livro intrumentaçaõ eletrônica

Prévia do material em texto

Indaial – 2021
Instrumentação 
eletroeletrônIca
Sagah Educação S.A.
1a Edição
Copyright © UNIASSELVI 2021
Elaboração:
Sagah Educação S.A.
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI
Conteúdo produzido:
Copyright © Sagah Educação S.A.
Impresso por:
apresentação
Prezado acadêmico! Bem-vindo à disciplina de Instrumentação 
Eletroeletrônica. Nesta disciplina, são estudados os princípios de funcionamento 
de diversos sensores e também são vistas técnicas de instrumentação para 
leituras confiáveis.
Você, acadêmico da Educação a Distância, deve saber que existem 
fatores importantes para um bom desempenho: disciplina, organização 
e um horário de estudos pré-definido para que obtenha sucesso. Em sua 
caminhada acadêmica, você é quem faz a diferença. Como todo texto técnico, 
por vezes denso, você necessitará de papel, lápis, borracha, calculadora e 
muita concentração. Lembre-se que o estudo é algo primoroso. Aproveite 
esta motivação para iniciar a leitura desde livro.
Apesar deste ser um material destinado à instrumentação, é importante 
que você, prezado acadêmico, tenha estudado previamente alguma disciplina 
que sobre eletricidade. Então, se determinado assunto está gerando dúvidas 
para você não deixe de consultar o livro da disciplina Eletricidade Básica ou 
Eletromagnetismo, ou mesmo outros títulos indicados na bibliografia desta 
disciplina.
Na Unidade 1, você estudará os principais conceitos sobre 
instrumentação tais como: erros de medição, tipos de instrumentos de medida 
e de controle de sistemas. Na Unidade 2, são estudados os diversos dispositivos 
e sistemas utilizados para realizar a medição de grandezas elétricas, como 
tensão, corrente, resistência e potência. Já na Unidade 3 são abordados tópicos 
sobre formas de aquisição de dados (de modo analógico e digital) e também 
maneiras de tratar estes dados adequadamente.
Estimamos que, ao término deste estudo, você tenha agregado a sua 
experiência de acadêmico, um mínimo de entendimento sobre instrumentação 
eletroeletrônica a fim de lidar com este tema de forma satisfatória tanto na área 
acadêmica quanto profissional. Destacamos, ainda, a necessidade do contínuo 
aprimoramento através de atualizações e aprofundamento dos temas estudados.
Bons estudos!
Os autores.
Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para 
você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há 
novidades em nosso material.
Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é 
o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um 
formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. 
O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova 
diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também 
contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.
Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, 
apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade 
de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. 
 
Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para 
apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto 
em questão. 
Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas 
institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa 
continuar seus estudos com um material de qualidade.
Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de 
Desempenho de Estudantes – ENADE. 
 
Bons estudos!
NOTA
Oi! Eu sou o UNI, você já me conhece das outras disciplinas. Estarei com 
você ao longo deste caderno. Acompanharei os seus estudos e, sempre que precisar, farei 
algumas observações. Desejo a você excelentes estudos!
UNI
Olá, acadêmico! Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela 
um novo conhecimento. 
Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro 
que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você terá 
contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complementares, 
entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento.
Acesse o QR Code, que levará ao AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo.
Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada!
LEMBRETE
sumárIo
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO .............................................................. 1
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO ................................................................ 3
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 3
2 CONTROLE DE PROCESSO ............................................................................................................ 4
3 DEFINIÇÕES DOS ELEMENTOS EM UMA MALHA DE CONTROLE ................................. 5
4 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE INSTRUMENTAÇÃO ..................................................................... 9
5 CONCEITOS E DEFINIÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO .......................................................... 9
6 SISTEMAS DE UNIDADE E OS PADRÕES NAS MEDIÇÕES .............................................. 12
7 A MEDIÇÃO E O ERRO DOS INSTRUMENTOS ..................................................................... 14
RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 17
AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 18
TÓPICO 2 — CIRCUITOS DIGITAIS NA INSTRUMENTAÇÃO ............................................. 21
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 21
2 SINAIS DIGITAIS ............................................................................................................................. 21
2.1 NÚMEROS BINÁRIOS ................................................................................................................ 22
2.2 CIRCUITOS LÓGICOS................................................................................................................. 24
2.3 CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL.................................................................................... 25
3 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO PARA CONTROLE E AUTOMAÇÃO............................ 26
4 INSTRUMENTOS DE CONTROLE .............................................................................................. 27
4.1 MANÔMETROS E VACUÔMETROS ........................................................................................ 27
4.2 PRESSOSTATOS ............................................................................................................................ 28
4.3 TACÔMETROS .............................................................................................................................. 29
4.4 MEDIDOR DE VAZÃO ................................................................................................................ 29
5 APLICAÇÃO DOS MEIOS DE CONTROLE ............................................................................... 30
6 CUIDADOS PARA UMA BOA MEDIÇÃO ................................................................................. 34
6.1 ESCOLHA DO EQUIPAMENTO ............................................................................................... 35
6.2 CONSERVAÇÃO E USO .............................................................................................................. 36
6.3 VARIAÇÃO DE TEMPERATURA ..............................................................................................36
6.4 ERRO DE PARALAXE ................................................................................................................. 37
RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 39
AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 40
TÓPICO 3 — INSTRUMENTOS INDICADORES ELETROMECÂNICOS ............................. 45
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 45
2 CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS ELETROMECÂNICOS ................................ 45
2.1 AMORTECIMENTO DO MOVIMENTO DO CONJUNTO MÓVEL ................................... 46
2.2 SUSPENSÃO DO CONJUNTO MÓVEL ................................................................................... 48
3 INSTRUMENTOS COM BOBINA MÓVEL E ÍMÃ PERMANENTE ..................................... 50
3.1 PRINCÍPIO FÍSICO DE FUNCIONAMENTO DA BOBINA MÓVEL .................................. 51
3.2 CÁLCULO DO CONJUGADO MOTOR DA BOBINA MÓVEL ........................................... 52
3.3 AMPERÍMETROS ......................................................................................................................... 53
3.4 VOLTÍMETROS ............................................................................................................................. 53
3.5 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA ......................................................................................... 54
4 INSTRUMENTOS ELETROSTÁTICOS, DE FERRO MÓVEL E ELETRODINÂMICOS ....... 54
4.1 INSTRUMENTOS ELETROSTÁTICOS ..................................................................................... 54
4.2 CÁLCULO DO CONJUGADO MOTOR DO INSTRUMENTO ELETROSTÁTICO ............. 56
5 INSTRUMENTOS DE FERRO MÓVEL ........................................................................................ 57
6 INSTRUMENTOS ELETRODINÂMICOS ................................................................................... 59
LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 62
RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 65
AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 66
REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 68
UNIDADE 2 — MEDIDAS ELÉTRICAS E SENSORES DIVERSOS ......................................... 69
TÓPICO 1 — MEDIDAS ELÉTRICAS ............................................................................................. 71
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 71
2 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO ..................................................................................................... 71
3 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO ................................................................................................. 76
3.1 UTILIZAÇÃO DE GALVANÔMETROS EM MEDIÇÕES DE TENSÃO 
 E CORRENTE ................................................................................................................................ 79
4 ERROS EM MEDIÇÕES ................................................................................................................... 82
RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 86
AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 87
TÓPICO 2 — SENSORES .................................................................................................................... 89
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 89
2 SENSORES .......................................................................................................................................... 89
2.1 SENSORES DE PROXIMIDADE ................................................................................................ 90
2.1.1 Sensores de Proximidade Indutivos ................................................................................. 91
2.1.2 Sensores de Proximidade Capacitivos .............................................................................. 93
2.2 SENSORES FOTOELÉTRICOS ................................................................................................... 94
2.2.1 Varredura por interrupção de feixe ................................................................................... 95
2.2.2 Varredura por retrorreflexão .............................................................................................. 95
2.2.3 Varredura por difusão ......................................................................................................... 97
2.2.4 Fibra óptica ........................................................................................................................... 97
2.3 SENSORES DE EFEITO HALL ................................................................................................... 98
RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 100
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 101
TÓPICO 3 — OUTROS TIPOS DE MEDIÇÃO ............................................................................ 103
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 103
2 TERMOS BÁSICOS ........................................................................................................................ 104
3 MEDIÇÃO DE PRESSÃO .............................................................................................................. 105
4 FÓRMULAS DE PRESSÃO ........................................................................................................... 107
5 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO PARA CONTROLE DIMENSIONAL ........................... 109
6 INSTRUMENTOS BÁSICOS DE MEDIÇÃO DIMENSIONAL ............................................ 109
6.1 RÉGUA GRADUADA E ESQUADRO .................................................................................... 109
6.2 PAQUÍMETRO ............................................................................................................................ 111
6.3 PAQUÍMETRO DIGITAL .......................................................................................................... 112
6.4 PAQUÍMETRO COM RELÓGIO .............................................................................................. 112
6.5 PAQUÍMETRO DE PROFUNDIDADE ................................................................................... 113
6.6 PAQUÍMETRO DE ENGRENAGENS ..................................................................................... 113
7 PROCEDIMENTO PARA LEITURA COM PAQUÍMETRO NA ESCALA MÉTRICA ............. 114
7.1 PROCEDIMENTO PARA LEITURA COM PAQUÍMETRO NA ESCALA EM 
POLEGADAS ............................................................................................................................... 115
7.2 ERROS DE MEDIÇÃO NA UTILIZAÇÃO DO PAQUÍMETRO ......................................... 116
8 OUTROS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DIMENSIONAL ............................................ 117
8.1 MICRÔMETRO ...........................................................................................................................117
8.1.1 Micrômetro digital ............................................................................................................. 118
8.1.2 Micrômetro interno de três pontas .................................................................................. 119
8.1.3 Micrômetro interno tipo paquímetro .............................................................................. 119
8.1.4 Micrômetro com ponta tipo disco ................................................................................... 119
8.2 PROCEDIMENTOS PARA LEITURA COM MICRÔMETRO NA ESCALA MÉTRICA ......... 120
8.3 RELÓGIO COMPARADOR ....................................................................................................... 121
8.4 RUGOSÍMETRO .......................................................................................................................... 121
LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 124
RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 126
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 127
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 128
UNIDADE 3 — AQUISIÇÃO DE DADOS E ADEQUAÇÃO DE SINAL ............................... 131
TÓPICO 1 — MEDIÇÃO DE VAZÃO ............................................................................................ 133
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 133
2 TERMOS BÁSICOS ........................................................................................................................ 133
3 FÓRMULAS DE FLUXO................................................................................................................. 136
3.1 EQUAÇÃO DE CONTINUIDADE .......................................................................................... 136
3.2 EQUAÇÃO DE BERNOULLI .................................................................................................... 137
4 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE FLUXO ......................................................................... 139
4.1 TAXA DE VAZÃO ...................................................................................................................... 139
4.2 FLUXO TOTAL ........................................................................................................................... 144
RESUMO DO TÓPICO 1................................................................................................................... 145
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 146
TÓPICO 2 — TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS (TC, TPI E TPC) ................... 149
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 149
2 CARACTERÍSTICAS DOS TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS ..................... 149
2.1 TRANSFORMADOR DE CORRENTE (TC) ........................................................................... 151
2.2 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL (TP) .......................................................................... 152
2.3 RELAÇÃO DOS TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS CONFORME A 
APLICAÇÃO ............................................................................................................................... 155
2.3.1 TC tipo barra ...................................................................................................................... 155
2.3.2 TC tipo enrolado ................................................................................................................ 156
2.3.3 TC tipo janela...................................................................................................................... 156
2.3.4 TC tipo bucha ..................................................................................................................... 156
2.3.5 TC tipo núcleo dividido .................................................................................................... 157
2.3.6 TC com vários enrolamentos primários ......................................................................... 157
2.3.7 TC com vários enrolamentos secundários ..................................................................... 157
2.3.8 TC com vários núcleos secundários ................................................................................ 157
3 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO ........................................................................ 158
4 O AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO ........................................................................ 158
4.1 CARACTERÍSTICAS DO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO ............................ 161
4.2 CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS ............................................................................. 163
RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 168
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 169
TÓPICO 3 — INSTRUMENTAÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL .............................................. 171
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 171
2 INSTRUMENTAÇÃO ANALÓGICA .......................................................................................... 171
2.1 CIRCUITOS ANALÓGICOS ..................................................................................................... 172
2.1.1 Amplificadores operacionais ............................................................................................ 172
2.2 AMPLIFICADORES DE CORRENTE ...................................................................................... 175
2.2.1 Amplificadores diferenciais ............................................................................................. 175
2.2.2 Amplificadores não lineares ............................................................................................. 176
2.2.3 Amplificador de instrumentação ..................................................................................... 176
2.3 CIRCUITOS DIGITAIS ............................................................................................................... 177
2.3.1 Sinais digitais ...................................................................................................................... 178
2.3.2 Circuitos lógicos ................................................................................................................. 178
3 TRANSMISSÃO ANALÓGICA ................................................................................................... 181
3.1 CONSIDERAÇÕES SOBRE RUÍDO ......................................................................................... 181
3.2 SINAIS DE TENSÃO .................................................................................................................. 183
3.3 SINAIS DE CORRENTE ............................................................................................................. 184
3.4 CONVERSÃO DE SINAIS ......................................................................................................... 185
3.4.1 Termopares ......................................................................................................................... 186
3.5 TRANSMISSÃO DIGITAL .........................................................................................................186
3.5.1 Sensores inteligentes ......................................................................................................... 188
3.5.2 Foundation Fieldbus e Profibus ....................................................................................... 188
LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 190
RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 196
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 197
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 199
1
UNIDADE 1 — 
PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
•	 identificar	sensores	e	atuadores;
•	 explicar	erros,	confiabilidade	e	precisão	de	medidas;
•	 interpretar	 os	 sistemas	 de	 unidade,	 padrões	 e	 prefixos	 utilizados	 na	
medição	de	parâmetros;
•	 reconhecer	a	medição	e	o	erro	em	instrumentação;
•	 explicar	as	diferenças	de	sinais	analógicos	e	digitais	quanto	aos	meios	
de	controle	e	tratamento;
•	 identificar	conversores	analógico/digital	(A/D)	e	digital/analógico	(D/A);
•	 reconhecer	o	sistema	binário	e	suas	características	em	base	2	em	comparação	
ao	sistema	decimal;
•	 reconhecer	os	instrumentos	de	medição	para	controle	e	automação;
•	 reconhecer	as	características	dos	instrumentos	indicadores	eletromecânicos;
•	 interpretar	o	funcionamento	dos	instrumentos	de	bobina	móvel	a	imã	
permanente;
•	 diferenciar	instrumentos	eletrostáticos	de	ferro	móvel	e	eletrodinâmicos.
	 Esta	unidade	está	dividida	em	três	tópicos.	No	decorrer	da	unidade,	
você	 encontrará	 autoatividades	 com	 o	 objetivo	 de	 reforçar	 o	 conteúdo	
apresentado.
TÓPICO	1	–	INTRODUÇÃO	À	INSTRUMENTAÇÃO
TÓPICO	2	–	CIRCUITOS	DIGITAIS	NA	INSTRUMENTAÇÃO
TÓPICO	3	–	INSTRUMENTOS	INDICADORES	ELETROMECÂNICOS
2
Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos 
em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá 
melhor as informações.
CHAMADA
3
TÓPICO 1 — 
UNIDADE 1
INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO
1 INTRODUÇÃO
A	 instrumentação	 é	 a	 base	 para	 o	 controle	 de	 processos	 na	 indústria.	
No	 entanto,	 também	 está	 presente	 em	 muitos	 tipos	 de	 aquecedores	 de	 água	
domésticos	 e	 HVAC,	 onde	 a	 temperatura	 variável	 é	 medida	 e	 utilizada	 para	
controlar	o	fluxo	de	gás,	óleo	ou	eletricidade	para	o	aquecedor	de	água	ou	para	
sistema	de	aquecimento,	ou	ainda	para	controlar	a	energia	elétrica	utilizada	pelo	
compressor	 para	 a	 refrigeração.	Além	 disso,	 a	 instrumentação	 é	 utilizada	 em	
aplicações	de	controle	de	processos	industriais	complexas,	como	as	utilizadas	na	
indústria	de	petróleo	ou	química.
No	controle	industrial,	um	grande	número	de	variáveis,	que	compreende	
desde	 a	 vazão,	 temperatura	 e	 pressão	 até	 o	 tempo	 e	 a	 distância,	 pode	 ser	
detectado	simultaneamente.	Todas	podem	ser	variáveis	interdependentes	em	um	
único	processo	que	exige	sistemas	microprocessados	complexos	e	desempenham	
um	controle	 total.	Devido	 aos	 rápidos	 avanços	na	 tecnologia,	 os	 instrumentos	
atualmente	em	uso	podem	se	tornar	obsoletos	em	um	futuro	próximo,	visto	que	
novas	técnicas	de	medição	mais	eficientes	são	constantemente	concebidas.
Essas	 mudanças	 são	 impulsionadas	 pela	 necessidade	 de	 melhorar	 a	
exatidão,	qualidade,	precisão	e	desempenho.	Para	medir	parâmetros	de	 forma	
precisa,	foram	desenvolvidas	técnicas	que	eram	impossíveis	há	poucos	anos.
A sigla HVAC (heating, ventilating and air conditioning – aquecimento, 
ventilação e ar-condicionado) constitui a tecnologia destinada ao conforto do interior de 
ambientes, sobretudo em edifícios e em veículos.
DICAS
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
4
2 CONTROLE DE PROCESSO
Para	 produzir	 um	 produto	 com	 qualidade	 consistentemente	 alta,	 um	
controle	 de	 processo	 adequado	 é	 necessário.	 Um	 exemplo	 de	 controle	 de	
processo	 de	 fácil	 compreensão	 seria	 o	 fornecimento	 de	 água	 a	 uma	 série	 de	
estações	de	tratamento,	onde	a	temperatura	da	água	deve	ser	mantida	constante,	
independentemente	 da	 demanda.	Um	 bloco	 de	 controle	 simples	mostrado	 na	
Figura	1a,	onde	vapor	e	água	fria	são	aplicados	em	um	trocador	de	calor,	de	modo	
que	o	calor	do	vapor	d’água	é	usado	para	aquecer	a	água	fria	até	a	temperatura	
de	operação	necessária.	Um	termômetro	é	utilizado	para	medir	a	 temperatura	
da	água	(variável	medida),	a	partir	do	processo	ou	do	trocador.	A	temperatura	é	
monitorada	por	um	operador	que	ajusta	o	fluxo	de	vapor	(variável	manipulada)	
no	 trocador	 de	 calor	 para	 manter	 a	 água	 que	 sai	 deste	 dispositivo	 em	 uma	
temperatura	constante.	Essa	operação	é	conhecida	como	controle	de	processo	e,	
na	prática,	pode	ser	automatizada,	como	é	mostrado	na	Figura	1b.
Controle de processo é	o	controle	automático	de	uma	variável	de	saída	por	meio	
da	medição	da	amplitude	do	parâmetro	de	saída	a	partir	do	processo,	comparando-a	
com	um	valor	desejado	ou	estabelecido	e	realimentando	um	sinal	de	erro	no	intuito	
de	controlar	uma	variável	de	entrada,	que	nesse	caso	é	o	vapor.	Observe	a	Figura	1b.	
Um	sensor	de	temperatura	conectado	à	tubulação	de	saída	mede	a	temperatura	da	
água.	À	medida	que	a	demanda	de	água	quente	aumenta	ou	diminui,	a	mudança	
na	temperatura	da	água	é	detectada	e	convertida	em	um	sinal	elétrico,	o	qual,	por	
sua	vez,	é	amplificado	e	enviado	a	um	controlador	que	o	avalia	e	envia	um	sinal	de	
correção	para	um	atuador.	O	atuador	ajusta	o	fluxo	de	vapor	para	o	trocador	de	calor,	
a	fim	de	manter	a	temperatura	da	água	no	valor	predeterminado.
FIGURA 1 – CONTROLE DE PROCESSO: (A) CONTROLE MANUAL ENVOLVENDO UMA MALHA 
DE PROCESSO EM UM TROCADOR DE CALOR SIMPLES. (B) CONTROLE AUTOMÁTICO 
ENVOLVENDO UMA MALHA DE PROCESSO EM UM TROCADOR DE CALOR
 FONTE: Os autores
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO
5
FIGURA 2 – DIAGRAMA DE BLOCOS DE UMA MALHA DE CONTROLE DE PROCESSO 
FONTE: os autores
O	 diagrama	 da	 Figura	 1b	 representa	 uma	 malha	 de	 realimentação	
simplificada,	a	qual	é	mostrada	de	 forma	expandida	na	Figura	2.	Em	qualquer	
processo,	 há	 uma	 série	 de	 entradas,	 isto	 é,	 há	 desde	 produtos	 químicos	 até	
elementos	sólidos.	Esses	são	manipulados	no	processo,	sendo	que	um	novo	produto	
químico	ou	componente	surge	na	saída.	As	entradas	controladas	do	processo	e	os	
parâmetros	de	saída	medidos	no	processo	são	chamados	de	variáveis.
Em	 uma	 instalação	 com	 controle	 de	 processo,	 o	 controlador	 não	 é	
necessariamente	 limitado	 a	 uma	 variável,	mas	 pode	medir	 e	 controlar	muitas	
variáveis.	Um	exemplo	adequado	da	medição	e	controle	multivariável	encontrado	
no	dia	a	dia	é	o	processador	existente	no	motor	de	automóvel.	A	Figura	3	lista	
algumas	 das	 funções	 desempenhadas	 pelo	 processador	 do	 motor.	 A	 maioria	
das	variáveis	controladas	consiste	em	seis	ou	oito	dispositivos,	dependendo	do	
número	de	cilindros	do	motor.	O	processador	do	motor	deve	ser	capaz	de	executar	
todas	essas	funções	em	cerca	de	5	ms.	Esse	exemplo	de	controle	do	motor	pode	
ser	relacionado	com	as	operações	desempenhadas	no	controle	de	processos.
3 DEFINIÇÕES DOS ELEMENTOS EM UMA MALHA DE CONTROLE
A	 Figura	 4	 divide	 os	 elementos	 individuais	 dos	 blocos	 existentes	 em	
uma	malha	de	controle	de	processo.	O	elemento	de	medição	é	constituído	por	
um	sensor,	um	transdutor	e	um	transmissor	que	possui	a	sua	própria	fonte	de	
alimentação	regulada.	O	elemento	de	controle	possui	um	atuador,	um	circuito	de	
controle	de	alimentação	e	sua	própria	fonte	de	alimentação.	O	controlador	possui	
um	processador	com	memória	e	um	circuito	somador	para	comparar	o	ponto	de	
ajuste	com	o	sinal	medido	de	modo	a	gerar	um	sinal	de	erro.	O	processador	usa	
entãoo	sinal	de	erro	para	gerar	um	sinal	de	correção	que	controla	o	atuador	e	a	
variável	de	entrada.	A	definição	desses	blocos	é	dada	a	seguir.
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
6
FIGURA 3 – MOTOR DE AUTOMÓVEL COM IDENTIFICAÇÃO DE ALGUMAS VARIÁVEIS MEDIDAS 
E CONTROLADAS
FONTE: Os autores
A malha de realimentação	é	o	percurso	do	sinal	da	saída	até	a	entrada	para	
corrigir	qualquer	variação	entre	o	valor	da	saída	e	o	nível	definido.	Em	outras	
palavras,	 a	 saída	de	um	processo	 é	 continuamente	monitorada,	 o	 erro	 entre	o	
ponto	de	ajuste	e	o	parâmetro	de	saída	é	determinado,	e	um	sinal	de	correção	
é,	em	seguida,	enviado	de	volta	para	uma	das	entradas	do	processo,	buscando	
corrigir	eventuais	alterações	no	parâmetro	de	saída.
Variável controlada ou medida	é	a	variável	de	saída	monitorada	a	partir	de	
um	processo.	O	valor	do	parâmetro	de	saída	monitorado	é	normalmente	mantido	
dentro	de	certos	limites	estabelecidos.
Variável manipulada	é	a	variável	de	entrada	ou	parâmetro	de	um	processo	que	
é	alterado	por	um	sinal	de	controle	proveniente	do	processador	para	um	atuador.	Ao	
alterar	a	variável	de	entrada,	o	valor	da	variável	medida	pode	ser	controlado.
FIGURA 4 – DIAGRAMA DE BLOCOS DOS ELEMENTOS QUE CONSTITUEM O CAMINHO DE 
REALIMENTAÇÃO EM UMA MALHA DE CONTROLE DE PROCESSO
FONTE: Os autores
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO
7
Ponto	de	ajuste	é	o	valor	desejado	do	parâmetro	de	saída	ou	variável	a	ser	
monitorada	por	um	sensor.	Qualquer	desvio	em	relação	a	este	valor	gerará	um	
sinal	de	erro.
Instrumento	é	o	nome	dado	a	qualquer	um	dos	vários	tipos	de	dispositivos	
usados	na	indicação	ou	medição	de	grandezas	físicas	ou	condições,	desempenho,	
posição,	direção,	entre	outros	parâmetros	semelhantes.
Sensores	são	dispositivos	capazes	de	detectar	as	variáveis	físicas,	tais	como	
a	temperatura,	a	intensidade	luminosa	ou	movimento,	possuindo	a	capacidade	
de	fornecer	uma	saída	mensurável	que	varia	em	relação	à	amplitude	da	variável	
física.	O	corpo	humano	possui	sensores	nos	dedos	das	mãos,	que	podem	detectar	
a	rugosidade	da	superfície,	a	temperatura	e	a	força.	Um	termômetro	é	um	bom	
exemplo	de	um	sensor	de	linha	de	visão,	o	qual	fornece	uma	indicação	visual	da	
temperatura	exata.	Em	outros	sensores,	como	um	sensor	de	pressão	de	membrana,	
um	transdutor	de	pressão	pode	ser	necessário	para	converter	a	deformação	do	
diafragma	num	sinal	elétrico	ou	pneumático	antes	que	possa	ser	medido.
Transdutores	 são	 dispositivos	 que	 podem	 converter	 uma	 forma	 de	
energia	em	outra	como,	por	exemplo,	um	termômetro	de	resistência	que	converte	
a	 temperatura	 em	 resistência	 elétrica,	 ou	 ainda	 um	 termopar	 que	 converte	 a	
temperatura	 em	 tensão.	Ambos	 esses	 dispositivos	 fornecem	 uma	 saída	 que	 é	
proporcional	à	temperatura.	Muitos	transdutores	são	classificados	como	sensores.
Conversores	são	dispositivos	usados	para	alterar	o	formato	de	um	sinal	
sem	 provocar	 alterações	 na	 forma	 de	 energia,	 isto	 é,	 uma	 conversão	 de	 uma	
tensão	em	um	sinal	de	corrente.	Atuadores	são	dispositivos	usados	para	controlar	
uma	variável	de	entrada	em	resposta	a	um	sinal	proveniente	de	um	controlador.	
Um	exemplo	de	 atuador	 típico	 é	uma	válvula	de	 controle	de	vazão,	 capaz	de	
controlar	a	 taxa	de	vazão	de	um	fluido	de	 forma	proporcional	à	amplitude	de	
um	sinal	elétrico	fornecido	pelo	controlador.	Outros	tipos	de	atuadores	são	relés	
magnéticos,	 que	 conectam	 e	 desconectam	 o	 fornecimento	 de	 energia	 elétrica.	
Exemplos	desses	são	os	atuadores	que	controlam	a	alimentação	de	ventiladores	
e	compressores	em	um	sistema	de	ar-condicionado	em	resposta	a	sinais	obtidos	
por	sensores	de	temperatura	ambiente.
Controladores	são	dispositivos	que	monitoram	sinais	de	 transdutores	e	
atuam	de	forma	adequada	para	manter	o	processo	dentro	de	limites	especificados	
de	acordo	com	um	programa	predefinido,	ativando	e	controlando	os	atuadores	
necessários.
Controladores	lógicos	programáveis	(CLP)	são	usados	em	aplicações	de	
controle	de	processo	 e	 são	 sistemas	microprocessados.	Pequenos	 sistemas	 têm	
a	 capacidade	 de	 monitorar	 diversas	 variáveis	 e	 controlar	 diversos	 atuadores,	
com	 capacidade	 de	 expansão	 para	monitorar	 de	 60	 a	 70	 variáveis	 e	 controlar	
um	número	de	 atuadores	 correspondente,	 o	 que	pode	 ser	 necessário	 em	uma	
refinaria	petroquímica.	Os	CLPs,	 os	 quais	possuem	a	 capacidade	de	utilizar	 a	
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
8
informação	de	entrada	na	forma	analógica	ou	digital,	bem	como	sinais	de	controle	
de	 saída	 analógicos	 ou	digitais,	 podem	 se	 comunicar	 globalmente	 com	outros	
controladores,	são	facilmente	programados	on-line	ou	off-line,	e	fornecem	uma	
ampla	quantidade	de	dados	 e	 informações	para	o	operador.	Redes	 em	escada	
(ladder)	são	normalmente	usadas	para	programar	os	controladores.
Um sinal de erro	 é	a	diferença	entre	o	ponto	de	ajuste	e	a	amplitude	da	
variável	medida.	Um	sinal	de	correção	é	o	sinal	utilizado	para	controlar	a	energia	
enviada	ao	atuador	para	definir	o	nível	da	variável	de	entrada.
Transmissores	 são	 dispositivos	 utilizados	 para	 amplificar	 e	 formatar	
sinais,	 sendo	adequados	para	a	 transmissão	em	grandes	distâncias	 com	perda	
nula	ou	mínima	de	informação.	O	sinal	transmitido	pode	possuir	vários	formatos	
como,	por	exemplo,	pneumático,	digital,	tensão	analógica,	corrente	analógica	ou	
como	um	sinal	modulado	em	radiofrequência	(RF).	A	transmissão	digital	é	mais	
adequada	em	sistemas	mais	recentes	porque	o	controlador	é	um	sistema	digital,	e	
como	os	sinais	analógicos	podem	ser	digitalizados	com	precisão,	os	sinais	digitais	
podem	 ser	 transmitidos	 sem	 perda	 de	 informação.	 O	 controlador	 compara	 a	
amplitude	do	sinal	do	sensor	com	um	ponto	de	referência	pré-determinado,	o	que	
na	Figura	1	corresponde	à	amplitude	do	sinal	do	sensor	de	água	quente.	Então,	
o	controlador	enviará	um	sinal	que	é	proporcional	à	diferença	entre	a	referência	
e	o	sinal	 transmitido	para	o	atuador,	de	modo	que	este	deva	abrir	ou	fechar	a	
válvula	de	controle	do	fluxo	de	vapor	d’água	para	ajustar	a	temperatura	da	água	
no	respectivo	valor	de	referência.
EXEMPLO
A	Figura	5	mostra	o	diagrama	de	blocos	de	um	sistema	de	controle	de	
vazão	em	malha	fechada.	Identifique	os	seguintes	elementos:	(a)	o	sensor,	(b)	
o	transdutor,	(c)	o	atuador,	(d)	o	transmissor,	(e)	o	controlador,	(f)	a	variável	
manipulada	e	(g)	a	variável	medida.
FIGURA 5 – CONTROLE DO PROCESSO COM UM REGULADOR DE VAZÃO UTILIZADO NO 
EXEMPLO 1.1
FONTE: Os autores
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO
9
4 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE INSTRUMENTAÇÃO
A	ciência	da	instrumentação	surgiu	devido	à	necessidade	do	desenvolvimento	
de	técnicas	para	a	medição,	indicação,	registro	e	do	controle	de	dados	quantitativos	
nos	mais	diversos	campos	de	atuação.	Na	área	de	engenharia	elétrica,	utilizam-
se	os	efeitos	 físicos	 (força	eletromagnética,	 força	eletrostática,	 efeito	 Joule,	 efeito	
termoelétrico,	entre	outros)	para	fornecer	esses	dados	aos	instrumentos	através	de	
grandezas	elétricas.
Neste	subtópico,	você	conhecerá	melhor	algumas	dessas	grandezas	elétricas	
e	seus	sistemas	de	medida.	Também	aprenderá	sobre	os	instrumentos	utilizados	
para	a	medição	das	unidades	e	como	minimizar	os	erros	dessas	medições.
5 CONCEITOS E DEFINIÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO
A	instrumentação	tornou	possível	o	processo	de	medição	e	comparação	das	
grandezas	físicas	que	possuem	um	padrão	único	e	comum	entre	si	(FERNANDES,	
2008).
 
As	grandezas	físicas	estão	divididas	em	duas	categorias:	as	ditas	grandezas	
fundamentais	e	as	grandezas	derivadas,	que,	como	o	nome	diz,	são	derivadas	das	
fundamentais.	As	Tabelas	1	e	2	mostram	algumas	dessas	grandezas.
TABELA 1 – GRANDEZAS FUNDAMENTAIS
FONTE: Adaptada de Fernandes (2008)
TABELA 2 – GRANDEZAS DERIVADAS ELÉTRICAS
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
10
FONTE: Adaptada de Fernandes (2008)
Os	instrumentos	utilizados	podem	ser	classificados	quanto	a	sua	função:
•	 Instrumentos	 Indicadores:	mostram	o	valor	da	mediçãono	 instante	de	sua	
utilização,	descartando	a	mesma	no	instante	seguinte.
•	 Instrumentos	 Registradores:	 registram	 o	 valor	 da	 medição	 para	 posterior	
análise	e	podem	ou	não	indicar	sua	medição.
•	 Instrumentos	Integradores:	mostram	o	valor	acumulado	das	medições	em	um	
determinado	intervalo	de	tempo.
•	 Instrumentos	Controladores:	 comparam	o	valor	da	medição	com	um	valor	
pré-determinado	e,	baseando-se	na	diferença	entre	os	valores,	podem	emitir	
um	sinal	para	a	correção.
•	 Instrumentos	Conversores:	permitem	transformar	um	valor	de	medição	em	
sua	entrada	em	outro	proporcional	em	sua	saída.
Para	exemplificar,	a	Figura	6	mostra	alguns	desses	instrumentos.
FIGURA 6 – EXEMPLO DE ALGUNS TIPOS DE INSTRUMENTOS
FONTE: Os autores
É	comum	que	os	instrumentos	apresentem	uma	faixa	de	medição	(calibre	
ou	 range),	 ou	 seja,	 um	 conjunto	de	valores	 admitidos	pelo	 instrumento	numa	
determinada	medição.	Dentro	 dessa	 faixa	 de	medição	 temos	 a	 resolução,	 que	
mostra	a	sensibilidade	de	variação	a	cada	mudança	no	valor	da	medição.	Pode-
se	avaliar	a	mesma	pelo	número	de	casas	decimais	mostradas	pelo	instrumento.
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO
11
Além	 disso,	 os	 instrumentos	 possuem	 uma	 classe	 de	 exatidão,	 que	
nada	mais	 é	do	 que	 a	 aproximação	 entre	 o	 resultado	 obtido	de	uma	medição	
e	 o	 valor	 adotado	 como	padrão.	Não	 confundir	 com	precisão,	 que	demonstra	
a	 variabilidade	 dos	 resultados	 de	 diversas	medições	 sucessivas.	A	 aferição	 de	
um	 instrumento	é	o	procedimento	que	 compara	o	valor	 lido	por	 ele	 e	o	valor	
padrão	 apropriado,	 sendo	 sua	 calibração	 efetuada	quando	da	 correção	para	 o	
valor	padrão	(FERNANDES,	2008).
Um	instrumento	é	identificado	de	acordo	com	o	tipo	de	grandeza	que	é	
capaz	de	medir	(voltímetro,	amperímetro,	wattímetro	etc.).	O	princípio	físico	do	
funcionamento	dos	instrumentos	utilizados	em	medições	elétricas	é	caracterizado	
pela	forma	como	ele	se	comporta	sob	o	efeito	da	corrente	elétrica:	eletrodinâmico	
–	efeito	de	corrente	elétrica	sobre	corrente	elétrica;	ferro-móvel	–	efeito	do	campo	
magnético	da	corrente	elétrica	sobre	peça	de	material	ferromagnético;	térmico	–	
efeito	do	aquecimento	produzido	pela	corrente	elétrica	ao	percorrer	um	condutor;	
entre	outros	(FERNANDES,	2008).
Veja os padrões das grandezas elétricas:
Corrente Elétrica: o ampere é a corrente constante que, mantida entre dois condutores 
paralelos de comprimento infinito e seção transversal desprezível separados em 1m, no 
vácuo, produz uma força entre os dois condutores de 2 · 10-7N/m. Na prática, são utilizados 
instrumentos, chamados “balanças de corrente”, que medem a força de atração entre duas 
bobinas idênticas e de eixos coincidentes.
Tensão: o padrão do volt é baseado numa pilha eletroquímica conhecida como “Célula 
Padrão de Weston”, constituída por cristais de sulfato de cádmio (CdSO4) e uma pasta de 
sulfato de mercúrio (HgSO4) imersos em uma solução saturada de sulfato de cádmio. Em uma 
concentração específica da solução e temperatura de 20 °C, a tensão medida é de 1,01830V.
Resistência: o padrão do ohm é normalmente baseado num fio de manganina (84% Cu, 
12% Mn e 4% Ni) enrolado sob forma de bobina e imerso num banho de óleo a temperatura 
constante. A resistência depende do comprimento e do diâmetro do fio, possuindo valores 
nominais entre 10-4Ω e 106Ω.
Capacitância: o padrão do farad é baseado no cálculo de capacitores de geometria precisa e 
bem definida com um dielétrico de propriedades estáveis e bem conhecidas. Normalmente, 
usam-se duas esferas ou 2 cilindros concêntricos separados por um dielétrico gasoso.
Indutância: o padrão do henri é também baseado no cálculo de indutores sob a forma de 
bobinas cilíndricas e longas em relação ao diâmetro com uma única camada de espiras 
(FERNANDES, 2008).
IMPORTANT
E
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
12
6 SISTEMAS DE UNIDADE E OS PADRÕES NAS MEDIÇÕES
Todas	as	grandezas	físicas	possuem	uma	unidade	padrão	e	estão	reunidas	
no	chamado	Sistema	Internacional	(SI).	A	unidade	e	a	grandeza	física	são	coisas	
distintas.	Enquanto	a	grandeza	física	é	o	fenômeno	físico	envolvido,	a	unidade	a	
forma	de	medir	o	valor	dessa	grandeza.	Exemplo:	tempo	é	a	grandeza	física	e	o	
segundo	é	como	o	medimos,	a	unidade	de	tempo.
As	Tabelas	1	e	2	mostradas	anteriormente	demonstram	algumas	dessas	
grandezas	e	suas	unidades	correspondentes.	Além	das	unidades	padronizadas,	
também	são	utilizados	prefixos	que	representam	um	fator	multiplicador	dessa	
unidade,	 favorecendo	 a	 sua	 representação	 escrita.	 A	 Tabela	 3	 mostra	 alguns	
desses	prefixos.
TABELA 3 – PREFIXOS UTILIZADOS NO SI
FONTE: Adaptada de Medeiros Filho (1981)
Para entender melhor os diferentes funcionamentos dos instrumentos utilizados 
em medições elétricas (eletrodinâmico, ferro-móvel, bobina-móvel, indução, bobinas 
cruzadas, sistema com fio térmico e eletrostático), acesso o link: https://goo.gl/Z2Z25P.
DICAS
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO
13
Uma	outra	padronização	internacional	para	os	instrumentos	é	a	categoria	
de	segurança	da	medição,	uma	divisão	que	oferece	 isolação	elétrica	de	acordo	
com	a	localização	da	medição.	É	baseada	no	fato	de	que	um	transiente	perigoso	
de	alta	energia,	como	uma	descarga	atmosférica,	será	atenuado	ou	amortecido	
por	uma	 resistência	de	 corrente	 alternada	do	 sistema	 (FERNANDES,	 2008).	A	
Figura	7	exemplifica	as	categorias	de	segurança.
FIGURA 7 – CATEGORIAS DE SEGURANÇA
FONTE: Adaptada Fluke (2004)
Para visualizar a lista completa de grandezas físicas e suas unidades padrão, 
assim como os prefixos do SI, acesse o link: https://goo.gl/PJ4zCh.
DICAS
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
14
7 A MEDIÇÃO E O ERRO DOS INSTRUMENTOS
Antes	de	sair	medindo	as	coisas,	você	precisa	ter	algumas	precauções.	O	
operador	deverá	 ter	 a	 certeza	de	que	 está	utilizando	o	 instrumento	de	maneira	
correta,	 garantindo	 a	 integridade	 do	 instrumento	 e	 principalmente	 evitando	
acidentes.	Sempre	leia	o	manual	de	instruções	caso	ainda	não	conheça	o	instrumento.
Para	realizar	as	medições,	deve-se	escolher	o	instrumento	mais	adequado,	
levando	 em	 consideração	 a	 grandeza	 a	 qual	 quer	medir,	 e	 se	 esta	 é	 contínua	
ou	 alternada.	 Também	 deve-se	 escolher	 um	 instrumento	 que	 tenha	 um	 range 
compatível	com	valor	esperado	para	tal	medição.	A	classe	de	exatidão	deverá	ser	
escolhida	conforme	a	qualidade	e	exigência	desejada	para	a	medida.
Por	 último	 e	 não	 menos	 importante,	 você	 deve	 avaliar	 a	 interferência	
que	o	instrumento	ocasionará	ao	ser	inserido	no	circuito	do	qual	pretende	obter	
medições.	 Isso	evitará	que	a	medição	aponte	um	valor	que	não	corresponda	à	
realidade	do	circuito.
Normalmente,	é	dito	que	todo	amperímetro	tem	sua	resistência	 interna	
desprezível	quando	é	utilizado	para	medir	uma	corrente	elétrica.	Será	que	isso	é	
realmente	verdade?
É	mais	correto	afirmar	que	a	resistência	interna	do	amperímetro	é	pequena,	
mas	não	desprezível.	Por	 exemplo:	 supomos	que	uma	 fonte	E	 =	 10V	alimenta	
uma	resistência	R	=	1Ω,	conforme	a	figura	a	seguir.	
Então	a	corrente	I	que	circula	através	de	R	é	de	10A.	Se	for	introduzido	em	
série	com	R	um	amperímetro	de	resistência	interna	Ra	=	1Ω,	conforme	a	figura	a	
seguir,	a	corrente	será	agora	I	=	5A.
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO
15
	Isso	demonstra	que	o	amperímetro	causou	uma	perturbação	no	circuito	em	
virtude	de	sua	resistência	ser	considerável,	e	não	desprezível,	diante	do	valor	da	
resistência	R	do	circuito.	Esse	exemplo	é	extensivo	a	todos	os	outros	instrumentos	
elétricos	de	medição	e	serve	de	alerta	aos	seus	manipuladores	(FERNANDES,	2008).
Outro	 aspecto	 importante	 dentro	 da	 obtenção	 das	 grandezas	 é	 o	 erro	
ocasionado	durante	a	medição	que	pode	ser	classificado	de	acordo	com	sua	causa	
em:	grosseiro,	sistemático	e	acidental.
Erro grosseiro:	 podem	 ser	 causados	 por	 falha	 do	 operador	 ao	 escrever	
os	 resultados,	 por	 enganos	 nas	 operações	 fundamentais	 ouaté	 mesmo	 pelo	
posicionamento	incorreto	da	vírgula	nos	números	contendo	decimais.	Esses	erros	
podem	ser	evitados	através	da	repetição	dos	ensaios	e	do	uso	de	um	valor	médio	
obtido	de	várias	medições.	Vale	ressaltar	que	não	existe	um	tratamento	matemático	
para	esse	tipo	de	erro.
Erro sistemático:	estão	atrelados	às	deficiências	do	método	e	do	material	
utilizado,	além	da	apreciação	das	medidas	pelo	experimentador.	Basta	mencionar,	
por	exemplo,	o	consumo	de	energia	dos	 instrumentos	de	medida	e	as	variações	
das	características	físicas	ou	elétricas	dos	elementos	que	constituem	o	circuito.	Esse	
conjunto	de	imperfeições	constitui	a	deficiência	do	método,	que	sempre	apresenta	
uma	 divergência,	 embora	 pequena,	 entre	 a	 análise	 teórica	 e	 o	 comportamento	
prático	desse	circuito.
Os	materiais	(medidores,	pilhas,	resistências,	capacitores	etc.)	devem	ser	
aferidos	periodicamente	 e	os	 componentes	do	 circuito	podem	ser	 substituídos	
por	elementos	teoricamente	iguais	com	o	intuito	de	verificar	a	ausência	do	erro	
sistemático	na	repetição	da	mesma	medição.
Há	experimentadores	com	a	tendência	de	anotar	as	leituras	das	medições	
com	um	valor	maior	do	que	o	real,	enquanto	outros	a	fazem	com	valor	menor.	A	
média	aritmética	das	leituras	de	vários	experimentadores	pode	limitar	esse	erro.
Erro acidental:	a	experiência	mostra	que	uma	mesma	pessoa,	realizando	
os	mesmos	ensaios	e	com	os	mesmos	componentes,	não	consegue	obter	sempre	
o	 mesmo	 resultado.	 Esses	 erros	 são	 consequentes	 do	 imponderável	 e	 são	
essencialmente	variáveis	e	não	suscetíveis	a	limitação	(MEDEIROS	FILHO,	1981).
Erro absoluto e relativo
A palavra erro representa a diferença algébrica entre o valor medido V m de uma grandeza 
e o seu valor verdadeiro, ou aceito como verdadeiro, V
e
: ∆V = V
m
 - V
e
.
IMPORTANT
E
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
16
O	tratamento	dos	erros	tem	o	intuito	de	minimizar	e	também	identificar	
os	 vários	 tipos	 dos	 erros	 presentes	 numa	medição.	 Um	 tratamento	 estatístico	
pode	ser	aplicado	a	um	conjunto	de	dados	obtidos	em	condições	conhecidas.
a)	Média	aritmética:	dada	a	partir	da	equação
Em	que	xi	são	os	valores	medidos	e	n	é	o	número	de	medidas	executadas.	
O	resíduo	r	é	a	diferença	entre	a	média	e	cada	uma	das	medidas	r	=	(x	–	xi).
b)	Erro	padrão	ou	desvio	padrão:	encontrado	a	partir	de	uma	série	de	leituras,	
fornece	 uma	 estimativa	 da	 magnitude	 do	 erro	 presente	 nessas	 medidas	 e	
consequentemente	sua	precisão.	O	erro	padrão	σ	é	calculado	pela	equação
Sendo:	
Sendo assim, o valor verdadeiro Ve da grandeza pode ser expresso da seguinte forma: V
m
 
- ∆V ≤ V
e
 ≤ V
m
 + ∆V.
O valor ∆V é chamado de limite máximo ou superior do erro absoluto. Quando o valor 
medido V
m
 encontrado é maior que o valor verdadeiro V
e
, diz-se que o erro é por excesso. 
Quando V
m
 é menor que V
e
, diz-se que o erro é por falta.
O erro relativo ε é definido como a relação entre o erro absoluto ∆V o valor verdadeiro V
e 
da grandeza medida e pode ser expresso da forma percentual como:
ε = (∆V/Ve) x 100 
FONTE: Medeiros Filho (1981).
17
Neste tópico, você aprendeu que:
•	 Controle	de	processo	é	o	controle	automático	de	uma	variável	de	saída	por	
meio	da	medição	da	amplitude	do	parâmetro	de	saída	a	partir	do	processo,	
comparando-a	com	um	valor	desejado	ou	estabelecido	e	realimentando	um	
sinal	de	erro	no	intuito	de	controlar	uma	variável	de	entrada.
•	 Em	 uma	 instalação	 com	 controle	 de	 processo,	 o	 controlador	 não	 é	
necessariamente	limitado	a	uma	variável,	mas	pode	medir	e	controlar	muitas	
variáveis.	 Um	 exemplo	 adequado	 da	 medição	 e	 controle	 multivariável	
encontrado	no	dia	a	dia	é	o	processador	existente	no	motor	de	automóvel.
•	 Variável	controlada	ou	medida	é	a	variável	de	saída	monitorada	a	partir	de	
um	processo.
•	 Variável	manipulada	é	a	variável	de	entrada	ou	parâmetro	de	um	processo	
que	é	alterado	por	um	sinal	de	controle	proveniente	do	processador	para	um	
atuador.
•	 Sensores	são	dispositivos	capazes	de	detectar	as	variáveis	físicas,	tais	como	a	
temperatura,	a	intensidade	luminosa	ou	movimento,	possuindo	a	capacidade	
de	 fornecer	 uma	 saída	 mensurável	 que	 varia	 em	 relação	 à	 amplitude	 da	
variável	física.
•	 Transdutores	são	dispositivos	que	podem	converter	uma	forma	de	energia	
em	outra	como,	por	exemplo,	um	termômetro	de	resistência	que	converte	a	
temperatura	em	resistência	elétrica.
•	 Controladores	são	dispositivos	que	monitoram	sinais	de	transdutores	e	atuam	
de	forma	adequada	para	manter	o	processo	dentro	de	limites	especificados	de	
acordo	com	um	programa	predefinido.
•	 As	sete	grandezas	fundamentais	da	física	são:	comprimento	(em	metros),	a	
massa	(em	quilogramas),	o	tempo	(em	segundos),	a	intensidade	de	corrente	
(em	amperes),	 a	 temperatura	 termodinâmica	 (em	kelvin),	 a	 quantidade	de	
matéria	(em	mols)	e	a	intensidade	luminosa	(em	candelas).
RESUMO DO TÓPICO 1
18
1	 Uma	malha	de	controle	de	processos	em	automação	é	composta	por:
a)	(			)	 Motores,	atuadores,	controladores	e	processo.
b)	(			)	 Sensores,	atuadores,	controladores	e	processo.
c)	(			)	 Motores,	sensores,	controladores	e	processo.
d)	(			)	 Sensores,	motores,	controladores	e	processo.
e)	(			)	 Atuadores,	controladores	e	processo.
2	 Uma	moderna	caldeira	industrial	totalmente	automática,	com	controle	de	
nível,	pressão,	vazão	de	combustível	e	vapor,	tem	o	tipo	de	controle:
FONTE: <https://bit.ly/3vUWslX>. Acesso em: 1° abr. 2021. 
a)	(			)	 Regenerativo.
b)	(			)	 Manual
c)	(			)	 Malha	fechada.
d)	(			)	 Malha	aberta.
e)	(			)	 On/Off.
3	O	 controle	manual	 é	 feito	pelo	 _______________	 e	 o	 controle	 automático	
é	 feito	 pelo	 _______________.	 Qual	 das	 alternativas	 abaixo	 preenche	
corretamente	as	lacunas?
a)	(			)	 Operador	e	controlador
b)	(			)	 Controlador	e	atuador.
c)	(			)	 Controlador	e	operador.
d)	(			)	 Sensor	e	controlador.
e)	(			)	 Operador	e	atuador.
4	 No	diagrama	de	blocos	de	uma	malha	de	controle,	o	elemento	de	medição	
e	o	elemento	de	controle	são:
AUTOATIVIDADE
19
FONTE: <https://bit.ly/3y1iiWP>. Acesso em: 1° abr. 2021.
a)	(			)	 Controlador	e	caminho	de	realimentação.
b)	(			)	 Variável	controlada	e	variável	manipulada.
c)	(			)	 Sensores	e	atuadores.
d)	(			)	 Saídas	e	entradas.
e)	(			)	 Ponto	de	ajuste	e	atuadores.
5	 A	menor	indicação	da	variável	numérica	que	um	instrumento	pode	indicar,	
ou	seja,	a	menor	mudança	de	uma	variável	para	que	o	instrumento	possa	
responder	é:
a)	(			)	 Faixa	de	um	instrumento.
b)	(			)	 Precisão	de	um	instrumento.
c)	(			)	 Repetibilidade.
d)	(			)	 Histerese.
e)	(			)	 Resolução.
6	 Um	instrumento	de	medição	para	tensão	(voltímetro)	com	classe	de	exatidão	
1,	tem	sua	resistência	interna	original	de	5000	ohms	substituída	por	uma	de	
10000	ohms.	O	que	se	pode	afirmar	após	a	substituição	da	resistência?
a)	(			)	 A	medição	 com	 o	 voltímetro	 terá	 a	mesma	 exatidão	 garantida	 pela	
classe	de	exatidão
b)	(			)	 O	voltímetro	manterá	sua	exatidão	apenas	com	a	resistência	original.
c)	(			)	 O	voltímetro	manterá	sua	precisão	apenas	com	a	resistência	original
d)	(			)	 O	 voltímetro	 manterá	 sua	 exatidão	 proporcional	 ao	 aumento	 da	
resistência	interna.
e)	(			)	 Essa	alteração	não	permitirá	utilizar	o	voltímetro	com	precisão.
7	 Para	 verificar	 a	 presença	 de	 um	 erro	 sistemático,	 pode-se	 realizar	 a	
repetição	do	experimento,	substituindo	os	elementos	iniciais	por	elementos	
teoricamente	iguais.	Supondo	que,	ao	refazer	os	testes,	foi	detectado	uma	
discordância,	ou	seja,	identificado	um	erro.	Pode-se	afirmar	que:
I-	 O	responsável	pelo	erro	foi	o	instrumento	utilizado.
II-	 O	responsável	pelo	erro	foi	o	experimentador	dos	ensaios.
III-	 O	responsável	pelo	erro	foi	o	método	utilizado.
IV-	Os	testes	podem	ser	repetidos	até	que	se	descubram	os	responsáveis	pelo	
erro	anterior.
20
a)	(			)	 Somente	afirmativa	I	está	correta
b)	(			)	 As	afirmativas	I,	II	e	IV	estão	corretas.
c)	(			)	 As	afirmativas	II	e	III	estão	corretas.
d)	()	 Somente	a	afirmativa	II	está	correta.
e)	(			)	 As	afirmativas	I,	II	e	III	estão	corretas.
8	 Dado	 o	 circuito	 da	 figura	 a	 seguir,	 e	 utilizando	 um	 amperímetro	 com	
escala	final	de	30A,	classe	de	exatidão	0,1	e	com	uma	resistência	 interna	
de	5	ohms,	qual	é	o	valor	correto	para	o	erro	absoluto	e	o	erro	relativo	em	
percentual,	respectivamente,	considerando	que	o	amperímetro	apresente	a	
medida	da	corrente	no	nível	inferior	de	sua	classe	de	exatidão?
FONTE: <https://bit.ly/3y08CvE>. Acesso em: 1° abr. 2021. 
9	 Considerando	o	exercício	anterior	proposto,	qual	seria	a	resistência	interna	
adequada	para	o	amperímetro,	para	que	o	erro	relativo	fosse	igual	à	-3%?
10	Um	experimentador,	após	realizar	sucessivas	medições,	deseja	calcular	o	
desvio	padrão.	Com	base	nos	valores	medidos	a	seguir,	qual	é	o	valor	do	
desvio	padrão?
4,37	A 4,40	A
4,38	A 4,40	A
4,39	A 4,41	A
4,43	A 4,41	A
4,42	A 4,43	A
21
TÓPICO 2 — 
UNIDADE 1
CIRCUITOS DIGITAIS NA INSTRUMENTAÇÃO
1 INTRODUÇÃO
O	estudo	dos	circuitos	eletrônicos	onde	as	entradas	e	saídas	são	limitadas	
a	dois	valores	fixos	ou	discretos	ou	níveis	lógicos	é	denominado	eletrônica	digital.	
A	 abordagem	 adequada	dos	 tópicos	 envolvendo	 tecnologia	 digital	 requer	 um	
estudo	 mais	 aprofundado;	 neste	 livro,	 apenas	 alguns	 tópicos	 básicos	 serão	
analisados.	Esse	estudo	se	justifica	em	virtude	da	aplicação	de	circuitos	analógicos	
e	digitais	em	instrumentação.
Sensores	 e	 funções	de	 instrumentação	 são	analógicos	por	natureza.	No	
entanto,	 os	 circuitos	 digitais	 apresentam	 muitas	 vantagens	 sobre	 os	 circuitos	
analógicos.	 Os	 sinais	 analógicos	 são	 facilmente	 convertidos	 em	 sinais	 digitais	
utilizando	 conversores	 analógicos-digitais	 (A/D)	 comercialmente	 disponíveis.	
Em	projetos	atuais,	os	circuitos	digitais	são	utilizados	sempre	que	possível.
Algumas	das	vantagens	dos	circuitos	digitais	são:
•	 menor	consumo	de	energia;
•	 melhor	relação	custo-benefício;
•	 capacidade	de	transmitir	sinais	ao	longo	de	distâncias	longas,	sem	perda	de	
precisão	e	com	eliminação	do	ruído;
•	 transmissão	de	sinais	em	alta	velocidade;
•	 capacidade	de	memória	para	armazenamento	de	dados;
•	 compatibilidade	com	controladores	e	displays	alfanuméricos.
2 SINAIS DIGITAIS
Os	sinais	digitais	são	níveis	lógicos	altos	ou	baixos.	A	maioria	dos	circuitos	
digitais	utiliza	uma	tensão	de	alimentação	de	5	V.	O	nível	 lógico	baixo	 (dígito	
binário	0)	varia	de	0	a	1	V,	a	nível	lógico	alto	(dígito	binário	1)	varia	de	2	V	a	5	V;	
a	tensão	de	1	V	a	2	V	encontra-se	em	uma	região	definida.	Em	outras	palavras,	
qualquer	tensão	menor	que	1	V	é	considerada	um	nível	0	e	qualquer	tensão	maior	
que	2	V	é	considerada	um	nível	1.	Em	circuitos	onde	a	tensão	de	alimentação	é	
diferente	de	5	V,	um	nível	0	é	ainda	considerado	como	uma	tensão	de	0	V	ou	os	
drivers	de	saída	drenam	corrente,	isto	é,	se	o	terminal	de	saída	está	conectado	ao	
terra.	Um	nível	1	corresponde	a	um	valor	próximo	da	tensão	de	alimentação	ou,	
nesse	caso,	os	drivers	de	saída	fornecem	corrente,	sendo	que	o	terminal	de	saída	
está	conectado	à	fonte	de	alimentação.
22
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
2.1 NÚMEROS BINÁRIOS
Utiliza-se	o	sistema	decimal	(base	10)	para	funções	matemáticas,	enquanto	
circuitos	eletrônicos	utilizam	o	sistema	binário	(base	2)	para	executar	as	mesmas	
funções.	As	regras	são	as	mesmas	ao	realizar	cálculos	utilizando	qualquer	um	dos	
dois	sistemas	de	numeração	(base	10	ou	2).	A	Tabela	4	apresenta	uma	comparação	
entre	os	valores	nos	sistemas	decimal	e	binário.
TABELA 4 – EQUIVALÊNCIA ENTRE NÚMEROS DECIMAIS E BINÁRIOS
 FONTE: Os autores
O bit	menos	significativo	(least significant bit –	LSB)	ou	casa	das	unidades	
corresponde	ao	bit	da	extrema	direita.	No	sistema	decimal,	depois	que	as	unidades	
são	totalmente	utilizadas,	ocupa-se	a	casa	das	dezenas,	ou	seja,	9	aumenta	para	10.	
Quando	as	dezenas	são	 totalmente	utilizadas,	 recorre-se	às	centenas,	ou	seja,	99	
aumenta	para	100,	e	assim	por	diante.	O	sistema	binário	emprega	a	mesma	lógica	
quando	os	valores	0	e	1	 são	usados	na	posição	LSB.	Então,	passa-se	a	ocupar	a	
posição	seguinte,	isto	é,	1	vai	para	10,	11	vai	para	100,	111	e	vai	até	1000,	e	assim	por	
diante.	A	única	diferença	é	que	há	a	necessidade	de	um	número	maior	de	dígitos	
para	representar	um	número	no	sistema	binário	do	que	no	sistema	decimal.
Números	 binários	 podem	 ser	 facilmente	 convertidos	 em	 números	
decimais	usando	o	valor	de	potência	do	número	binário.	A	Tabela	5	fornece	os	
valores	das	potências	dos	números	binários	e	sua	respectiva	localização	a	partir	
do	LSB,	bem	como	o	valor	decimal	equivalente.
Nota-se	que,	ao	utilizar	os	valores	posicionais,	a	contagem	é	iniciada	em	
0,	e	não	em	1,	como	poderia	ser	esperado.
Cada	dígito	binário	é	chamado	de	bit,	quatro	bits	são	definidos	como	um	nibble,	
oito	bits	formam	um	byte	e	2	bytes	ou	16	bits	são	definidos	como	uma	palavra.	Uma	
palavra	muitas	vezes	é	dividida	em	quatro	nibbles,	onde	cada	nibble	é	representado	
TÓPICO 2 — CIRCUITOS DIGITAIS NA INSTRUMENTAÇÃO
23
pelo	número	de	uma	década	e	letras,	como	mostra	a	Tabela	4.3.	Assim,	uma	palavra	
pode	ser	representada	por	quatro	números	de	década	além	das	seis	primeiras	letras	
do	alfabeto.	Essa	representação	é	conhecida	como	sistema	hexadecimal.
TABELA 5 – VALORES DAS POTÊNCIAS DOS NÚMEROS BINÁRIOS
FONTE: Os autores
TABELA 6 – NUMERAÇÃO EQUIVALENTE NO SISTEMA HEXADECIMAL (H)
FONTE: Os autores
EXEMPLO:	Qual	é	o	número	decimal	equivalente	ao	número	binário	
101100101?
Os	valores	das	potências	equivalentes	são	dadas	por:
EXEMPLO:	Qual	é	o	valor	hexadecimal	equivalente	à	palavra	binária	
1101001110110111?
A	palavra	binária	é	dividida	em	grupos	de	quatro	bits	(nibble)	a	partir	
de	LSB,	deslocando-se	em	direção	ao	bit	mais	significativo	(most significant bit – 
MSB).
24
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
Circuitos	binários	ou	digitais	 são	sincronizados	por	sinais	de	clock,	que	
são	 gerados	 por	 osciladores	 de	 cristal	 muito	 precisos	 (<	 ±0,001%)	 utilizando	
contadores	 e	 divisores.	 O	 sinal	 de	 clock	 pode	 ser	 utilizado	 para	 gerar	 atrasos	
e	 sinais	 de	 temporização	 muito	 precisos	 se	 comparados	 àqueles	 gerados	 por	
circuitos	RC,	os	quais	podem	possuir	tolerâncias	maiores	que	±10%.	Assim,	tem-
se	que	a	geração	de	tempos	de	atraso	e	sinais	de	temporização	é	realizada	quase	
que	inteiramente	por	circuitos	digitais	em	equipamentos	atuais.
2.2 CIRCUITOS LÓGICOS
Os	 blocos	 básicos	 de	 construção	 de	 circuitos	 digitais	 são	 chamados	 de	
portas.	 Esses	 elementos	 são	 o	 buffer	 e	 as	 portas	 inversoras,	AND,	NAND,	 OR,	
NOR,	XOR	e	XNOR.	Esses	blocos	básicos	são	 interligados	para	a	construção	de	
blocos	 funcionais,	 como	 codificadores,	 decodificadores,	 somadores,	 contadores,	
registradores,	 multiplexadores,	 demultiplexadores,	 memórias,	 entre	 outros	
arranjos	 semelhantes.	 Os	 blocos	 funcionais	 são	 então	 interligados	 na	 forma	
de	 sistemas,	 como	 calculadoras,	 computadores,	 microprocessadores,	 relógios,	
geradores	de	função,	transmissores,	receptores,	instrumentos	digitais,	conversores	
A/D	e	conversores	digitais-analógicos	(D/A),	sistemas	de	telefonia	e	outros	arranjos	
semelhantes,	sendo	que	há	inúmeros	outros	exemplos.
A	 Figura	 8	 mostra	 o	 circuito	 de	 um	 inversor	 MOS	 complementar	
(complementary metal-oxide-semiconductor –	CMOS).	O	circuito	utiliza	dispositivos	
complementares	de	canal	N	e	P	(observe	os	símbolos	dos	dispositivos).	A	Figura	8	
mostra	o	símbolo	da	porta	lógica	equivalente.	Quando	a	entrada	da	porta	é	baixa	
(0),	o	transistor	MOS	de	canal	positivo	(positive	MOS	–	PMOS)	está	“LIGADO”	e	
o	transistor	MOS	negativo	(negative	MOS	–	NMOS)	está	“DESLIGADO”,	de	modo	
que	a	saída	é	mantida	em	nível	alto	(1).	Quando	a	entrada	é	alta	(1),	o	transistor	
PMOS	está	“DESLIGADO”	e	o	transistor	NMOS	está	“LIGADO”,	mantendo	a	saída	
baixa	(0),	fazendo	o	sinal	de	entrada	ser	invertido	na	saída.	Um	dos	dispositivos	
MOS	está	 sempre	 “DESLIGADO”,	de	 formaque	o	 circuito	não	drena	qualquer	
corrente	da	 fonte	 (exceto	durante	a	 comutação),	o	que	 torna	os	 circuitos	CMOS	
muito	eficientes	em	termos	do	baixo	consumo	de	energia.
FIGURA 8 – COMPONENTES DE CIRCUITOS UTILIZADOS NA CONCEPÇÃO DE (A) UM 
INVERSOR MOS E (B) EM UM SÍMBOLO INVERSOR
 FONTE: Os autores
TÓPICO 2 — CIRCUITOS DIGITAIS NA INSTRUMENTAÇÃO
25
2.3 CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL
A	amplitude	de	um	sinal	analógico	pode	ser	representada	por	um	número	
digital.	Como	exemplo,	uma	palavra	de	oito	bits	pode	representar	números	até	
255,	sendo	capaz	de	representar	uma	tensão	ou	corrente	analógica	com	precisão	
de	1	a	255	(considerando	que	a	conversão	é	precisa	em	termos	de	1	bit)	ou	precisão	
de	 0,4%.	Da	mesma	 forma,	 palavras	 de	 10	 e	 12	 bits	 podem	 representar	 sinais	
analógicos	com	precisão	de	0,1%	e	0,025%,	respectivamente.
Há	 conversores	A/D	disponíveis	 comercialmente	na	 forma	de	CIs	para	
aplicações	em	instrumentação.	Várias	técnicas	são	utilizadas	para	a	conversão	de	
sinais	analógicos	em	digitais,	as	quais	são	descritas	a	seguir.
Conversores flash	são	muito	rápidos	e	caros,	possuindo	precisão	limitada	
com	saída	de	seis	bits	e	tempo	de	conversão	de	33	ns.	O	dispositivo	pode	amostrar	
uma	tensão	analógica	30	milhões	de	vezes	por	segundo.
A	técnica	de	aproximações sucessivas	apresenta	alta	velocidade,	custo	médio	
e	 boa	 precisão.	 O	 dispositivo	 dessa	 natureza	 que	 possui	maior	 custo	 é	 capaz	
converter	uma	tensão	analógica	de	12	bits	em	20	μs,	sendo	que	o	dispositivo	com	
menor	custo	pode	converter	um	sinal	analógico	de	oito	bits	em	30	μs.
Redes de resistores em escada	são	utilizadas	em	conversores	com	velocidade	
baixa	e	custo	médio.	Possuem	um	tempo	de	conversão	de	12	bits	em	cerca	de	5	ms.
Conversores de rampa dupla	são	dispositivos	com	custo	e	velocidade	baixos,	
mas	 apresentam	 boa	 precisão	 e	 são	muito	 tolerantes	 à	 existência	 de	 elevados	
níveis	de	ruído	no	sinal	analógico.	A	conversão	de	12	bits	demora	cerca	de	20	ms.
Os	sinais	analógicos	mudam	constantemente	de	modo	que,	para	que	um	
conversor	 realize	sua	medição,	uma	 técnica	de	amostragem	e	retenção	utilizada	
para	capturar	o	nível	de	 tensão	em	instante	de	 tempo	específico.	Esse	circuito	é	
representado	na	Figura	9a,	sendo	que	as	formas	de	onda	são	mostradas	na	Figura	
9b.	O	transistor	de	efeito	de	campo	de	canal	N	(field effect transistor	–	FET)	no	circuito	
de	amostragem	e	retenção	possui	baixa	 impedância	quando	é	“LIGADO”	e	alta	
impedância	quando	é	“DESLIGA-DO”.	A	tensão	no	capacitor	C	segue	a	tensão	de	
entrada	analógica	quando	o	FET	está	“LIGADO”	e	mantém	o	nível	CC	da	tensão	
analógica	quando	o	FET	está	“DESLIGADO”.	Durante	o	período	de	bloqueio	do	
transistor,	o	conversor	A/D	mede	o	nível	CC	da	tensão	analógica,	convertendo-o	
em	um	sinal	digital.	À	medida	que	a	frequência	de	amostragem	do	conversor	A/D	
torna-se	muito	maior	que	a	frequência	do	sinal	analógico,	a	amplitude	variável	do	
sinal	analógico	pode	ser	representada	na	forma	digital	durante	cada	período	de	
amostragem	e	armazenada	na	memória.	O	sinal	analógico	pode	ser	regenerado	a	
partir	do	sinal	digital	por	meio	de	um	conversor	D/A.
A	Figura	 10	mostra	 o	diagrama	de	blocos	do	 conversor	A/D	0804,	 que	
corresponde	a	um	CI	comercial	de	oito	bits.	A	entrada	analógica	é	convertida	em	
um	byte	de	informação	digital	após	decorridos	alguns	milissegundos.
26
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
Uma	alternativa	ao	conversor	A/D	é	a	conversão	de	tensão	em	frequência.	
Nesse	 caso,	 a	 tensão	 analógica	 é	 convertida	 em	 uma	 frequência.	 Há	 CIs	
comerciais	disponíveis	para	tal	finalidade,	como	o	LM	331	mostrado	na	Figura	
10b.	Esses	dispositivos	possuem	relação	linear	entre	a	tensão	e	a	frequência.	As	
características	 de	 operação	dos	 dispositivos	 encontram-se	 em	 folhas	 de	dados	
(datasheets)	fornecidas	pelo	fabricante.
FIGURA 9 – (A) CIRCUITO DE AMOSTRAGEM E RETENÇÃO E (B) RESPECTIVAS FORMAS DE ONDA
FONTE: Os autores
FIGURA 10 –TIPOS DISTINTOS DE CONVERSORES: (a) CONVERSOR A/D LM 0804 E (b) 
CONVERSOR V/F LM 331
FONTE: Os autores
3 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO PARA CONTROLE E 
AUTOMAÇÃO
Os	 sistemas	 pneumáticos	 e	 hidráulicos	 são	 usados	 há	 muitos	 anos	 em	
processos	 industriais	 e	 adquiriram	 um	 lugar	 estabelecido	 na	 indústria	 e	 na	
automação.	O	desenvolvimento	contínuo	de	tecnologia	expandiu	significativamente	
as	 aplicações	 para	muitas	 áreas,	 e	 a	 qualidade	dos	 processos	 vem	 aumentando	
com	 a	 indústria	 4.0,	 onde	 os	 equipamentos	 apresentam	maior	 controle	 de	 seus	
processos.	Para	que	isso	seja	possível,	os	instrumentos	de	medição	na	automação	
são	fundamentais,	uma	vez	que	identificam	os	diversos	parâmetros	dos	processos.
TÓPICO 2 — CIRCUITOS DIGITAIS NA INSTRUMENTAÇÃO
27
Neste	tópico,	você	verá	como	é	realizada	a	escolha	de	um	instrumento	de	
controle,	suas	aplicações,	os	modelos	utilizados,	modos	e	erros	de	leitura,	assim	
como	as	principais	unidades	de	grandeza	aplicadas.	Também	entenderá	 sobre	
os	 cuidados	 e	 a	 calibração.	Além	disso,	 serão	destacados	 alguns	 instrumentos	
de	controle	largamente	utilizados	nos	sistemas	de	automação,	como	medidor	de	
vazão,	manômetro,	vacuômetro,	tacômetro	e	pressostato.
4 INSTRUMENTOS DE CONTROLE
Para	medir	determinada	grandeza,	é	preciso	conhecer	os	 instrumentos	de	
controle	 que,	 atualmente,	 são	 bastante	 variados	 para	 todas	 as	 utilizações	 e	 com	
características	de	 exatidão,	 aplicação,	 resolução	 e	preço	distintas.	De	modo	geral,	
em	 processos	 de	 automação,	 os	 instrumentos	 são	 eletrônicos	 e	 podem,	 além	 de	
monitorar,	ter	ações	como	a	de	abertura	e	fechamento	ou	envio	de	informações	a	uma	
central	de	comando	que,	em	sua	programação,	pode	alterar	processos	de	fabricação.
Há	 alguns	 anos,	 os	 instrumentos	 de	 controle	 analógicos	 ou	mecânicos	
eram	 largamente	 utilizados	 nas	 indústrias,	 porém	 com	 os	 baixos	 preços	 dos	
instrumentos	digitais	e	com	o	número	de	horas	de	treinamento	necessárias	para	
a	sua	correta	leitura,	eles	são	cada	vez	menos	utilizados.	A	automação	também	
está	 determinando	 o	 modo	 como	 um	 processo	 de	 fabricação	 é	 planejado	 e	
construído,	ao	invés	de	termos	pessoas	verificando	os	resultados	dos	controles	
de	processos,	esses	instrumentos	se	comunicam	entre	si	(indústria	4.0)	e	podem	
realizar	mudanças	programadas	para	a	correção	de	desvios.	Por	serem	on-line	e	
por	realizarem	100%	do	processo	de	forma	rápida,	esses	controles	tornaram	os	
produtos	com	maior	qualidade	e	com	preços	mais	acessíveis	a	todos.
4.1 MANÔMETROS E VACUÔMETROS
O	manômetro	é	um	instrumento	de	controle	que	permite	o	monitoramento	
de	 equipamentos	 medindo	 a	 pressão	 em	 determinada	 superfície.	 Ele	 pode	
ser	 utilizado	 em	 várias	 situações,	 desde	 a	 medição	 de	 sistemas	 hidráulicos	
ou	 pneumáticos	 até	 a	 calibração	 de	 pneus.	 Seu	 funcionamento	 pode	 ter	
particularidades	referentes	a	cada	modelo	e	ao	seu	modo	de	construção,	assim,	
podem	ser	encontrados	diversos	modelos	de	manômetros,	digitais	ou	analógicos.	
Esses	 equipamentos,	 além	 de	medir	 a	 pressão,	 podem	 aferir	 a	 temperatura	 e	
o	vácuo,	uma	vez	que	a	pressão	pode	ser	medida	abaixo	ou	acima	da	pressão	
atmosférica.	Os	manômetros	que	podem	medir	pressões	inferiores	à	atmosférica	
são	chamados	de	manômetros	de	vácuo	–	ou	vacuômetros.
 
Manômetro de mercúrio:	é	o	modelo	mais	simples,	feito	por	um	tubo	em	
U,	com	uma	das	pontas	fechadas,	e	a	outra,	aberta.	A	pressão	da	extremidade	faz	
o	mercúrio	se	deslocar,	havendo	uma	diferença	nos	níveis	de	mercúrio	de	um	lado	
e	de	outro.	Dessa	forma,	é	possível	realizar	a	medição	por	meio	de	comparação.	
28
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
Esse	equipamento	foi	utilizado	pelos	primeiros	cientistas	da	física,	tornando-se	
uma	unidade	de	medida,	o	milímetro	de	mercúrio	(mm	Hg).	Por	meio	de	uma	
régua	graduada,	é	possível	realizar	sua	leitura.
Manômetro de Bourdon:	 trata-se	de	um	tipo	de	 instrumento	analógico	
muito	utilizado	na	indústria,	apresentando,	emsua	construção	interna,	um	tubo	
em	forma	de	C	ou	em	formato	helicoidal,	com	um	dos	lados	fechado,	e	o	outro,	
aberto.	Exporta	a	pressão	a	ser	medida,	assim,	quando	o	tubo	se	expande	com	
a	 variação	da	 pressão,	 faz	 com	que	 a	 outra	 extremidade	 se	movimente.	 Esses	
manômetros	apresentam	engrenagens	que	ampliam	o	movimento	e	deslocam	um	
ponteiro	em	um	mostrador	fixo,	com	escala	definida	sob	uma	unidade	de	pressão,	
possibilitando	a	leitura.	Seu	formato	assemelha-se	a	um	relógio	de	ponteiros	com	
uma	abertura	para	o	controle	da	pressão.
Manômetro digital:	outro	tipo	de	manômetro	cada	vez	mais	utilizado	é	o	
eletrônico.	Ele	apresenta	algumas	vantagens,	pois	é	mais	robusto	em	relação	ao	
analógico,	capaz	de	converter	diversas	unidades	de	grandeza	com	maior	precisão,	
podendo,	conforme	as	características	de	fabricação,	atuar	como	vacuômetro.	Um	
fator	 importante	 é	que,	por	 ser	 eletrônico,	pode	 se	 comunicar	 com	centrais	de	
monitoramento	e	outros	equipamentos,	possibilitando	a	ampliação	de	seu	uso	e	
melhorando	os	processos.	É	aplicado	em	diversas	situações,	nas	indústrias	e	no	
dia	a	dia,	como	em	aparelhos	de	pressão	arterial	domésticos.	Outra	vantagem	é	
sua	fácil	interpretação,	o	que	diminui	a	ocorrência	de	erros	de	leitura.
4.2 PRESSOSTATOS
Enquanto	 os	 manômetros	 somente	 indicam	 o	 valor	 de	 pressão,	 os	
pressostatos	 têm	 a	 função	 de	 proteger	 o	 sistema	 e	 podem	 ser	 regulados	 para	
que,	quando	determinada	pressão	seja	atingida,	o	 instrumento	 faça	a	abertura	
(NF	[normal	fechado])	ou	o	fechamento	(NA	[normal	aberto])	de	fluxo	da	linha	
de	pressão.	Sua	função	é	muito	importante,	pois	sem	eles	a	pressão	de	sistemas	
poderia	chegar	a	limites	críticos	de	segurança	para	o	equipamento	e	para	as	pessoas,	
danificando	ou	alterando	parâmetros	importantes	de	produção	e	funcionamento.	
Todos	 os	 pressostatos	 apresentam	 três	 componentes:	 o	 sistema	 de	 ajuste	 de	
pressão,	o	sensor	de	pressão	e	a	unidade	de	acionamento	ou	interruptora.
Alguns tipos de manômetros são muito sensíveis e necessitam de cuidados, de 
forma que batidas e quedas podem alterar o seu resultado de controle, além disso, geralmente, 
estão ligados a uma linha de pressão que pode ser rompida em caso de quebra desse instrumento. 
No caso de qualquer tipo de batida, ele deve ser retirado para verificação e calibração.
ATENCAO
TÓPICO 2 — CIRCUITOS DIGITAIS NA INSTRUMENTAÇÃO
29
4.3 TACÔMETROS
O	tacômetro	é	um	instrumento	que,	por	meio	de	transmissão	mecânica	ou	
de	sensores,	mede	a	velocidade	de	rotação	de	um	eixo.	Sua	unidade	de	grandeza,	
geralmente,	é	 indicada	pelo	número	de	rotações	por	minuto	 (RPM).	Em	nosso	
cotidiano,	 é	 possível	 verificar	 os	 tacômetros	 em	 veículos	 onde	 são	medidos	 a	
velocidade	do	automóvel	e	o	número	de	RPMs	do	motor.
Os	 tacômetros	 podem	 realizar	 o	 controle	 por	meio	 de	 contato	 ou	 sem	
contato	com	o	fluido,	utilizando	a	frequência	e	o	tempo	como	bases	de	cálculo.	
Os	modelos	que	se	utilizam	de	contato	usam	hélices	ligadas	a	um	eixo	rotativo	
que	 calcula	 a	velocidade	de	passagem	de	um	fluido.	Os	modelos	 sem	contato	
utilizam	sensores	emissores	de	laser	e	são	medidos	por	receptores	que	indicam	
a	velocidade	de	passagem	do	fluido.	Nesses	 casos,	 as	 velocidades	de	 controle	
podem	ser	muito	mais	altas,	pois	não	estão	limitadas	ao	funcionamento	mecânico	
de	um	sistema.
4.4 MEDIDOR DE VAZÃO
A	vazão	é	uma	variável	que	ocorre	por	duas	outras	grandezas,	tempo	e	
quantidade,	ou	seja,	é	a	medida	quantitativa	de	determinado	tempo	de	controle.	
Esse	princípio	é	bem	conhecido,	por	exemplo,	quando	se	trata	de	uma	ampulheta	
que,	com	um	volume	conhecido	e	uma	passagem	funcionando	como	um	limitador	
de	vazão,	é	capaz	de	medir	o	tempo.	Outro	medidor	de	vazão	bem	conhecido	é	o	
relógio	que	a	distribuidora	de	água	de	sua	região	usa	para	controlar	o	consumo	de	
sua	residência.	Nesse	caso,	temos	um	tacômetro	interno	que	indica	a	velocidade	
da	água	por	meio	de	uma	hélice	que	gira	com	a	passagem	do	líquido	e	marca,	por	
meio	de	uma	relação	de	engrenagens,	a	quantidade	de	fluido	que	passou	pelo	cano.
O sensor do pressostato fica conectado ao sistema de pressão que se deseja 
medir; quando alcança a pressão ajustada ou programada, o sistema de acionamento pode 
fechar ou abrir uma tubulação hidráulica ou pneumática.
Um exemplo de ação de um pressostato poderia ser aplicado à panela de pressão da sua 
casa; caso não houvesse a válvula de pressão (aquela que solta vapor quando a panela está 
quente), a pressão interna da panela poderia subir até o limite, onde o componente mais 
frágil da panela poderia se romper e causar um acidente.
IMPORTANT
E
30
UNIDADE 1 — PRINCÍPIOS DA INSTRUMENTAÇÃO
Os	modelos	e	aplicações	dos	medidores	de	vazão	são	muitos,	 contudo,	
dependendo	de	sua	aplicação,	em	alguns	casos,	não	são	desejáveis	partes	móveis,	
como	as	hélices,	por	se	tratar	de	fluidos	com	partículas	que	podem	comprometer	
o	 funcionamento	desse	 equipamento.	A	 seguir,	 vamos	 conhecer	 alguns	desses	
modos	de	funcionamento	dos	medidores	de	vazão.
Medidores de vazão eletrônicos:	diferentemente	dos	modelos	mecânicos,	
os	medidores	de	vazão	utilizam	diversos	modos	de	funcionamento,	seja	por	meio	
de	 sensores	magnéticos	ou	por	ultrassom.	Dependendo	do	 tipo	de	medidor,	 é	
possível	ter	o	resultado	de	volume	em	passagem	e	velocidade	de	fluxo	de	forma	
bidirecional,	 além	 de	 apresentar	 alta	 precisão	 nos	 resultados.	Assim	 como	 os	
demais	 componentes	 eletrônicos,	 esses	 controles	podem	ser	 enviados	 a	 outros	
equipamentos,	colaborando	para	que	os	processos	se	tornem	mais	precisos	e	com	
correções	de	processo	mais	rápidas.
5 APLICAÇÃO DOS MEIOS DE CONTROLE
Entre	 as	 atividades	 realizadas	 nos	 processos	 de	 automação	 industrial	
está	a	necessidade	de	medir	diversas	grandezas	em	suas	instalações.	Portanto,	as	
características	técnicas	devem	ser	atendidas	pelos	instrumentos	de	controle,	a	fim	
de	ter	uma	instrumentação	precisa	para	as	instalações	industriais	para	as	quais	
se	destinam.
A	 metrologia,	 segundo	 BIPM	 ([2020]),	 “[…]	 é	 a	 ciência	 da	 medição,	
abrangendo	 determinações	 experimentais	 e	 teóricas	 em	 qualquer	 nível	 de	
incerteza	 em	 qualquer	 campo	 da	 ciência	 e	 tecnologia”.	A	metrologia	 trata	 do	
controle	por	meio	de	instrumentos	que	utilizam	padrões	para	a	comparação	de	
unidades	 de	 medidas	 estabelecidas	 internacionalmente.	 Com	 esse	 resultado,	
inicia-se	o	conceito	fundamental	de	qualidade.	Todos	os	processos	de	fabricação	
têm	 como	 resultado	 produtos	 que	 apresentam	 variação	 de	 medidas	 entre	 si,	
seja	 por	 causa	 de	 desgaste,	 variações	 ambientais,	 matérias-primas	 ou	 falhas	
operacionais.	Dessa	forma,	é	impossível	produzir	objetos	com	total	precisão.	Com	
controles	adequados,	o	erro	pode	ser	diminuído,	possibilitando	um	aumento	de	
produtividade	a	partir	da	redução	de	perdas.
Quando se fala de fluido em um medidor de vazão de água, por exemplo, não 
necessariamente se trata de água, pois o relógio pode girar a hélice por vazão de passagem de ar.
ATENCAO
TÓPICO 2 — CIRCUITOS DIGITAIS NA INSTRUMENTAÇÃO
31
Os	 controles	 são	 realizados	por	meio	de	 comparação	 entre	 o	 objeto	de	
medição	e	um	padrão.	O	padrão,	nesse	caso,	pode	ser	um	instrumento	comparativo	
ou	pode	 ser	 calibrado	de	 acordo,	para	que	 represente	uma	medida	 conhecida	
e	 validada	 por	 um	 laboratório	 de	 calibração,	 que	 certifica	 o	 instrumento	 com	
informações	sobre	a	sua	exatidão.	O	controle	de	medidas	consiste	na	aplicação	de	
processos	que	permitam	manter	os	erros	de	fabricação	dentro	de	limites	aceitáveis	
estabelecidos	nos	desenhos	de	produto	ou	em	normas	de	fabricação.
Não	 há	 como	 comparar	 grandezas	 (unidades)	 distintas:	 comprimento	 é	
comparado	com	comprimento;	volume,	com	volume.	Para	medir	uma	superfície,	
temos	 que	 usar	 unidade	 de	 área	 (cm²,	m²,	 entre	 outras);	 já	 para	 o	 volume,	 são	
utilizadas	 as	 unidades	 de	 volume	 (m³,	 cm³,	 litros,	 entre	 outras).	 Se	 quisermos	
comparar	comprimento