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Instrumentação Marco Antônio Ribeiro Instrumentação Marco Antônio Ribeiro Dedicado a Marcelina e Arthur, meus pais, sem os quais este trabalho não teria sido possível, em todos os sentidos. Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão ou então, que tem razão para evitar falar claramente (Rosa Luxemburg) © 2007, Marco Antonio Ribeiro Verão 2007 Prefácio Qualquer planta nova, bem projetada para produzir determinado produto, sempre requer sistemas de instrumentação para fazer a medição, controle, monitoração e alarme das variáveis. A escolha correta dos sistemas pode ser a diferença entre sucesso e fracasso para uma unidade, planta ou toda a companhia. Também, como há uma rápida evolução das tecnologias e conseqüente obsolescência, periodicamente toda planta requer ampliações e modificações radicais que incluem a atualização dos seus instrumentos e seus sistemas de controle. Assim, técnicos e engenheiros que trabalham com o projeto, especificação, operação e manutenção de plantas de processo devem estar atualizados com a instrumentação e as recentes tecnologias envolvidas. O presente trabalho foi escrito como suporte de um curso ministrado a engenheiros e técnicos ligados, de algum modo, a estas atividades. Este trabalho de Instrumentação e um outro de Controle de processo constituem um conjunto completo para estudo e consulta. Neste trabalho, dá-se ênfase aos equipamentos e instrumentos e são apresentados três grandes temas: Fundamentos, Instrumentos e Medição das Variáveis. Na primeira parte, de Fundamentos de Instrumentação, são apresentados os conceitos relacionados com Instrumentação e Petróleo, Símbolos e Identificação dos instrumentos analógicos e digitais; vistos os instrumentos sob a óptica de Sistemas; mostradas a evolução e as ondas da instrumentação. Na parte de Funções de instrumentos, são estudados individualmente os instrumentos, tais como sensor, transmissor, condicionador de sinal, indicador, registrador, totalizador, controlador e válvula de controle. São apresentados os parâmetros para a Especificação correta do instrumento individual, considerando o processo, ambiente, risco e corrosão. Finalmente na terceira parte, são mostradas as tecnologias empregadas para medir as principais Variáveis de Processo, como Pressão, Temperatura, Vazão e Nível, que são as variáveis mais encontradas nas indústrias químicas, petroquímicas e de petróleo. Sugestões e críticas, principalmente as destrutivas são benvidas para o contínuo melhoramento do trabalho, no endereço: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230, Fone (071) 452-3195 e Fax (071) 452-4286 e no e-mail: marcotek@uol.com.br . Marco Antônio Ribeiro Salvador, verão 2005 Autor Marco Antônio Ribeiro se formou no ITA, em 1969, em Engenharia de Eletrônica blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá. Durante quase 14 anos foi Gerente Regional da Foxboro, em Salvador, BA, período da implantação do polo petroquímico de Camaçari blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá. Fez vários cursos no exterior e possui dezenas de artigos publicados nas áreas de Instrumentação, Controle de Processo, Automação, Segurança, Vazão e Metrologia e Incerteza na Medição blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá. Desde 1987, é diretor da Tek Treinamento & Consultoria Ltda. blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, firma que presta serviços nas áreas de Instrumentação e Controle de Processo. i Conteúdo 1. INSTRUMENTAÇÃO....................................... 1 Objetivos de Ensino .................................. 1 1. INSTRUMENTAÇÃO....................................... 1 1.1. Conceito e aplicações........................ 1 1.2. Disciplinas relacionadas .................... 2 1.3. Vantagens e Aplicações .................... 3 2. SÍMBOLOS E IDENTIFICAÇÃO...................... 5 OBJETIVOS DE ENSINO .................................... 5 1. INTRODUÇÃO............................................... 5 2. APLICAÇÕES ............................................... 5 3. ROTEIRO DA IDENTIFICAÇÃO......................... 5 3.1. Geral .................................................. 5 3.2. Tag completo típico............................ 5 3.3. Identificação funcional ....................... 5 3.4. Identificação da malha ....................... 6 TE-301 ...................................................... 6 TIC-301-E.................................................. 6 4.3. Linhas entre os Instrumentos............. 9 4.4. Balão do Instrumento......................... 9 4. SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTOS................. 13 4.1. Parâmetros do Símbolo ................... 13 4.2. Alimentação dos instrumentos......... 13 5. MALHA DE CONTROLE ................................ 13 6. SISTEMAS COMPLETOS .............................. 15 3. INSTRUMENTOS ......................................... 19 Objetivos de Ensino ................................ 19 1. CLASSES DE INSTRUMENTOS ..................... 19 2. MANUAL E AUTOMÁTICO ............................ 19 3. ALIMENTAÇÃO DOS INSTRUMENTOS............ 19 4. PNEUMÁTICO OU ELETRÔNICO ................... 20 4.1. Instrumento pneumático .................. 21 4.2. Instrumento eletrônico ..................... 21 5. ANALÓGICO OU DIGITAL............................. 22 5.1. Sinal ................................................. 22 5.2. Display ............................................. 23 5.3. Tecnologia........................................ 23 5.4. Função Matemática.......................... 23 5.5. Comparação Analógica Versus Digital ................................................................ 24 5.6. Burro ou inteligente.......................... 25 7. CAMPO OU SALA DE CONTROLE .................. 25 7.1. Instrumento de campo ..................... 26 7.2. Instrumentos montados na sala de controle ................................................... 27 8. MODULAR OU INTEGRAL............................. 28 8.1. Painel de leitura ............................... 28 8.2. Armário de instrumentos cegos ....... 29 8.3. Dedicado ou compartilhado............. 30 8.4. Centralizado ou distribuído.............. 30 11. REAL OU VIRTUAL ................................... 31 11.1. Instrumento real............................. 31 11.2. Instrumento virtual ......................... 31 11.3. Real e virtual .................................. 32 4. SISTEMAS DIGITAIS .................................. 34 1. INTRODUÇÃO ............................................ 34 2. SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO (SDCD) ....................................................... 34 2.1. Introdução........................................ 34 2.2. Emerson........................................... 35 2.3. Foxboro............................................ 36 2.4. Yokogawa ........................................ 37 3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) .................................................................... 37 3.1. Conceito........................................... 37 3.2. Construção....................................... 38 3.3. Operação do CLP ............................ 38 3.4. Varredura do CLP............................ 39 3.5. Capacidade do CLP......................... 39 3.6. Configuração de CLP ...................... 39 3.7. Equipamentos associados............... 40 3.8. Dimensionamento do CLP............... 41 3.9. Comunicação de dados ................... 41 3.10. Terminal de programação.............. 41 4. CONTROLE SUPERVISÓRIO E AQUISIÇÃO DE DADOS (SCADA) ......................................... 42 4.1. Introdução........................................ 42 4.2. Coleta de dados............................... 42 4.3.Estação de Operação ....................... 43 4.3. Programa Aplicativo (Software) ....... 45 5. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ............... 46 5.1. Introdução........................................ 46 5.2. Protocolo HART............................... 47 5.3. Fieldbus Foundation ........................ 49 6. INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS........................ 51 6.1. Cenário da planta ............................ 51 6.2. Conceito de Integração.................... 51 6.3. Pirâmide da interoperabilidade........ 51 6.4. Parâmetros da integração ............... 52 6.5. Como integrar .................................. 54 OBJETIVOS DE ENSINO.................................. 55 1. INTRODUÇÃO ............................................ 55 2. MALHA DE MEDIÇÃO.................................. 55 2.1. Resultado da medição ..................... 55 2.2. Componentes da malha................... 55 2.3. Malha de medição de vazão............ 56 Introdução 2 ELEMENTO SENSOR ................................... 59 1. CONCEITO ................................................ 59 2. TERMINOLOGIA.......................................... 59 3. PRINCÍPIOS DE TRANSDUÇÃO ..................... 60 4. SENSORES MECÂNICOS............................. 60 5. SENSORES ELETRÔNICOS.......................... 60 5.1. Sensor capacitivo............................. 61 5.2. Sensor indutivo ................................ 61 5.3. Sensor relutante............................... 62 5.4. Sensor eletromagnético ................... 62 5.5. Sensor piezelétrico........................... 62 5.6. Sensor resistivo................................ 62 5.7. Sensor potenciométrico ................... 62 5.8. Sensor strain gauge......................... 63 5.9. Sensor fotocondutivo ....................... 63 5.10. Sensor fotovoltáico......................... 63 5.11. Sensor termoelétrico...................... 63 5.12. Sensor iônico ................................. 63 6. ESCOLHA DO SENSOR................................ 64 7. CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS DO SENSOR .................................................................... 64 CONDICIONADOR DE SINAL ....................... 65 1. CONCEITO ................................................ 65 2. Aplicações........................................... 65 3. Funções desenvolvidas ...................... 66 4. LINEARIZAÇÃO DA VAZÃO........................... 67 4.1. Introdução ........................................ 67 4.2. Medidores Lineares e Não-lineares . 68 5. COMPENSAÇÃO......................................... 69 5.1. Introdução ........................................ 69 5.2. Condições normal, padrão e real..... 70 5.3. Compensação da Temperatura de Líquidos................................................... 71 5.4. Tomadas de Pressão e Temperatura ................................................................ 71 6. TOTALIZAÇÃO DA VAZÃO............................ 71 TRANSMISSOR ............................................. 73 1. CONCEITOS BÁSICOS................................. 73 1.1. Introdução ........................................ 73 1.2. Justificativas do Transmissor........... 73 1.3. Terminologia .................................... 74 1.4. Transmissão do sinal ....................... 75 1.5. Sinais padrão de transmissão.......... 76 2. NATUREZA DO TRANSMISSOR..................... 77 2.1. Transmissor pneumático.................. 77 2.2. Transmissor eletrônico..................... 78 3. TRANSMISSOR E MANUTENÇÃO .................. 81 3.1. Transmissor analógico descartável . 81 3.2. Transmissor analógico convencional82 3.3. Transmissor inteligente digital ......... 82 3.4. Transmissor híbrido analógico digital ................................................................ 83 4. RECEPTORES ASSOCIADOS........................ 84 4.1. Instrumentos associados ................. 84 4.2. Alimentação ..................................... 84 4.3. Transmissor como controlador ........ 84 5. SERVIÇOS ASSOCIADOS............................. 84 5.1. Especificação................................... 84 5.2. Instalação......................................... 85 5.3. Configuração.................................... 85 5.4. Operação ......................................... 85 5.5. Calibração........................................ 85 5.6. Manutenção ..................................... 87 INDICADOR ................................................... 88 1. CONCEITO ................................................ 88 2. VARIÁVEL MEDIDA..................................... 88 3. LOCAL DE MONTAGEM............................... 89 4. TIPO DA INDICAÇÃO................................... 89 5. RANGEABILIDADE DA INDICAÇÃO ................ 90 6. ASSOCIAÇÃO A OUTRA FUNÇÃO................. 91 7. SERVIÇOS ASSOCIADOS ............................ 91 REGISTRADOR ............................................. 93 1. INTRODUÇÃO ............................................ 93 2. TOPOGRAFIA............................................. 93 3. ACIONAMENTO DO GRÁFICO ...................... 94 4. PENAS...................................................... 94 5. GRÁFICOS ................................................ 95 6. ASSOCIAÇÃO A OUTRA FUNÇÃO................. 96 7. SERVIÇOS ASSOCIADOS ............................ 96 COMPUTADOR DE VAZÃO .......................... 97 1. CONCEITO ................................................ 97 2. PROGRAMÁVEIS ........................................ 97 3. DEDICADO ................................................ 97 4. APLICAÇÕES CLÁSSICAS ........................... 98 4.1. Vazão de liquido .............................. 98 4.2. Vazão de gás com compensação ... 98 4.3. Sistema com 2 transmissores e uma placa ....................................................... 99 4.5. Vazão de massa de gás .................. 99 5. SELEÇÃO DO COMPUTADOR ...................... 99 6. PLANÍMETRO........................................... 100 6.1. Histórico ......................................... 100 6.2. Cálculo matemático ou aritmético.. 100 6.3. Método do corte e peso ................. 100 6.4. Método do planímetro.................... 100 6.5. Gráficos Circulares Uniformes....... 101 6.6. Seleção e Especificação do Planímetro............................................. 101 CONTROLADOR ......................................... 102 1. CONCEITO .............................................. 102 2. COMPONENTES BÁSICOS......................... 102 2.1. Medição ......................................... 102 2.2. Ponto de Ajuste ............................. 102 2.3. Estação Manual Integral ................ 103 2.4. Unidade de Balanço Automático ... 103 2.5. Malha Aberta ou Fechada ............. 103 2.6. Ação Direta ou Inversa .................. 103 3. ESPECIFICAÇÃO DO CONTROLADOR ......... 105 3.1. Controlador Liga-Desliga ............... 105 3.2. Controlador de Intervalo Diferencial .............................................................. 106 3.3. Controlador Proporcional............... 106 Introdução 3 3.4. Controlador Proporcional mais Integral .............................................................. 107 3.5. Controlador Proporcional mais Derivativo .............................................. 108 3.6. Proporcional + Integral + Derivativo .............................................................. 109 3.7. Controlador Tipo Batelada ............. 110 3.8. Controlador Analógico ................... 111 3.9. Controlador Digital ......................... 112 4. CONTROLADOR MICROPROCESSADO ........ 113 4.1. Conceito ......................................... 113 4.2. Características ............................... 113 4.3. Controladores comerciais .............. 113 5. ESTAÇÃO MANUAL DE CONTROLE ............ 114 5.1. Estação Manual ............................. 115 5.2. Estação de Chaveamento A/M ...... 115 5.3. Estação A/M e Polarização............ 116 5.4. Serviços Associados...................... 116 VÁLVULA DE CONTROLE .......................... 117 1. INTRODUÇÃO........................................... 117 2. ELEMENTO FINAL DE CONTROLE .............. 117 3. VÁLVULA DE CONTROLE .......................... 118 4. CORPO ................................................... 118 4.1. Conceito ......................................... 118 4.2. Sede............................................... 119 4.3. Plug ................................................ 119 5. CASTELO ................................................ 119 6. ATUADOR................................................ 120 6.1. Operação Manual ou Automática .. 120 6.2. Atuador Pneumático....................... 120 6.3. Ações do Atuador........................... 121 6.4. Escolha da Ação ............................ 122 6.5. Mudança da Ação .......................... 122 6.6. Dimensionamento do Atuador ....... 122 6.7. Atuador e outro Elemento Final ..... 122 7. ACESSÓRIOS........................................... 123 7.1. Volante ........................................... 123 7.2. Posicionador .................................. 123 7.3. Booster........................................... 124 8. CARACTERÍSTICA DA VÁLVULA ................. 124 8.1. Conceito ......................................... 124 8.2. Características da Válvula e do Processo ............................................... 125 8.3. Escolha de Características ............ 126 9. OPERAÇÃO DA VÁLVULA .......................... 127 9.1. Aplicação da Válvula...................... 127 9.2. Desempenho.................................. 127 9.3. Rangeabilidade .............................. 128 10. VEDAÇÃO E ESTANQUEIDADE................. 128 10.1. Classificação................................ 128 10.2. Fatores do Vazamento................. 129 10.3. Válvulas de Bloqueio ................... 129 11. DIMENSIONAMENTO............................... 129 11.1. Filosofia........................................ 129 11.2. Válvulas para Líquidos................. 130 11.3. Válvulas para Gases.................... 130 11.4. Queda de Pressão na Válvula ..... 130 12. INSTALAÇÃO ......................................... 131 12.1. Introdução.................................... 131 12.2. Localização da Válvula ................ 131 12.3. Cuidados Antes da Instalação..... 131 12.4. Tensões da Tabulação ................ 131 12.5. Redutores .................................... 132 12.6. Instalação da Válvula................... 132 13. PARÂMETROS DE SELEÇÃO ................... 132 13.1. Função da Válvula ....................... 133 13.2. Fluido do Processo ...................... 133 13.3. Perdas de Atrito do Fluido ........... 133 13.4. Condições de Operação.............. 133 13.5. Vedação....................................... 133 13.6. Materiais de Construção.............. 133 13.7. Elemento de Controle .................. 134 14. TIPOS DE VÁLVULAS.............................. 134 14.1. Válvula Gaveta ............................ 135 14.2. Válvula Esfera.............................. 136 14.3. Válvula Borboleta......................... 137 14.4. Válvula Globo .............................. 138 14.5. Válvula Auto-regulada ................. 140 15. VÁLVULAS ESPECIAIS ............................ 142 15.1. Válvula Retenção (Check Valve) . 142 15.2. Válvulas de Retenção Tipo Levantamento ....................................... 143 15.3. Válvulas de Retenção Esfera ...... 143 15.4. Válvulas de Retenção Borboleta . 143 15.5. Válvula de Retenção e Bloqueio . 143 16. VÁLVULA DE ALÍVIO DE PRESSÃO........... 143 16.1. Função do Equipamento.............. 143 16.2. Definições e Conceitos ................ 144 16.3. Sobrepressão .............................. 144 16.4. Válvula de Segurança.................. 144 17. VÁLVULAS SOLENÓIDES ........................ 146 17.1. Solenóide..................................... 146 17.2. Válvula Solenóide ........................ 147 17.3. Operação e Ação......................... 147 18. VÁLVULA REDUTORA DE PRESSÃO......... 148 18.1. Conceito....................................... 148 18.2. Precisão da Regulação................ 148 18.3. Sensibilidade ............................... 148 18.4. Seleção da Válvula Redutora de Pressão................................................. 148 18.5. Instalação..................................... 149 4. ESPECIFICAÇÕES.................................. 150 1. INFORMAÇÃO DO PRODUTO ..................... 150 1.1. Propriedade (feature)..................... 150 1.2. Especificação................................. 150 1.3. Característica................................. 150 2. PROPRIEDADES DO INSTRUMENTO ........... 151 2.1. Funcionalidade .............................. 151 2.2. Estabilidade ................................... 154 2.3. Integridade..................................... 154 2.4. Robustez........................................ 158 2.5. Confiabilidade ................................ 158 2.6. Disponibilidade .............................. 162 2.7. Calibração...................................... 163 2.8. Manutenção .................................. 163 2.9. Resposta dinâmica ........................ 164 Introdução 4 3. ESPECIFICAÇÕES DO INSTRUMENTO ......... 166 3.1. Especificações de Operação ......... 166 3.2. Especificação de desempenho ...... 166 3.3. Especificações funcionais.............. 174 3.4. Especificações físicas.................... 175 3.5. Especificação de segurança .......... 176 3.6. Corrosão dos Instrumentos............ 184 3.7. Processos Marginais...................... 187 7. VARIÁVEIS DO PROCESSO ....................... 189 OBJETIVOS DE ENSINO ................................ 189 1. INTRODUÇÃO........................................... 189 2. CONCEITO .............................................. 189 3. FAIXA DAS VARIÁVEIS .............................. 190 3.1. Faixa e Amplitude de Faixa ........... 190 3.2. Limites de Faixa ............................. 190 3.3. Faixa e Desempenho do Instrumento .............................................................. 190 4. PRESSÃO................................................ 191 4.1. Definição ........................................ 191 4.2. Unidades ........................................ 191 4.3. Tipos .............................................. 192 4.4. Medição da pressão....................... 193 4.5. Sensores Mecânicos...................... 193 4.6. Sensores Elétricos ......................... 195 4.7. Selo de pressão ............................. 196 4.8. Pressostato .................................... 196 4.9. Calibração da pressão ................... 197 5. TEMPERATURA........................................ 199 5.1. Definições ...................................... 199 5.2. Unidades ........................................ 199 5.3. Escalas........................................... 200 5.4. Escala Prática Internacional de Temperatura (EPIT) .............................. 200 # ............................................................ 201 5.5. Medição da Temperatura............... 202 5.6. Termopar........................................ 205 5.7. Resistência detectora de temperatura (RTD)..................................................... 208 5.8. Acessórios...................................... 210 6. ANÁLISE POR CROMATOGRAFIA ................ 212 6.1. Introdução e Histórico .................... 212 6.2. Tipos de Cromatografia ................. 212 6.3. Cromatografia Gás-Líquido............ 213 6.4. Cromatógrafo para gás natural ...... 213 6.5. Cromatógrafo em linha .................. 213 8. NÍVEL........................................................ 215 1. Introdução ......................................... 215 2. MEDIÇÃO MANUAL................................... 217 Introdução ............................................. 217 Geral...................................................... 217 Fita de imersão ..................................... 217 Peso de imersão ................................... 219 Régua Ullage ........................................ 220 Régua detectora de água ..................... 222 3. MEDIÇÃO AUTOMÁTICA............................ 223 3.1. Introdução ...................................... 223 3.2. Exigências metrológicas ................ 223 3.3. Exigências técnicas........................ 225 3.4. Exigências da instalação ............... 225 3.5. Exigências para medidor eletrônico225 3.6. Controle metrológico...................... 226 3.7. Procedimentos de teste ................. 227 3.8. Testes adicionais ........................... 229 3.9. Instalação e operação ................... 229 3.10. Seleção do medidor..................... 230 4. MEDIDORES DA ANP............................... 235 4.1. Medidores aprovados .................... 235 4.2. Medidor com Bóia.......................... 235 4.3. Medição com Deslocador .............. 235 4.4. Medição com Radar....................... 237 9. VAZÃO ...................................................... 239 1. INTRODUÇÃO .......................................... 239 2. CONCEITO DE VAZÃO .............................. 239 3. VAZÃO EM TUBULAÇÃO............................ 239 4. TIPOS DE VAZÃO..................................... 240 Vazão Ideal ou Real ............................. 241 Vazão Laminar ou Turbulenta .............. 241 Vazão Estável ou Instável .................... 242 Vazão Uniforme e Não Uniforme.......... 242 Vazão Volumétrica ou Mássica ............ 243 Vazão Incompressível e Compressível 243 Vazão Rotacional e Irrotacional............ 244 Vazão monofásica e bifásica ................ 244 Vazão Crítica ........................................ 245 5. PERFIL DA VELOCIDADE........................... 246 6. SELEÇÃO DO MEDIDOR............................ 247 6.1. Sistema de Medição ...................... 247 6.2. Tipos de Medidores ....................... 247 6.3. Parâmetros da Seleção ................. 249 6.4. Medidores aprovados pela ANP.... 252 PLACA DE ORIFÍCIO ..................................... 253 1. INTRODUÇÃO HISTÓRICA.......................... 253 2. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO E EQUAÇÕES.... 254 3. ELEMENTOS DOS SISTEMA....................... 255 3.1. Elemento Primário ......................... 256 3.2. Elemento Secundário .................... 256 4. PLACA DE ORIFÍCIO ................................. 256 4.1. Materiais da Placa ......................... 256 4.2. Geometria da Placa ....................... 256 4.3. Montagem da Placa....................... 258 4.4. Tomadas da Pressão Diferencial .. 259 4.5. Perda de Carga e Custo da Energia .............................................................. 260 4.6. Protusões e Cavidades.................. 261 4.7. Relações Matemáticas .................. 261 4.8. Fatores de Correção...................... 262 4.9. Dimensionamento do β da Placa... 263 4.10. Sensores da Pressão Diferencial 265 TURBINA....................................................... 267 1. INTRODUÇÃO .......................................... 267 2. TIPOS DE TURBINAS ................................ 267 Turbina mecânica ................................. 267 3. TURBINA CONVENCIONAL ........................ 268 Princípio de Funcionamento ................. 268 Partes Constituintes.............................. 268 Introdução 5 Detectores da Velocidade Angular ....... 270 Classificação Elétrica ............................ 271 Fluido Medido........................................ 271 Características ...................................... 272 Condicionamento do Sinal .................... 272 Desempenho......................................... 273 Fatores de Influência............................. 274 Seleção da turbina ................................ 275 Dimensionamento ................................. 276 Considerações Ambientais ................... 276 Instalação da Turbina............................ 277 Operação .............................................. 277 Manutenção .......................................... 278 Calibração e Rastreabilidade................ 278 Cuidados e procedimentos ................... 279 Folha de Especificação: Medidor de Vazão Tipo Turbina .......................................... 280 DESLOCAMENTO POSITIVO ......................... 281 1. INTRODUÇÃO........................................... 281 2. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO......................... 281 3. CARACTERÍSTICAS................................... 281 4. TIPOS DE MEDIDORES ............................. 283 Disco Nutante........................................ 283 Lâmina Rotatória................................... 283 Pistão Oscilatório .................................. 283 Pistão Reciprocante .............................. 284 Lóbulo Rotativo ..................................... 284 Medidor com Engrenagens Ovais......... 284 5. MEDIDORES PARA GASES ........................ 285 Aplicações............................................. 286 Calibração dos Medidores de Gases.... 286 6. VANTAGENS E DESVANTAGENS ................ 286 7. CONCLUSÃO ........................................... 287 CORIOLIS...................................................... 289 1. INTRODUÇÃO........................................... 289 2. EFEITO CORIOLIS .................................... 289 3. RELAÇÕES MATEMÁTICAS........................ 290 4. CALIBRAÇÃO ........................................... 290 5. MEDIDOR INDUSTRIAL.............................. 291 6. CARACTERÍSTICAS................................... 292 7. APLICAÇÕES ........................................... 292 8. CRITÉRIOS DE SELEÇÃO .......................... 292 9. LIMITAÇÕES ............................................ 292 10. CONCLUSÃO ......................................... 293 ULTRA-SÔNICO............................................. 295 17.1. INTRODUÇÃO...................................... 295 17.2. DIFERENÇA DE TEMPO........................ 295 17.2. DIFERENÇA DE FREQÜÊNCIA............... 296 17.3. EFEITO DOPPLER ............................... 296 17.4. RELAÇÃO MATEMÁTICA ...................... 296 17.5. REALIZAÇÃO DO MEDIDOR .................. 297 17.6. APLICAÇÕES ...................................... 297 Especificações ...................................... 298 Conclusão ............................................. 298 MAGNÉTICO ............................................... 299 8.1. Princípio de funcionamento ........... 299 8.2. Sistema de Medição ...................... 299 8.3. Tubo Medidor................................. 299 8.4. Transmissor de Vazão................... 300 8.5. Vantagens...................................... 300 8.6. Desvantagens e limitações............ 300 TERMINOLOGIA............................................ 302 2.1. INTRODUÇÃO ....................................... 302 2.2. DEFINIÇÕES E CONCEITOS ................... 302 Ação do Controlador............................. 302 Ação de Controle .................................. 302 Acessível............................................... 302 Ajuste .................................................... 302 Alarme................................................... 302 Amortecimento...................................... 303 Amplificador .......................................... 303 Analisador ............................................. 303 Análise .................................................. 303 Analógico .............................................. 303 Aquecimento (warm up)........................ 303 Área de ambiente.................................. 303 Armário (Rack)...................................... 303 Atenuador ............................................. 304 Atraso (delay)........................................ 304 Atuador ................................................. 304 Auto – aquecimento.............................. 304 Auto - regulação.................................... 304 Auto - sintonia ....................................... 304 Backlash ............................................... 304 Banda Proporcional .............................. 304 Bourdon C............................................. 304 Banda morta ......................................... 304 Base de numeração.............................. 304 Binário................................................... 304 Bico-Palheta.......................................... 305 Bocal ..................................................... 305 Bode, Diagrama de............................... 305 Bulbo..................................................... 305 Bypass .................................................. 305 Calibração............................................. 305 Campo .................................................. 305 Carga .................................................... 305 Cavitação .............................................. 305 Célula de carga..................................... 305 Centro de Controle ............................... 305 Chave.................................................... 305 Choque mecânico................................. 306 Cíclico ................................................... 306 Condições de Operação ....................... 306 Condutância.......................................... 306 Condutividade (elétrica)........................ 306 Confiabilidade ....................................... 306 Conhecimento (Acknowledgement)...... 306 Compartilhado....................................... 306 Compensação....................................... 306 Compensador ....................................... 306 Computador Analógico ......................... 306 Computador Digital ............................... 306 Introdução 6 Configuração......................................... 307 Conformidade........................................ 307 Constante de Tempo............................. 307 Consumo de ar...................................... 307 Controlador ........................................... 307 Controle Compartilhado ........................ 307 Controle Digital Direto........................... 307 Controle Liga-Desliga............................ 307 Controle Lógico Programável ............... 307 Controle Multivariável............................ 308 Controle Processo................................. 308 Controle Preditivo Antecipatório ........... 308 Controle Realimentação Negativa ........ 308 Controle Supervisório............................ 308 Conversor.............................................. 308 Coriolis .................................................. 308 Correção ............................................... 308 Corpo Negro.......................................... 308 Correlação............................................. 308 Corrosão ............................................... 309 Cristal piezoelétrico............................... 309 Característica, Curva ............................ 309 Característica de Válvula ...................... 309 Dedicado ............................................... 309 Default ................................................... 309 Densidade ............................................. 309 Desvio (drift) .......................................... 309 Detector................................................. 309 Dew Point.............................................. 309 Diafragma.............................................. 309 Diagrama ladder.................................... 309 Digital .................................................... 309 Display................................................... 310 Distúrbio ................................................ 310 dp Cell ................................................... 310 Driver..................................................... 310 Elemento Final ...................................... 310 Eletrônico .............................................. 310 Elo de Comunicação............................. 310 Equipamento ......................................... 310 Erro........................................................ 310 Espiral ................................................... 310 Estação Automático-Manual ................. 311 Estação Manual de Controle................. 311 Exatidão (accuracy) .............................. 311 Excitação............................................... 311 Faixa...................................................... 311 Falha ..................................................... 311 Fator de Escala ..................................... 311 Fibra óptica ........................................... 311 Fieldbus®.............................................. 312 Fio ......................................................... 312 Flacheamento (flashing)........................ 312 Fole ....................................................... 312 Foreground/background........................ 312 Freqüência ............................................ 312 Função .................................................. 312 Ganho.................................................... 312 Hardware (HD) ...................................... 312 HART®.................................................. 312 Hidrômetro ............................................ 312 Histerese............................................... 312 Hot Standby (Reserva a quente) .......... 313 Impedância ........................................... 313 Indicador ............................................... 313 Interface ................................................ 313 Interferência eletromagnética ............... 313 Intertravamento..................................... 313 Instrumentação ..................................... 313 Instrumento inteligente ......................... 313 Instrumento virtual ................................ 313 Invólucro ............................................... 313 IPTS 1990 ............................................. 313 Isolação................................................. 314 Junta ..................................................... 314 Lâmpada Piloto ..................................... 314 LASER .................................................. 314 Linear .................................................... 314 Linearidade ........................................... 314 Local de Risco (classificado) ................ 314 LVDT..................................................... 314 Malha .................................................... 314 Magnético, Medidor de Vazão.............. 314 Medição ................................................ 315 Microprocessador ................................. 315 Modulação ............................................ 315 Módulo .................................................. 315 Multiplexador......................................... 315 Não incenditivo ..................................... 315 Nível...................................................... 315 Normal .................................................. 315 Oscilação .............................................. 315 Otimização de Controle ........................ 315 Padrão .................................................. 315 Painel de Leitura (Display).................... 316 P & I ...................................................... 316 Peso...................................................... 316 Pirômetro .............................................. 316 Pitot....................................................... 316 pH ......................................................... 316 Placa de orifício .................................... 316 Pneumático ........................................... 316 Poço termal........................................... 316 Ponto de Ajuste..................................... 316 Posição ................................................. 316 Posicionador ......................................... 316 Pressão................................................. 317 Pressurização ....................................... 317 Procedimento........................................ 317 Processo ............................................... 317 Protocolo............................................... 317 Prova de explosão ................................ 317 Prover (lê-se prúver)............................. 317 Reação ao Processo ............................ 318 Regime permanente ............................. 318 Registrador ........................................... 318 Regulador ............................................. 318 Relé....................................................... 318 Repetitividade ....................................... 318 Reprodutitividade.................................. 318 Introdução 7 Reset ..................................................... 318 Resolução ............................................. 318 Resposta ............................................... 318 Ressonância ......................................... 318 Reynolds, número de............................ 318 RTD....................................................... 318 Rotâmetro ............................................. 319 Ruído..................................................... 319 Saturação.............................................. 319 SI ........................................................... 319 Sinal ...................................................... 319 Segurança intrínseca ............................ 319 Segurança aumentada.......................... 319 Sensitividade......................................... 319 Sensor................................................... 319 Servomecanismo .................................. 320 Sistema de Aquisição de Dados ........... 320 SCADA (Supervisory Control And Data Acquision) ............................................. 320 SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído)............................................ 320 Sistema de Controle.............................. 320 Software (SW)....................................... 320 Solenóide .............................................. 320 Strain gage............................................ 320 Tacômetro ............................................. 320 Telemetria ............................................. 320 Temperatura.......................................... 320 Tempo ................................................... 321 Termistor ............................................... 321 Termômetro........................................... 321 Termopar............................................... 321 Teste, Ponto de..................................... 321 Teste, Chave de.................................... 321 Torque................................................... 321 Transdutor............................................. 321 Transferível ........................................... 321 Transiente ............................................. 322 Transmissor .......................................... 322 Tubo de vazão (flow tube ou meter run) ..... 322 Turbina medidora de vazão .................. 322 Umidade................................................ 322 Válvula de Controle............................... 322 Válvula de segurança............................ 322 Vapor..................................................... 322 Variável de Processo ............................ 322 Vazão .................................................... 322 Venturi ................................................... 322 Vibração ................................................ 323 Viscosidade........................................... 323 Visor de nível ........................................ 323 Vortex.................................................... 323 Wheatstone, ponte de........................... 323 16. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............ 324 1 1. Instrumentação Objetivos de Ensino 1. Conceituar instrumentação, distinguindo seus diferentes enfoques de fabricação, projeto, especificação, instalação, operação e manutenção. 2. Identificar as variáveis analógicas envolvidas. 3. Listar os tipos de equipamentos que podem ser benficiados com a medição e controle de suas variáveis. 4. Determinar qual tipo de indústria possui processo onde se pode aplicar a instrumentação. 5. Listar as principais vantagens de se usar instrumentos de medição e controle. 1. Instrumentação 1.1. Conceito e aplicações Instrumentação é o conjunto de instrumentos e equipamento auxiliar usado em uma experiência, teste ou processo ou em uma planta, máquina ou veículo. Estes instrumentos são usados para detectar, observar, medir, controlar automaticamente, computar automaticamente, comunicar ou processar dados e sinais. A instrumentação é o ramo da engenharia que trata de instrumentos industriais de medição. Os enfoques da instrumentação podem ser de 1. Fabricação: construção de componentes e instrumentos. 2. Projeto: detalhamento básico e específico de sistemas equipamentos e instrumentos. 3. Especificação: estabelecimento de características físicas, funcionais e de segurança dos instrumentos. 4. Vendas: comercialização, marketing e promoção de instrumentos 5. Montagem: instalação correta dos instrumentos no local de trabalho, para que ele operem conforme o previsto. 6. Operação: monitoração do desempenho dos instrumentos e atuação manual, quando necessário, para garantir segurança e eficiência do processo envolvido. 7. Manutenção dos instrumentos: reparo do instrumento quando inoperante, calibração e ajuste do instrumento quando o seu desempenho metrológico o exigir. As principais funções dos instrumentos são: 1. Sensor: detecção da variável medida. 2. Indicação: apresentação do valor instantâneo da variável. 3. Condicionamento do sinal: operação de tornar mais amigável o sinal original. 4. Registro: apresentação do valor histórico e em tempo real da variável. 5. Controle: garantia de que o valor de uma variável permaneça igual, em torno ou próximo de um valor desejado. 6. Alarme e intertravamento: geração de sinais para chamar a atenção do operador para condições que exijam sua interferência ou para atuar automaticamente no processo para mantê-lo seguro. As variáveis envolvidas incluem mas não se limitam a 1. Análise 2. Nível 3. Pressão 4. Temperatura 5. Vazão Os instrumentos estão associados e aplicados aos seguintes equipamentos: 1. Caldeira: equipamento para gerar vapor. 2. Reator: equipamento onde se realiza uma reação química ordenada. 3. Compressor: equipamento para mover gases. 4. Bomba: equipamento para mover líquidos. 5. Coluna de destilação: equipamento para separar diferentes produtos com diferentes pontos de ebulição. 6. Forno: equipamento para aquecer algum produto. 7. Refrigerador: equipamento para esfriar algum produto. 8. Condicionador de ar: equipamento para manter a temperatura e a umidade Instrumentação 2 relativa do ar ambiente dentro de determinados limites estabelecidos. As indústrias que utilizam os instrumentos de medição e de controle do processo, de modo intensivo e extensivo são: 1. Química 2. Petroquímica 3. Refinaria de petróleo 4. Gás e óleo 5. Dutos e Terminais 6. Têxtil 7. Fertilizante 8. Papel e celulose 9. Alimentícia 10. Farmacêutica 11. Cimento 12. Siderúrgica 13. Mineração 14. Nuclear 15. Hidrelétrica 16. Termelétrica 17. Tratamento d'água e de efluentes 1.2. Disciplinas relacionadas O projeto completo do sistema de controle de um processo envolve vários procedimentos e exige os conhecimentos dos mais diversos campos da engenharia, tais como: 1. Mecânica dos fluidos, para a especificação de bombas, dimensionamento de tubulações, disposição de bandejas da coluna de destilação, dimensionamento de trocadores de calor, especificação de bombas e compressores. 2. Transferência de calor, para a determinação da remoção do calor dos reatores químicos, pré-aquecedores, caldeiras de recuperação e dimensionamento de condensadores. 3. Cinética das reações químicas, para o dimensionamento dos reatores, escolha das condições de operação (pressão, temperatura e nível) e de catalisadores, 4. Termodinâmica, para o calculo da transferência de massa, do número e da relação das placas de refluxo e das condições de equilíbrio do reator. 5. Informática para a operação de sistemas de controle que usam computadores digitais como interface humano-máquina. 6. Telecomunicação para aplicar em redes de comunicação que interligam sistemas digitais separados por pequenas e grandes distancias. 7. Estatística para a estimativa das incertezas associadas com as medições e o desenvolvimento de técnicas para determinar e minimizar estas incertezas dos instrumentos e das medições em uso industrial, garantindo sua precisão e exatidão. 8. Aritmética para expressar corretamente os resultados da medição, com o número correto de algarismos significativos, havendo coerência e conformidade com as especificações metrológicas dos instrumentos da malha de medição. 9. Legislação, normas técnicas e boas práticas, para atender exigências legais e contratos comerciais entre comprador e vendedor de produtos em transferência de custódia. Esses conhecimentos auxiliam na escolha e na aplicação do sistema de controle automático associado ao processo. Os modelos matemáticos, as analogias e a simulação do processo são desenvolvidos e dirigidos para o entendimento do processo e sua dinâmica e finalmente para a escolha do melhor sistema de controle. A especificação dos instrumentos requer o conhecimento dos catálogos dos fabricantes e das funções a serem executadas, bem como das normas, leis e regulamentações aplicáveis. A manutenção dos instrumentos exige o conhecimento dos circuitos mecânicos, pneumáticos e eletrônicos dos instrumentos, geralmente fornecidos pelos fabricantes dos instrumentos. Para a manutenção da instrumentação pneumática exige-se a habilidade manual e uma paciência bovina para os ajustes de elos, alinhamento de foles, estabelecimento de ângulos retos entre alavancas, colocação de parafusos em locais quase inacessíveis. A manutenção dos instrumentos eletrônicos requer o conhecimento da eletrônica básica, do funcionamento dos amplificadores operacionais e atualmente das técnicas digitais. O fabricante correto fornece os circuitos eletrônicos e os diagramas de bloco esquemáticos dos instrumentos. Para a sintonia do controlador e o entendimento dos fenômenos relativos ao amortecimento, à oscilação e à saturação é útil o conhecimento rigoroso dos conceitos matemáticos da integral e da derivada. A analise teórica da estabilidade do processo requer uma matemática transcendental, envolvendo a função de transferência, os zeros e os pólos de diagramas, as equações diferenciais, a transformada de Laplace e os critérios de Routh-Hurwitz. Instrumentação 3 Fig. 1.2. Vista da Sala de Controle 1.3. Vantagens e Aplicações Nem todas as vantagens da instrumentação podem ser listadas aqui. As principais estão relacionadas com a qualidade e com a quantidade dos produtos, fabricados com segurança e sem subprodutos nocivos. Há muitas outras vantagens. O controle automático possibilita a existência de processos extremamente complexos, impossíveis de existirem apenas com o controle manual. Um processo industrial típico envolve centenas e até milhares de sensores e de elementos finais de controle que devem ser operados e coordenados continuamente. Como vantagens, o instrumento de medição e controle 1. não fica aborrecido ou nervoso, 2. não reclama, 3. não fica distraído ou atraído por pessoas bonitas, 4. não assiste a um jogo de futebol na televisão nem o escuta pelo rádio, 5. não pára para almoçar ou ir ao banheiro, 6. não fica cansado de trabalhar, 7. não tem problemas emocionais, 8. não abusa seu corpos ou sua mente, 9. não tem sono, 10. não folga do fim de semana ou feriado, 11. não sai de férias, 12. não reivindica aumento de salário. Porém, como desvantagens, o instrumento 1. sempre apresenta erro de medição 2. opera adequadamente somente quando estiver nas condições previstas pelo fabricante, 3. requer calibrações e ajustes periódicos, para se manter exato 4. requer manutenção corretiva, preventiva ou preditiva, para que sua precisão se mantenha dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante e 5. é provável que algum dia ele falhe e pela lei de Murphy, esta falha geralmente acontecerá na pior hora possível e poderá acarretar grandes complicações. Qualidade do Produto A maioria dos produtos industriais é fabricada para satisfazer determinadas propriedades físicas e químicas. Quanto melhor a qualidade do produto, menores devem ser as tolerâncias de suas propriedades. Quanto menor a tolerância, maior a necessidade dos instrumentos para a medição e o controle automático. Os fabricantes executam testes físicos e químicos em todos os produtos feitos ou, pelo menos, em amostras representativas tomadas aleatoriamente das linhas de produção, para verificar se as especificações estabelecidas foram atingidas pela produção. Para isso, são usados instrumentos tais como indicadores de densidade e viscosidade, espectrômetros de massa, analisadores de infravermelho, cromatógrafos e outros. Os instrumentos possibilitam a verificação, a garantia e a repetitividade da qualidade dos produtos. Atualmente, o conjunto de normas ISO 9000 exige que os instrumentos que impactam a qualidade do produto tenham um sistema de monitoração, onde estão incluídas a manutenção e calibração documentada deles. Instrumentos analíticos são a base da obtenção de produtos dentro de suas especificações desejadas. Quantidade do Produto As quantidades das matérias primas, dos produtos finais e das utilidades devem ser medidas e controladas para fins de balanço do custo e do rendimento do processo. Também é freqüente a medição de produtos para venda e compra entre plantas diferentes. Os instrumentos de indicação, registro e totalização da vazão e do nível fazem a aquisição confiável dos dados através das medições de modo continuo e preciso. Os instrumentos asseguram a quantidade precisa e exata das substâncias transferidas, compradas e vendidas. Fig. 1.4. Instrumentos de medição de nível Instrumentação 4 Economia do Processo O controle automático economiza energia, pois elimina o superaquecimento de fornos, de fornalhas e de secadores. O controle de calor está baseado geralmente na medição de temperatura e não existe nenhum operador humano que consiga sentir a temperatura com a precisão e a sensitividade do termopar ou da resistência. Instrumentos também permitem a realização de reações químicas em quantidades estequiométricas e econômicas. Os instrumentos garantem a conservação da energia e a economia do processo . Fig. 1.5. Instrumentação aplicada à indústria Ecologia Na maioria dos processos, os produtos que não são aproveitáveis e devem ser jogados fora, são prejudiciais às vidas animal e vegetal. A fim de evitar este resultado nocivo, devem ser adicionados agentes corretivos para neutralizar estes efeitos. Pela medição do pH dos efluentes, pode se economizar a quantidade do agente corretivo a ser usado e pode se assegurar que o efluente esteja não agressivo. Os instrumentos garantem efluentes limpos e inofensivos. Segurança da Planta O processo deve ter alarme e proteção associados ao sistema de medição e controle. O alarme é realizado através das mudanças de contatos elétricos, monitoradas pelos valores máximo e mínimo das variáveis do processo. Os contatos dos alarmes podem atuar (ligar ou desligar) equipamentos elétricos, dispositivos sonoros e luminosos. É útil o uso do sistema de desligamento automático ou de trip do processo. Deve-se proteger o processo, através de um sistema lógico e seqüencial que sinta as variáveis do processo e mantenha os seus valores dentro dos limites de segurança, ligando ou desligando os equipamentos e evitando qualquer seqüência indevida que produza condição perigosa. Fig. 1.6. Planta industrial Muitas plantas possuem uma ou várias áreas onde podem estar vários perigos, tais como o fogo, a explosão, a liberação de produtos tóxicos. Haverá problema, a não ser que sejam tomados cuidados especiais na observação e no controle destes fenômenos. Hoje são disponíveis instrumentos que podem detectar a presença de concentrações perigosas de gases e vapores e o aparecimento de chama em unidades de combustão. Finalmente, todos os instrumentos que são instalados em áreas que contenham gases, pós ou fibras explosivas ou incendiárias devem ter proteções adicionais, para que sua presença no local não aumente o risco de explosão ou incêndio no local. Os instrumentos protegem vidas humanas, meio ambiente e equipamentos . 5 2. Símbolos e Identificação Objetivos de Ensino 1. Mostrar as normas, aplicações da simbologia e identificação dos instrumentos na indústria. 2. Apresentar os parâmetros para a identificação completa e correta dos instrumentos, quanto a local, filosofia, variável, função e modificadores de instrumentos analógicos e digitais. 3. A partir de uma descrição, elaborar um diagrama P&I (Processo & Instrumentos). 4. A partir de um P&I, descrever de modo completo e correto os equipamentos e instrumentos envolvidos. 1. Introdução A simbologia de instrumentação analógica e digital, compartilhada e integral, distribuída e centralizada se baseia nas seguintes normas: 1. ABNT 03.004, NBR 8190, 1983: Simbologia de Instrumentação. 2. ISA S5.1, Instrumentation Symbols and Identification, 1984 3. ISA S5.3, Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems, 1983 2. Aplicações Os símbolos de instrumentação são encontrados principalmente em 1. Fluxogramas de processo e de engenharia, 2. Desenhos de detalhamento de instrumentação instalação, diagramas de ligação, plantas de localização, diagramas lógicos de controle, listagem de instrumentos, 3. Painéis sinópticos e semigráficos na sala de controle, 4. Diagramas de telas de vídeo de estações de controle. 3. Roteiro da identificação 3.1. Geral Cada instrumento ou função a ser identificada é designado por um conjunto alfanumérico, chamado de tag. A parte de identificação da malha correspondente ao número e é comum a todos os instrumentos da mesma malha. O tag pode ainda ter sufixo para completar a identificação. O número da malha do instrumento pode incluir o código da informação da área . Por exemplo, os tags TIC 500-103 e TIC 500-104 são de dois Controladores Indicadores de Temperatura, ambos da área 500 e os números seqüenciais são 103 e 104. 3.2. Tag completo típico TIC 103 Identificação do instrumento ou tag do instrumento T... Primeira letra: variável da malha, Temperatura ...C Última letra: identificação funcional: Controlador ...I... Modificador ou complemento da função: Indicador 103 Número da malha de temperatura 3.3. Identificação funcional A identificação funcional do instrumento ou seu equivalente funcional consiste de letras da Tab. 2.5 e inclui uma primeira letra, que é a variável do processo medida ou de 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 a 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 Símbolos e Identificação 6 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. Quando há somente duas letras, a segunda letra é a função do instrumento. FT é o tag de um transmissor (T) de vazão (F). Também a segunda letra, que corresponde a função do instrumento, pode ter um ou mais modificadores. FIA é o tag de um indicador de vazão, com alarme. Alarme é o modificador da função indicação. Também pode se detalhar o tipo de alarme, p. ex., FIAL é o tag de um indicador de vazão com alarme de baixa. O tag pode ter modificador da variável (primeira letra) e da função (segunda letra). Por exemplo, PDIAL é um indicador de pressão diferencial (modificador de pressão) com alarme (modificador do indicador) de baixa (modificador do alarme). Quando o tag possuir várias letras, pode-se dividi-lo em dois tags. O instrumento é simbolizado por dois balões se tangenciando e o tag por ser, por exemplo, TIC-3 para o controlador indicador de temperatura e TSH-3 para a chave manual associada ao controlador. Todas as letras de identificação de instrumentos são maiúsculas. Por isso, deve-se evitar usar FrC para controlador de relação de vazões e usar FFC, controlador de fração de vazões. As funções de condicionamento de sinal ou de computação matem[atica (+. -, x, ÷, √), seleção (<, >), lógica e covnersão (i/p, p/i) deve ter os símbolos ao lado do balão, para esclarecer a função executada. 3.4. Identificação da malha A identificação da malha geralmente é feita por um número, colocado ao final da identificação funcional do instrumento associado a uma variável de processo. Esta numeração não está na norma, mas se baseia em bom senso ou códigos locais da empresa. A numeração pode ser serial ou paralela. Numeração paralela começa de 0 ou 1 para cada variável, TIC-100, FIC-100, LIC-100 e AI- 100. Numeração serial usa uma única seqüência de números, de modo que se tem TIC-100, FIC-101, LIC-102 e AI-103. A numeração pode começar de 0, 1 ou qualquer outro número conveniente, como 101, 1001, 1201. Quando a malha tem mais de um instrumento com a mesma função, geralmente a função de condicionamento, deve-se usar apêndice ou sufixo ao número. Por exemplo, se a mesma malha de vazão tem um extrator de raiz quadrada e um transdutor corrente para pneumático, o primeiro pode ser FY-101-A e o segundo, FY-101-B. Quando se tem um registrador multiponto, com n pontos, é comum numerar as malhas como TE-18-1, TE-18-2, TE-18-3 até TE-18-n. Quando um registrador tem penas dedicadas para vazão, pressão, temperatura, seu tag pode ser FR-2, PR-5 e TR-13. Se ele registra três temperaturas diferentes, seu tag pode ser TR-7/8/9. Acessórios de instrumentos, como purgador, regulador de pressão, pote de selagem e poço de temperatura, que às vezes nem é mostrado explicitamente no diagrama, precisam ser identificados e ter um tag, de acordo com sua função e deve ter o mesmo número da malha onde é utilizado. Esta identificação não implica que o acessório deva ser representado no diagrama. Também pode usar o mesmo tag da malha e colocando-se a palavra de sua função, como selo, poço, flange, purga. Há acessório que possui letra correspondente na norma, como W para poço (well) termal. Pode haver diferenças de detalhes de identificação. Por exemplo, para a malha 301 de controle de temperatura, pode-se ter a seguinte identificação: TE-301 sensor de temperatura TT – 301 transmissor de temperatura TC-301 controlador de temperatura TCV-301 válvula controladora (ou de controle) de temperatura Porém, há quem prefira e use: TIC-301-E sensor de temperatura TIC – 301-T transmissor de temperatura TIC-301-C controlador de temperatura TIC-301-V válvula controladora (ou de controle) de temperatura Também é possível encontrar em diagramas o tag de TIC ou TC para o controlador de temperatura. Como praticamente todo controlador é também indicador, é comum simplificar e usar TC. Alguns projetistas usam pequenas diferenças de tag para distinguir válvulas auto controladas (reguladoras) de válvulas convencionais que recebem o sinal do controlador. Assim, a válvula auto controlada de temperatura tem tag de TCV e a válvula convencional de TV. Símbolos e Identificação 7 Tab. 2.1. Válvulas de controle Válvula de controle com atuador pneumático Válvula atuada por cilindro (ação dupla) Válvula auto regulada ou reguladora Reguladora com tomada de pressão externa Reguladora de vazão autocontida Válvula solenóide com três vias com reset Atuada por diafragma com pressão balanceada Válvula com atuador a diafragma e posicionador Ação da válvula FC – Falha fechada FO – Falha aberta Válvula de controle com atuador manual Tab. 2.2. Válvulas manuais (*) Válvula gaveta (*) Pode ser acoplado atuador ao corpo (*) Válvula globo Válvula retenção Válvula plug Válvula controle manual (*) Válvula esfera (*) Válvula borboleta ou damper Válvula de retenção e bloqueio Válvula de blowdown (*) Válvula diafragma (*) Válvula ângulo (*) Válvula três vias Válvula quatro vias Corpo de válvula isolado Válvula agulha Outras válvulas com abreviatura sob o corpo S R FO ou FC IhV NV TSO Símbolos e Identificação 8 Tab. 2.3. Miscelânea Válvula de segurança de pressão, ajuste em 100 kPa Válvula de segurança de vácuo, ajuste em 50 mm H2O vácuo Disco de ruptura (pressão) Disco de ruptura (vácuo) C = selo químico P = amortecedor de pulsação S = sifão Plug Mangueira Filtro, tipo Y Purgador de vapor Dreno contínuo Código item #1234 Funil de dreno (Ver abreviaturas) Instrumento de nível tipo deslocador, montado externamente ao tanque Filtro tipo T Placa de orifício com flange Totalizador indicador de vazão a DP Indicador de vazão tipo área variável Tubo venturi ou bocal medidor de vazão Turbina medidora de vazão ou elemento propelente Placa de orifício em porta placa Tubo pitot ou Annubar® Espetáculo cego instalado com anel em linha (passagem livre) Espetáculo cego instalado com disco em linha (bloqueado) Transmissor de nível a pressão diferencial PSV PSV PSE PSE C T LSV T LSV o FQI FI FE FE FE FE LT FE LT Símbolos e Identificação 9 4.3. Linhas entre os Instrumentos As linhas de ligações entre os instrumentos devem ser mais finas que as linhas de processo e são simbolizadas como mostrado a seguir. Sinal indefinido: conexão com processo, elo mecânico ou alimentação do instrumento Sinal pneumático, típico de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi) Sinal eletrônico, típico de 4 a 20 mA cc Sinal binário ou discreto (saída de chave) Sinal de ligação por programação ou elo de comunicação Elo mecânico ~ ~ ~ Sinal eletromagnético ou sônico (guiado) ~ ~ ~ Sinal eletromagnético ou sônico (não guiado) L L L Sinal hidráulico Tubo capilar Linha de processo 4.4. Balão do Instrumento O instrumento completo é simbolizado por um pequeno balão circular, com diâmetro aproximado de 12 mm. Porém, os avanços nos sistemas de controle com instrumentação aplicando microprocessador, computador digital, que permitem funções compartilhadas em um único instrumento e que utilizam ligações por programação ou por elo de comunicação, fizeram surgir outros símbolos de instrumentos e de interligações. Tab. 2.4. Representação dos instrumentos em Diagramas P&I Sala de Controle Central Painel Auxiliar Campo Acessível ao operador Atras do painel ou inacessível ao operador Acessível ao operador Atras do painel ou inacessível ao operador Montado no campo Equipamento Instrumento discreto Equipamento compartilhado Instrumento compartilhado Software Função de computador Lógica compartilhada Controle Lógico Programável Instrumentos compartilhando o mesmo invólucro. Não é mandatório mostrar uma caixa comum. Símbolos e Identificação 10 Tab. 2.5. Letras de Identificação Variável Modificador Função display Função saída Modificador A Análise (5,19) Alarme B Queimador (burner) Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1) C Condutividade Escolha (1) Controle (13) D Densidade Escolha (1) Diferencial E Tensão (f.e.m.) Elemento sensor F Vazão (flow) Fração ou relação (4) G Escolha (1) Visor (9) ou indicador local H Manual (hand) Alto (high) (7, 15, 16) I Corrente Indicação (10) J Potência Varredura (scan) (7) K Tempo Tempo de mudança (4, 21) Estação controle (22) L Nível (level) Lâmpada (11) Baixo (low) (7, 15, 16) M Escolha (1) Momentâneo Médio (7, 15) N Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1) O Escolha (1) Orifício ou Restrição P Pressão, Vácuo Ponto de teste Q Quantidade Integral, Total (4) Quantificador R Radiação Registro (17) S Velocidade (speed) Segurança (8) Chave (13) T Temperatura Transmissão (18) U Multivariável (6) Multifunção (12) Multifunção (12) Multifunção (12) V Vibração, Análise mecânica Válvula, damper (13) W Peso, Força Poço (well) X Não classificado (2) Variável a definir Eixo X Não classificado (2) Não classificado (2) Y Evento, Estado Função a definir Eixo Y Não classificado (2) Relé, computação (13, 14, 18) Z Posição ou Dimensão Eixo Z Elemento final Símbolos e Identificação 11 Notas para a Tabela das Letras de Identificação 1. Uma letra de escolha do usuário tem o objetivo de cobrir significado não listado que é necessário em uma determinada aplicação. Se usada, a letra pode ter um significado como de primeira letra ou de letras subsequentes. O significado precisa ser definido uma única vez em uma legenda. Por exemplo, a letra N pode ser definida como módulo de elasticidade como uma primeira letra ou como osciloscópio como letra subsequente. 2. A letra X não classificada tem o objetivo de cobrir significado não listado que será usado somente uma vez ou usado em um significado limitado. Se usada, a letra pode ter qualquer número de significados como primeira letra ou como letra subsequente. O significado da letra X deve ser definido do lado de fora do círculo do diagrama. Por exemplo, XR pode ser registrador de consistência e XX pode ser um osciloscópio de consistência. 3. A forma gramatical do significado das letras subsequentes pode ser modificado livremente. Por exemplo, I pode significar indicador, ou indicação; T pode significar transmissão ou transmissor. 4. Qualquer primeira letra combinada com as letras modificadoras D (diferencial), F (relação), M (momentâneo), K (tempo de alteração) e Q (integração ou totalização) representa uma variável nova e separada e a combinação é tratada como uma entidade de primeira letra. Assim, os instrumentos TDI e TI indicam duas variáveis diferentes: diferença de temperatura e temperatura. As letras modificadoras são usadas quando aplicável. 5. A letra A (análise) cobre todas as análises não descritas como uma escolha do usuário. O tipo de análise deve ser especificado fora do circulo de identificação. Por exemplo, análise de pH, análise de O2. Análise é variável de processo e não função de instrumento, como muitos pensam principalmente por causa do uso inadequado do termo analisador. 6. O uso de U como primeira letra para multivariável em lugar de uma combinação de outras primeiras letras é opcional. É recomendável usar as primeiras letras especificas em lugar da letra U, que deve ser usada apenas quando o número de letras for muito grande. Por exemplo, é preferível usar PR/TR para indicar um registrador de pressão e temperatura em vez de UR. Porém, quando se tem um registrador multiponto, com 24 pontos e muitas variáveis diferentes, deve-se usar UR. 7. O uso dos termos modificadores alto (H), baixo (L), médio (M) e varredura (J) é opcional. 8. O termo segurança se aplica a elementos primários e finais de proteção de emergência. Assim, uma válvula auto atuada que evita a operação de um sistema de fluido atingir valores elevados, aliviando o fluido do sistema tem um tag PCV (válvula controladora de pressão). Porém, o tag desta válvula deve ser PSV (válvula de segurança de pressão) se ela protege o sistema contra condições de emergência, ou seja, condições que são perigosas para o pessoal ou o equipamento e que são raras de aparecer. A designação PSV se aplica a todas as válvulas de proteção contra condições de alta pressão de emergência, independente de sua construção, modo de operação, local de montagem, categoria de segurança, válvula de alívio ou de segurança. Um disco de ruptura tem o tag PSE (elemento de segurança de pressão). 9. A função passiva G se aplica a instrumentos ou equipamentos que fornecem uma indicação não calibrada, como visor de vidro ou monitor de televisão. Costuma-se aplicar TG para termômetro e PG para manômetro, o que não é previsto por esta norma. 10. A indicação normalmente se aplica a displays analógicos ou digitais de uma medição instantânea. No caso de uma estação manual, a indicação pode ser usada para o dial ou indicador do ajuste. 11. Uma lâmpada piloto que é parte de uma malha de instrumento deve ser designada por uma primeira letra seguida pela letra subsequente L. Por exemplo, uma lâmpada piloto que indica o tempo expirado deve ter o tag KQL (lâmpada de totalização de tempo). A lâmpada para indicar o funcionamento de um motor tem o tag EL (lâmpada de voltagem), pois a voltagem é a variável medida conveniente para indicar a operação do motor ou YL (lâmpada de evento) assumindo que o estado de operação está sendo monitorado. Não se deve usar a letra genérica X, como XL 12. O uso da letra U para multifunção, vem vez da combinação de outras letras funcionais é opcional. Este designador não específico deve ser usado raramente. 13. Um dispositivo que liga, desliga ou transfere um ou mais circuitos pode ser uma chave, um relé, um controlador liga-desliga ou uma válvula de controle, dependendo da aplicação. Se o equipamento manipula uma vazão de fluido do processo e não é uma válvula manual de bloqueio liga-desliga, ela é projetada como válvula de controle. É incorreto usar o tag CV para qualquer coisa que não seja uma válvula de controle auto atuada. Para todas as aplicações que não tenham vazão de fluido de processo, o equipamento é projetado como: a) Chave, se for atuada manualmente. b) Chave ou controlador liga-desliga, se for automático e for o primeiro dispositivo na malha. O termo chave é geralmente usado se o dispositivo é aplicado para alarme, lâmpada piloto, seleção, intertravamento ou segurança. O termo controlador é usado se o dispositivo é aplicado para o controle de operação normal. c) Relé, se for automático e não for o primeiro dispositivo na malha, mas atuado por uma chave ou por um controlador liga-desliga. 14. As funções associadas com o uso de letras subsequentes Y devem ser definidas do lado de fora do circulo de identificação. Por exemplo, FY pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de vazão; TY pode ser o conversor corrente para pneumático em uma malha de controle de temperatura. Quando a função é evidente como para uma válvula solenóide ou um conversor corrente para pneumático ou pneumático para corrente a definição pode não ser obrigatória. 15. Os termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário correspondem aos valores da variável medida e não aos valores do sinal. Por exemplo, um alarme de nível alto proveniente de um transmissor de nível com ação inversa deve ser LAH, mesmo que fisicamente o alarme seja atuado quando o sinal atinge um valor mínimo crítico. 16. Os termos alto e baixo quando aplicados a posições de válvulas e outras dispositivos de abrir e fechar são assim definidos: a) alto significa que a válvula está totalmente aberta b) baixo significa que a válvula está totalmente fechada 17. O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar permanentemente a informação que permita a sua recuperação por qualquer modo. 18. Elemento sensor, transdutor, transmissor e conversor são dispositivos com funções diferentes, conforme ISA S37.1. 19. A primeira letra V, vibração ou análise mecânica, destina-se a executar as tarefas em monitoração de máquinas que a letra A executa em uma análise mais geral. Exceto para vibração, é esperado que a variável de interesse seja definida fora das letras de tag. 20. A primeira letra Y se destina ao uso quando as respostas de controle ou monitoração são acionadas por evento e não acionadas pelo tempo. A letra Y, nesta posição, pode também significar presença ou estado. 21. A letra modificadora K, em combinação com uma primeira letra como L, T ou W, significa uma variação de taxa de tempo da quantidade medida ou de inicialização. A variável WKIC, por exemplo, pode representar um controlador de taxa de perda de peso. 22. A letra K como modificador é uma opção do usuário para designar uma estação de controle, enquanto a letra C seguinte é usada para descrever controlador automático ou manual. Símbolos e Identificação 12 Tab. 2.6. Elementos do Diagrama Funcional Transmissor de vazão Transmissor de nível Transmissor de pressão Transmissor de temperatura Transmissor de análise Lâmpada de painel Indicador da variável X Registrador da variável X Bobina de relé Chave de transferência Relé de transferência ou trip Seletor de sinal alto Seletor de sinal baixo Conversor analógico/digital Conversor digital/analógico Operador motorizado Operador não especificado