Instrumentação Básica (foa 2015)

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Instrumentação Básica
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Instrumentação Básica
Histórico
INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.
 Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; 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 que traduzem transferências de energia no processo são: 
	PRESSÃO,NÍVEL,VAZÃO,TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo.
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Instrumentação básica
A energia era fornecida pelo próprio trabalho humano ou pelos trabalhos de animais domésticos. 
Somente no século XVIII , com a advento da maquina a vapor, conseguiu-se transformar a energia da matéria em trabalho. Porem passou-se a trocar o trabalho braçal pelo trabalho mental.
Cabia ao homem o esforço de tentar controlar esta nova forca de energia, exigindo dele muita intuição e experiência, alem de expô-lo constantemente ao perigo devido a falta de segurança;
Deu-se então ao surgimento da necessidade do controle automático.
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Instrumentação básica
Necessidade 
Do 
Controle automático
Para elevação da
 produção
Porque o homem não 
é mais capaz de manter 
o controle a contento
Produção elevada do sistema
Ritmo acelerado de produção
Precisão requerida na produção
Confiabilidade
Aumento de nível de Perigo
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A instrumentação dentro da arquitetura de automação
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Arquitetura da Automação Industrial
Nível 1: Chão de fábrica
Máquinas, dispositivos, componentes
Ex.: Linhas e máquinas
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Arquitetura da Automação Industrial
Nível 2: Supervisão
Informações dos nível 1
IHM’s
Ex.: Sala de supervisão
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Arquitetura da Automação Industrial
Nível 3: controle do processo produtivo
Banco de dados
Índices
Relatórios
CEP
Ex.: Avaliação e CQ em processo alimentício
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Arquitetura da Automação Industrial
Nível 4: Planejamento do processo
Controle de estoques
Logística
Ex.: Controle de suprimentos e estoques em função da sazonalidade de uma indústria de tecidos
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Arquitetura da Automação Industrial
Nível 5: Administração dos recursos financeiros, vendas e RH.
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Instrumentação Básica
É a camada mais baixa de um sistema de automação
Chão de fabrica – Instrumentos e atuadores ligados diretamente nos equipamentos a serem controlados
Responsável por medição e controle de diversas variáveis do processo, tais quais, pressão, temperatura, nível, vazão, PH, condutividade, umidade, etc.
No principio da era industrial, o controle das variáveis era realizado em modo manual, utilizando-se instrumentos simples (manômetro e válvulas manuais)
Benefícios com a evolução: Melhoria na qualidade do produto, aumento da produtividade, melhor aproveitamento de recursos, maior segurança do homem, melhoria na condição ambiental
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Conceitos de medição e controle de Processos
Medir é comparar uma grandeza com uma padrão ;
Ex.: Quando se diz que um corpo tem massa de 10 Kg significa que sua massa equivale a 10 vezes a massa do padrão quilograma
Medição direta: se baseia na variação de uma grandeza física de um elemento em função da grandeza que esta sendo medida. 
Ex.: Dinamômetro
Medição indireta: Baseia na comparação da grandeza que esta sendo medida com uma de valor conhecido.
Ex.: Balança
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Aplicação da medição nos processos Industriais
Monitoração: É medir uma grandeza com a finalidade de alarmar quando essa grandeza assumir valores fora da faixa de trabalho ou segurança do processo
Controle: controlar uma grandeza é fazê-la assumir um valor ou uma faixa de valores desejáveis.
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Classificação do sistema de medição
Controle manual : É utilizado eventualmente para verificação do valor de uma grandeza
Controle Automático: É utilizado continuamente num processo industrial para fins de controle ou monitoração
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Classificação de instrumentos
Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais podemos ter:
	Classificação por:
Função
Sinal transmitido ou suprimento
Tipo de sinal 
 Classificação por Função
Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar 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.
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Sensor (termômetro de tubo capilar)
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Sensor (termômetro de tubo capilar)
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.
Tipo pneumático
Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar.
O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0 kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês).
Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e em casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS).
Vantagens
Operação com segurança em áreas classificadas ( com risco de explosão – centrais de gás por exemplo) 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
Desvantagem
Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento.
Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.
Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m.
Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados.
Não permite conexão direta aos computadores.
Tipo Hidráulico
Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
Vantagens
 Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão.
 Resposta rápida.
Desvantagem
Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento.
Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca.
Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc...
Tipo Elétrico
Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão.
Tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias
Padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utilizais sinais em tensão contínua de 1 a 5V.
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
Vantagens
Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.
 A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão.
Não necessita de poucos equipamentos auxiliares.
Permite fácil conexão aos computadores.
Fácil instalação.
Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas.
Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja “lido” por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o
valor estipulado pelo fabricante do transmissor.
Desvantagem
Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção.
Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos.
Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais.
Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
Tipo Digital
Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação.
Vantagens
Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento.
Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados.
Imune a ruídos externos.
Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha.
Menor custo final.
Desvantagem
Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes.
Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malhas.
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
Via Rádio
Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.
Vantagens
Não necessita de cabos de sinal.
Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.
Desvantagens
Alto custo inicial.
Necessidade de técnicos altamente especializados.
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
Via Modem
A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude.
Vantagens
Baixo custo de instalação.
Pode-se transmitir dados a longas distâncias.
Desvantagens
Necessita de profissionais especializados.
Baixa velocidade na transmissão de dados.
Sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações.
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FIELDBUS
Para uma rede aplicada à interligação de elementos a nível de chão-de-fábrica (CLPs, válvulas, indicadores dedicados, sensores, transdutores, atuadores, etc) é utilizada a denominação genérica de "barramento de campo", ou Fieldbus. O termo fieldbus descreve uma rede de comunicação digital que veio substituir o sistema de sinal analógico 4 - 20mA existente ainda hoje nas indústrias (e muito difundido devido a sua imunidade à interferências eletromagnéticas, apesar de sua tecnologia ultrapassada desenvolvida na década de 60). 
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FIELDBUS
O fieldbus pode ser definido como uma rede digital, bidirecional (de acesso compartilhado), multiponto e serial, utilizado para interligar os dispositivos primários de automação (dispositivos de campo) a um sistema integrado de automação e controle de processos. Cada dispositivo de campo pode possuir uma "inteligência" (microprocessado), o que o torna capaz de executar funções simples em si mesmo, tais como diagnóstico, controle e funções de manutenção, além de possibilitar a comunicação entre dispositivos de campo (não apenas entre o engenheiro e o dispositivo de campo). Em outras palavras, o fieldbus veio para substituir o controle centralizado pelo distribuído 
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Quanto a interação com o Corpo em medição
Podem ser:
De contato: São aqueles que entram em contato físico com o meio a ser medido
Ex.: Termômetro de mercúrio
De não contato: São aqueles que não entram em contato físico com o meio a ser medido
Ex.: Pirômetro Óptico 
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SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO
Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países.
No Brasil Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação.
Devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America).
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Simbologia (ABNT NBR 8190)
Tipos de Conexões
Conexão do processo, ligação mecânica ou suprimento ao instrumento.
Sinal pneumático ou sinal indefinido para diagramas de processo.
Sinal elétrico.
Tubo capilar (sistema cheio).
Sinal hidráulico.
Sinal eletromagnético ou sônico (sem fios).
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Simbologia (ISA S5)
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Código para identificação de instrumentos
Cada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifique funcionalmente.
Como exemplo, uma identificação representativa é a seguinte:
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Identificação Alfanumérica
A 1ª letra representa a variável:
P – Pressão
T – Temperatura
F – Vazão (Flow)
L – Nível (Level)
Letras seguintes representam a função:
I – Indicador
R – Registador
C – Controlador
T – Transmissor
V – Válvula
S – Interruptor (switch)
A - Alarme 
H – Alto (High)
L – Baixo (Low)
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Montagem 
CAMPO (na planta)
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Montagem 
PAINEL PRINCIPAL
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Tags
São identificações alfanuméricas de um instrumento.
Caracteriza cada elemento e sua função.
São fixados aos dispositivos
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Definições
Erro: Erro numa medição é o afastamento entre a indicação do instrumento e o valor verdadeiro da grandeza
Classificação:
Absoluto: É o erro expresso na unidade da medição
Ex.: Numa Medição de comprimento obteve o valor 9,0mm +/- 0,1mm 
 Medida entre 8,9 e 9,1mm erro absoluto 0,1mm
Relativo: É o erro expresso em forma de percentagem (%)
Ex.: Numa medição de massa obteve o valor de 1,0Kg +/- 10%
Medida entre 0,9 e 1,1Kg erro relativo 10%
Dinâmico : Medição pela resposta ao longo do tempo
Estático: Não depende do tempo
Grosseiro: Erro de leitura
Sistemático: Perda de calibração, excesso de temperatura etc.:
Aleatório: Erro de causas que não são totalmente conhecida.
Erro resultante total: É composto pelo somatório dos erros abordados
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Definições
Range: Expressa os limites superior e inferior de medição de um instrumentos
Ex.: 4 a 20 mA; 0 a 20PSI; 100 a 600ºC
Span: Diferença entre o valor superior e valor inferior de medida ou transmissão de instrumento.
Ex.: Instrumento com range de 100 a 600ºC = Span 500ºC
FE – Fundo de escala: É o limite superior da medição.
Fatores que contribuem para precisão
Repetibilidade : Apresenta a mesma indicação quando são feitas varias medidas consecutivas, considerando as mesmas condições.
Reprodutibilidade: Apresenta a mesma indicação quando são feitas varias medidas consecutivas do mesmo valor. Considerando condições diferentes.
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Definições
Linearidade: É o grau de conformidade da curva de resposta de um instrumento;
Exatidão: Capacidade de um instrumento em se obter resultados próximos de um valor verdadeiro
Ex.: Exatidão em percentual do fundo de escala (%F.E)
	Exatidão em percentual do span (% span)
	Exatidão em percentual do valor lido
Um sensor de temperatura de 100 a 1000ºC, medindo um valor de 500ºC teria como intervalo provável:
Exatidão de 2% FE
Valor provável: 500ºC +/- (0,02 x 1000ºC) = 500ºC +/- 20ºC
Exatidão de 5% do span = ?
Exatidão de 1% do valor lido = ?
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Definições
Rangeabilidade: Relação entre o valor máximo e mínimo obtidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento.
Representa a faixa a qual o instrumento trabalha com a mesma exatidão de especificação é expressa em proporção.
Exemplo1: Um instrumento sensor de exatidão, rangeabilidade e range, representados respectivamente:
1%
FE
10:1		50-500
0 a 500ºC
 Exemplo 2: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por minuto), com exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, significa que a exatidão será respeitada entre 30 e 300 GPM
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}
RANGEABILIDADE
10:1
RANGEABILIDADE
100:1
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Exatidão versus Precisão
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HIDROSTÁTICA
DEFINIÇÕES
		A hidrostática estuda as propriedades dos líquidos em repouso. A hidrodinâmica estuda os fluidos em movimento. Fluído é uma substância que se pode escoar e, assim o termo inclui líquidos e gases que se diferenciam profundamente quanto à compressibilidade: um gás é facilmente comprimido, enquanto o líquido, praticamente incompressível. Portanto, as principais características dos líquidos são:
a) não possuem forma própria;
b) são incompressíveis.
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Massa específica
Massa específica é a massa de fluído contida numa unidade de volume do mesmo.
Peso específico
Peso específico de um líquido é o peso da unidade de volume desse líquido.
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Relação entre massa específica e peso específico
Sabemos que :
P=mg (definição de peso, onde m é a massa do corpo e g é a aceleração da gravidade)
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Densidade
Densidade de um líquido é a comparação que se faz entre o peso deste líquido e o
peso de igual volume de água destilada a 4ºC. A densidade é adimensional, podendo
também ser definida como a razão entre as massas específicas, ou entre os pesos
específicos, ou entre os pesos.
A densidade do mercúrio é 13,6 , isto significa que um certo volume de mercúrio é 13,6
vezes mais pesado que o igual volume de água destilada a 4ºC.
Porque o gelo flutua em um copo de agua?
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Fundamentos da Instrumentação
Processo é uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde pode variar pelo menos uma característica física ou química de um material.
Variáveis de Processo São condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo, em todos os processos industriais é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis de processo, tais como pressão, vazão, temperatura, nível, pH,condutividade, velocidade, umidade, etc.
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Variável Controlada A variável controlada de um processo é aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto.
Temperatura
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Meio controlado Meio controlado é a energia ou material no qual a variável é controlada. No processo mostrado acima , o meio controlado é a água na saída do processo, onde a variável controlada, temperatura representa uma característica da água.
Variável manipulada A variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável do processo que causa uma variação rápida na variável controlada e que seja fácil de se manipular. Para o aquecedor abaixo, a variável manipulada pelo controlador será a:
Vazão de vapor
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Malha de controle
	Quando se fala em controle, deve-se necessariamente subentender uma medição de
	uma variável qualquer do processo, isto é, a informação que o controlador recebe.
	Recebida essa informação o sistema controlador compara-a com um valor préestabelecido (chamado SET POINT), verifica a diferença entre ambos, e age de maneira a diminuir ao máximo essa diferença. Esta seqüência de operações, medir a variável; comparar com o valor pré-determinado e atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida e o set point, nós denominamos de malha de controle, que pode ser aberta ou fechada.
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Malha aberta
	Na malha aberta, a informação sobre a variável controlada não é utilizada para
	ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações nas variáveis do processo.
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Malha fechada
	Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variáveis do processo.
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Exercicios
Calcule a faixa de medição que um instrumento, em porcentagem do alcance e em porcentagem do valor medido, com exatidão de ± 0,75% pode apresentar, para que o mesmo esteja de acordo coma as especificações do fabricante.
	Sabendo-se que o instrumento possuí uma escala de –20ºC a + 80ºC e está indicando 30ºC.
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2.	 Processo industrial é definido como:
a) A variável que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto;
b) a energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica;
c) é a variável, na qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável
controlada no valor desejado;
d) uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material;
e) são condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo.
3.	 Variáveis de processo é definida como:
a) A variável que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto;
b) A energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou características;
c) É a variável, na qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável
controlada no valor desejado;
d) Uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material;
e) São condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo.
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4.	 Variável controlada é definida como:
a) A variável que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto;
b) a energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica;
c) é a variável, na qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável
controlada no valor desejado;
d) uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material;
e) são condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo.
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5.	 No processo mostrado na figura a seguir, descreva qual é:
a) a variável controlada;
b) a variável manipulada;
c) o meio controlado;
d) o agente de controle.
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Supondo que no fluxograma da planta-piloto, os instrumentos possuam as seguintes
características técnicas:
PT-41205 ⇒ Range: -0,25 a 2,5 kgf/cm2; Saída: 4 a 20mA; Exatidão: +/- 0,75% do span
PIC-41205 ⇒ Entrada: 4 a 20 mA; Saída: 4 a 20 mA
PY-41205 ⇒ Entrada: 4 a 20 mA; Saída: 3 a 15 psi
PV- 41205 A e B ⇒ Entrada: 3 a 15 psi
LT-41208 ⇒ Range: 0 a 650 mm; Saída: 4 a 20mA; Exatidão: +/- 0,5% do span
LI-41208 ⇒ Escala: 0 a 100%; Exatidão: +/- 0,6% do span
Responda o solicitado:
6.	 Qual o valor desejado de corrente de saída do PT, quando a pressão for 1,0 kgf/cm2?
7.	 Se a pressão na entrada do PT for 0,5 kgf/cm2 e sua corrente de saída for 8,32 mA, qual o erro apresentado pelo transmissor (em % do span)?
8.	 Qual a exatidão da malha LT-41208 e LI-41208?
9.	Se o nível do tanque instrumentado pelo LT-41208 for 300 mm, qual a faixa de valores possíveis de serem indicados no LI-41208?