Instrumentacão - Aula1

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Instrumentação Industrial
Alexandre Ribeiro
Noções de automação
Noções de automação
� O que é automação?
� Conjunto de dispositivos 
mecânicos, eletrônicos e de sistemas 
de computação com o objetivo de 
tornar automática uma ação.
Noções de automação
Por que automatizar?
� Aumento de produtividade;
� Redução de custo;
� Aumento da segurança;
� Melhoria da qualidade;
� Redução de tempo de produção (lead time);
Noções de automação
Homem Máquina
Criatividade Armazenagem de dados
Abstração Tarefas múltiplas
Adaptação Força
Aprendizagem Processamento numérico
Raciocínio “Fuzzy” sob dados 
incompletos
Decisões rápidas
Flexibilidade Ambientes insalubres
Noções de automação
� O que é processo?
� Qualquer operação, ou série de 
operações, que produz um resultado 
final
Noções de automação
� Tipos de industrias:
� Processo continuo.
Normalmente produzem matérias primas e produtos 
intermediários de natureza fluida e processados de forma 
contínua.
� Processo discreto ou manufatura.
Normalmente produzem produtos finais, geralmente 
contados por unidade produzida.
Tipos de indústrias:
Caracteristicas Continuos Discretos
Produção Toneladas, metros 
cúbicos,etc
No. de produtos
Qualidade Concentração, etc Dimensões, defeitos, 
aparência
Variáveis típicas Temperatura, vazão, 
pressão,etc
Posicão, velocidade, 
força,etc
Sensores e 
atuadores
Termopares, 
válvulas, bombas
Sensores 
fotoelétricos, 
motores, pistões, etc
Constantes de 
tempo
Segundos, minutos e 
horas
Menos de um 
segundo
Tipos de automação:
Produção em 
massa
Oficina
v
a
r
i
e
d
a
d
e
Produção em 
batelada
quantidade
100 1.000.000
Automação 
Programável
Automação 
Flexível
Automação 
Fixa
Níveis de automação
Nível de Gestão
Nível de Planta
Nível de Célula
Nível de Máquina
Nível de Dispositivos
Nível de Gestão
Nível de Otimização
Nível de Supervisão
Nível de Controle
Sensores e atuadores
Discreto Contínuo
Níveis de automação (Contínuo)
� Nível de Controle:
� Malhas de controle, controladores.
� Nível de dispositivo:
� Sensores, atuadores, indicadores, 
transmissores, transdutores, válvulas, 
etc.)
Níveis de automação (Contínuo)
� Nível de Supervisão:
� Supervisórios, IHMs
� Nível de gestão
� ERP (planejamento de recursos da empresa)
� Nível de Otimização:
� Otimizadores de processo, controle 
avançado.
Níveis de automação (Discreto)
� Nível de Máquina:
� Máquinas CNC, robôs, esteiras, AGVs 
(Veículos auto guiados)
� Nível de dispositivo:
� Sensores, atuadores, encoders, motor de 
passo, inversor de freqüência etc)
Níveis de automação (Discreto)
� Nível de célula:
� Conjunto de Maquinas e dispositivos.
� Nível de gestão
� ERP (planejamento de recursos da empresa)
� Nível de planta:
� Conjunto de células.
Instrumentação
Definição e classes de aplicação
INSTRUMENTAÇÃO a ciência que aplica e desenvolve 
técnicas para adequação de instrumentos.
Conceitos Iniciais
Pode-se definir a Instrumentação Industrial 
como sendo o conjunto de equipamentos 
(sensores, transmissores e hardware/software 
para procedimento de validação) que 
possibilitam a medição, monitoração e controle 
de variáveis de processo, propriedades físicas e 
composições dentro de um processo industrial.
Diagrama de blocos de um sistema de controle por 
realimentação
Controle por realimentação
TQ, tanque reservatório de água, é o processo, do qual deseja-se controlar o nível;
L, o nível do tanque, é a variável controlada, e portanto, deve ser medida;
LT é o instrumento de medição de nível;
Fi , vazão de água afluente ao tanque TQ, é a variável manipulada;
FCV é o elemento final de controle, neste caso, uma válvula;
C é o controlador;
Principais elementos envolvidos na medição
O instrumento de medida incorpora:
• Sensores , condicionador de sinais, tratamento de informação
•Sensor Primário: é o elemento que primeiro recebe a ENERGIA do meio onde a medida 
é feita;
• Conversão de Energia: é nesse elemento que a variável medida é convertida em outra 
de mais fácil manipulação, sem entretanto modificar o conteúdo da informação original;
• Manipulação da Variável: é o elemento que produz uma mudança no valor numérico 
da variável
preservando sua natureza física (amplificação de tensão, por exemplo);
• Transmissão da Informação: é o elemento que transfere a informação de um ponto do
instrumento a outro;
• Apresentação: é o elemento que converte a informação em uma forma reconhecível por 
um dos sentidos do ser humano
Telemetria
� São denominadas telemetria as técnicas de obtenção, 
processamento e transmissão de dados à distância. 
� Tecnologia pneumática
� Tecnologia Eletrônica
� Tecnologia Digital
Tipos de Instrumentação
� A Instrumentação Pneumática usa 
sinais de pressão de ar ou nitrogênio 
nas informações entre instrumentos. 
� A Instrumentação Eletrônica 
Analógica usa sinais elétricos 
analógicos ou seja sinais contínuos. 
� A Instrumentação Eletrônica Digital
usa sinais elétricos digitalizados ou seja 
sinais quantizados (discretos). 
Exemplos:Instrumentação Pneumática
Exemplos:Instrumentação Analógica
Exemplos: Instrumentação Digital
Tipos de sinais em instrumentação
Analógico - sinais "contínuos" que podem ser pneumáticos (padrão de 
transmissão em pressão 3 a 15
psi) ou eletrônicos (padrão de transmissão em corrente, 4 a 20 mA e padrão 
de transmissão em tensão 1 a 5 Vcc). 
Sinais discretos - são sinais que só assumem dois estados: verdadeiro ou 
falso, aberto ou fechado.
Sinais digitais - Sinais discretos são sinais oriundos de sinais analógicos
em que se faz uma discretização no tempo, ao passo que sinais digitais 
envolvem discretização no tempo e na amplitude.
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Tipos de sistemas
�Contínuos
�Discretizados
�A eventos discretos
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Tipos de sistemas
�Contínuos
� São descritos por variáveis 
contínuas no tempo
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Tipos de sistemas
�Discretizados
� São sistemas contínuos, porém 
amostrados: suas entradas e 
saídas são observadas apenas em 
instantes de tempo definidos
� Para que modelos discretizados 
representem bem os respectivos 
sistemas contínuos, a frequência 
de amostragem deve ser grande o 
suficiente
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Tipos de sistemas
�Discretizados
Período de amostragem de 0,1 seg
Frequência de amostragem = 10 Hz
Período de amostragem de 0,3 seg
Frequência de amostragem = 3,3 Hz
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Tipos de sistemas
�A eventos discretos
� Sistemas em que os estados 
podem ser descritos por variáveis 
discretas e em que as mudanças 
de estados ocorrem por eventos 
de duração teoricamente 
infinitesimal
� Um estado futuro depende apenas 
do estado atual e do evento 
ocorrido
Sensores
� Dispositivos sensíveis a algum tipo de
energia do ambiente que pode ser luminosa,
térmica, cinética relacionando informações
sobre uma grandeza que precisa ser
medida, como temperatura, pressão,
velocidade, corrente, aceleração, posição e
etc.
� Instrumento utilizado para determinar uma 
grandeza ou estado.
Sensores
Efeitos 
físicos
Luz
Calor
Som
Efeitos 
mecânicos
Sensor
Sinal de 
saída
Posição
Força
Velocidade
Formas de energia em um sensor
Sensores analógicos
� Tipo de sensor que pode assumir
qualquer valor no seu sinal de saída
ao longo do tempo, desde que esteja
dentro da sua faixa de operação.
Sensores digitais
� Tipo de sensor que pode assumir
apenas dois valores no seu sinal de
saída ao longo do tempo, que podem
ser interpretados como zero ou um.
Transdutor
� Os transdutores transformam umagrandeza física(temperatura, pressão
e etc.) em um sinal de tensão ou
corrente que pode ser facilmente
interpretado por um sistema de
controle.
Transmissor
� Dispositivos que prepara o sinal de
saída de um transdutor para utilização
a distância, fazendo certas
adequações ao sinal as quais se
chamam padrões de transmissões de
sinais.
Padrões de Sinais
� Para transmitir sinais de forma 
analógica no ambiente industrial 
utilizam-se padrões, paulatinamente 
caindo em desuso:
� 4 a 20 mA
� 3 a 15 PSI
� 1 a 5V (curtas distâncias)
Conversão entre sinais
� Ao longo do sistema de controle, um 
sinal pode trocar de forma várias 
vezes, por exemplo:
20 mA
4 mA
12 mA
15PSI
3PSI
X
20-4 15 - 3
=
12-4 X – 3
16.(X-3) = 8.12
16 X = 96+48
16 X = 144
X = 9 PSI
Tipos de instrumentos:
� Indicadores
� Registradores
� Controladores
� Medidores
� Alarmes
Classificação referente a função
� Instrumento 
de painel ou uso 
interno
� Instrumento de 
campo ou uso ao 
tempo
Classificação referente a localização
Instrumentos e definições
Características Estáticas dos Instrumentos
Calibração Estática: Operação que tem por objetivo levar o instrumento de 
medição a uma condição de desempenho e ausência de erros sistemáticos, 
adequados ao seu uso.
Ganho: O ganho é a relação entre a variação na saída e a variação unitária 
na entrada, ou o span da saída dividido pelo span da entrada.
Assim, para um transmissor eletrônico de temperatura com uma faixa de 
entrada de 100 a 200º C e uma saída de 4 a 20 mA, o ganho é:
Características Estáticas dos Instrumentos
Características Estáticas dos Instrumentos
Características Estáticas dos Instrumentos
Zona Morta: é a faixa onde o sensor não consegue responder. Ela define o 
valor necessário de variação do processo (da variável em medição) para que o 
medidor comece a percebê-lo.
Tempo Morto: é o tempo necessário para que o sensor comece a responder a 
alterações na variável medida (entrada).
Resolução: é menor mudança na entrada do sensor que irá resultar em uma 
mudança na saída do mesmo. A resolução dá uma indicação de quão pequena 
uma variação na entrada de energia pode ser percebida por um sensor.
Linearidade: pode ser especificada de várias formas. Uma maneira simples e 
usual é especificar a linearidade da reta de calibração de um sensor, traçada a 
partir da estimativa da melhor reta, pelo método dos mínimos quadrados, 
proveniente dos dados de entrada e saída do tal sensor para toda a
faixa de medição.
Características Estáticas dos Instrumentos
Características Estáticas dos Instrumentos
Características Estáticas dos Instrumentos
Principais variáveis medidas:
� Pressão
� Nível
� Vazão
� Temperatura
� Posição
� Velocidade
Pressão
� É a mais importante das variáveis 
pois diversas outras variáveis são 
medidas utilizando-se indiretamente 
da pressão: 
� Ex. de unidades de medida: bar, PSI, 
kgf/cm². 
� Temperaturas (a bulbo de pressão);
� Vazões;
� Níveis
Pressão
�Pressão é a relação entre uma força e 
a superfície sobre a qual ela atua 
F
P = F
S 90°
Tipos de Pressão
0
760 mm Hg
P atmosférica0
Vácuo total
P relativa P absoluta 
Princípios de Medição
� Por equilíbrio de uma pressão 
desconhecida contra uma pressão 
conhecida
� Por meio de deformação de um 
material elástico
� Por meio de variação de uma 
propriedade física (base dos 
transmissores eletrônicos de 
pressão)
Pressão: Equilíbrio de pressão
� Colunas de líquido 
Em “U”
Coluna 
Vertical
Coluna 
Inclinada
Pressão:Deformação
�Bourdon
Strain Gauge 
A deformação do material sob pressão altera
sua resistência. A medição da resistência
fornece a indicação da pressão. São aplicados
para medir pressões muito elevadas. Outros
são usados como células de carga em balanças
eletrônicas.
Pressão
Nível
� MEDIÇÃO DIRETA: Efetuada sob a 
superfície do líquido geralmente com o 
emprego de flutuadores, ou através de 
visores de nível.
� MEDIÇÃO INDIRETA: Neste tipo de 
medição são usadas propriedades físicas 
ao nível, como: pressão, empuxo e 
radiação 
�Unidades de medida: m, cm, ft, pol, %
Nível
� RÉGUA OU 
GABARITO
Nível: visor de nível
LG
Nível
�Medição 
direta por 
bóia
Nível empuxo
Nível medição indireta
0%
100%
� Pressão da 
coluna d’agua
Nível: ultra-som, Radar e Microondas
� Indicadas para aplicações 
corrosivas e sujas,bem como 
para líquidos,lamas e sólidos 
a granel. 
� Não confiáveis na presença 
de espuma na superfície. 
� Sólidos a granel diminuem a 
precisão dos transmissores
Medição de Nível por Radar
Medição de Nível por Radar
TQ =
V
Vazão : Conceitos
Vazão : Principais tipos
� Pressão diferencial.
� Turbina – fluidos limpos
� Medidor magnético de vazão - fluidos 
corrosivos e sujos.
� Deslocamento positivo - totalização direta 
da vazão.
� Área variável - para a indicação local e 
barata da vazão com baixa precisão de 
fluido sob baixa pressão.
Vazão: Pressão diferencial
Placa de Orifício
Vazão: Pressão diferencial
Placa de Orifício
Cone de 
Entrada
Garganta
Cone de 
Saída
Vazão: Pressão diferencial 
Tubo de venturi
P1 P2
Tubo de Venturi
Vazão: Pressão diferencial 
Tubo de Venturi
Bocal de Vazão
Vazão: Pressão diferencial 
Bocal de Vazão
Vazão: Pressão diferencial 
Vazão: Turbina
Medidor de Velocidade
Turbina
Vazão: Medidor magnético
Vazão: Medidor magnético
Vazão: Medidor magnético
Vazão: Deslocamento positivo
Medidor de Deslocamento Positivo
Engrenagens 
ovais
Medidor de Deslocamento Positivo
Engrenagens 
ovais
Temperatura
� Princípios e medição:
� Variação da resistência elétrica
� Dilatação térmica dos materiais
� Tensão gerada no condutor
� Radiação emitida
� Unidades de medida: K, °F, ºC
Variação da resistência elétrica
� Os materiais tem sua resistência 
elétrica modificada em função da 
temperatura. Neste princípio 
enquadram-se as: 
� Metais – Termômetros de resistência
� Semicondutores - Termistores
Medição de temperatura por variação da 
resistência elétrica
Metal Coeficiente 
de variação
Ω/oC
Platina 0,00392
Níquel 0,00672
Cobre 0,0038 
Tungstênio 0,0045
Ouro 0,0040
Prata 0,0041
� Variação da 
resistência elétrica 
em função da 
temperatura
Dilatação térmica
� Utilizam a expansão volumétrica dos 
materiais, que é proporcional à temperatura.
Dilatação térmica (termômetros bimetálicos)
Tensão gerada no condutor
� Baseia-se principalmente no efeito 
Seebeck :
� Quando as extremidades de um material 
encontram-se em temperaturas 
diferentes. A diferença de energia 
térmica dos átomos faz com que os 
localizados no lado mais quente tendam 
a se dirigir para o lado mais frio (criação 
de força eletromotriz)
Tensão gerada no condutor
Conexão
Ponto de 
medição
Instrumento
� Esquema de um termopar.
Tensão gerada no condutor
Tipo Materiais Faixa (oC)
J Ferro-constantan -190 a 760
T Cobre-constantan -200 a 371
K Cromel-alumel -190 a 1260
E Cromel-constantan -100 a 1260
S Pt-90% Pt +10% Rh 0 a 1482
R Pt-87% Pt +13% Rh 0 a 1482
Radiação emitida
Sensores de posição
� Monitoração da posição de peças, 
contagem de produtos, ou verificar a 
posição de um dado equipamento.
� Os sensores se dividem em:
� Posição linear ou angular
� Detectoresde passagem ou de fim-de-curso
Sensores de posição
� Sensores Potenciométricos
� Sensores Magnéticos
� Sensores Indutivos
� Sensores Capacitivos
� Sensores Óticos
� Sensores Mecânicos
Sensores Potenciométricos
� Obtida através da leitura de tensão entre 
o extremo inferior e o centro (eixo) de 
um (potenciômetro deslizante) ou 
angular (rotativo). 
Ponto Móvel
Sensores Indutivos
� Comutam eletronicamente de estado 
lógico quando um objeto metálico entra 
em sua área de detecção. 
Sensores capacitivos
� Comutam eletronicamente de estado 
lógico quando qualquer objeto entra em 
sua área de detecção. 
Sensores Óticos
� Reflexão
� Barreira
� Difusão
Sensores Óticos
Sensores Mecânicos
� São comutadores elétricos, acionados 
mecanicamente.
� São, geralmente posicionadas no decorrer de 
percursos de cabeçotes móveis de máquinas e 
equipamentos, hastes de cilindros hidráulicos 
ou pneumáticos
Sensores Mecânicos: tipo rolete
Tipo rolete escamuteável ou gatilho
Sensores magnéticos
� São atuados quando entram em um 
campo magnético 
Encoders
� Usados em robôs, máquinas-
ferramenta, CNC entre outros, 
determinam a posição através de um 
disco ou trilho marcado. 
� Se dividem em:
� Relativos ou incrementais
� Absolutos
Encoders
� Incremental
� Envia pulsos em série 
correspondendo ao ângulo de 
rotação do eixo. É conectado a um 
dispositivo capaz de contar os pulsos 
e convertê-los em uma medida do 
movimento do eixo.
� O número de fendas determina o 
número de pulsos por revolução do 
encoder, ou seja, a sua resolução
Encoders
Encoders
� Absoluto
� Envia um código exclusivo para cada posição 
do eixo. O disco interno possui várias trilhas 
concêntricas. Cada trilha tem uma fonte de luz 
independente. As saídas de cada uma das trilhas 
formam um sinal binário exclusivo para cada 
posição do eixo
Encoders
Tipos de instrumentos:
� Transmissores: elemento responsável 
em transmitir o valores medidos pelos 
sensores em um sinal entendível pelos 
demais instrumentos.
Transmissão de Temperatura
Foxboro
Tipos de instrumentos:
� Indicadores: elementos responsáveis em 
mostrar o valor de uma variável.
Indicador Analógico Indicador Digital
Tipos de instrumentos:
� Registrador: Instrumentos que registram 
informações históricas do processo
Tipos de instrumentos:
� Transdutores: instrumentos utilizado na 
transmissão de sinais que transformam 
um tipo de energia em outro.
Transdutores
Tipos de instrumentos:
� Atuadores:
elemento responsável 
em intervir na variável 
controlada, 
modificando-a se 
necessário.
Elemento Final de Controle
� Válvulas
� Cilindros hidráulicos e pneumáticos
� Resistências Elétricas
� Motores
Válvulas
� Dispositivo com finalidade de provocar 
obstrução na tubulação para permitir 
maior ou menor passagem de fluido.
Válvulas - classificação
� Segundo a operação
a) Manual - A operação da abertura e fechamento 
a ser realizada é feita pelo homem. 
b) Auto-reguladora - A operação de abertura e 
fechamento é realizada utilizando a energia 
contida no fluido .
c) Controle - Utiliza-se uma força auxiliar para 
operação e, o acionamento é feito de acordo 
com os sinais provenientes dos controladores. 
Válvulas - classificação
� Segundo a relação entre a posição da 
haste e a abertura
a) ON- OFF: Válvulas de abertura e 
fechamento rápido. Trabalham apenas 
nas posições totalmente aberta ou 
totalmente fechadas. 
b) Proporcionais: Válvulas onde a abertura 
e proporcional ao sinal vindo do 
controlador.
Resistências Elétricas
� Dispositivo utilizado para transformar 
energia elétrica em energia térmica.
Tipos de instrumentos:
� Controladores:
instrumentos destinado a 
realizar o gerenciamento 
de todas as ações 
corretoras e pré-
determinadas em um 
processo.
Tipos de controladores
� Single loops.
� Multi-loops.
� CLP (controlador lógico programável).
Tipos de controladores
� CLP.
Simbologia de padrões de sinais
Exercício