Aula 02 Mensuração das variáveis de processo

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AULA 02 – MENSURAÇÃO 
DAS VARIÁVEIS DE 
PROCESSO
MARCOS VINICIUS AGAPITO MENDES
Engenheiro de Minas
Mestre em Gestão Organizacional
marcos.vinicius.agapito@gmail.com
10/11
PRESSÃO
DISPOSITIVOS ATUANTES NA MEDIÇÃO
• Sensor: elemento que é afetado diretamente pela variável
de processo (elemento primário).
• Transmissor: sente a variável através de um sensor no
ponto onde ele está montado e envia um sinal padrão,
para um instrumento receptor remoto.
• Atuador: dispositivo que converte um sinal de controle
num sinal de atuação sobre o processo (ex.: válvula
proporcional, cilindro hidráulico, motor elétrico).
• Conversor: capta um sinal padronizado e converte em
outro sinal padronizado (ex.: conversor corrente/tensão,
corrente/pressão).
PRESSÃO
SENSORES MECÂNICOS 
Tubo de Bourdon
Medição por deformação
de um elemento elástico.
PRESSÃO
SENSORES MECÂNICOS
Detalhes do tubo de Bourdon tipo C
PRESSÃO
SENSORES MECÂNICOS 
Membrana ou diafragma
PRESSÃO
SENSORES MECÂNICOS 
Fole
PRESSÃO
SENSORES MECÂNICOS
Medidor em U Medidor de coluna
(pressão absoluta)
Medição por coluna de líquido
PRESSÃO
SENSORES MECÂNICOS
Medidor tipo U; Medidor de coluna inclinada; Medidor de coluna vertical
PRESSÃO
SENSORES ELÉTRICOS
 Sensores ativos: material que gera uma militensão,
com a alteração da pressão, sem necessitar de nenhuma
polarização ou alimentação.
 Sensores passivos: componente que varia tensão
corrente, capacitância e resistividade com a alteração
de pressão, necessitando, porém, de uma tensão de
alimentação para funcionar.
Materiais que podem variar sua tensão, corrente,
capacitância e resistividade, até mesmo gerar
campo elétrico, com a variação de pressão.
PRESSÃO
SENSORES ELÉTRICOS
Extensometro: varia resistência elétrica quando
submetido a pressão positiva (compressão) ou
negativa (tensão) (torque, peso, velocidade, etc)
PRESSÃO
SENSORES ELÉTRICOS
Cristal piezoelétrico: sensor de pressão que gera uma
militensão em função da pressão mecânica exercida.
Placa de silício
PRESSÃO
SENSORES ELÉTRICOS SENSOR CAPACITIVO
PRESSÃO
Manômetro tubo de bourdon Manômetro com sensor elétrico
NÍVEL
MEDIÇÃO DIRETA
Visor de nível (contínua)
NÍVEL
VANTAGENS VISOR DE NÍVEL
• Simplicidade extrema
• Baixo custo
• Leitura direta
• Alta confiabilidade
NÍVEL
DESVANTAGENS VISOR DE NÍVEL
• Somente indicação local de fluidos não transparentes
• Pode assumir grandes tamanhos dependendo da
geometria do sistema
• Quando de vidros, são frágeis
• Limitados a material não tóxico, pressão de 100 kPa e
temperatura de 100 ºC
• Não servem para indicação remota, nem para
transmissão, sequer para o controle.
NÍVEL
MEDIÇÃO DIRETA
Flutuadores (contínuos)
NÍVEL
MEDIÇÃO DIRETA
Flutuadores (discretos)
NÍVEL
MEDIÇÃO DIRETA
Medição por eletrodos: aplicada
a fluidos condutivos.
- Medida contínua: eletrodos
verticais, sendo a corrente
resultante proporcional a
parcela dos eletrodos imerso no
fluido.
- Medida discreta: eletrodos
colocados em níveis de interesse.
Medição por lâminas vibratórias:
forquilha oscilante em
determinada frequência no ar,
sendo diminuída ou ate
amortecida quando atingida pelo
nível (medição discreta).
Medição por pá rotativa
(chave de nível): motor gira
uma pá rotativa, sendo
bloqueado quando atingido
pelo nível do material
(medição discreta).
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Pressão diferencial
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Medição por borbulhamento
- Permite medir nível de fluidos sujos e
corrosivos
- A temperatura do processo é limitada
apenas pelo material do borbulhador
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Medição por empuxo
Lei de Arquimedes: quando um corpo é submerso
em um líquido, ele perde peso igual ao peso do
líquido deslocado.
O sistema de medição se resume na detecção e
medição de um peso que varia com o nível.
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Medição por empuxo
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Radar
- Ondas eletromagnéticas em baixa
frequência.
- Tempo decorrido entre a emissão e a
recepção da onda refletida, ou
- Frequência da onda emitida e refletida.
VANTAGENS:
- Medição de fluidos tóxicos, perigosos e
sanitários;
- Alta precisão (1,5 a 60 m);
- Pode ser instalado externamente ao processo;
- Operável com sensor revestido, turbulência da
superfície e espuma no líquido.
DESVANTAGENS:
- Alto custo de aquisição;
- Inviável para sólido devido ao baixo sinal de
reflexão das ondas;
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Ultrassom
- Baseado na reflexão de ondas
ultrassônicas (acima de 20 khz).
- O sensor inclui um emissor ultrassônico e
um receptor.
- Detecção contínua de nível ou sensores de
nível pré determinado (chaves de nível).
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Medição por pesagem
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Sensor de condutividade
Terminais condutivos mergulhados em
alturas diferentes informam o nível de água.
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Sensor ótico
NÍVEL
MEDIÇÃO INDIRETA
Sensor Magnético
NÍVEL
Deslocador
Flutuador
Flutuador
Empuxo
Empuxo
VAZÃO Variável raramente medida de formadireta (inferência de outra variável).
• Volume conhecido (deslocamento positivo)
• Velocidade (medidor magnético)
• Pressão diferencial (placa de orifício)
• Força de impacto (tipo alvo)
• Rotação provocada pelo impacto (turbina)
ALGUNS PRINCÍPIOS PARA MEDIR VAZÃO:
VAZÃO
Elemento primário: está em contato direto com o fluido
(parte molhada), resultando em alguma forma de interação
(separação do jato do fluido, aceleração, queda de pressão, alteração
da temperatura, formação de vórtices, indução de força eletromotriz,
criação de força de impacto, etc).
COMPOSIÇÃO DO MEDIDOR DE VAZÃO:
Elemento secundário: mede a grandeza física gerada pela
interação com a vazão do fluido e transforma em volume,
peso ou vazão instantânea, transmitindo a um receptor
display (indicador, registrador ou totalizador).
Elemento primário: medição da vazão
Elemento secundário: instrumentação em geral
VAZÃO
PLACA DE ORIFÍCIO
𝑸 = 𝑲 𝝆∆𝑷
Q = vazão volumétrica
ρ = massa específica do fluido
∆P = variação da pressão
K = constante de proporcionalidade que inclui as
unidades e os fatores de correção
VAZÃO
PLACA DE ORIFÍCIO
Utilizado para líquidos, 
gases e vapor sem 
sólidos em suspensão.
Utilizado para fluidos que 
contenham sólidos em 
suspensão (permitirá a 
passagem do sólido evitando 
seu acumulo na base da 
placa).
Utilizado em fluidos em 
regime laminar com 
alto percentual de 
sólidos em suspensão.
VAZÃO
PLACA DE ORIFÍCIO
VANTAGENS:
• Calibração não requer outro medidor padrão de vazão
(muito simples);
• Não possui peças moveis, diminuindo o desgaste;
• Disponível em vários diâmetros;
• Mede vazão de gases, vapores e líquidos;
• Não há necessidade de lubrificação;
• Simplicidade e boa precisão;
• Placa pode ser removida sem interrupção da vazão.
VAZÃO
PLACA DE ORIFÍCIO
DESVANTAGENS:
• Relação vazão/pressão diferencial não é linear (é raiz
quadrada), sendo o instrumento medidor mais caro;
• A precisão se degrada com o desgaste e estrado do
contorno do furo;
• A placa causa grande perda de carga na vazão do tubo;
• Variações de viscosidade e densidade do fluido
proporcionam erros de medição;
• Problemas para medição de vazões pulsantes;
• Alto custo de aquisição do conjunto completo.
VAZÃO
TUBO DE VENTURI
VANTAGENS:
- Alta precisão
- Melhor resistência a abrasão
- Dificulta a deposição e
acumulo de sólidos na
tubulação
- Mede grandes vazões
DESVANTAGENS:- Alto custo de aquisição
- Dimensões maiores que a
placa com orifício
VAZÃO
MEDIDOR TIPO ALVO
- Tem bom desempenho e boa precisão
- Permite medir vazões de líquidos, gases e vapores
- Para calibração, deve ser interrompida a vazão
VAZÃO
ROTÂMETRO
VAZÃO
ROTÂMETRO
• Estrutura simples e sem necessidade de manutenção;
• Medição imune à viscosidade;
• Não requer fonte de alimentação, de nenhuma natureza;
• Mínima perda de carga;
• Indicação direta e linear, porém a montagem só pode
ser vertical;
• Pequenos diâmetros disponíveis (montagem em by-pass);
• Material de construção deve ser transparente;
• Apresenta apenas indicação local, não sendo possível a
automação;
• Só pode manipular fluidos limpos e lubrificantes, pois a
sujeira no vidro pode afetar a leitura.
VAZÃO
DESLOCAMENTO POSITIVO
O medidor separa o líquido em
volumes conhecidos, transporta-
os de sua entrada para saída,
conta-os e os totaliza.
VAZÃO
DESLOCAMENTO POSITIVO
• Mede fluidos viscosos e é imune as variações de viscosidade;
• Apresenta leitura local, mas pode ser facilmente transferido;
• Precisão pouco afetada pela turbulência;
• Fácil calibração;
• Manutenção periódica necessária em função do possível
desgaste das peças móveis;
• Utilizados em fluidos limpos e lubrificantes (desgaste impede
o uso em fluidos sujos, abrasivos e corrosivos);
• Custo alto de aquisição (em grandes diâmetros);
• Apresenta alta perda de carga .
VAZÃO
MEDIDOR MAGNÉTICO
Lei de Faraday: o movimento de um líquido
através de um campo magnético induz uma
força eletromotriz que atravessa o líquido num
sentido perpendicular ao campo magnético.
Força eletromotriz: diretamente
proporcional a velocidade de
escoamento do líquido.
VAZÃO
MEDIDOR MAGNÉTICO
• Não influencia na perda de carga do fluido na tubulação;
• Como não apresenta nenhuma obstrução à linha, pode medir
vazão de fluidos sujos, corrosivos, abrasivos, com sólidos;
• Pode medir fluxos laminares ou turbulentos;
• A medição não é afetada pela viscosidade, densidade,
temperatura ou pressão;
• Não possui peças móveis para desgaste;
• Necessária uma condutividade mínima do fluido;
• Tubulação deve estar sempre cheia de fluido (possíveis erros);
• É um instrumento elétrico (cuidados especiais necessários).
VAZÃO
TURBINA
Fluido passa no interior de uma turbina,
fazendo girar um rotor em uma
velocidade proporcional a do fluido,
podendo ser convertido em vazão.
VAZÃO
TURBINA
• Altíssima precisão e confiabilidade;
• Turbina pequena e de baixo peso, de fácil instalação;
• Calibração complicada, sendo necessária simulação de vazão
conhecida;
• Peças móveis podem sofrer desgaste;
• Turbina pode ser danificada por velocidades acima dos
limites práticos do medidor;
• Alto custo de aquisição.
VAZÃO
MEDIDOR TIPO VORTEX
- Obstáculo colocado no centro da tubulação causa o aparecimento
de um vortex (turbilhonamento);
- O vortex é disperso em uma frequência diretamente proporcional
a velocidade do fluido e, portanto, a vazão;
- Medida da pressão diferencial em torno do obstáculo.
VAZÃO
MEDIDOR ULTRASSÔNICO
DIFERENÇA DE TEMPO: mede a diferença de tempo gasta por uma
onda ultrassônica para atravessar a seção do tubo, indo a favor e
contra a vazão do fluido dentro da tubulação.
Vazão do fluido – proporcional a diferença no tempo
de trânsito das ondas, a favor e contrário à vazão.
Utilizados para medir a vazão de líquidos limpos, pois as ondas de ultrassom podem
ser dispersadas por partículas.
VAZÃO
MEDIDOR ULTRASSÔNICO
EFEITO DOPPLER: mede a diferença de frequência causada na onda
ultrassônica refletida por partículas ou bolhas no fluido.
Desvio da frequência – diretamente proporcional a vazão.
- Necessária uma quantidade
mínima de partículas ou bolhas no
fluido para reflexão das ondas
ultrassônicas.
- Bolhas de gás podem ser
inseridas em fluidos limpos para
permitir a reflexão das ondas.
VAZÃO
MEDIDOR ULTRASSÔNICO
VAZÃO
MEDIDOR ULTRASSÔNICO
VAZÃO
MEDIDOR ULTRASSÔNICO
TEMPERATURA
TERMÔMETRO DE VIDRO
- Baixo custo
- Simplicidade
- Boa vida útil, se manipulado corretamente
- Leitura difícil
- Confinamento ao local de medição
- Não adaptável para transmissão, registro
ou controle automático
- Susceptível a quebra, pois é de vidro frágil
TEMPERATURA
BIMETAL
- Dois metais com coeficientes de dilatação
térmica diferentes soldados formando uma
única haste.
- Quando a temperatura varia, a haste modifica
sua posição produzindo um movimento.
TEMPERATURA
BIMETAL
VANTAGENS:
• Baixo custo;
• Simplicidade de funcionamento;
• Facilidade de instalação e manutenção;
• Largas faixas de medição;
• Possibilidade de transmissão dos dados.
DESVANTAGENS:
• Precisão ruim;
• Presença de peças móveis que se desgastam;
• Facilidade na perda da calibração.
TEMPERATURA
ENCHIMENTO TERMAL
TEMPERATURA
ENCHIMENTO TERMAL
VANTAGENS:
• Método simples;
• Não requer nenhuma fonte de alimentação;
• Construção robusta, insensível a vibrações e choques;
• Sensor mecânico, ideal para qualquer atmosfera perigosa.
DESVANTAGENS:
• Tempo de resposta lento;
• Falha no bulbo requer a substituição completa (bulbo, capilar
e sensor de pressão);
TEMPERATURA
TERMOPAR
União de dois 
metais diferentes
Arame de ferro
Arame de cobre
Fonte de calor
- Princípio que o calor gera eletricidade.
- Dois fios de metais diferentes (ferro e
cobre) são trançados juntos (um de
medição e outro de referência).
- Voltímetro ligado em paralelo irá
mostrar uma tensão termelétrica gerada
pelo fluxo de calor.
TEMPERATURA
TERMOPAR
Multímetro com termopar medindo a 
temperatura de uma sala.
TEMPERATURA
TERMOPAR
VANTAGENS:
• Menor tempo de atraso;
• Maiores distâncias de transmissão;
• Maior flexibilidade para alterar as faixas de medição;
• Maior facilidade de reposição do elemento sensor quando
danificado;
• Maior precisão.
DESVANTAGENS:
• Sinal de militensão pode captar ruídos na linha;
• Junta de medição pode se deteriorar com o tempo de uso.
TEMPERATURA
RESISTÊNCIA DETECTORA DE TEMPERATURA (RTD)
- Princípio: resistência elétrica dos metais depende
da temperatura que estes se encontram.
- Curva característica temperatura x resistência do
material.
- Metais mais utilizados: platina, níquel e cobre.
PROPRIEDADES NECESSÁRIAS AOS METAIS:
- Variação linear entre resistência e temperatura;
- Estabilidade termal;
- Ductibilidade;
- Disponibilidade comercial;
- Preço acessível.
TEMPERATURA
RESISTÊNCIA DETECTORA DE TEMPERATURA (RTD)
VANTAGENS:
• Altíssima precisão;
• Não apresenta polaridade (+) e (-);
• Apropriada para medição de temperatura média (termopar
mede temperatura pontual);
• Mantem-se estável, precisa e calibrada durante muitos anos.
DESVANTAGENS:
• Alto custo;
• Bulbos maiores;
• Tempo de resposta lento;
REFERÊNCIAS
 SILVA, A. C. Notas de aula. Controle e automação no
processamento mineral.
 SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL – SENAI.
Instrumentação e controle. Departamento regional do Rio
Grande do Sul. Brasília: SENAI/DN, 2013.
 RIBEIRO, M. A. Instrumentação. 9ª ed. TEK Treinamento e
Consultoria Ltda. Salvador, 2002.