Conceitos de Instrumentação e Controle

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Instrumentação e Controle Capitulo 02 Conceito de Instrumentação 22
Índ ice
2- CONCEITOS DE INSTRUMENTAÇÃO ________________________________23
2.1 - DEFINIÇÕES _______________________________________________________23
2.2 – CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES_________________________________ 25
2.4 – CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS______________________________28
2.4 – SÍMBOLOS e IDENTIFICAÇÃO ______________________________________28
2.5 - EXERCÍCIOS_______________________________________________________30
Instrumentação e Controle Capitulo 02 Conceito de Instrumentação 23
Capítulo 02
2- CONCEITOS DE INSTRUMENTAÇÃO
A instrumentação é a área da engenharia que engloba as atividades
relacionadas a medição de grandezas físicas para monitoração ou controle de
sistemas de automação. Trata também do desenvolvimento de novos
dispositivos de medição e controle.
Ao longo do processo de industrialização que nossa sociedade
presencia foi surgindo a necessidade da medição das mais diversas grandezas
físicas. Quanto mais mais competitivas se tornam as economias, mais
complexos se tornam os processos industriais. A instrumentação é uma área
que está sempre em desenvolvimento e é cada vez mais utilizada,
principalmente com a massificação de processos automatizados.
Na grande maioria dos processos automáticos é necessário uma
realimentação do processo. A realimentação consiste na medição de variáveis
de saída do sistema controlado e na comparação destas variáveis com valores
de referência. A diferença é informadas ao controlador do processo para que o
mesmo gere uma ação de controle adequada (conforme visto no capítulo 01).
A instrumentação viabiliza o processo de realimentação. Como existem
inúmeros processos envolvendo as mais diversas grandezas físicas foram
desenvolvidos instrumentos de medição para atender as exigências de cada
aplicação.
2.1 - DEFINIÇÕES
No estudo da instrumentação é necessário que sejam verificados certos
conceitos gerais que englobam um grande número de dispositivos. Desta forma
ficará facilitada a compreensão do uso da instrumentação nos sistemas de
controle.
2.1.1 - Atuadores:
São dispositivos, que modificam a variável manipulada, com o objetivo
de corrigir a variável controlada. Recebem portanto um sinal proveniente do
controlador e agem sobre o sistema controlado. Trabalham com um nível de
potência elevado. Exemplo de atuadores:
- Válvulas (Pneumáticas, Hidráulicas)
- Relés (Estático, Eletromecânico)
- Cilindro (Pneumáticos, Hidráulicos)
- Motores (Step-motor, Syncro, Servomotor)
- Solenóides
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2.1.2 - Sensor:
Termo empregado para dispositivos sensíveis a alguma forma de
energia sensibilizante. Esta energia sensibilizante (luz ,calor, movimento,) traz
informação sobre uma grandeza que precisamos medir (temperatura, pressão,
velocidade, corrente, aceleração, posição, etc.).
Um sensor nem sempre tem as características elétricas necessárias
para ser utilizado de imediato em um sistema de controle. Normalmente o sinal
de saída deve ser trabalhado antes do seu emprego. Diz-se neste caso que
segue-se ao sensor propriamente dito um circuito de interface para adequação
do sinal.
Suponha que a saída de um sensor ao ser sensibilizado por uma energia
externa, é dada por um nível de tensão muito baixo. Torna-se necessário uma
amplificação do mesmo. Esta interface seria então um amplificador capaz de
elevar o nível do sinal para sua efetiva utilização.
2.1.3 - Transdutor:
É a denominação de um dispositivo completo, usado para transformar
uma grandeza qualquer em outra que pode efetivamente ser utilizada pelo
dispositivos de controle. Neste sentido podemos considerar um transdutor
como uma interface entre o sensor e o circuito de controle ou eventualmente
entre o controle e o atuador.
Os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura,
pressão, etc) em um sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmente
interpretado por um sistema de controle.
Muitas vezes os termos “sensor” e “transdutor” são usados
indistintamente, pois um dispositivo que contenha o elemento sensor e o
transdutor integrados costuma ser chamado simplesmente de transdutor. Neste
caso, o transdutor é o instrumento completo englobando sensor e todos os
circuitos de interface capaz de ser usado numa aplicação industrial.
2.1.4 - Transmissor:
Dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para utilização
a distância, fazendo certas adequações ao sinal.
Estas adequações são os chamados padrões de transmissões de sinais.
Um exemplo bastante conhecido é o “loop” 4 à 20mA, que um padrão de
transmissão de sinais em corrente.
O termo transmissor é utilizado também para dispositivos que integram
um sensor, transdutor e transmissor no mesmo dispositivo.
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Figura 2.1 - Possibilidades de configurações dos sensores
2.2 – CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES
Há uma série de características relacionadas aos sensores que devem
ser levadas em consideração na hora da seleção do instrumento mais indicado
para uma dada aplicação.
2.2.1 : Tipos de saída:
- Digital ou Binária: A saída do dispositivo (transdutor ou sensor) é discreta
ou seja só assume valores “0” ou “1” lógicos. (Também denominadas saída
liga-desliga ou On-Off). Este tipo de sensor só é capaz de indicar se uma
grandeza física atingiu um valor pré-determinado (ex: Pressostatos,
termostatos, chaves de nível, fluxostato, etc.).
Fig.2.2: Sensor binário: A saída só varia quando a entrada atinge um valor
predeterminado
Transdutores com este tipo de saída são largamente utilizados em
controle de sequência de eventos com uso de controladores lógico
programáveis.
Grandeza
Física na
entrada
Saída
Binária
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Existem sensores digitais cujas saídas são codificadas (BCD, código
Gray, etc.) ou simplesmente uma seguencia de pulsos cuja freqüência nos
informa quantitativamente a grandeza a ser medida.
- Analóg icas : O Transdutor possue uma saída contínua. Neste caso a saída
do Transdutor é quase uma réplica da grandeza física de entrada.
 Ex. : Célula de carga, transdutor de pressão analógico, etc.
Figura 2.3: O gráfico da saída de um Transdutor analóg ico (em tensão ou corrente) é a
répli ca do sinal de entrada.
2.2.2- Sensibilidade:
Sensibilidade (ou ganho) é a razão entre saída e entrada para um dado
sensor ou transdutor: S = {Entrada / Saida }
No caso de sensores analógicos, a sensibilidade está ligada a relação
entre uma variação na grandeza em questão e a variação na medida fornecida
pelo instrumento, ou seja, um sensor muito sensível é aquele que fornece uma
variação na saída para uma pequena variação da grandeza medida(de
entrada).
2.2.3 – Exatidão:
É o erro da medida realizada por um transdutor, em relação a um
medidor padrão.
Segundo o VOCABULÁRIO INTERNACIONAL DE TERMOS
FUNDAMENTAIS E GERAIS DE METROLOGIA exatidão é a aptidão de um
instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.
2.2.4 – Precisão:
Grandeza
Física
Tensão ou
Corrente
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É a característica relativa ao grau de repetibilidade do valor medido por
um transdutor.
Apesar destas definições serem atualmente padronizadas, existem
autores e principalmente fabricantes, que se referem a essa característica
como sendo o erro relativo máximo que o dispositivo pode apresentar.
Vale lembrar que todo sensor possui um erro de leitura que pode ser
maior ou menor conforme o tipo de grandeza medida, as condições de
operaçãodo sensor, estado de conservação e é claro, da qualidade do mesmo.
Um exemplo de grandeza difícil de ser medida com precisão é a umidade, e
por isso a maioria dos sensores comerciais produzem erro de leitura entre 2 e
10 %.
2.2.3- Linearidade:
Esse conceito se aplica a sensores analógicos. É a curva obtida
plotando-se os valores medidos por um transdutor sob teste contra os valores
de um padrão. Se o comportamento do transdutor ou sensor for ideal o gráfico
obtido é uma reta.
 Resposta linear Resposta não linear
2.2.4 – Alcance (Range):
Representa toda a faixa de valores de entrada de um transdutor.
2.2.5 - Estabilidade :
Está relacionada com a flutuação da saída do sensor. Se esta flutuação
for muito alta, ou seja, se o sensor possuir uma baixa estabilidade, a atuação
do controlador que utiliza esse sinal pode ser prejudicada.
2.2.6 - Velocidade de Resposta :
Trata-se da velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança
o valor real do processo. Em sistemas realimentados o ideal é que o sensor
utilizado tenha uma resposta instantânea, pois uma resposta lenta pode
prejudicar muito a eficiência do sistema de controle e até impedir que o sistema
funcione a contento.
2.2.7 - Outras características:
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Deve-se levar em consideração na ora da especificação dos sensores , as
seguintes características abaixo:
• Facilidade de Manutenção
• Custo
• Calibração
• Dimensões
• Faixa de trabalho
• Encapsulamento
• Histerese
• Vida Útil
2.4 – CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS
2.4.1 Quanto a localização:
- Instrumentos de painel ou uso interno.
- Instrumentos de campo – uso ao tempo
2.4.2 Quanto a função:
- Medidores;
- Indicadores;
- Registradores;
- Controladores;
- Alarmes.
2.4 – SÍMBOLOS e IDENTIFICAÇÃO
As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e
codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções
programadas, que deverão ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle
de projetos de instrumentação. Para facilitar o entendimento do texto deste
trabalho, mostra-se a seguir a essência da norma S.5.1(Instrumentation
Symbols and Identification) da Instrument Society of America(ISA).
Esta tabela indica pela norma como cada instrumento ou função
programada será identificada por um conjunto de algarismos.
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1º grupo de letras 2º grupo de letras
Variável Medida ou Iniciadora Função
1º letra Modificadora Pass./Info. Ativa/Saída Modificadora
A Análise Alarme
B Chama
C Cond. Elétrica Controlador
D Densidade Diferencial
E Tensão Sensor (El.P)
F Vazão Razão
G Vazão Direta
H Manual Alto
I Corrente Elét. Indicador
J Potência Varredura
K Tempo Tx. de variaç. Est. De Contr.
L Nível Lâmpada Pil. Baixo
M Umidade Instantâneo Médio/Interm.
N
O Orifício Restr.
P Pressão Conex. P/PT
Q Quantidade Integração
R Radiação Registrador
S Velo./Freq. Segurança Chave
T Temperatura Transmissor
U Multivariável Multifunção
V Vibração Válvula /Deflt.
W Peso /Força Poço /P.Prov
X Não Class. Eixo dos X Não Class. Não Class. Não Class.
Y Estado/Pres. Eixo dos Y Relé
Z Pos./Dimen. Eixo dos Z Atuador
Tabela 2.1 – Padrões ISA
Tabela 2.2 – Padrões ISA – Símbolos gerais utilizados para representar
instrumentos ou funções programadas.
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Tabela 2.3 – Padrões ISA – Símbolos utili zados para representar linhas
para instrumentos ou funções programadas.
Exemplo de utilização da simbologia ISA:
2.5 - EXERCÍCIOS
01. a) Cite as principais características desejáveis dos transdutores utilizados
em controle industrial
 b) Cite 03 tipos de atuadores . Explique os princípios de funcionamento.
02. Defina sensor, transdutor e transmissor.
03. Mostre as diferenças entre sensores digitais e analógicos.
04. Faça um comentário baseado em pesquisa nas normas especializadas
sobre os ternos “calibração” X “aferição”.