359402 Instrumentação Aula 01 2018 2 slides

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INSTRUMENTAÇÃO 
Engenharia Elétrica/Química 
Câmpus Pelotas 
 
Prof. Eduardo Costa da Motta AULA 01 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
1.1 Introdução 
–  Para se ter uma visão abrangente do que hoje se denomina 
Instrumentação, é necessário verificar a evolução histórica e 
tecnológica dos experimentos científicos e dos processos 
industriais. 
•  Instrumentar um experimento científico (Medição) 
•  Revolução Industrial (Medição e Controle) 
•  Advento da Informática (Medição, Controle e Simulação) 
2 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
•  Instrumentar um experimento científico (Medição) 
–  Era entendido como colocar diversos instrumentos capazes de medir, 
indicar ou registrar o comportamento das grandezas físicas de interesse 
(temperatura, força, deslocamento, velocidade, aceleração, corrente 
elétrica, etc.), permitindo propor modelos físicos e matemáticos que 
traduzissem a realidade. 
•  Revolução Industrial (Medição e Controle) 
–  A partir da máquina a vapor construída por James Watt em 1872, exigiu- 
se o Controle de determinadas grandezas físicas (variáveis) envolvidas no 
processo de produção. 
3 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
•  Advento da Informática (Medição, Controle e Simulação) 
–  Alterou completamente o conceito e a abrangência da instrumentação. 
–  O registro de grande volume de informações, o tratamento estatístico da 
variáveis, bem como a capacidade de processamento lógico e matemático 
dos computadores, permitiu que se fizesse a monitoração e o controle de 
complexas plantas industriais (petroquímicas, siderurgia, metal-mecânica, 
elétrica, etc.). 
4 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
1.2 Definições 
–  Instrumentação é a ciência que estuda técnicas e métodos para 
a observação e o controle de grandezas físicas de um sistema 
termodinâmico. 
•  É uma área do conhecimento que adentra tanto ao processo quanto 
aos dispositivos e métodos oferecidos hoje pela eletrônica e pela 
informática. 
•  É multidisciplinar, envolvendo conhecimentos de materiais, 
mecânica, termodinâmica, química, física, eletrônica, matemática, 
informática, medicina, etc. 
5 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Sistema termodinâmico é uma porção de matéria limitada por 
uma superfície imaginária (superfície termodinâmica). 
•  Exemplos: ser vivo, usina siderúrgica, navio, motor, partes de um 
motor. 
–  A superfície imaginária é o contorno escolhido para conter e 
delimitar o objeto em estudo. 
•  Portanto, um sistema não está isolado do universo e sempre interage 
com outros sistemas. 
6 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Variáveis termodinâmicas são grandezas físicas escolhidas 
para descrever, monitorar ou controlar o estado de um sistema e 
o seu comportamento. 
•  Através das variáveis termodinâmicas o estado do sistema pode ser 
descrito e sua evolução prevista pela proposição de funções 
matemáticas adequadas. 
7 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Para a escolha adequada das variáveis é fundamental ter: 
•  bons conhecimentos do processo ou sistema termodinâmico a ser 
estudado; 
•  profundos conhecimentos do sistema de medição; e 
•  profundos conhecimentos dos procedimentos para realizar o controle 
do sistema em estudo. 
8 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Processo é todo um complexo de operações que se realizam ou 
processam dentro de um sistema termodinâmico e que 
concorrem para a produção de um bem. 
–  Consiste na modificação de matérias primas em produtos finais, 
através do suprimento de energia durante um determinado 
período de tempo. 
9 
Energia 
Energia 
Produtos 
 
Resíduos 
Processo 
Matéria 
prima 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  O processo pode ser subdividido em diversas fases (ou etapas) e 
identificadas aquelas em que a necessidade de monitoração ou 
controle seja mais necessária. 
10 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Instrumentação eletroeletrônica tornou possível o registro, a 
indicação e a digitalização dos sinais provenientes de 
dispositivos transdutores que convertem uma grandeza em uma 
variável elétrica (tensão ou corrente). 
–  A facilidade de tratamento matemático dos sinais elétricos e a 
possibilidade de transporte da informação através de técnicas 
adequadas, permitem que se monitore e controle praticamente 
todos os processos industriais ou qualquer sistema 
termodinâmico. 
11 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Instrumentação industrial 
•  Os processos industriais exigem o controle da fabricação dos 
diversos produtos obtidos. 
•  São muito variados e abarcam muitos tipos de produtos: 
–  derivados do petróleo 
–  alimentícios 
–  indústria cerâmica 
–  geradoras de energia 
–  siderurgia 
–  indústria de celulose e papel 
–  indústria têxtil 12 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
•  Em todos esses processos é necessário controlar algumas variáveis, 
tais como: 
–  pressão, 
–  vazão, 
–  nível, 
–  temperatura, 
–  pH, 
–  condutividade, 
–  velocidade, 
–  umidade, 
–  etc. 
13 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
•  Os instrumentos de medição e controle permitem a manutenção e 
modificação dessas variáveis em condições mais ideais do que 
aquelas que o operador poderia realizar. 
•  No início da era industrial, o operador realizava um controle manual 
dessas variáveis utilizando instrumentos simples (manômetros, 
termômetros, válvulas manuais, etc.), o que era suficiente pela 
relativa simplicidade dos processos. 
•  A gradual complexidade exigiu sua automação progressiva por meio 
dos instrumentos de medição e controle, liberando o operador de sua 
atuação física direta na planta, permitindo um trabalho de supervisão 
e vigilância do processo. 
14 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Sistema de medição é o conjunto de transdutores sensores e de 
todos os instrumentos necessários para medir, processar, 
apresentar, analisar ou controlar as grandezas físicas escolhidas 
no sistema medido. 
15 
Exemplo de configuração de sistema de medição (diagrama de blocos) 
Transdutor 
sensor Filtro Amplificador 
Conversor 
A/D Computador 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Planejamento de um sistema de medição - Partindo do 
pressuposto que o que se deseja medir é conhecido, o problema 
consiste em fazer isto da melhor forma. 
•  Avaliação das diversas possibilidades que os diferentes tipos de 
transdutores disponíveis oferecem para a medição de cada variável 
de interesse. 
•  Avaliação das perturbações que o procedimento de medição poderá 
produzir ao processo. 
•  Avaliação das imprecisões que poderão ocorrer em cada medida em 
função das características de cada transdutor utilizado (análise de 
erros e sua propagação). 16 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
1.3 Classificação de sistemas instrumentados 
–  Em geral, a instrumentação pode ser classificada em três 
diferentes segmentos: 
•  Monitoração de processos 
•  Controle de processos 
•  Análise experimental 
17 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Monitoração de processos 
•  Monitorar significa sensoriar, avaliar e registrar, sob forma gráfica, 
visual ou mesmo digital, uma ou mais variáveis de um processo. 
–  Exemplos típicos de instrumentos usados em monitoração: 
»  termômetros; 
»  anemômetros (velocidade do vento); 
»  barômetros (pressão atmosférica); 
»  medidores de gás; 
»  medidores de água; 
»  medidores de energia elétrica. 
18 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
19 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
•  Diagrama de blocos 
20 
Indicador 
ou 
RegistradorSensor 
“1” 
Sensor 
“n” 
Variável “1” 
 
PROCESSO 
 
Variável “n” 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Controle de processo 
•  Controlar significa sensoriar, avaliar e modificar ou manter, uma ou 
mais variáveis dentro de limites programados, de forma que o 
andamento do processo seja perfeitamente conduzido a um ponto de 
operação desejado. 
21 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
•  Diagrama de blocos 
22 
Atuador 
Parâmetros de 
controle 
Indicador 
ou Registrador 
Sensor “1” 
Sensor “n” 
Variável “1” 
 
PROCESSO 
 
Variável “n” 
Processador 
ou 
Controlador 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
–  Análise experimental 
•  É a aplicação de métodos experimentais e teóricos para resolver 
problemas que estão relacionados com a fronteira do conhecimento 
atual, onde ainda não há teorias ou modelos completamente 
desenvolvidos. 
•  São atividades desenvolvidas em: 
–  centros de pesquisa, 
–  universidades e 
–  algumas indústrias. 
23 
24 
1. Conceitos básicos de instrumentação 
•  Diagrama de blocos 
Atuador 
Parâmetros de 
Controle 
Indicador 
ou Registrador Sensor 
Sensor 
EXPERIMENTO Processador 
Controlador 
das condições 
do 
experimento 
2. Transdutores 
2.1 Definição 
–  É um dispositivo que converte um estímulo (sinal de entrada) em 
uma resposta (sinal de saída) proporcional, adequada à 
transferência de energia, medição ou processamento da 
informação. 
•  Em geral, o sinal de saída é uma grandeza física de natureza 
diferente do sinal de entrada. 
•  Qualquer dispositivo ou componente que se enquadre nessa 
definição pode ser visto como um transdutor. 
25 
2. Transdutores 
2.2 Representação esquemática e função de transferência 
–  O que relaciona o "estímulo" a "resposta" é uma função matemática 
(Função de Transferência), representada, simbolicamente, pela letra 
S. 
26 
R 
 
Resposta 
Transdutor 
S 
E 
 
Estímulo 
E
R S ESR =⇒⋅=
27 
2. Transdutores 
–  A função de transferência S pode ser expressa: 
•  por meio de tabela, 
•  de modo gráfico ou 
•  de modo analítico. 
R 
 Resposta 
E 
 Estímulo 
S 
y = ax+b 
Estímulo Resposta 
0 0 
10 1 
20 2 
30 3 
40 4 
50 5 
60 6 
70 7 
80 8 
28 
2. Transdutores 
–  Exemplos 
Nº Transdutor Entrada/Saída Relação Princípio de Operação 
I Bateria EE = SB· EQ Eletroquímico 
II Alternador EE = SA · EM Eletromecânico 
III Resistor ET = SR · EE Efeito Joule 
IV Termômetro L = ST· T Dilatação Térmica 
V Termopar V = STP· (T1-T2) Efeito Seebeck 
VI Extensômetro ∆R/R = SSG· 𝜀 Efeito Kelvin 
VII Solenóide F= SS· I Eletromecânico 
VIII Motor de passo 𝛳= SM· IP Eletromecânico 
SB 
SA 
SR 
EM EE 
EE ET 
I F 
T L 
(T1-T2) V 
𝜀 ∆R/R 
ST 
STP 
SSG 
SS 
SM IP 𝛳 
EQ EE 
2. Transdutores 
2.3 Transdutores conversores e transdutores para 
instrumentação 
–  Transdutores conversores 
•  Dispositivos para converter e transferir energia entre dois sistemas 
(I, II e III). 
–  Transdutores sensores 
•  Dispositivos para sensoriar ou medir grandezas físicas (IV, V e VI). 
–  Transdutores atuadores 
•  Dispositivos para controlar variáveis que interferem num processo 
(III, VII e VIII). 29 
2. Transdutores 
–  Transdutores sensores 
•  Neste tipo de transdutor, deseja-se: 
–  que sua interação com o processo não introduza perturbações (no 
sentido de extrair ou introduzir energia no mesmo) que possam alterar as 
grandezas a serem medidas. 
–  que a conversão da informação seja feita de forma fiel, repetitiva e 
monotônica, com o objetivo de se obter na saída do transdutor sinais 
sempre proporcionais ao valor da grandeza física correspondente ao 
estímulo aplicado à entrada. 
30 
2. Transdutores 
–  Fiel 
»  Que respeite as relações de correspondência dos valores de estímulo e 
resposta dentro de sua faixa de operação. 
–  Repetitiva 
»  Que haja concordância entre os resultados de medições sucessivas 
efetuadas sob as mesmas condições de medição. 
–  Monotônica 
»  Que se repita continuamente de maneira invariável e uniforme. 
31 
2. Transdutores 
•  A parte do transdutor sensor que interage diretamente com o sistema 
a ser medido é chamada elemento sensor. Em geral, é o maior 
responsável pela perturbação ou carregamento. 
•  Por mais perfeito que seja o transdutor e por mais cuidados com que 
se realize uma medição, sempre o transdutor introduz alguma 
perturbação no sistema a ser medido. 
32 
2. Transdutores 
2.4 Classificação de transdutores para instrumentação 
 
–  Transdutor 
 
 
–  Transdutor 
 
 
•  Observação: Alguns autores definem passivo e ativo de maneira 
inversa. 33 
 simples 
 
 ou 
 
 composto 
 ativo 
 
 ou 
 
 passivo 
2. Transdutores 
–  Transdutor simples 
•  Possui apenas um estágio de transdução entre a entrada e a saída. 
•  Exemplos: 
–  Termopar 
–  Termistor 
–  Extensômetro de resistência elétrica (strain gage) 
34 
Transdutor 
S E R 
2. Transdutores 
–  Transdutor composto 
•  Possui mais de um estágio de transdução entre a entrada e a saída. 
•  Exemplo: 
–  Célula de carga 
35 
SA SB SC 
E R G O 
S 
2. Transdutores 
•  Função de transferência de um transdutor composto 
–  Usando o exemplo de um transdutor com três estágios, tem-se: 
 R = SA.E (relação de sinal do 1° estágio) 
 G = SB.R (relação de sinal do 2° estágio) 
 O = SC.G (relação de sinal do 3° estágio) 
 O = S.E (relação de sinal de todo transdutor) 
 G = SB.SA.E 
 O = SC.SB.SA.E 
 
 Logo, 
 S = SA.SB.SC 36 
2. Transdutores 
–  Diagrama de blocos usando funções de transferência individuais (útil para 
exibir as interações intermediárias do sistema). 
–  Diagrama de blocos com uma função de transferência total (útil para 
posteriores operações matemáticas sobre a relação entrada-saída). 
37 
SA SB SC 
Variável 
de Entrada 
Variável 
de Saída 
Variáveis lntermediárias 
 
SA.SB.SC 
Variável 
de Entrada 
Variável 
de Saída 
2. Transdutores 
–  Transdutor ativo 
•  A resposta é gerada espontaneamente em função do próprio 
estímulo. 
•  Exemplos: 
–  Mola 
–  Diafragma 
–  Termopar 
–  Célula fotovoltaica 
38 
Transdutor 
S E R 
2. Transdutores 
•  Em geral, a definição de transdutor ativo se refere ao dispositivo que 
produz uma tensão ou corrente elétrica, sem requerer uma fonte de 
energia externa. 
•  Assim, aqueles baseados no efeito elétrico de variação da 
resistência, capacitância ou indutância são considerados exemplos 
de transdutores passivos (quando necessitarem de uma fonte de 
energia externa). 
39 
2. Transdutores 
–  Transdutor passivo 
•  Para gerar uma resposta é necessário ser excitado por uma fonte de 
energia externa. 
40 
Trasdutor 
S E R 
Excitação 
2. Transdutores 
•  Exemplos: 
–  Célula de carga 
–  Linear Variable Differential Transformer - LVDT 
41 
2. Transdutores 
–  Por que é importante saber se um transdutor é simples ou 
composto e ativo ou passivo? 
42 
2. Transdutores 
–  Exemplo 1 
43 
F 
Régua 
Haste 
2. Transdutores 
•  Transdutor sensor simples e ativo para medição de força 
–  Variável de entrada (mensurando): Força 
–  Variável de saída: Deslocamento 
–  Elemento sensor: Haste 
–  A régua indica o resultado 
44 
S 
Força Deslocamento 
45 
2. Transdutores 
–  Exemplo 2 
F 
Haste 
v(t) 
Núcleo 
ferromagnético 
2. Transdutores 
•  Transdutor sensor composto e passivo paramedição de força 
–  Variável de entrada (mensurando): Força 
–  Variável de saída: Tensão elétrica 
–  Variável intermediária: Deslocamento 
–  Elemento sensor: Haste 
46 
SA 
Força 
SB 
Deslocamento Tensão elétrica 
Excitação 
S 
47 
2. Transdutores 
–  Exemplo 3 
F 
Elemento mola 
Strain gage 
 
+ Vo - 
+ 
 
V 
 
- 
Ponte de Wheatstone 
R 
R 
R 
R ± ∆R 
 
2. Transdutores 
•  Transdutor sensor composto e passivo para medição de força 
–  Variável de entrada (mensurando): Força 
–  Variável de saída: Tensão elétrica 
–  Variáveis intermediárias: Deformação mecânica e Resistência elétrica 
–  Elemento sensor: Elemento mola 
48 
SA 
Força 
SB 
Deformação 
mecânica 
Tensão 
elétrica 
Excitação 
S 
SC 
Resistência 
elétrica 
Referências bibliográficas 
–  BORCHARDT, Ildon Guilherme; BRITO, Renato Machado. 
Fundamentos de instrumentação para monitoração e 
controle de processos: notas de aula. 2. ed. Editora Unisinos: 
São Leopoldo, 1999. 
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