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Instrumentação Lista de Exercícios 2

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Instrumentação - Lista de Exercícios - ICP
Gustavo Winder, Matheus Alves, Rafael Royer.
1 - Explique a diferença de controle manual e automático. Cite exemplos.
MANUAL: Exige a presença de um operário no processo para a execução. Ex.: Medição, tomada de decisão, abertura e fechamento de válvulas, observação de visores...
AUTOMÁTICO: Não necessita de um operário para a sua execução. Ex.: Controlador de temperatura, sensores, conversores...
2 - Pesquise para medidas de um instrumento:
a. Mediana
b. Média
c. Moda
d. Desvio Padrão
MEDIANA: Basicamente o valor que faz a distinção entre a metade maior e a metade menor do range de um instrumento.
MÉDIA: Trata-se do valor da qual se concentram os dados instrumento, divididos pela quantidade de dados coletados.
MODA: É valor da qual teve mais repetições dentro de um conjunto de medições ou dados coletados.
DESVIO PADRÃO: Trata-se do valor de dispersão em torno da média. Ou seja, quando tem-se um baixo desvio padrão indica que os pontos dos dados tendem a estar próximos do valor esperado. Por outro lado um alto desvio padrão indica que os pontos dos dados estão espalhados por uma ampla gama de valores.
3 - Explique a diferença de precisão, exatidão e incerteza.
PRECISÃO: É a qualidade da medição, referente a disposição dos valores coletados em serem próximos entre si.
EXATIDÃO: Trata-se da capacidade de um instrumento de medição em apresentar respostas próximas a um valor verdadeiro. 
INCERTEZA: É a faixa de dados coletados que podem ser associados a um certo nível de confiança e que deve ser calculada para cada método experimental adotado como um modo de segurança. 
4 - Descreva a finalidade dos seguintes instrumentos: 
A. INDICADOR: Associados a algum sensor, geralmente incorporados na mesma peça. São utilizados para indicar o valor instantâneo daquela grandeza. 
B. CONTROLADOR: Trata-se do conjunto de circuitos eletro‐eletrônicos ou mecânicos que recebem informações através de sinais de entrada e efetua a conversão destes sinais em sinais de controle atuando diretamente no comando do processo.
C. CHAVES DE PRESSÃO E TEMPERATURA: Dispositivo que comanda a conexão ou transferência de um ou mais circuitos e que não seja denominado como controlador, relé ou válvula de controle.
D. ELEMENTO PRIMÁRIO: Todos dispositivos da qual nos possibilita detectar alterações na variável do processo. 
E. REGISTRADOR: É aquele instrumento basicamente registra a(s) variável(s) através de uma linha contínua ou pontos em um gráfico.
F. ELEMENTO FINAL DE CONTROLE: É o dispositivo cujo cargo é alterar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado. Tais equipamentos se encontram em contato direto com as variáveis do processo.
5 - A função básica de um transdutor é proporcionar a um sistema de controle a conversão entre os domínios de energia. Descreva e cite exemplos de transdutores que podem ser encontrados no seu curso.
Temos na engenharia elétrica um exemplo de transdutor chamado célula fotoelétrica, trata-se de um equipamento que efetua a conversão de energia luminosa em energia elétrica. Outro exemplo são os geradores que convertem energia mecânica em elétrica. Ou também os motores que convertem energia elétrica em mecânica.
6 - Explique como é feita a conversão de um transdutor de corrente para pressão. Onde é utilizado em uma malha de controle?
No momento em que se tem um aumento significativo no sinal de entrada a corrente que flui através da bobina faz com que a palheta se mova em direção ao bico aumentando assim a pressão de saída. 
Por outro lado, quando o sinal de saída diminui a palheta com o auxílio de uma mola interna tende a se mover no sentido contrário do bico, diminuindo então a pressão de saída. O transdutor geralmente é utilizado para receber um sinal elétrico de um controlador e através deste sinal gerar uma saída pneumática para operar um atuador ou posicionador de válvula de controle. Outra aplicação é para a produção um sinal para um instrumento de recepção pneumático.
7 - Qual o principal motivo da utilização de correntes, ao invés de tensão, para a transmissão de um sinal em um instrumento de medição? Justifique.
A escala de sinal de 4 a 20mA é a ideal porquê a informação mantém-se constante mesmo quando atuam várias cargas em série. Outro motivo é que ao ser utilizado a longas distâncias a tensão tende a sofrer maior atenuação e a tensão torna-se mais propensa a absorver ruídos externos que podem acabar prejudicando o sinal.
8 - Pesquise 4 vantagens de se utilizar sensores e transmissores inteligentes em uma planta industrial.
Maior flexibilidade, tomando como exemplo sensores que se adaptam a troca da variável;
Maior segurança; 
Maior controle na produção, pois possibilita o acompanhamento de produtos dentro e fora do processo; 
Maior qualidade na produção.
12 - Cite e comente resumidamente, as seguintes características estáticas de um instrumento. 
A. HISTERESE: Ocorre quando o comportamento da saída do dispositivo se diferencia para um mesmo valor de entrada, dependendo se o sinal está subindo ou descendo em amplitude.
B. LINEARIDADE: Em um sensor é uma espécie de parâmetro que demonstrada o quanto a sua curva característica se desvia da curva de calibração.
C. DERIVADA DE ZERO: Trata-se do efeito de como a leitura de zero de um instrumento é modificada devido modificações nas condições de ambiente. Com relação ao funcionamento de um voltímetro, a deriva de zero relacionada a variações de temperatura é dada em Volts/oC. Se o zero deste voltímetro é modificado em funções de outras condições ambientais, outros coeficientes deverão ser determinados.
D. SENSIBILIDADE: Basicamente a mudança da resposta de um instrumento de medição dividido pela variável que o acionou.
E. REPETITIVIDADE: É a aptidão de um equipamento ao apresentar valores repetidos pelo mesmo sentido e condições especificadas ou a máxima diferença de diversas medidas efetuadas no mesmo valor da variável.
F. EXATIDÃO: Grau de concordância entre o valor medido e o valor verdadeiro de um mensurando.
13 - Quais as vantagens e desvantagens da utilização de um transmissor eletrônico digital (que pertence ao tipo digital). Justifique.
São enviados para a estação receptora agrupamentos de informações sobre a variável medida, através de sinais digitais modulados e padronizados. Deste modo para que haja a comunicação entre o elemento transmissor e receptor é feito o uso de uma linguagem padrão denominada protocolo de comunicação.
VANTAGENS:
Não se tem a necessidade de uma ligação ponto a ponto por instrumento;
É permitida a utilização de um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados;
Não propenso a ruídos externos que afetariam a qualidade dos dados;
Possibilita a configuração e o diagnósticos de falhas sendo possível o ajuste em qualquer ponto da malha;
Melhor custo-benefício final.
DESVANTAGENS:
O mercado disponibiliza uma ampla gama protocolos, o que atrapalha a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes.
Se vier a ocorrer o rompimento no cabo de comunicação pode-se ter a perda das informações e/ou controle de várias malhas.
14 - Descreva e cite as vantagens e desvantagens da utilização de sistemas tipo: 
PNEUMÁTICO: É utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar.
VANTAGEM: 
Trata-se do fato de que se poder operar tais equipamentos com uma maior segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo).
DESVANTAGENS
Precisa de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento;
Necessita de equipamentos auxiliares como por exemplo compressor, desumidificador, filtro, entre outros, para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem poluentes sólidos.
Dificuldade de envio de sinal à longa distância, devido a atrasos. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m;
Dificuldade na detecção de vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos;Impossibilita a conexão direta aos computadores.
HIDRÁULICO: Análogo ao tipo pneumático e com desvantagens parecidas, faz uso da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal.
VANTAGENS:
Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grandes proporções;
Resposta rápida.
DESVANTAGENS:
Precisa de tubulações de óleo para transmissão e suprimento;
Precisa de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca;
Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc.
RÁDIO: O envio de sinais medidos a sua estação receptora se dá via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.
VANTAGENS:
Sem a necessidade de cabos de sinal;
Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.
DESVANTAGENS:
Investimento de alto custo;
Necessita de técnicos altamente especializados.
MODEM: A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em frequência, fase ou amplitude.
VANTAGENS:
Investimento de baixo custo;
Fácil transmissão de dados a longas distâncias.
DESVANTAGENS:
Precisa de profissionais especializados;
Baixa velocidade na transmissão de dados;
Sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações.
ELÉTRICO: A transmissão é feita fazendo uso sinais elétricos de corrente ou tensão.
VANTAGENS:
Possibilita a 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;
Fácil conectividade 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 destes instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor.
DESVANTAGENS:
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.
15 - Por que os sinais analógicos padrão pneumáticos e elétricos começam com valores acima do zero (zero vivo)? Explique.
Chama-se “zero vivo” o sinal utilizado quando adotamos o valor mínimo diferente de zero como por exemplo 4 mA, 0,2kgf ou 3psi. Essa prática possibilita a vantagem também de podermos detectar uma avaria como por exemplo o rompimento de fios, que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.
16 - O que é sinal de suprimento? Por que e em que tipos de instrumentos não utilizados?
18 - Defina: 
A. PRESSÃO DIFERENCIAL: Trata-se da diferença entre duas pressões desconhecidas captada pelo sensor, sendo que nenhuma delas a pressão atmosférica.
B. PRESSÃO MANOMÉTRICA: Diferença entre a pressão medida e a pressão atmosférica.
C. PRESSÃO ABSOLUTA: Pressão positiva a partir do vácuo completo.
D. ESQUEMATIZE GRAFICAMENTE ESTAS PRESSÕES:
19 - Classifique os tipos de manômetros e seus elementos de recepção e descreva o princípio de funcionamento de cada um deles.
MANÔMETRO TIPO COLUNA LÍQUIDA EM “U”: Geralmente se faz útil na calibragem de medidores de pressão pequena, da qual basicamente o uso da coluna líquida serve para a medição de pressão se baseando no condição de que uma pressão aplicada suporta uma coluna líquida contra a atração gavitacional. Quanto maior a pressão, maior a coluna líquida suportada. A unidade de pressão da coluna líquida é o comprimento. Água e mercúrio são os líquidos mais usados; a água por ser o mais disponível e o mercúrio por ter uma altíssima densidade e como consequência, implicar em pequenas alturas de coluna.
MANÔMETRO TIPO PESO MORTO: Tal equipamento trabalha com base no princípio de se suportar um peso (força) conhecido por meio de uma pressão que age sobre uma área previamente conhecida. Sendo possível satisfazer a definição de um padrão primário baseado em massa, comprimento e tempo.
Os pesos para um dado instrumento de teste são normalmente identificados em termos de pressão, em vez de peso.
MANÔMETRO MECÂNICO: O princípio de funcionamento é que a pressão é determinada pelo balanço de um sensor contra uma força desconhecida. Podendo ser efetuado por outra pressão (balanço de pressão) ou força (balanço de força). Os sensores a balanço de força mais usados são aqueles que requerem deformação elástica, como Bourdon, Foles e Diafragmas. Os sensores a balanço mais conhecidos são o Manômetro de Coluna Líquida e o Detector de Peso Morto.
MANÔMETRO TIPO TUBO BOURDON: O funcionamento do Tubo de Bourdon se dá por meio de um tubo com seção oval, que geralmente é arranjado em forma de "C", espiral ou helicoidal, tendo uma de suas extremidades fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Sob a ação da pressão em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através de engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar uma medida de pressão em uma escala graduada. 
MANÔMETRO TIPO DIAFRAGMA: Trata-se de um disco circular usado para medir pressões geralmente de pequenas amplitudes. Possui uma membrana fina de material elástico, metálico ou não, que fica sempre oposta à uma mola, e ao aplicar-se uma pressão no diafragma causará um deslocamento do mesmo até um ponto onde a força da mola se equilibrará com a força elástica do diafragma. Este deslocamento resultante é transmitido a um ponteiro que mostra a medição efetuada.
MANÔMETRO TIPO FOLE: Basicamente um aparelho que possui rugas no círculo exterior que, ao se aplicar pressões no sentido do eixo se expando ou se contrai. As desvantagens do fole são sua dependência das variações da temperatura ambiente e sua fragilidade em ambientes pesados de trabalho.
20 - Para que se utiliza selagem da caixa e do bourdon em manômetros? Explique.
Devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso, das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível quando o fluido do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluido se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso de o fluido ser corrosivo. Assim são seladas então ambas as tubulações de impulso, bem como as câmaras do instrumento. Ou seja, isola-se o instrumento do contato direto com o fluído, por exemplo quando se sela a caixa com glicerina, logo o líquido a ser medido que seria prejudicial não entra no equipamento, ele apenas empurra a glicerina para dentro do equipamento.
21 - Para que serve o ponteiro de arraste em manômetros?
O ponteiro de arraste é geralmente aplicado em manômetros que são expostos a variações rápidas da pressão que impossibilitam o operador observar qual a pressão máxima atingida. Nestes casos o ponteiro de arraste torna-se indispensável. Deste modo o ponteiro é arrastado para cima pelo ponteiro indicador, permanecendo no ponto máximo mesmo quando o ponteiro indicador retorna a posição mais baixa, por esta razão é denominado “ponteiro de arraste” para registro de máxima pressão.
22 - Descreva a função dos acessórios que acompanham manômetros.
Para que não ocorra a danificação do manômetro em si é utilizado sifão em bobina ou U para resfriar o produto a ser medido, por meio de convecção. Outro equipamento é o selo diafragma, utilizado em situações em que o meio do processo não pode entrar em contato com o instrumento a fim de danificá-lo, portanto o selo transfere a pressão do processo por meio de um líquido próprio controlado e inofensivo para o instrumento. Também pode-se citar os amortecedores de pulsação, indicados para processos em que ocorrem pulsações ou alterações bruscas de pressão, com o objetivo de minimizar os efeitos dessas variações, proporcionando uma leitura melhor além de acrescentarvida útil ao instrumento. Pode-se fazer utilização, também, de contatos elétricos, que acionam um relé quando o ponteiro atinge um certo valor na escala do instrumento. É comum utilizar também a válvula de agulha, que é simplesmente uma válvula para isolar o manômetro do caminho principal do processo, possibilitando sua remoção ou manutenção sem que o processo seja parado, apenas fechando esta válvula.
23 - Para que serve balança de peso morto? Como funciona?
Trata-se de um método de calibração utilizado em todo o mundo devido à sua precisão na medição de pressão. Essencial para calibração de manômetros, transdutores, registradores, calibradores digitais, etc. Podendo também podem ser usadas para medição direta de pressão em sistemas e processos onde leituras precisas são necessárias. Seu funcionamento se baseia na ação de um pistão de precisão montado na vertical, que pode movimentar-se livremente, onde massas devidamente calibradas são colocadas sobre o mesmo. Onde a força Peso (P=m.g) oriunda das massas irá se opor à força produzida por um cilindro acionado manualmente. Como as massas são conhecidas e a área do pistão vertical também, quando o sistema estiver em equilíbrio, será possível calcular a pressão real do sistema, que é comparado com o valor indicado no manômetro que está sendo aferido.
24 - Descreva um procedimento de calibração de manômetros conforme NBR 14105
A temperatura de (20 2) °C é considerada adequada. Deve-se evitar oscilações de temperatura; 
O número de ciclos de calibração deve ser no mínimo 2; 
Aplicar a pressão máxima da faixa. Após esta aplicação, liberar a mesma, deixando o instrumento em repouso para acomodação do elemento elástico;
Iniciar a aplicação crescente de pressão desde o início da faixa até a indicação máxima da faixa de indicação 
Anotar as indicações dos valores correspondentes aos pontos selecionados;
Em seguida, liberar a pressão, anotando as indicações a partir da máxima, agora de forma decrescente; 
O manômetro a ser calibrado pode ser levemente batido antes de cada leitura, de modo a minimizar os erros de atrito.
25 - Descreva o princípio de funcionamento de um Célula Capacitiva. Onde é utilizada?
Basicamente se encontra dentro da célula um diafragma sensor que efetua uma flexão por conta da diferença de pressões na célula. Pressões essas que são aplicadas diretamente aos diafragmas isoladores. Estes por sua vez, transmitem as pressões aplicadas ao diafragma sensor através do fluido de enchimento, provocando a deflexão do diafragma sensor. O diafragma sensor é também um eletrodo móvel. As duas superfícies metalizadas são eletrodos fixos (placas do capacitor). A deflexão do diafragma sensor é percebida através da variação de capacitância entre os dois eletrodos fixos e móvel. O Circuito Eletrônico, medindo a variação de capacitância, gera um sinal de 4-20 mA em função da pressão diferencial aplicada.
26 - Como funciona um sensor de pressão do tipo strain gauge?
Trata-se de um sensor que é colocado na superfície de uma peça, sendo responsável por medir a deformação diante da aplicação de um carregamento. Possui um fio resistivo responsável por alterar sua resistência com base no “alongamento” da superfície em que está colocado, gerando dessa maneira sinais elétricos que são interpretados pela placa de aquisição, transformando os valores em deformação (Strain). Por sua vez tais valores podem ser convertidos em tensão mecânica (ex. MPa). Os extensômetros são colados cuidadosamente na superfície das peças que devem estar totalmente limpas diretamente em contato com o metal base (ausência de tinta, oxidação, etc).
27 - Para que servem os calibradores portáteis?
Os calibradores portáteis oferecem uma maior mobilidade, uma vez que se necessário podem ser deslocados até a planta onde se encontra o equipamento a ser calibrado, tornando mais fácil assim o procedimento de calibragem dos equipamentos em questão.
28 - Para que servem e como funciona os discos de ruptura, válvulas de alívio e válvulas de segurança? Onde são aplicados?
DISCOS DE ROPTURA: Trabalha em prol de promover um alivio em caso de sobrepressão. Faz isso através da reversão e abertura ao longo de suas linhas vincadas, fazendo com que o disco se divida na forma de quatro pétalas. Apropriado para uso em serviços com gás ou líquido.
VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO: Tem como função promover uma proteção que atue de forma automática em equipamentos e instalações contra sobrepressões. Para assegurar confiabilidade em seu processo de fabricação, obedecem rigorosamente às técnicas a que estão subordinadas. Vasta gama de aplicações em: Ar, gases, vapor d'água e líquidos.
29 - Descreva o princípio de funcionamento de um pressostato
Um equipamento de medição de pressão utilizado como parte do sistema de proteção a equipamento ou processos industriais. Utilizado para proteger a inteireza de equipamentos contra sobrepressão ou subpressão aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. Tem em sua composição básica um diafragma, caixa e tampa em alumínio, à prova de tempo, cabo de energização, vedação com junta de borracha, conexão elétrica. Sendo assim, o fluido entra pelo diafragma, no qual a pressão do processo empurra para cima o diafragma que geralmente sofre uma deflexão de (0,4mm). Da qual este deslocamento para cima contrapõe-se à força exercida pela mola que é para baixo. Ao exercer uma pressão maior que a força da mola o ponto crítico é alcançado. Ponto no qual o pressostato é disparado. 
30 – O que significa zero vivo?
Chama-se “zero vivo” o sinal utilizado quando adotamos o valor mínimo diferente de zero como por exemplo 4 mA, 0,2kgf ou 3psi. Essa prática possibilita a vantagem também de podermos detectar uma avaria como por exemplo o rompimento de fios, que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.
31 – Descreva aplicações de instrumentos que utilizam o princípio de medição por pressão diferencial.
Um exemplo clássico de instrumento que utiliza o princípio de medição por pressão diferencial é o manômetro, equipamento utilizado em medições de nível e densidades de fluídos. Outro exemplo são medidores de fluxo velocidade do ar e pressão que funciona fazendo uso de um Tubo de Pitot.

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