Instrumentação 01 - Introdução (1)

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24/07/18	
1	
INSTRUMENTAÇÃO	INDUSTRIAL	
Prof.	Dr.	Daniel	Monteiro	
INSTITUTO FEDERAL 
Bega,	E.A.	Delmée,	G.J.	Cohn,	P.E.	Koch,	R.	Finkel,	V.S.	
Instrumentação	Industrial	–	Editora	Interciência	-	3	edição.	2011,	694p.	
	
Bojorge,	Ninoska.	
Sistema	de	Controle	 e	 Instrumentação	 -	 	 TEQ141	–	Departamento	de	 Engenharia	Química	 e	 de	
Petróleo	–	UFF	–	RJ	
	
Chaves,	C.R.	
Curso	de	Instrumentação	Básica	–	Curso	de	Formação	de	Operadores	de	Refinaria	-	Curtiba	–	PR.	
2002,	98p.	
	
Augusto,	Álvaro.	
Curso	de	Instrumentação	Básica	-		
	
Longo,	A.L.	
Instrumentação	 e	 Controle	 de	 Processos	 Petroquímicos	 –	 Relatório	 Final	 de	 Aluno	 Bosista	 -	
Departamento	de	Engenharia	Química	–	UFSC	–	SC	.	2003.	67p.	
	
Wirmond,	V.E.	
Instrumentação	Industrial	–	Conceitos	Básicos	–	UFTPR	–	PR.	2013.	
	
	
Bibliografia	utilizada	na	aula	
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Instrumentação	Industrial	
Ciência	 que	 aplica	 e	 desenvolve	 técnicas	 para	 adequação	 de	 instrumentos	
de	medição,	transmissão,	indicação,	registro	e	controle	de	variáveis	físicas	e		
de	processos	industriais.		
Instrumentação	
Aumentar	a	produção	
Aumentar	o	rendimento	
Produtos	de	melhor	qualidade	
Menor	tempo	de	produção	
Dados	seguros	da	mp	e	do	produto	
Sustentabilidade	e	compatibilidade	com	o	meio	ambiente.		
Retirar	o	homem	de	ambientes	agressivos.	
Otimizar	o	Processo	
Conceitos	Fundamentais	
Instrumentação	Industrial	
Processos	Industriais	
Indústria	do	
Petróleo	
Indústria	
alimentícia	
Indústria	
farmacêutica	
Indústria	
Têxtil	
CONTROLE	
Vazão	
Pressão	
pH	
Temperatura	
Nível	
Umidade	
Variáveis	
Melhorar	a	qualidade	do	produto	
Aumentar	a	quantidade	produzida	
Segurança	
Conceitos	Fundamentais	
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3	
Instrumentação	Industrial	
Controles	
manuais	
Automação	
Industrial	
Processo	simples	
Instrumentação	simples	
Manômetros	
Termômetros	
Válvulas	manuais	
Linha	do	tempo	
Processo	complexo	
Instrumentação	complexa	
Instrumentos	mais	precisos	
Centralização	das	variáveis	
Controle	remoto	
Controle	mecânico/
hidráulico	
Controle	
pneumático	
Controle	
elétrico	
Controle	
eletrônico	
Controle	
digital	
Sistemas	de	Controle	
Conceitos	Fundamentais	
Instrumentação	Industrial	
Sequência	 de	 operações	 unitárias	 que	
envolva	 uma	 transformação	 (física,	 química	
e/ou	 biológica)	 de	 uma	 substância	 de	
interesse.	
Processos	
Conceitos	Fundamentais	
Processo	de	destilação	
Operações	Unitárias:		
Bombeamento	da	carga	
Destilação	
Trocadores	de	calor	
Controles:		
Vazão	
Nível	
Pressão	
Temperatura	 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
CONCEITOS BÁSICOS
Exemplo: Destilação
Processo
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Instrumentação	Industrial	
Todos	 os	 equipamentos	 de	 processo	 em	 indústrias	 que	
desempenham	uma	função	específica	numa	planta	industrial.	
Equipamentos	Industriais	
Conceitos	Fundamentais	
Caldeira	
Tubulações	
Caldeiras	
Tubulações	
Máquinas	
Máquinas	
Instrumentação	Industrial	
Instrumentos	
Conceitos	Fundamentais	
Medição	 Medição	e	Atuação	 Atuação	
Termômetros	
Manômetros	
Velocímetros	
Medidores	de	vazão	
Medidores	de	nível…	
Termostatos	
Pressostatos	
Vávulas	
Motores	de	passo	
Inversores	de	frequência	
Motores	elétricos	
Bombas	
Aquecedores.	
	
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Instrumentação	Industrial	
Conceitos	Fundamentais	
uma primeira classificação para os instrumentos é:
Instrumentação Industrial
11
Instrumentos
Medição Medição e Atuação Atuação
Termômetros
Manômetros
Velocímetros,
Medidores de vazão
Medidores de nível, etc.
Termostatos
Pressostatos, chaves de 
fim de curso, etc.
Válvulas manuais e 
automáticas, motores de 
passo, inversores de 
frequência, motores 
elétricos, bombas, 
aquecedores, etc.
Profª Ninoska Bojorge - TEQ/UFF
Sensor 
de nível
Elementos 
Primários
Detectam 
Monitoram
Elementos 
Controladores Decidem
Atuam
12Profª Ninoska Bojorge - TEQ/UFF
Elementos 
Finais
Atuam
Instrumentação	Industrial	
-	 Grandezas	 físicas	 ou	 químicas,	 mensuráveis,	 que	 podem	
alterar	seu	valor	com	o	tempo.	
Variáveis	de	Controle	
Conceitos	Fundamentais	
-	A	variável	de	processo	é	medida	por	instrumentos	
Vazão	
Pressão	
pH	
Temperatura	
Nível	
Umidade	
Variáveis	 Controle	de	Variáveis	
Controle	da	
composição	do	
Produto	Final	
Medida	ou	
Processo	(PV)	
Manipulada	
(MV)	
Aleatórias	ou	
Distúrbios	
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Instrumentação	Industrial	
Variável	de	Processo	(medida)	-	PV	
-	 Variável	 mantida	 dentro	 de	 um	 valor	 (ou	
entre	valores)	pré-	determinado	pelo	processo.	
-	A	medida	pode	ser	feita	indiretamente	(medir	
uma	variável	para	se	obter	outra).	
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
CONCEITOS BÁSICOS
Variável de Processo (Medida) - PV
Nem	 sempre	 existe	 uma	 relação	 definida	
entre	a	variável	secundária	e	a	qualidade	do	
produto	que	se	deseja	controlar.	
Conceitos	Fundamentais	
Instrumentação	Industrial	
Variável	de	Manipulada	-	MV	
-	 Variável	 de	 entrada	 no	 processo	 que	 será	modificada	 a	 fim	 de	manter	 a	 variável	
controlada	(do	processo)	dentro	dos	valores	estipulados	
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
CONCEITOS BÁSICOS
É uma variável de entrada do processo, que sofrerá modificações para 
manter a variável controlada no valor desejado.
Variável Manipulada - MV
MV	=	Vazão	de	Vapor	
A	maioria	das	MVs	são	vazões	
controladas	por	válvulas.	
Conceitos	Fundamentais	
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Instrumentação	Industrial	
Variáveis	Aleatórias	ou	Distúrbios	
Conceitos	Fundamentais	
São	aquelas	que	afetam	a	estabilidade	da	variável	controlada,	porém	não	são	medidas.	
Ex:		 	-	condições	de	operação;	
	-	condições	ambientais;	
	-	desgaste	de	equipamentos/instrumentos;	
	-	falha	de	equipamentos/instrumentos;	
	-	fenômenos	internos	ao	processo	(reações	endo	ou	exo).	
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
CONCEITOS BÁSICOS
Variáveis Aleatórias ou Distúrbio
• São todas as variáveis que o processo possui, que não 
são medidas, controladas e manipuladas, mas que afetam 
a estabilidade da variável controlada. 
Distúrbio	de	Suprimento	
Distúrbio	de	Demanda	
Instrumentação	Industrial	
Sistemas	de	Controle		
Parte	integrante	da	
Sociedade	moderna	
Veículos;		
Eletrodmésticos;	
Foguetes;	
Mecatrônica	...	
Corpo	humano	
Pâncreas,	visão,	SNC	
Definição:	
Interconexão	de	componentes	(subsistemas	e	processos)	formando	uma	configuração	
sistêmica	que	produzirá	uma	resposta	desejada.	
Objetivo:		
Uma	 saída	 desejada,	 com	 desempenho	 desejado	 para	 uma	 entrada	 específica	
fornecida.	
Sistema	
entrada	 saída	
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Instrumentação	Industrial	
Controle	de	Malha	Aberta		
Utiliza	um	controlador	conectado	em	série	com	o	processo	a	ser	controlado,	de	modo	
que	a	entrada	do	processo	deve	ser	tal	que	sua	saída	se	comportará	como	desejado.	
A	ação	do	controle	independe	da	saída.		
Características:	
	-	Simples;	
	-	Menor	custo;	
	-	Mais	sujeitos	à	distúrbios.	
Dispositivo	
de	atuação	
Sistema	Resposta	
desejada	
Saída	
Instrumentação	Industrial	
Controle	de	Malha	Fechada	
Há	uma	comparação	entre	os	valores	reais	de	saída	com	aqueles	desejados.	
Ocorre	uma	atuação	baseada	no	erro.		
Comparação	 Controlador	 Sistema	
Dispositivo		
de	medida	
SP	 MV	 PV	
Resposta	desejada	
SP	 	=	set	point	
MV	 	=	variável	manipulada	
PV 	=	variável	de	processo	
Sinal	de	controle	 Saída	
Sensor	+	Transmissor	
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Instrumentação	Industrial	
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
CONCEITOS BÁSICOS
Malha de Controle Fechada - Manual
ONDE ESTÁ O 
CONTROLE ?
ONDE ESTÁ O 
CONTROLADOR?
ONDE ESTÁ A 
MEDIÇÃO?
PROCESSO
COMPARAÇÃO
CORREÇÃOCONTROLE
ENTRADA DE 
ÁGUA FRIA
SAIDA DE 
ÁGUA QUENTE
ENTRADA 
DE VAPOR
VÁLVULA DE 
CONTROLE
MEDIÇÃO
Controle	de	Malha	Fechada	–	Manual	
Instrumentação	Industrial	
Controle	de	Malha	Fechada	–	Manual	
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
CONCEITOS BÁSICOS
• O controle manual não permite a eliminação do erro, 
resultando em uma amplitude de variação excessiva do 
valor da variável que se deseja controlar
TEMPO
DESVIO
0
+
-
VALOR
OBTIDO
VALOR
DESEJADO
(SET-POINT)
ERRO
Malha de Controle Fechada - Manual
Não	permite	a	
eliminação	do	erro	
Grande	amplitude	do	
valor	da	variável	que	se	
deseja	controlar	
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Instrumentação	Industrial	
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
CONCEITOS BÁSICOS
LÍQUIDO ENTRANDO MISTURADOR LÍQUIDO
SAINDO
VAPOR
VÁLVULA
CONTROLADOR
SP
SENSOR DE
TEMPERATURA
SINAL DE TEMPERATURA PARA O CONTROLADOR
Malha de Controle Fechada - Automática
-	Instrumentos	com	funções	pré-determinadas;	
-	Melhor	desempenho	em	relação	ao	controle	manual	–	Elevada	Precisão;	
-	Menor	tempo	de	processo;	
-	Reduzir	a	quantidade	de	perdas	e	custos	de	energia	e	matéria	prima;	
-	Proteger	equipamentos	(bombas,	caldeiras...);	
-	Uniformidade	na	qualidade	do	produto	final;	
-	Maior	segurança	para	o	operador.	
-	Conseguir	resultados	impossíveis	de	
serem	 conseguidos	 por	 controle	
manual,	 por	 envolverem	 processos	
muito	 rápidos,	 de	 alta	 precisão,	
radioativos,	tóxicos,	explosivos,	etc	
Controle	de	Malha	Fechada	–Automático	
Instrumentação	Industrial	
Controle	de	Malha	Fechada	–Automático	
-	Redução	do	erro	em	curto	tempo	de	atuação.	
-	Elevada	precisão	do	SP.	
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
CONCEITOS BÁSICOS
• O controle automático permite através de sua ação a 
redução do erro, com um tempo de atuação e precisão 
impossíveis de se obter no controle manual
TEMPO
DESVIO
0
+
-
VALOR
OBTIDO
VALOR
DESEJADO
(SET-POINT)
ERRO
Malha de Controle Fechada - Automática
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Instrumentação	Industrial	
1	-	Quais	são	os	objetivos	dos	instrumentos	de	medição	e	controle?	
2	-	Como	era	o	controle	do	processo	no	princípio	da	era	industrial?	
3	-	O	que	foi	possível	com	a	centralização	das	variáveis	do	processo?	
4	-	Defina	o	sistema	de	controle.	
5	-	Defina	o	que	é	instrumentação.	
6	-	Defina	e	de	exemplos	de	variáveis	de:	
	a)	Processo	ou	Medida.	
	b)	Manipulada.	
	c)	Aleatórias	(ou	distúrbios).	
7	-	Descreva	o	funcionamento	de	um	sistema	em	malha	fechada.	
8	–	Quais	as	vantagens	do	uso	do	controle	em	malha	fechada?	
Exercícios	
Instrumentação	Industrial	
Exercícios	(E) 120 ºC e 108ºC 
3. Seja um sistema de controle em malha fechada, mostrado na Figura. 
 
Sobre o referido sistema, apresentam-se as seguintes afirmações: 
I. Os elementos primários do controle são representados pelo sensor de temperatura e 
pela válvula de controle. 
II. A variável manipulada é a posição da válvula de controle; 
III. A variável de processo é a temperatura da água de saída; 
IV. O set-point da malha de controle é a temperatura desejada da água aquecida; 
V. A pressão do vapor de entrada e a vazão da água são perturbações do processo. 
Estão corretas as afirmações: 
(A) I, II e III 
(B) III, IV e V 
(C) II, IV e V 
(D) II, III e V 
(E) I, II e V 
4. (UFPA – 2012) Considere um diagrama P&ID construído seguindo a norma ISA 5.1, 
apresentado na figura abaixo. A partir deste diagrama, pode-se afirmar: 
 
 
 
Julgue	as	afirmações	feitas	sobre	um	sistema	de	controle	em	malha	fechada,	a	seguir:	
I.	 Os	 elementos	 primários	 do	 controle	 são	
representados	pelo	sensor	de	temperatura	e	
pela	válvula	de	controle.	
	
II.	 A	 variável	 manipulada	 é	 a	 posição	 da	
válvula	de	controle;	
	
III.	A	variável	de	processo	é	a	temperatura	da	
água	de	saída;	
	
IV.	 O	 set-point	 da	 malha	 de	 controle	 é	 a	
temperatura	desejada	da	água	aquecida;	
	
V.	A	pressão	do	 vapor	de	entrada	e	 a	 vazão	
da	água	são	perturbações	do	processo.