcance.</p><p>Tubo de Venturi</p><p>A Figura 7 mostra o tubo Venturi, que tem uma seção transversal</p><p>reduzida, resultando em um aumento na velocidade do líquido e em</p><p>uma redução na pressão. A pressão entre os dois pontos P2 e P1 pode</p><p>ser medida. Apresenta eficiente melhora da pressão no tubo Venturi e</p><p>a melhora da pressão, auxiliando líquidos e sólidos em suspensão. Se</p><p>comparado à placa de orifício, o Tubo de Venturi fornece uma medição</p><p>mais resistente em vazão e em diâmetro.</p><p>50</p><p>Figura 7 – Tubo de Venturi</p><p>Fonte: Seidel (2011, p.80)</p><p>1.4 Medida de nível</p><p>Com medições de nível, é possível avaliar quantidades em tanques com</p><p>líquidos ou sólidos e determinar os limites dos materiais armazenados,</p><p>essenciais para a continuidade das operações nos diversos setores de</p><p>atividade. Existem dois tipos de medição de nível: medição de nível</p><p>direta e indireta.</p><p>1.4.1 Medição de nível direta</p><p>É feita em relação ao plano superior. São usados réguas, visores de nível</p><p>e flutuadores, que e podem ser contínuos ou discretos.</p><p>• Régua ou gabarito</p><p>Consiste em uma regra de comprimento adequado ao tanque,</p><p>permitindo uma leitura direta.</p><p>• Visores de nível</p><p>O princípio dos vasos comunicantes é usado para os visores. O nível</p><p>é observado através de um visor de vidro, com uma escala graduada</p><p>acompanhando a tela. Suas características são simplicidade, baixo</p><p>51</p><p>custo e precisão. A medição pode ser realizada em tanques abertos e</p><p>fechados.</p><p>• Boia ou flutuador</p><p>A Figura 8 mostra o uso de um flutuador para medição de nível. A boia</p><p>é conectada a um contrapeso, que mostra o nível em uma balança. É</p><p>geralmente usado em tanques abertos.</p><p>Figura 8 – Boia ou flutuador</p><p>Fonte: Seidel (2011, p.87)</p><p>1.4.2 Medição de nível indireta</p><p>Outras variáveis físicas como pressão, flutuabilidade e radiação são</p><p>usadas indiretamente para indicar o nível.</p><p>• Medição de nível por borbulhador</p><p>A Figura 9 mostra o sistema borbulhador, usado para detectar o nível</p><p>de líquidos viscosos e corrosivos, sendo possível instalar o medidor</p><p>remotamente. Uma válvula libera ar ou gás para o fundo do tanque a</p><p>uma taxa constante. A pressão do canal é medida e varia dependendo</p><p>da altura da coluna de líquido. Quanto maior a pressão, maior o nível no</p><p>tanque.</p><p>52</p><p>Figura 9 – Princípio da medição de nível com borbulhador</p><p>Fonte: Seidel (2011, p. 90).</p><p>• Medição de nível por empuxo</p><p>É utilizado um deslocador, que é empurrado pelo nível de um fluido,</p><p>e esse movimento o transferirá para a tela dependendo do nível de</p><p>enchimento. Assim, para diferentes alturas, existem diferentes variações</p><p>devido à pressão gerada no dispositivo. A Figura 10 mostra várias</p><p>mudanças dependendo da quantidade de água e medições.</p><p>Figura 10 – Medida de nível por empuxo: (a) funcionamento e (b)</p><p>transmissor de nível por empuxo</p><p>Fonte: Seidel (2011, p. 91).</p><p>53</p><p>A gama de instrumentos é bastante ampla e não se limita apenas aos</p><p>medidores citados. Dessa forma, é necessário consultar constantemente</p><p>catálogos, manuais de equipamentos e componentes. A variedade de</p><p>sensores disponíveis no mercado e a introdução de novos componentes</p><p>obrigam os técnicos a se manter constantemente atualizados para</p><p>integrar a instrumentação na automatização de um processo.</p><p>2. Malhas de controle aplicadas a sistemas de</p><p>vazão e pressão</p><p>Essas malhas são amplamente utilizadas em processos industriais, nos</p><p>quais se estima que mais da metade das malhas de controle sejam</p><p>malhas de fluxo. Esses processos são sempre autoajustáveis e muito</p><p>rápidos.</p><p>Mesmo com tubulações longas, o tempo morto e a capacidade são</p><p>muito pequenos, e, após ajustar a válvula de controle para um novo</p><p>valor, a vazão final é alcançada em poucos segundos. Somado a isso,</p><p>o ruído excessivo no sinal de fluxo é comum, geralmente associado a</p><p>um regime de fluxo turbulento devido a flutuações da bomba ou do</p><p>compressor e mudanças aleatórias no padrão de fluxo devido a válvulas,</p><p>orifícios ou outras irregularidades.</p><p>Assim, recomenda-se o uso de Damping, que o amortece, mas para</p><p>corrigir a vazão deve-se evitar uma ação derivativa. A integral é utilizada</p><p>para eliminar o erro de permanência, já que o ganho proporcional</p><p>do controlador é ajustado para um valor pequeno, para evitar a</p><p>amplificação do ruído.</p><p>A escolha da válvula e sua curva de caracterização são importantes para</p><p>a reposta da malha de vazão. A Figura 11 mostra o diagrama do sistema</p><p>54</p><p>de controle de vazão, sendo esta controlada por meio de um controlador</p><p>PI conectado a uma válvula de controle.</p><p>Figura 11 – Diagrama esquemático de malha de vazão</p><p>Fonte: Mishra et al. (2014, p. 96).</p><p>Na Figura 11, a posição da haste S da válvula de controle regula a vazão</p><p>e a variável manipulada. O regulador é dedicado à correção da vazão do</p><p>circuito, (não tendo a informação correta da posição em que se encontra</p><p>a haste S da válvula). Para contornar esse problema, posicionadores e</p><p>controles projetados para controlar a posição da haste da válvula podem</p><p>estar presentes em determinadas malhas.</p><p>Já o controle de pressão é responsável pelo balanceamento de massa,</p><p>que geralmente é aplicado aos gases. Assim, manter a pressão em um</p><p>recipiente significa combinar o fluxo de entrada com o fluxo de saída.</p><p>A regulação da pressão é importante para controlar a quantidade de</p><p>material armazenado e porque em muitos processos a pressão é um</p><p>parâmetro que afeta a qualidade do produto final. A Figura 12 mostra</p><p>um circuito de controle de pressão, cujo sistema é baseado no princípio</p><p>de balanceamento de massa.</p><p>55</p><p>Figura 12 – Diagrama esquemático de malha de pressão</p><p>Fonte: Braga (2014, p. 19).</p><p>Nota-se, ao analisar a Figura 12, que há uma vazão de gás na entrada e</p><p>uma vazão na saída. Na tubulação de saída, há uma válvula controlada</p><p>pelo PIC (indicador controlador de pressão), e, portanto, o controle da</p><p>pressão nesse recipiente é feito através da vazão de saída.</p><p>Neste Tema, foram apresentados os processos de medidas de</p><p>temperatura, pressão, vazão e nível, bem como seus principais</p><p>medidores. Foram analisadas também as malhas de controle dos</p><p>sistemas de vazão e pressão por meio de diagramas esquemáticos.</p><p>Referências</p><p>BAYER, F. M.; ARAÚJO, O. C. B. Controle Automático de Processos. Santa Maria:</p><p>e-Tec Brasil, UFSM, 2011.</p><p>BRAGA, A. D. M. Controle da pressão em um sistema de nitretação por plasma.</p><p>Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização em Automação Industrial) –</p><p>Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2014.</p><p>FIALHO, A. B. Instrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises. 7. ed.</p><p>São Paulo: Érica, 2013.</p><p>MISHRA, P. et al. A noval intelligent controller for combating stiction in pneumatic</p><p>control valves. Control Engineering Practice, [s.l.], v. 33, p. 94-104, 2014.</p><p>SEIDEL, A. R. Instrumentação aplicada. Santa Maria: e-Tec Brasil, UFSM,</p><p>2011.</p><p>56</p><p>BONS ESTUDOS!</p><p>Sumário</p><p>Apresentação da disciplina</p><p>Fundamentos da instrumentação para representação de processos em instalações industriais</p><p>1. Instrumentação industrial</p><p>2. Simbologia em instrumentação</p><p>Referências</p><p>Representação de malhas de controle segundo a padronização ANSI/ISA S5.1 a S5.5</p><p>Objetivos</p><p>1. Representação de malhas de controle</p><p>2. Sensores</p><p>3. Controlador</p><p>Referências</p><p>Malhas de controle e diagramas de tubulação e instrumentação (P&ID) aplicados a sistemas de nível e</p><p>Objetivos</p><p>1. Instrumentos de campo</p><p>2. Terminologia</p><p>3. Diagrama de Tubulação e Instrumentação (P&ID)</p><p>4. Malhas de controle aplicadas a sistemas de nível e temperatura</p><p>Referências</p><p>Malhas de controle e diagramas de tubulação e instrumentação (P&ID) aplicados a sistemas de vazão e</p><p>Objetivos</p><p>1. Processos de medidas</p><p>2. Malhas de controle aplicadas a sistemas de vazão e pressão</p><p>Referências</p>