Automação e Controle Industrial - Instrumentação

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Instrumentação e Controle Industrial
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SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial / CEP Canaã dos Carajás
Introdução
A Instrumentação pode ser definida como a ciência que aplica e desenvolve técnicas para medidas e controles em equipamentos e processos industriais.
A Instrumentação aplica e desenvolve técnicas de adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais, visando rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado.
Devido a crescente necessidade de aperfeiçoamento dos processos industriais, objetivando uma produção mais eficiente, de qualidade e competitividade, tem-se desenvolvido inúmeros tipos de sensores para monitoração das variáveis envolvidas nos processos. Assim, é necessário que o profissional envolvido com a área, possua conhecimento abrangente sobre o princípio de funcionamento e aplicação dos diversos tipos de sensores industriais.
Processo Industrial
É todo maquinário ou linha de maquinários que realiza transformações em matéria ou energia.
Produto – É o resultado final dessa transformação.
Matéria-Prima – É aquilo que deve ser transformado.
Insumo – É a matéria ou energia que entra no processo para fazê-lo funcionar, mas que não entra diretamente na constituição do produto.
Um processo industrial pode ser descrito pelo comportamento de diversas grandezas físicas. Para que o processo funcione bem é necessário que as grandezas envolvidas tenham um comportamento correto e de acordo com regras operacionais pré- estabelecidas. Por exemplo, para que uma chapa de aço tenha espessura correta e uniforme é necessário que a compressão dos cilindros do laminador tenha comportamento adequado à dureza e à elasticidade do aço.
Tipos básicos de processos
Contínuo - Processo ininterrupto, com fluxo constante de entrada de matéria-prima e da saída de produto. Ex.: Linha de destilação de petróleo.
Consiste principalmente de: 
• Medição das grandezas; 
• Controle de fluxo de insumos; 
• Controle de fluxo de matérias-primas; 
• Registro histórico (no tempo) do comportamento das grandezas.
Batelada - Processo descontínuo, em que uma batelada de matéria-prima é introduzida no início, em seguida ocorre à transformação e, por fim uma batelada de produto é retirada. Ex.: um forno de cerâmica.
Consiste principalmente de: 
• Comandos de ligamento/desligamento; 
• Comandos de abertura /fechamento; 
• Detecção de eventos e alarmes; 
• Contagens de eventos e de peças; 
• Temporizações.
Sistema de Controle de Processos
É um conjunto de dispositivos que mantém as grandezas físico-químicas, envolvidas no processo, dentro de condições definidas na sua entrada e sincroniza corretamente as sequencias de operações no tempo. Os dispositivos que o compõe podem ser elétricos, mecânicos, ópticos e até seres humanos. As grandezas controladas são várias, mas as mais comuns são temperatura, pressão, vazão, nível de líquidos ou sólidos, velocidade, frequência, posição linear ou angular, tensão, corrente e luminosidade.
O controle lógico é realizado:
• Pelo operador, via painéis e conforme procedimentos em papel, nos processos menos automatizados; 
• Por quadros de relés logicamente interligados, em processos automatizados mais antigos; 
• Por Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s), que são microprocessadores dedicados ao controle lógico, em processos automatizados mais modernos.
A entrada do sistema pode ser o ajuste feito nos botões no painel do controlador, nos sistemas de controle analógicos, ou através de um programa, nos sistemas de controle Digitais com microprocessador.
Termos Usados nos Sistemas de Controle
Planta - É parte de um equipamento, ou eventualmente um conjunto de itens de uma máquina, que funcionam conjuntamente, cuja finalidade é de realizar uma dada operação.
Processo - É uma operação artificial ou voluntária, que evolui progressivamente, e se constitui por uma série de ações controladas ou movimentos sistematicamente dirigidos objetivando um particular resultado ou meta.
Sistema - É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente para atingir certo objetivo. Um sistema não é limitado a algo físico. O conceito de sistemas pode ser aplicado a fenômenos abstratos, dinâmicos, tais como os encontrados em economia.
Distúrbio - É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da saída de um sistema. Se um distúrbio é gerado dentro do sistema, ele é denominado interno; ao passo que um distúrbio externo é gerado fora do sistema e é então considerado como uma entrada.
Controle Realimentado - É a operação que, na presença de distúrbios, tende a reduzir a diferença entre a saída real do sistema e a saída desejada com base em um sinal de referência.
Servomecanismos - São sistemas de controle realimentados nos quais a saída é alguma posição mecânica, velocidade ou aceleração. São muito usados na indústria moderna.
Ex.: a operação automática completa de máquinas operatrizes, juntamente com instruções programadas, pode ser desempenhada com o uso de servomecanismos.
Malha de controle
Em regulação (ou controle), deve-se necessariamente obter uma medição (de uma variável qualquer do processo), isto é, a informação que o regulador recebe. Recebida essa informação, o sistema regulador compara com um valor pré-estabelecido (chamado set point), verifica a diferença entre ambos, e age de maneira a diminuir ao máximo essa diferença. 
Esta sequencia de operações: medir a variável comparar com valor pré-determinado - atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida e o set point denomina-se malha de controle.
Uma malha de controle pode ser aberta ou fechada
Controle em malha aberta - Em malha aberta, a informação sobre a variável controlada não é usada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações nas variáveis do processo.
Ex.: no processo ilustrado a informação acerca da temperatura do líquido de saída, não afeta na regulação da entrada ou de vapor para o sistema.
Controle em malha fechada - Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é usada para manipular uma ou mais variáveis do processo.
Na figura, a informação acerca da temperatura do fluido da água aquecida (fluido de saída), acarreta uma mudança no valor da 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.
Controle Feedback (Realimentação): Em sistemas de malha fechada, o controle de processo pode ser efetuado e compensado antes ou depois de afetar a variável controlada, isto é, supondo que no sistema apresentado como exemplo, a variável controlada seja a temperatura de saída da água.
Se o controle for efetuado, após o sistema ter afetado a variável (ter ocorrido um distúrbio), o controle é do tipo "feed-back", ou realimentado.
Elementos de uma malha de controle
Variável controlada - A variável controlada de um processo, denominada como variável de processo (PV) é aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto. 
No sistema de aquecimento de água, a finalidade é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. A variável mais indicativa desse objetivo é a temperatura da água de saída do aquecedor, que deve ser então a variável controlada.
Meio controlado - É energia ou material no qual a variável é controlada. 
No sistema de aquecimento de água, o meio controlado é a água na saída do processo, onde a variável controlada, temperatura, representa uma característica d'água.
Variável manipulada - É aquela sobre a qual o controleatua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável do processo que causa uma variação rápida na variável controlada e que seja fácil de manipular.
No sistema de aquecimento de água, a variável manipulada pelo controlador é a vazão de vapor.
Agente de controle - É a energia ou material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica. 
No sistema de aquecimento de água, o agente de controle é o vapor, pois a variável manipulada é a vazão do vapor.
Set-Point (SP) - É o valor desejável para uma determinada variável de processo.
Em um processo industrial deseja-se controlar a PV a partir de um determinado Set-point. Pode ser fixo ou variável no tempo.
Erro (E) - É a diferença entre a Variável de Processo (PV) e o set-point (SP). Ou seja:
E = SP-PV (controle direto)
Ou
E = PV-SP (controle reverso)
Instrumentos de Medição
Classificação por Função - 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.
Indicador: instrumento que nos fornece uma indicação visual da situação das variáveis no processo. Um indicador pode-se apresentar na forma analógica ou digital.
Registrador - Instrumento que registra a variável através do traço contínuo, pontos de um gráfico, etc.
Tais registros podem ser descritos em papel (gráfico) ou em forma de arquivo eletrônico. Ele fornece o comportamento histórico da variável.
Transmissor - Instrumento que mede uma determinada variável e a envia a distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel.
O elemento primário pode ser ou não parte integrante do transmissor.
A transmissão serve para tornar disponíveis os dados do processo em uma sala de controle centralizada, num formato padronizado. Na prática, por causa das grandes distâncias envolvidas, as funções de medição e de controle estão frequentemente associadas aos sinais dos transmissores.
Transmissor Pneumático - Transmissor pneumático é aquele alimentado por ar comprimido, à pressão típica de 120 a 140 kPa e cujo sinal padrão de saída é 20 a 100 kPa.
O transmissor pneumático é seguro e pode ser usado, sem restrição, em áreas classificadas. Atualmente, seu uso tende a diminuir, por causa da substituição da instrumentação pneumática pela eletrônica.
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Transmissor pneumático a balanço de forças
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Transmissor Inteligente (Eletrônico) - É aquele baseado em um microprocessador digital. Possui muito mais recursos e capacidade que um transmissor analógico convencional, como:
- Possui um sinal de saída digital, com muito maior capacidade de informação.
- A comunicação digital é bidirecional.
- Possui capacidade de fazer autodiagnose.
- Pode ser calibrado ou alterado a faixa de calibração remotamente e sem padrão da variável medida.
- Maior estabilidade, necessitando de menos calibração e manutenção.
- Maior precisão metrológica, tipicamente, da ordem de 0,05 a 0,1% do fundo de escala.
- Capacidade de armazenar parâmetros e base de dados, podendo ser clonado e copiado.
As desvantagens do transmissor inteligente são:
- Ainda não há um padrão normalizado de protocolo digital, embora o mais usado seja o Hart.
- Por causa das conversões analógicas para digital e digital para analógico, ele é mais lento que o transmissor analógico convencional.
O transmissor inteligente só possui o protocolo digital de saída e deve ser usado quando se tem também a instrumentação digital de painel. Ele é mais barato que o transmissor convencional ou o transmissor híbrido. Atualmente, alguns fabricantes de instrumentos só fornecem transmissores inteligentes ou híbridos.
Transmissor convencional (Eletrônico) - É aquele com o sinal de saída padrão de 4 a 20 mA cc. Quando danificado, pode ser reparado, por manutenção. Atualmente, ele é substituído pelo transmissor inteligente, que possui mais recursos.
Transmissor híbrido (Eletrônico) - É aquele que possui na saída dois sinais superpostos:
- O de 4 a 20 mA cc, analógico.
- O protocolo digital, como Hart.
Nem todo protocolo digital pode ser superposto ao sinal padrão de 4 a 20 mA, mas somente aqueles que tenham nível médio de corrente igual a zero. Por exemplo, Fieldbus Foundation não podem ser superpostos ao sinal de corrente de 4 a 20 mA.
Usa-se o transmissor híbrido quando se tem uma instrumentação de painel convencional, baseada em 4 a 20 mA cc. O protocolo digital é usado e tem vantagem apenas para o pessoal de manutenção, que pode se comunicar com o transmissor através do terminal portátil associado ao transmissor.
Conversor - Instrumento que recebe uma informação como um sinal elétrico ou pneumático, altera a forma deste e o emite como um sinal de saída. O conversor é também conhecido como transdutor. Todavia, o transdutor é um termo genérico cujo emprego específico para a conversão de sinal não é recomendado.
Controlador - Instrumento provido de uma saída de sinal para o processo, com o objetivo de manter a variável de processo (pressão, temperatura, vazão, nível, etc.) dentro do set point.
Os controladores podem ser divididos em:
Analógico: Possui construção de tecnologia pneumática ou eletrônica.
Digital: Possui construção de tecnologia digital, podendo ser do tipo Single-loop (entende-se por singleloop um controlador, coordenando apenas uma malha de determinada variável: Pressão, Temperatura, Nível, Vazão, etc.) ou Multi-loop (entende-se como um controlador, que atua sobre diversas variáveis. Isto significa que com apenas um controlador é possível controlar, simultaneamente, uma malha de Pressão, uma malha de Temperatura, uma malha de pH, etc.)
Sensores
O elemento sensor não é um instrumento, mas faz parte integrante da maioria absoluta dos instrumentos. O elemento sensor é o componente do instrumento que converte a variável física de entrada para outra forma mais usável. A grandeza.
O elemento sensor depende fundamentalmente da variável sendo medida, geralmente está em contato direto com o processo e dá a saída que depende da variável a ser medida.
Mais a frente, falaremos um pouco mais sobre estes sensores.
Termos Usados nos Sistemas de Medição
Range (Faixa de medida) - Conjunto de valores da variável medida, que está compreendido dentro do limite inferior e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Se expressa determinando-se os valores extremos. 
Ex.: 100 a 500 o C; 0 a 20 PSI; -10 a 10 V.
Span (Alcance) - É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento.
Ex.: Um instrumento com range de 100 a 250 o C, possui Span = 150 o C
Erro
Erro estático - Se o processo está em regime permanente (que não varia com o tempo), o erro será positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento. 
Erro dinâmico - É a diferença entre o valor medido e o valor real da variável quando esta se altera, tendo-se um atraso na transferência de energia do meio para o medidor.
Precisão - É o maior valor de erro estático que um instrumento pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expressa de diversas maneiras: 
Em porcentagem do alcance (span)
Ex.: Se um instrumento com range de 50 a 150 o C, está indicando 80 o C e sua precisão é de ± 0,5% do span, a temperatura estará entre 79,5 e 80,5 o C.
Em unidade da variável.
Ex.: Precisão de ± 2°C.
Em porcentagem do valor medido. 
Ex.: Se um instrumento com range de 50 a 150°C, está indicando 80°C e sua precisão é de ± 0,5% do valor medido, a temperatura estará entre 79,6 e 80,4°C.
Pode-se ter a precisão variando ao longo da escala de um instrumento, podendo o fabricante indicar seu valor em algumas faixas da escala do instrumento.
 
Ex.: Um manômetro pode ter uma precisão de ± 1% em todo seu range e ter na faixa central uma precisão de ± 0,5% do span.
Em Porcentagem (%) do fundo de escala ou Span máximo
Ex.:Se um instrumento com range de 50 a 150°C está indicando 80°C e sua precisão é de ± 0,5% do valor de fundo de escala ou span máximo, a temperatura estará entre 79,25 e 80,75°C.
Zona Morta - É a maior variação que a variável pode ter, sem que provoque variação na indicação ou sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do range do mesmo. Está relacionada com folgas entre os elementos móveis do instrumento, como engrenagens, etc. 
Ex.: Se um instrumento com range de 0 a 200°C possui uma zona morta de ± 0,1% do span, se a variável variar de 0,2°C, o instrumento não apresentará resposta nenhuma.
Histerese - É a diferença máxima apresentada por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente.
Ex.: Num instrumento com range de 0 a 200°C mostrado na figura, a histerese é de 0,2%.
Repetibilidade - É o desvio porcentual máximo com o qual uma mesma medição é indicada, sendo todas as condições reproduzidas exatamente da mesma maneira. Se expressa em porcentagem do span.
Na primeira passagem ascendente para vazão real de 750 l/min o instrumento indica 742 l/min, numa segunda passagem ascendente com vazão real de 750 l/min o instrumento indica 742 ± 1 l/min.
Conformidade - É o desvio porcentual máximo com a qual uma determinada variável se afasta da sua curva característica.
Reprodutibilidade - É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável.
Sensibilidade - É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser expressa em unidades da medida de saída e entrada. 
Ex.: Se um termômetro de vidro com range de 0 a 500°C possui uma escala de leitura de 50 cm, a sensibilidade é de 0,1 cm/ o C.
Ampliação - Quando a entrada do sistema de medição tem a mesma dimensão que a saída, o termo ampliação é algumas vezes utilizado em lugar de sensibilidade. Por exemplo, no caso de instrumentos ópticos como microscópios.
Ganho - É frequentemente utilizado em equipamentos eletrônicos para expressar a relação entre a saída e a entrada do sistema. Algumas vezes se emprega o termo amplificação no lugar de ganho que descreve a mesma coisa.
Os termos sensibilidade, ampliação, ganho e amplificação, todos descrevem a relação entre saída e a entrada, e a utilização de um deles depende do tipo de sistema que está sendo descrito.
Calibração - É o processo de comparação e ajuste da saída de um sistema de medição com um padrão quando ambos são submetidos a mesma entrada.
Padrão primário - Padrão que normalmente se baseia em um valor convencionado para uma determinada quantidade sob determinadas condições. 
O padrão primário de comprimento (metro, m), definido a partir de uma radiação particular emitida pelo átomo de criptônio 86.
O padrão primário de corrente (ampère, A) definido como a corrente constante que produz entre dois condutores sob certas condições uma força igual a 2 X 10 -7 N/m.
Padrão secundário - Na prática, os padrões primários raramente são utilizados para calibração; utilizam-se padrões mais práticos, secundários, que são obtidos a partir dos padrões primários. 
Uma régua de aço feita precisamente pode ser um padrão secundário de comprimento adequado em certos casos. 
Outro padrão secundário possível é a frequência de 60 Hz da corrente alternada do sistema de energia elétrica.
Também pode-se usar como padrão uma fonte de entrada conhecida, a qual apresenta maior precisão que a do sistema sendo calibrado.
Existem algumas razões pelas quais um sistema de medição em uso pode não se ajustar à sua calibração. 
Uma razão óbvia é a de que o sistema está sendo utilizado sob condições diferentes daquelas em que o instrumento foi calibrado. A maior parte dos sistemas de medição é sensível à temperatura, e a calibração é feita para uma determinada temperatura, geralmente de 25ºC. 
A pressão atmosférica, a umidade ou outra condição do meio circundante pode afetar a calibração do sistema. Outra razão para o sistema não se ajustar à sua calibração é não ter sido corretamente montado.
Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento
 
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/cm 2 (aproximadamente 3 a 15 psi no Sistema Inglês). 
Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. 
O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e em casos específicos o GÁS NATURAL.
Vantagem 
• A grande e única vantagem em se 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 
• Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. 
• Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. 
• Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. 
• Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. 
• Não permite conexão direta à computadores. 
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. 
Vantagens 
• Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão. 
• Resposta rápida. 
Desvantagens 
• Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. 
• Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca. 
• Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc.
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, esse tipo de transmissão é largamente usada em todas as indústrias, onde 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.
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 utiliza- se sinais em tensão contínua de 1 a 5V.
Vantagens 
• Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. 
• A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. 
• Necessita de poucos equipamentos auxiliares. 
• Permite fácil conexão aos computadores. 
• Fácil instalação. Permite de forma mais fácil à realização de operações matemáticas. 
• 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. 
Desvantagens 
• Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. 
• Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos. 
• Os cabos desinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. 
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 os elementos transmissor e receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão, chamada protocolo de comunicação. 
Vantagens 
• Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento. 
• Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados. 
• É imune a ruídos externos. 
• Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. 
• Menor custo final. 
Desvantagens 
• Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. 
• Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha.
Tipo 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 
• Não necessita de cabos de sinal. 
• Podem-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. 
Desvantagens 
• Alto custo inicial. 
• Necessidade de técnicos altamente especializados.
 
Tipo Via Modem - A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em frequência, fase ou amplitude. 
Vantagens 
• Baixo custo de instalação. 
• Podem-se transmitir dados a longas distâncias. 
Desvantagens 
• Necessita de profissionais especializados. 
• Baixa velocidade na transmissão de dados. • Sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações. 
Grandezas usadas na Instrumentação
Nível: Para facilitar a compreensão costuma-se definir nível, como sendo a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido. 
Pressão: Toda força, quando aplicada sobre uma área tem como resultado uma grandeza física chamada de pressão. Isso quer dizer que pressão é a força distribuída por uma determinada área.
Temperatura: Podemos conceituar a temperatura como sendo: “A propriedade da matéria que reflete a média de energia cinética de um corpo”.
Temperatura é sem dúvida a variável mais importante nos processos industriais, e sua medição e controle, embora difíceis, são vitais para a qualidade do produto e a segurança não só das máquinas como também do homem.
Vazão: Pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através de uma seção transversal de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. 
Simbologia de Instrumentação
Os símbolos de instrumentação são encontrados em:
- Fluxogramas de processo e de engenharia;
- Diagramas de controle de processos; conhecidos como diagrama P&I;
- Desenhos de detalhamento de instrumentação, instalação, diagramas de ligação, plantas de localização, diagramas lógicos de controle, listagem de instrumentos;
- Painéis sinópticos e semigráficos na sala de Controle;
- Diagramas de telas de vídeo de estações de controle.
Estrutura Hierárquica de uma Planta
- Planta - O termo Planta define por si só a implantação como um todo.
- Área - A área define dentro da região um setor específico, que será tomada como uma identidade e submetida à subdivisões que permitam de forma lógica uma divisão que procura contemplar a execução de atividades específicas do processo.
- Setor - O Setor divide dentro da área, locais específicos de execução de urna fase do processo.
- Grupo - O grupo define o menor conjunto do processo que possui em geral a característica de executar urna tarefa definida.
- Instrumentos/Equipamentos - São os componentes físicos que estão contidos no Processo, compondo todas suas partes funcionais.
- Equipamentos - Bombas, vasos, tanques, vibradores, misturadores, pasteurizadores, silos, motores, clarificadoras, máquinas diversas e muitos outros.
- Instrumentos - Indicadores, controladores, registradores, sensores, variadores, atuadores, transmissores, conversores, válvulas de controle e etc.
Tagname
O Tagname ou Tag é um código alfanumérico, cuja finalidade é a de identificar equipamentos ou instrumentos, dentro de uma planta de processos.
O Tagname também é a identificação física de um instrumento ou equipamento. Por meio deste podemos localizar onde o instrumento/equipamento está instalado.
Formato do TAG
Exemplo de identificação de instrumento
P - Variável medida - Pressão
R - Função passiva ou de informação - Registrador
C - Função ativa ou de saída - Controlador
001 - Área de atividade, onde o instrumento atua.
02 - Número sequencial da malha
A – Sufixo
Exemplo
TIC 103 - Identificação do instrumento ou tag do instrumento.
T 103 - Identificação da malha (malha de temperatura, número 103);
103 - Número da malha
TIC - Identificação funcional - Controlador Indicador de Temperatura
T - Primeira letra (variável da malha)
IC - Letras subsequentes - (função do instrumento na malha)
Obs.: A primeira letra pode ter um modificador opcional. Por exemplo, PT é o transmissor de pressão e PDT é o transmissor de pressão diferencial.
Mais a frente ilustra-se uma tabela com todos os significados destas letras.
Símbolos
A simbologia correta da instrumentação deve conter os seguintes parâmetros:
 - Identificação das linhas de interligação dos instrumentos, por exemplo, eletrônica física, eletrônica por configuração, pneumática.
- Determinação do local de instalação dos instrumentos, acessível ou não acessível ao operador de processo.
- Filosofia da instrumentação, quanto ao instrumento ser dedicado a cada malha ou compartilhado por um conjunto de malhas de processo.
- Identificação (tag) do instrumento, envolvendo a variável do processo, a função do instrumento e o numero da malha do processo.
- Outras informações adicionais.
Símbolo de Linhas de Instrumentos
Observações:
1- A linha de suprimento ou impulso representa a conexão do processo, elo mecânico ou alimentação do instrumento.
Sugerimos as seguintes abreviaturas para denotar os tipos de alimentação. Essas designações podem ser também aplicadas para suprimento de fluidos.
Opções:
IA - ar do instrumento
PA - ar da planta
AS - suprimento de ar
ES - alimentação elétrica
GS - alimentação de gás
HS - suprimento hidráulico
NS - suprimento de nitrogênio
SS - suprimento de vapor
WS - suprimento de água
2- O símbolo do sinal pneumático aplica-se para um sinal usando qualquer gás como veículo. Se o gás não for o ar, deve ser identificado qual o gás usando através de uma nota nos símbolos ou em outro local apropriado.
 
3 - Fenômeno eletromagnético inclui calor, ondas de rádio, radiação nuclear e luz.
Símbolos e Funções de Processamento de Sinais
Círculo ou Balão do Instrumento
Alguns Símbolos das Válvulas de Controle e Atuadores
Significado das letras de identificação
Exemplos
PI = Indicador de pressão
“P" é a variável medida (Pressão)
“I“ é a função de informação ou passiva. Neste caso podem-se ter vários tipos de instrumentos. Desde um manômetro mecânico à instrumentos eletrônicos sofisticados.
Note que ao indicar PI em um fluxograma a intenção é descrever que naquele determinado ponto deseja-se somente indicar a pressão, independentemente do tipo de instrumento utilizado.
PIC = Indicador Controlador de Pressão
Neste caso a função final é o controle de uma malha, portanto, a letra "C" da coluna “função final". A letra "I” é somente uma função passiva mencionando que o instrumento também esta indicando de alguma forma a variável "P" pressão.
Sensores Industriais
Definição de sensor: Dispositivo que converte uma grandeza física de qualquer espécie em outro sinal que possa ser transmitido a um elemento indicador, para que este mostre o valor da grandeza que está sendo medida ou que seja inteligível para o elemento de comparação de um sistema de controle.Os elementos sensores são denominados transdutores quando convertem a grandeza de entrada para uma grandeza elétrica, como corrente, tensão ou resistência elétrica.
 
Sensores de Proximidade: Os sensores de proximidade discretos detectam a presença ou não de um determinado objeto, em uma determinada posição do espaço. 
Exemplos de sensores de proximidade:
· Magnéticos
· Indutivos 
· Capacitivos 
· Ópticos
Definições Básicas
Face Sensora: É a superfície de onde emerge o campo eletromagnético dos sensores indutivos ou o campo elétrico dos sensores capacitivos.
Distância Sensora Nominal (Sn): É a distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. É o valor em que os sensores de proximidade são especificados. Como utiliza o alvo padrão metálico, a distância sensora nominal informa também a máxima distância que o sensor pode operar.
Distância Sensora Operacional (Sa): É a distância em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas as variáveis de industrialização, temperatura e tensão de alimentação. 
Alvo Padrão: É um acionador normalizado utilizado para calibrar a distância sensora nominal durante o processo de fabricação do sensor. Consiste de uma chapa de aço de 1mm de espessura, formato quadrado. O lado deste quadrado é igual ao diâmetro do circulo da face sensora ou 3 vezes a distância sensora nominal quando o resultado for maior que o anterior.
Histerese: É a diferença entre o ponto de acionamento (quando o alvo aproxima-se da face sensora) e o ponto de desacionamento (quando o alvo afasta-se do sensor). Este valor é importante, pois garante uma diferença entre o ponto de acionamento e desacionamento, evitando que em uma possível vibração do sensor ou acionador, a saída oscile. 
 
Tipos de Sensores de Proximidade
Sensores Indutivos: Os sensores de proximidade indutivos são dispositivos eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças metálicas, em substituição as tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja contato físico, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos.
Princípio de Funcionamento: O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo eletromagnético de alta frequência, que é desenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora. A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condição normal (desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, este por correntes de superfície (Foucault) absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador. A variação de amplitude deste sinal é convertida em uma variação continua que comparada com um valor padrão, aciona o estágio de saída.
Os Sensores de indução podem ter as seguintes características: Ferroseletivos (não detectam materiais como latão, alumínio ou cobre); Não-ferroseletivos (não detectam materiais como aço ou aço inox do tipo ferroso); podem ser blindados e não blindados.
Sensores Capacitivos: Os sensores de proximidade capacitivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a presença ou aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos, madeiras, papéis, metais, etc.
Princípio de Funcionamento: O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor. O capacitor é formado por duas placas metálicas, carregadas com cargas elétricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo elétrico para fora do sensor, formando desta forma um capacitor que possui como dielétrico o ar.
Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo elétrico o dielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor. Como o oscilador do sensor é controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamos um material a capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuito oscilador. Esta variação é convertida em um sinal continuo que comparado com um valor padrão passa a acionar o estágio de saída.
Os mesmos podem ser Blindados e Não Blindados.
Ajuste de Sensibilidade: O ajuste de sensibilidade dos sensores capacitivos é protegido por um parafuso, que impede a penetração de líquidos e vapores no sensor.
 O ajuste de sensibilidade presta-se principalmente para diminuir a influencia do acionamento lateral no sensor, diminuindo-se a distância sensora. Permite ainda que se detectem alguns materiais dentro de outros, como por exemplo: líquidos dentro de garrafas ou reservatórios com visores de vidro, pós dentro de embalagens, ou fluidos em canos ou mangueiras plásticas.
Sensores Magnéticos: Detectam apenas a presença de materiais metálicos e magnéticos, como no caso dos imãs permanentes. São utilizados com maior frequência em máquinas e equipamentos pneumáticos e são montados diretamente sobre as camisas dos cilindros dotados de êmbolos magnéticos. Toda vez que o êmbolo magnético de um cilindro se movimenta, ao passar pela região da camisa onde externamente está posicionado um sensor magnético, este é sensibilizado e emite um sinal ao circuito elétrico de comando.
Os sensores de proximidade magnéticos são caracterizados pela possibilidade de grandes distâncias de chaveamento, disponíveis com sensores de pequenas dimensões.
Sensores Fotoelétricos: Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença do acionador, que na maioria das aplicações é o próprio produto.
Princípio de Funcionamento: Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado. Os fotoelétricos são compostos por dois circuitos básicos: um responsável pela emissão do feixe de luz, denominado transmissor, e outro responsável pela recepção do feixe de luz, denominado receptor.
O transmissor envia o feixe de luz através de um LED, que emite flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente. O receptor é composto por um fototransistor sensível a luz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma frequência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor.
Sistema por Barreira Direta: O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz.
Neste tipo de sistema devem-se respeitar as recomendações de dimensões mínimas do objeto, pois existe a possibilidade do feixe de luz contornar o objeto. Na Figura 0.21 pode ser observado um feixe de luz emitido por um sensor contornando um objeto pequeno.
Sistema por Difusão (Fotosensor): Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. Sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.
O alvo padrão dos sensores óticos por difusão consiste de uma folha de papel fotográfico branco com índice de refletividade de 90% com dimensões que variam de acordo com o modelo do sensor.
À distância sensora operacional utiliza um fator de correção que depende de vários fatores os quais são acumulativos. Por exemplo, existe um fator de correção para cores diferentes (Fc) e outro para materiais diferentes (Fm). Assim, ambos devem ser considerados conforme a seguinte expressão:
Sa = 0,81 x Sn x Fc x Fm
Onde: 
Sa - é a distância sensora operacional
Sn - é a distância sensora nominal
Fc - é um fatorde correção devido a cor do material
Fm - é um fator de correção devido ao tipo do material
O sensor por difusão possui uma zona morta (ZM) que consiste de uma zona próxima ao sensor onde não é possível a detecção do objeto. A zona morta tem o valor de aproximadamente 10 a 20% da distância nominal.
Sistema Retro-Refletivo: Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e o acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe.
A construção do espelho prismático não permite que a luz se espalhe por vários ângulos. Na Figura 0.26 se pode observar a construção de um espelho prismático.
Através de um ajuste de sensibilidade e teste prático o sensor refletivo pode ser utilizado na detecção de materiais transparentes como garrafas de vidro.
Para serem utilizados na detecção de objetos brilhantes os sensores refletivos devem possuir uma montagem angular para evitar erros ocasionados pela reflexão do objeto. A montagem angular do sensor pode ser observada na Figura 0.27.
Na montagem dos sensores devem-se evitar fontes de luz intensas junto ao sensor mesmo com a imunidade à iluminação ambiente que os sensores possuem.
Piezoelétrico: O sensor piezoelétrico converte uma variável de processo medida em uma variação de tensão elétrica gerada por certos materiais quando mecanicamente estressados. O “estress” é tipicamente de forças de compressão ou tração ou por forças de deformação exercida no cristal diretamente por um elemento sensor ou por um elo mecânico ligado ao elemento sensor. Atualmente, alguns transmissores microprocessados usam o cristal piezoelétrico como sensor de pressão.
Resistivo: O sensor resistivo converte a variável de processo medida em uma variação de resistência elétrica. As variações de resistência podem ser causadas em condutores ou semicondutores (termistores) por meio de aquecimento, resfriamento, aplicação de tensão mecânica, umidecimento, secagem de certos sais eletrolíticos ou pelo movimento de um braço de reostato. A resistência detectora de temperatura é exemplo de um sensor resistivo.
Strain-gage: O sensor strain-gage converte a variável de processo medida em uma variação de resistência em dois ou quatro braços da ponte de Wheatstone. O sensor strain-gage é também chamado de célula de carga ou célula extensiométrica ou ainda, strain-gage. É o sensor padrão de pressão de natureza elétrica.
Fotocondutivo: O sensor fotocondutivo converte a variável de processo medida em uma variação de resistência elétrica (ou condutância) de um material semicondutor devido à variação da quantidade de luz incidente neste material.
Fotovoltaico: O sensor fotovoltaico converte a variável de processo medida em uma variação de tensão elétrica de um material semicondutor devido à variação da quantidade de luz incidente em junções de certos materiais semicondutores.
Termelétrico: O sensor termoelétrico converte a variável de processo medida em uma variação de força eletromotriz gerada pela diferença de temperatura entre duas junções de dois materiais diferentes, devido ao efeito Seebeck. Termopar é o exemplo típico deste sensor.