metrologia-aplicada-e-instrumentacão e controle

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2012 
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A disciplina de Metrologia Aplicada e Instrumentação e Controle, 
com 40 horas/aulas, será dividida em 2 (duas) partes, sendo : 
 
 
 Metrologia Aplicada – 22 horas; 
 
 Instrumentação e Controle – 18 horas. 
 
Metrologia Aplicada e Instrumentação e Controle 
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Instrumentação e Controle 
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Introdução 
INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para 
adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, 
registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos 
industriais. 
 
Nas indústrias de processos a instrumentação é responsável pelo 
rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia 
cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto 
desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de 
energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, 
TEMPERATURA, pH, VIBRAÇÃO, etc; as quais denominamos de 
variáveis de um processo. 
 
 
 
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Definições e Conceitos 
Telemetria: tecnologia que permite a medição e comunicação de informações de 
interesse do operador, ou desenvolvedor de sistemas. A palavra é de origem grega 
onde tele = remoto e metron = medida. Sistemas que necessitam de instruções e 
dados enviados a eles para que sejam operados, requerem o correspondente a 
telemetria, o telecomando. 
 
Planta: Uma planta é um conjunto de equipamentos que funcionam conjuntamente 
objetivando um produto final. Pode ser anda entendido como instalação, unidade de 
processo ou parque fabril 
 
Processo: É uma operação que evolui progressivamente caracterizada por uma 
série de mudanças graduais que se sucedem, onde há um inicio, um meio e fim. É 
caracterizado por uma série de ações controladas ou movimentos sistematicamente 
dirigidos objetivando um particular resultado. 
 
 
“Qualquer operação a ser controlada é um processo” 
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Definições e Conceitos 
Sistemas: É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e 
realizam um certo objetivo. 
 
Distúrbios: Um distúrbio é um sinal que tende a afetar adversamente o valor 
da saída de um sistema. 
 
Instrumento mostrador / indicador: instrumento de medição que apresenta 
uma indicação. A indicação pode ser analógica ou digital. Valores de mais de 
uma grandeza podem ser apresentados simultaneamente. Um instrumento de 
medição indicador pode, também, fornecer um registro. 
 
Instrumento registrador: instrumento de medição que fornece um registro da 
indicação. A indicação pode ser analógica ou digital. Valores de mais de uma 
grandeza podem ser apresentados simultaneamente. Um instrumento de 
registrador pode, também, fornecer um registro. 
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Definições e Conceitos 
Instrumento totalizador: instrumento de medição que determina o valor de um 
mensurado, por meio da soma dos valores parciais desta grandeza, obtidos, 
simultânea ou consecutivamente, de uma ou mais fontes. 
 
Instrumento integrador: instrumento de medição que determina o valor de um 
mensurado por integração de uma grandeza em função de uma outra. 
 
Instrumento analógico: instrumento de medição no qual o sinal de saída ou a 
indicação é uma função contínua do mensurado ou do sinal de entrada. 
 
Instrumento digital: instrumento de medição que fornece um sinal de saída ou 
uma indicação em forma digital. 
 
Dispositivo mostrador: parte de um instrumento de medição que apresenta 
uma indicação. 
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Erro (de medição) (Error) – É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo 
instrumento em relação ao valor real da variável medida. 
 
Repetitividade – Grau de concordância entre os resultados de medições 
sucessivas sob as mesmas condições de medição. 
 
Faixa Nominal (faixa de medida -Range) – Conjunto de valores da grandeza 
medida que pode ser fornecido por um “instrumento de medir”, consideradas 
todas as suas faixas nominais de escala. A faixa nominal é expressa em 
unidades da grandeza a medir, qualquer que seja a unidade marcada sobre a 
escala e é normalmente especificada por seus limites inferior e superior, como 
por exemplo 100°C a 200°C. 
 
Amplitude da Faixa Nominal (alcance - SPAN) – Módulo da diferença entre 
os dois limites de uma faixa nominal de um “instrumento de medir”. 
 
Exemplo: faixa nominal: -10 V a 10 V 
amplitude da faixa nominal: 20 V 
 
Definições e Conceitos 
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Rangeabilidade (Largura de Faixa) – É a relação entre os valores máximos e 
os valores mínimos, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento. 
Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por 
minuto), com exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, significa que a 
exatidão será respeitada entre 30 e 300GPM 
Zona Morta (Dead Zone) – Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar 
em ambos os sentidos, sem produzir variação na resposta de um instrumento 
de medição. 
 
Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 200ºC e com zona morta de 0,1% 
representa ± 0,2°C 
 
Sensibilidade (Sensibility) – Variação da resposta de um instrumento de 
medição dividida pela correspondente variação do estímulo. 
Definições e Conceitos 
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URL (Upper Range Limit) – Limite superior da faixa nominal - máximo valor de 
medida que pode ser ajustado para a indicação de um instrumento de medir. 
 
URV (Upper Range Value) – Valor superior da faixa nominal - máximo valor 
que pode ser indicado por um instrumento de medir. O URV ajustado num 
instrumento é sempre menor ou igual ao URL do instrumento. 
 
LRL (Lower Range Limit) – Limite inferior da faixa nominal - mínimo valor de 
medida que pode ser ajustado para a indicação de um instrumento de medir. 
 
LRV (Lower Range Value) – Valor inferior da faixa nominal - mínimo valor que 
pode ser indicado por um instrumento de medir. O LRV ajustado num 
instrumento é sempre maior ou igual ao LRL do instrumento. 
Definições e Conceitos 
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Exemplo de um processo industrial típico 
Definições e Conceitos 
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Tipos de Malhas de Controle 
Na MALHA ABERTA, a informação sobre a 
variável controlada não é utilizada para ajustar 
qualquer entrada do sistema para compensar. 
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Tipos de Malhas de Controle 
Na MALHA FECHADA, a informação sobre a variável controlada, é comparada com o 
valor pré estabelecido (chamado SET POINT), é utilizada para manipular uma ou mais 
variáveis do processo. No exemplo, a informação acerca da temperatura do fluido da 
água aquecida (fluido de saída), acarreta uma mudança no valor a variável do processo, 
no caso, a entrada de vapor. Se a temperatura da água aquecida estiver com o valor 
abaixo do valor do set point, a válvula abre, aumentando a vazão de vapor para aquecer 
a água. Se a temperatura da água estiver com um valor abaixo do set point, a válvula 
fecha, diminuindo a vazão de vapor para esfriar a água. 
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Classificação de Instrumentos de Medição e 
Controle 
Há vários métodos de classificação dos instrumentos 
de medição. A seguir está demonstrado os 3 (três) 
métodos mais utilizados na classificação das malhas 
de instrumentação. 
 
 Função no processo; 
 Sinal transmitido ou suprimento; 
 Tipo de sinal. 
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Classificação por Função 
Conforme será visto posteriormente, os instrumentos 
podem estar interligados entre si para realizar uma 
determinada tarefa nos processos industriais. A associação 
desses instrumentos chama-se malha e em uma malha 
cada instrumento executa uma função. 
 
Os instrumentos que podem compor uma malha são então 
classificados por função cuja descrição sucinta pode ser 
lida na tabela a seguir. 
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Classificação por Função 
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a) Indicador: Instrumento que indica o valor da quantidade medida 
enviado pelo detector, transmissor, etc. 
Classificação por Função 
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b) Registrador: Instrumentoque registra a (s) variável (is) através de 
um traço contínuo ou pontos em um gráfico, Figura 1.4. 
Classificação por Função 
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c) Transmissor: Instrumento que tem a função de converter sinais do 
detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um 
instrumento receptor, normalmente localizado no painel. 
Classificação por Função 
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d) Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma 
ou mais quantidades físicas, modifica, caso necessário, essas 
informações e fornece um sinal de saída resultante. 
Classificação por Função 
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e) Controlador: Instrumento que compara o valor medido com o 
desejado e, baseado na diferença entre eles, emite sinal de correção 
para a variável manipulada a fim de que essa diferença seja igual a 
zero. 
Classificação por Função 
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f) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente 
o valor da variável manipulada de uma malha de controle, Figura 1.8. 
Classificação por Função 
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Classificação por Função 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Os instrumentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal 
(telemetria) transmitido ou o seu suprimento. 
 
Os tipos de sinais mais comuns são: 
 
 Pneumático; 
 Hidráulico; 
 Elétrico; 
 Eletrônico digital; 
 Via rádio; 
 Via modem (WAN/LAN); 
 Ethernet; 
 Etc... 
 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sinal Tipo pneumático 
 
Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada 
conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da 
pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, 
padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma 
grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de 
transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é 
de 0,2 a 1,0 kgf/cm² (aproximadamente 3 a 15 psi no Sistema Inglês). 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Instrumentação Pneumática 
A tecnologia pneumática usa um sinal de 
pressão de ar ( 3 ~ 15 psi) como elemento de 
comunicação entre seus elementos. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sobre a telemetria pneumática: 
 
Vantagens 
A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está 
no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de 
explosão (centrais de gás, por exemplo). 
 
Desvantagens 
a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu 
suprimento e funcionamento. 
b) Necessita de uma unidade de condicionamento de ar para fornecer aos 
instrumentos, um ar seco e sem partículas sólidas. 
c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser 
enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a 
transmissão é limitada a aproximadamente 100 m. 
d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos 
são difíceis de serem detectados. 
e) Não permite conexão direta aos computadores. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sinal Tipo Hidráulico 
 
Similar ao tipo pneumático e com desvantagens 
equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de 
pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de 
sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque 
elevado é necessário ou quando o processo envolve 
pressões elevadas. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sobre a telemetria hidráulica: 
 
Vantagens 
a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de 
grande peso e dimensão; 
b) Resposta rápida. 
 
Desvantagens 
a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. 
b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua 
troca; 
c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, 
filtros, bombas, etc... 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sinal Tipo Elétrico 
 
Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente 
ou tensão. Face a tecnologia disponível no mercado em relação a 
fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse 
tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde 
praticamente não ocorre risco de explosão. 
 
Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente 
modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de 
valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um 
processo qualquer. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sinal Tipo Elétrico 
 
Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados 
sinais em corrente contínua variando de 4 a 20 mA e para distâncias 
até 15 metros aproximadamente, também utilizam-se sinais em tensão 
contínua de 1 a 5V. 
 
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. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sobre a telemetria elétrica: 
 
Vantagens 
 
a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas; 
b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o 
sinal de transmissão; 
c) Necessita de poucos equipamentos auxiliares; 
d) Permite fácil conexão aos computadores. 
e) Fácil instalação; 
f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sobre a telemetria elétrica: 
 
Desvantagens 
 
a) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em 
instalações localizadas em áreas de riscos. 
b) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos 
ou fios de sinais. 
c) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sinal Tipo Digital 
 
Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são 
enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais 
modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento 
transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma 
“linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sobre a telemetria digital: 
 
Vantagens 
 
a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento; 
b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos 
dados; 
c) Imune a ruídos externos; 
d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer 
ponto da malha; 
e) Menor custo final. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sobre a telemetria digital: 
 
Desvantagens 
 
a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a 
comunicação entre equipamentos de marcas diferentes; 
b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder 
a informação e/ou controle de várias malha. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sinal Via Rádio 
 
Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua 
estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de frequência 
específica. 
 
Vantagens 
a) Não necessita de cabeamento. 
b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em 
movimento. 
 
Desvantagens 
a) Alto custo inicial. 
b) Necessidade de técnicos altamente especializados. 
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Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento 
 
Sinal Via Modem 
 
A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas 
telefônicas pela modulação do sinalem frequência, fase ou amplitude. 
 
Vantagens 
a) Baixo custo de instalação; 
b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias. 
 
Desvantagens 
a) Necessita de profissionais especializados; 
b) Baixa velocidade na transmissão de dados sujeito a interferências 
externas, inclusive violação de informações. 
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Sala de Controle Convencional 
Controle Local 
Sistema de Controle 
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Sistema de Controle 
Controle Local 
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Sala de Controle Automatizada 
Controle Automático 
Sala de Controle 
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Sala de Controle 
Controle Automático 
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Simbologia e Terminologia de 
Instrumentação e Controle 
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Simbologia de Instrumentação 
Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para 
representar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhas 
de instrumentação, normas foram criadas em diversos países. 
 
No Brasil Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR 
8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos 
instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. 
 
Há ainda as normas ISA, atreladas a ASME, que rege e regulamenta a simbologia 
gráfica acerca dos instrumentos de medição e controle: 
 
1. ISA S5.1, Instrumentation Symbols and Identification, 1984; 
2. ISA S5.3, Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, 
Logic and Computer Systems, 1983 
 
 
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Simbologia de Instrumentação 
Roteiro da identificação 
Cada instrumento ou função a ser identificada é designado por um conjunto alfanumérico 
ou número de tag. A parte de identificação da malha correspondente ao número é 
comum a todos os instrumentos da mesma malha. O tag pode ainda ter sufixo para 
completar a identificação. 
 
Número de tag típico: 
TIC 103 - Identificação do instrumento ou tag do instrumento; 
T 103 - Identificação da malha (malha de temperatura, número 103); 
TIC - Identificação funcional Controlador Indicador de temperatura; 
T - Primeira letra (variável da malha); 
IC - Letras subsequentes (função do instrumento na malha). 
 
O número da malha do instrumento pode incluir o código da informação da área . Por 
exemplo, o TIC 500-103, TIC 500-104, aos dois controladores indicadores de 
temperatura, ambos da área 500 e os números seqüenciais são 103 e 104. 
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Simbologia de Instrumentação 
Identificação funcional 
 
A identificação funcional do instrumento ou seu equivalente funcional consiste de letras 
da Tab. 1 e inclui uma primeira letra, que é a variável do processo medida ou de2.2 
inicialização. A primeira letra pode ter um modificador opcional. Por exemplo, PT é o 
transmissor de pressão e PDT é o transmissor de pressão diferencial. 
 
A identificação funcional do instrumento é feita de acordo com sua função e não de sua 
construção. Assim, um transmissor de pressão diferencial para medir nível tem o tag LT 
(transmissor de nível) e não o de PDT, transmissor de pressão diferencial. 
 
Embora o transmissor seja construído e realmente meça pressão diferencial, seu tag 
depende de sua aplicação e por isso pode ser LT, quando mede nível ou FT, quando 
mede vazão. Outro exemplo, uma chave atuada por pressão ligada à saída de um 
transmissor pneumático de nível tem tag LS, chave de nível e não PS, chave de pressão. 
O tag também não depende da variável manipulada, mas sempre da variável inicializada 
ou medida. Assim, uma válvula que manipula a vazão de saída de um tanque para 
controlar nível, tem tag de LV ou LCV e não de FV ou FCV. 
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Simbologia de Instrumentação 
25/11/2012 48 
Simbologia de Instrumentação 
25/11/2012 49 
Simbologia de Identificação de Instrumentos de 
Campo e Painel 
25/11/2012 50 
Simbologia de Alguns Arranjos de Instrumentos 
25/11/2012 51 
Simbologia de Alguns Arranjos de Instrumentos 
25/11/2012 52 
Simbologia de Alguns Arranjos de Instrumentos 
25/11/2012 53 
Simbologia das Funções para Reles de Computação 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 
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Símbolos Gerais de Instrumentos ou de Funções de 
Instrumentos, conforme ISA S5.1 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 
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Simbolos para Funções de Transdutores e Conversores, 
conforme ISA S5.1 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 
25/11/2012 56 
Símbolos Gerais de Sinais de telemetria, 
conforme ISA S5.1 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 
25/11/2012 57 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.3 
Simbologia Gráfica 
25/11/2012 58 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.3 
Simbologia Gráfica 
25/11/2012 59 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.3 
Simbologia Gráfica 
25/11/2012 60 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 
Exemplo de uma malha 
25/11/2012 61 
Exemplo de um Diagrama P & I 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 
25/11/2012 62 
Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 
Malha de 
instrumentação de 
um sistema de 
destilação 
25/11/2012 63 63 
 
Fim!!!