Transpetro / 2006 Automação / Instrumentação Prof. Marcio Costa

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TRANSPETRO / 2006 Automação / Instrumentação Prof. Marcio Costa


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 1. Instrumentos Tipos de Instrumentos

Os instrumentos de medição e controle de processo podem ser classificados de acordo com a seguinte dialética: 1. manual ou automático 2. alimentado ou sem alimentação externa 3. pneumático ou eletrônico 4. analógico ou digital 5. burro ou inteligente 6. montado no campo ou na sala de controle 7. modular ou integral 8. dedicado ou compartilhado 9. centralizado ou distribuído Manual e Automático

Com relação à intervenção humana, a medição instrumento pode ser manual ou automática. A medição mais simples é feita manualmente, com a interferência direta de um operador. A medição manual geralmente é feita por um instrumento portátil. Exemplos de medição manual: medição de um comprimento por uma régua, medição de uma resistência elétrica através de um ohmímetro, medição de uma voltagem com um voltímetro. As medições feitas manualmente geralmente são anotadas pelo operador, para uso posterior. A medição pode ser feita de modo automático e continuo, sem interferência humana direta. O instrumento fica ligado diretamente ao processo, sentindo a variável e indicando continuamente o seu valor instantâneo. Quando o operador quiser saber o valor medido, ele se aproxima adequadamente do instrumento e faz a leitura. Também neste caso, ele pode anotar a leitura feita para uso posterior.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Quando se necessita do registro continuo da variável, usa-se um registrador, que opera continuamente. Atualmente é possível, num sistema de aquisição de dados, a medição contínua de muitas variáveis e emissão de relatórios de medição através de impressoras de computador.

Instrumentos Portáteis Alimentação dos Instrumentos

A energia está associada aos instrumentos de dois modos: através da alimentação e do método de transdução. Qualquer instrumento para funcionar necessita de uma fonte de energia. Esta fonte de energia pode ser externa e explícita, quando o instrumento é alimentado. As duas fontes clássicas de alimentação de instrumentos são a eletrônica e a pneumática. Instrumentos eletrônicos são alimentados por uma fonte externa de voltagem, típica de 24 V cc. Esta alimentação geralmente é feita por um único par de fios que simultaneamente conduz a informação e a alimentação. Por questão econômica e de segurança, raramente se usa um instrumento de medição no campo alimentado com uma bateria integral (colocado no seu interior).

Alimentação do Transmissor Eletrônico


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Instrumentos pneumáticos são alimentados por uma fonte externa de ar comprimido, típica de 140 kPa (20 psi). Cada instrumento pneumático montado no campo é alimentado individualmente através de um conjunto filtro regulador ajustável ou fixo. O filtro elimina, num estágio final, as impurezas, umidade e óleo contaminantes do ar comprimido. O regulador, ajustável ou fixo, geralmente abaixa a pressão mais elevada de distribuição para o valor típico de 140 kPa. O sinal padrão de transmissão pneumática é de 20 a 100 kPa.

Existem ainda instrumentos de montagem local que não necessitam de nenhuma alimentação externa para seu funcionamento. Eles são chamados de auto-alimentados. Eles utilizam a própria energia do processo para seu funcionamento. Exemplos de indicadores e registradores que não necessitam de alimentação externa são: 1. indicador local de pressão, com elemento sensor tipo bourdon C, helicoidal, espiral, helicoidal ou fole. 2. indicador local de temperatura com elemento sensor tipo bimetal. 3. indicador ou registrador local de vazão com elemento sensor de pressão diferencial (diafragma).

Manômetro ( sem alimentação externa ) Pneumático ou Eletrônico

Os instrumentos de medição e controle necessitam de uma fonte de energia externa para o seu funcionamento adequado. Dependendo da natureza desta fonte de energia, os instrumentos podem ser classificados em: 1. pneumáticos, onde estão incluídos os puramente mecânicos. 2. eletrônicos, ou também chamados de elétricos. Ambos os tipos de instrumentos podem executar as mesmas funções, apresentando vantagens e desvantagens, quando comparados. Esta comparação já foi clássica, na década de 1970, mas hoje há uma predominância da instrumentação eletrônica sobre a analógica. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados A escolha entre pneumático ou eletrônico não é apenas a escolha de um instrumento isolado, mas de todo um sistema de instrumentação de controle do processo. A escolha pode depender do tipo de processo e das variáveis envolvidas.

A escolha do sistema de instrumentação influi e implica na definição de outros equipamentos e sistemas. Ou seja, quando se escolhe uma instrumentação pneumática, há a necessidade de se ter um compressor de ar de instrumento, de capacidade adequada à quantidade de instrumentos, com filtros, secadores, estágios de redução e todo um sistema de interligações e distribuição através de tubos plásticos ou de cobre. Quando se escolhe uma instrumentação eletrônica, deve-se considerar o sistema de alimentação elétrica, com eventual opção de reserva de bateria para suprir a energia na falta da alimentação alternada principal. Mesmo com toda a instrumentação eletrônica, deve ser considerado o uso do compressor de ar de instrumento, para alimentar, no mínimo, os transdutores I/P, pois as válvulas de controle são atuadas pneumaticamente. Instrumento Pneumático

O instrumento pneumático é aquele que necessita, para seu funcionamento, da alimentação de ar comprimido, pressão típica de 120 kPa (20 psi). O sinal padrão de informação pneumática é o de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi). O dispositivo para gerar o sinal padrão é o conjunto bico palheta. A distância entre o bico que sopra e a palheta que se move em função da variável medida modula o sinal de saída entre 20 e 100 kPa. O dispositivo para detectar o sinal padrão é o fole receptor.

Transmissor Pneumático

Mesmo com o uso intensivo e extensivo de instrumentos eletrônicos, ainda hoje se usa muito a válvula de controle com atuador pneumático. Por sua simplicidade, confiabilidade e economia, a válvula de controle com atuador pneumático ainda será usada como elemento final de controle padrão por muitos anos. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Instrumento eletrônico

O instrumento eletrônico é alimentado por energia elétrica, geralmente de 24 V cc. Mesmo quando ele é alimentado pela linha alternada de 120 V ca, seus circuitos internos a semicondutores necessitam de corrente contínua para sua polarização e portanto todos os instrumentos possuem uma fonte de alimentação integralizada. O sinal padrão para a transmissão de corrente eletrônica é 4 a 20 mA cc. Já foi usado o sinal de 10-50 mA cc, porém, por causa da segurança e compatibilidade com computadores digitais, ele desapareceu. Existe também o sinal padrão de transmissão de 1 a 5V cc, porém ele não é adequado para grandes distancias, pois a resistência parasita da fiação atenua o sinal transmitido. A alimentação dos instrumentos eletrônicos de campo é feita através do mesmo par de fios que conduz o sinal padrão de informação. Tais transmissores são chamados de 2fios. Pretendeu-se diminuir o sinal padrão para faixa menor que 4 a 20 mA, para que a alimentação fosse de 5 Vcc, porém, isso não se realizou.

Medidor Vortex ( Eletrônico )

Atualmente, quando se tem todo o sistema digital, a transmissão é feita digitalmente. Ainda não há um protocolo padrão de transmissão digital e os fabricantes usam os seus protocolos proprietários, como HART, da Fisher-Rosemount, FOXCOM, da Foxboro. Em outubro de 1996 deverá ser assinado uma tentativa de padronização do Fieldbus. O instrumento eletrônico pode ser uma fonte de energia e por isso ele não é seguro, a não ser que sejam tomados cuidados especiais de fabricação e instalação. Ele deve possuir uma classificação elétrica especial, compatível com a classificação de área do local onde ele vai operar. Há basicamente dois tipos de instrumentos eletrônicos: à base de corrente e à base de tensão. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Instrumentos Eletrônicos

As características dos instrumentos à base de corrente são: 1. todos os instrumentos devem ser ligados em serie. Para garantir a integridade do sistema, devem existir dispositivos de proteção que possibilitem a retirada ou colocação de componentes da malha, sem interrupção ou interferência de funcionamento. Caso não haja essa proteção, quando um instrumento da malha é retirado, ou mesmo se estraga, toda a malha fica desligada. 2. a ligação em serie também influi no valor máximo da impedância da malha. A malha de instrumentos à base de corrente, onde todos são ligados em serie, a soma das impedâncias de entrada de todos os instrumentos é limitada por um valor máximo, que é função geralmente do nível de alimentação da malha. Desse modo, é limitado o número de instrumentos ligados em serie numa malha. Quando esse limite é ultrapassado, a solução é usar o instrumento repetidor de corrente, também chamados, casadores de impedância. 3. as impedâncias de entrada dos instrumentos são baixas (dezenas a centenas de ohms) e portanto as correntes circulares são relativamente elevadas (mA). Isso eqüivale a dizer que o consumo de energia é elevado e há grande dissipação de calor. As características dos instrumentos à base de tensão são: 1. todos os instrumentos são ligados em paralelo. Os diagramas de ligação, como conseqüência, são mais simples, pois podem ser unifilares. 2. os componentes apresentam alta impedância de entrada, de modo que a retirada, colocação ou defeito dos instrumentos do sistema não interferem no seu funcionamento normal. 3. como os instrumentos possuem altíssimas impedâncias de entrada (MΩ) as correntes circulantes são baixíssimas (µA ou pA). O nível de energia dissipada é baixo e o calor dissipado é desprezível.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Como recomendação: utiliza-se instrumento à base de corrente para a transmissão de sinais, pois não há problemas de atenuação com as distancias envolvidas e utiliza-se o sistema com instrumentos à base de tensão para a manipulação local dos sinais, dentro do painel, para usufruir das vantagens de baixo consumo, baixa dissipação de calor, facilidade de ligações, flexibilidade de conexões. Analógico ou Digital

O conceito de analógico e digital se refere a a) sinal b) tecnologia c) display d) função matemática. a) Sinal

Sinal é uma indicação visual, audível ou de outra forma que contem informação. Sinal analógico é aquele que vária de modo continuo, suave, sem saltos em degrau. O parâmetro fundamental do sinal analógico é sua amplitude. Medir um sinal analógico é determinar o valor de sua amplitude. São exemplos de sinal analógico: 1. Sinal padrão pneumático de 20-100 kPa, onde o 20 kPa corresponde a 0% e 100 kPa a 100%. 2. Sinal padrão eletrônico de 4-20 mA cc, onde o 4 mA cc corresponde a 0% e 20 mA a 100%. 3. As variáveis de processo são analógicas. Uma temperatura pode variar de 20 a 50 oC, assumindo todos os infinitos valores intermediários. Uma pressão de processo pode variar de 20 a 100 kPa, de modo contínuo. Sinal binário ou discreto é aquele que só pode assumir valores descontínuos. O sinal digital é constituído de pulsos ou de bits. Pulsos só podem ser contados; bits podem ser manipulados. A saída de pulsos da turbina medidora de vazão, onde cada pulso escalonada pode corresponder, por exemplo, a 1 litro/segundo de vazão é um sinal binário. Um sinal digital de 8 bits pode ser 10011101. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados b) Display

O display ou readout é a apresentação visual dos dados. Ele pode ser analógico ou digital. Display analógico é aquele constituído, geralmente, de uma escala fixa e um ponteiro móvel (pode haver escala móvel e ponteiro fixo). O ponteiro se move continuamente sobre a escala graduada, possibilitando a leitura do valor medido. Display digital é aquele constituído por números ou dígitos. Os números variam de modo discreto, descontinuo, possibilitando a leitura do valor medido. O fator mais importante favorecendo o instrumento digital, quando comparado com o analógico, é a facilidade de leitura. Quando o operador lê um instrumento analógico, ele deve se posicionar corretamente, fazer interpolação, usar espelho da escala, ou seja, ter um bom olho. A leitura analógica é suscetível a erro, subjetiva e demorada.

(a) Display Analógico

(b) Display Digital

c) Tecnologia

A tecnologia eletrônica pode ser analógica ou digital. A base dos circuitos analógicos é o amplificador operacional, que manipula e computada variáveis analógicas (corrente e voltagem). Os componentes passivos (resistência, capacitor e indutor) servem para polarizar os circuitos. Os componentes ativos (transistores, amplificadores operacionais) operam na região de amplificação linear. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Instrumento digital usa circuitos e técnicas lógicas para fazer a medição ou para processar os dados. Basicamente, um instrumento digital pode ser visto como um arranjo de portas lógicas que mudam os estados em velocidades muito elevadas para fazer a medição. A base dos circuitos digitais são os circuitos integrados digitais, constituídos de portas lógicas (AND, OR, NAND, NOR, NOT), multivibradores (flipflop), contadores e temporizadores. Atualmente, todos estes circuitos e lógicas estão integradas no microprocessador. Os circuitos digitais podem também executar as tarefas analógicas de amplificar e filtrar. Necessariamente, eles devem ter um estágio de conversão analógico-digital e eventualmente, de digital-analógico.

Totalização digital por meio analógico d) Função Matemática

Há funções ou tarefas que são tipicamente analógicas, como registro e controle de processo. Só é possível registrar um sinal analógico. Por exemplo, quando se quer registrar a vazão, tendo-se uma turbina medidora com saída de pulsos, deve-se converter o sinal de pulsos em analógico. O controle é também uma função analógica. O seu algoritmo fundamental, PID, é matematicamente analógico e continuo. O controle liga-desliga é um caso particular, com uma saída discreta (digital). Um controlador digital envolve uma tecnologia digital para executar a função analógica de controle. Funções tipicamente digitais são alarme, contagem de eventos e totalização de vazão. Quando se totalizam pulsos escalonados de medição de vazão, basta contá-los. Quando se totaliza um sinal analógico proporcional à vazão, é necessário converter o sinal para digital e depois contar os pulsos correspondentes. Um exemplo relacionando todos estes conceitos é a medição do tempo pelo relógio. O tempo é uma grandeza analógica. O tempo pode ser medido por um relógio mecânico, com tecnologia analógica e mostrador analógico. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Tem-se engrenagens, molas, pinos acionando um ponteiro que percorre uma escala circular graduada. O ponteiro se move continuamente. Este mesmo tempo pode ser medido por um relógio eletrônico, com tecnologia digital mas com mostrador analógico. A tecnologia do relógio é digital pois tem um microprocessador e um cristal oscilante. A indicação é analógica, pois é constituída de escala e ponteiro. Porém, o ponteiro se move com pequenos saltos, mostrando que está sendo acionado por pulsos. Finalmente, o tempo pode ser indicado por um relógio digital. A tecnologia do relógio é digital e o indicador é também digital. O display são números que variam discretamente. Resumindo: a variável analógica tempo pode ser indicada através de relógio analógico (mecânico) ou digital (eletrônico) com display analógico (escala e ponteiro) ou digital (números). Comparação Analógica Versus Digital

Deve-se diferenciar um instrumento digital e um instrumento com display digital. Instrumento digital é aquele em que o circuito necessário para obter a medição é de projeto digital. Um instrumento com display digital é aquele que o circuito de medição é de projeto analógico e somente a indicação é de projeto digital. Um instrumento analógico com leitura digital geralmente não é mais preciso que o mesmo instrumento analógico com leitura analógica. A principal vantagem do display digital é a conveniência de leitura, quando não se tem a preocupação de cometer erro de paralaxe, quando se posiciona erradamente em relação ao instrumento de leitura. Os psicólogos garantem que se cansa menos quando se fazem múltiplas leituras digitais. Porém, a leitura de instrumento analógico é de mais rápida e fácil interpretação, principalmente quando se tem comparações entre duas medições. Por isso, mesmo a instrumentação eletrônica sofisticada com tecnologia digital possui medidores que simulam indicações analógicas. Por exemplo, o controlador single loop possui indicações da medição e do ponto de ajuste feitas através de gráfico de barras. Os relógios digitais foram muito populares na década de 80, porque eles eram novidade e mais baratos. Atualmente, há o reaparecimento de relógios com display analógico, com ponteiros e escala, porque sua leitura é mais rápida e fácil, pois se sabe o significado de certas posições dos ponteiros das horas e dos minutos. A precisão é uma segunda vantagem do instrumento digital sobre o analógico. Embora a precisão dependa da qualidade e do projeto do instrumento, em geral, o instrumento digital é mais preciso que o analógico de mesmo custo. Tipicamente, a precisão do digital é de 0,1% e do analógico é de 1%.


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A exatidão de qualquer instrumento está relacionada com a calibração. Como a precisão de um instrumento digital depende da percentagem do valor medido e de mais ou menos alguns dígitos menos significativos (erro de quantização), o instrumento digital requer calibrações mais freqüentes que o instrumento analógico, cuja precisão depende apenas da percentagem do fundo de escala. Os instrumentos digitais fornecem melhor resolução que os analógicos. A maior resolução dos instrumentos digitais reduz o número de faixas necessárias para cobrir a faixa de medição.

Instrumentos Inteligentes Burro ou inteligente

Os instrumentos convencionais de leitura apresentam os resultados para o operador, que deve interpretá-los. Esta interpretação envolve o uso da unidade de engenharia apropriada, linearização, alguma computação matemática e a conclusão final. Obviamente, para isso se requer um operador esperto ou inteligente. Com o uso intensivo e extensivo do microprocessador na instrumentação, tornou-se possível passar para o instrumento esta capacidade humana de computação matemática e interpretação de resultados. Em 1983 apareceu o primeiro transmissor microprocessado, lançado pela Honeywell e foi chamado de inteligente . Este é outro de muitos exemplos de nomes escolhidos estupidamente para instrumentos de processo. Não há nada particularmente inteligente nos medidores inteligentes. Porém, eles possuem características acima e além das de seus predecessores e estas capacidades devem ser entendidas. Como estes instrumentos foram chamados de inteligentes, por contraposição, os já existentes são considerados burros (dumb). Atualmente, há o sabido (smart ) e o inteligente ( intelligent ), onde o inteligente tem maiores recursos que o sabido, embora ambos sejam microprocessados. Atualmente, quando se fala indistintamente que um instrumento é inteligente quer se referir a um instrumento TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados a base de microprocessador, com a capacidade inerente de computação matemática, lógica, seqüencial, intertravamento.

A capacidade adicional tornou-se possível pelo desenvolvimento da microprocessador e a inclusão deste componente admirável nos instrumentos de medição. Isto significa que um transmissor inteligente possui um pequeno computador em seu interior que geralmente lhe dá a habilidade de fazer duas coisas: 1. modificar sua saída para compensar os efeitos de erros 2. ser interrogado pelo instrumento receptor da malha. As capacidades peculiares dos instrumentos inteligentes são: 1. habilidade de transmitir medições do processo, usando um sinal digital que é inerentemente um método mais preciso do que o sinal analógico. O principal obstáculo é a falta de padronização deste sinal digital e seu respectivo protocolo. Algum dia isto será resolvido. 2. Todos os instrumentos de medição industriais contem componentes como foles, diafragmas e elos que exibem comportamento não linear ou cujo comportamento pode ser alterado por variações de temperatura, umidade, pressão, vibração, alimentação ou outros efeitos externos. Em outros casos, os efeitos não lineares aparecem por causa dos princípios de medição, como a medição de vazão com placa de orifício. A estratégia, até hoje, era usar outros instrumentos para compensar estes efeitos. Como os instrumentos inteligentes possuem uma grande capacidade computacional, estas compensações, correções e linearizações são mais facilmente conseguidas através de circuitos embutidos no microprocessador. 3. Além de transmitir a informação, o transmissor inteligente pode também ouvir . Um benefício prático disto é em verificação de pré partida. Da sala de controle, o instrumentista pode perguntar ao transmissor que está no campo qual é o seu número de identificação. 4. Um transmissor inteligente pode ter sua faixa de calibração facilmente alterada através de comandos de reprogramação em vez de ter ajustes mecânicos locais. Na medição de vazão com placa de orifício, as verificações de zero do instrumento requerem a abertura e fechamento das válvulas do distribuidor no transmissor.


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Área Externa Campo ou sala de controle

Os primeiros instrumentos de medição e controle, desenvolvidos até a década de 1940, eram de montagem local ou no campo, próximos ao processo. Apenas com o advento do transmissor, pneumático ou eletrônico, que possibilitou o envio das informações até distancias de centenas de metros (pneumático) ou alguns kilômetros (eletrônico), tornou-se possível a opção de se montar os indicadores, registradores e controladores em painéis centralizados e localizados em salas de controle. Outro fato que concorreu para o uso de painéis centralizados em salas de controle foi a complexidade crescente dos processos, que requer a leitura e a monitorização simultânea de muitas variáveis simultâneas. Com o uso cada vez mais intensivo da instrumentação eletrônica, com técnicas digitais de controle distribuído, a tendência é a de se usar instrumentos centralizados em salas de controle, distribuídas em toda a planta. Instrumento de campo

Há instrumentos, que pela sua própria função desempenhada, só podem ser montados no campo, próximos ou em contato direto com o processo. Os sensores ( parte dos instrumentos) e as válvulas de controle são necessariamente montados no campo. Na maioria dos casos mas nem sempre, o transmissor é montado no campo. Em uma minoria dos casos, por questão de segurança ou de integridade, o transmissor é montado no painel cego da sala de controle. Os outros instrumentos, tais como indicadores, registradores, controladores, totalizadores, transdutores e conversores podem ser montados no campo e no painel da sala de controle. Embora funcionalmente os instrumentos sejam os mesmos, suas características externas, relacionadas com robustez, segurança, funcionamento são diferentes. E como conseqüência, também os custos são diferentes. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Instrumentos em área industrial

De um modo simplista, um instrumento especificado e construído para ser montado no campo é mais robusto, mais resistente à corrosão e maior do que o seu correspondente montado no painel da sala de controle. A sua pintura e o seu acabamento são normalmente especiais e específicos para cada atmosfera. Atualmente, se aplicam cada vez mais materiais plásticos (p. ex., epoxy) e fibra de vidro, que são altamente resistente e não sofrem corrosão nem ferrugem . A montagem padrão dos instrumentos de campo é em tubo de 2" (50 mm) de diâmetro. Os instrumentos de medição ou registro de vazão, que utilizam o diafragma de pressão diferencial (câmara Barton) são montados em pedestal (yoke ), que é levemente diferente da montagem em tubo de 2". Na montagem em tubo, o instrumento é preso lateralmente ao tubo, através de uma braçadeira. Na montagem em pedestal, o instrumento é colocado sobre o tubo, pois não há espaço lateral para ser fixado. Os instrumentos de campo que apresenta portas, geralmente são trancados com chave, de modo que apenas as pessoas categorizadas lhe tenham acesso ao interior. As portas e janelas de vidro, normalmente, são anti estilhaço, ou seja, quando se quebram não produzem estilhaços, que seriam perigosos aos operadores. Quando não há restrições de segurança, por causa da presença de gases inflamáveis no meio circundante, os instrumentos são iluminados internamente. As luzes são acesas manualmente pelo operador ou pelo instrumento de manutenção, facilitando a operação noturna. Os instrumentos de campo devem ser montados em lugares de fácil acesso, para possibilitar abertura, troca de gráficos, calibração e manutenção.


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Instrumentos montados no campo

Os instrumentos de campo são chamados também de "caixa grande". São tipicamente de formato retangular. Os registradores tem o formato retangular, porém, seus gráficos são circulares, com diâmetro de 12". Instrumentos montados na sala de controle

Com a complexidade dos processos industriais, apareceu a necessidade de maior número de instrumentos para a manipulação dos sinais de informação. Para que os painéis não se tornassem proibitivamente grandes, o que implicaria em maiores custos e maiores dificuldades para os operadores, os fabricantes foram forcados a diminuir os tamanhos dos instrumentos. Esta miniaturização dos instrumentos foi auxiliada pelo advento da eletrônica e pelo uso de circuitos impressos pneumáticos. As características comuns aos instrumentos montados em painel são: 1. Os instrumentos são montados em estantes padronizadas, através de cabos de engate rápido. Esta filosofia, valida para os instrumentos pneumáticos e eletrônicos, torna fácil a substituição a manutenção dos instrumentos. 2. Os instrumentos de painel são mais padronizados, pois manipulam sinais padronizados provenientes dos transmissores de campo. A maioria dos instrumentos de painel recebe o sinal de transmissores do campo, por questão de padronização, de segurança e de técnica. Não seria seguro nem praticável trazer, por exemplo, um sinal de pressão de 100 kg/cm2 do campo para o painel diretamente. Como conseqüência, usa-se um transmissor, eletrônico ou pneumático, de pressão para trazer essa informação para a sala de controle. E o sinal recebido pelo instrumento de painel é um sinal padrão, de 4 a 20 mA se eletrônico ou 20 a 100 kPa se pneumático. 3. A padronização maior dos instrumentos implica em menor número de instrumentos reservas. Como conseqüência dessa padronização, por exemplo, todos os controladores são iguais, quaisquer que sejam as variáveis controladas. O controlador do painel recebe um 16 TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados sinal padrão do transmissor de campo e remete para a válvula de controle outro sinal padrão. Para facilitar ainda mais, os instrumentos de painel são fornecidos com escalas intercambiáveis, de fácil substituição. Assim, em vez de se ter um controlador para cada variável de processo, tem-se um único controlador para todas as variáveis. Apenas são trocadas as escalas dos instrumentos.

Instrumentos em painel de leitura

Locais de montagem TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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4. Os únicos instrumentos de painel que recebem sinais diretamente do processo são os indicadores e registradores de temperatura, com elementos sensores a termopar ou a bulbo de resistência. Também nessa situação, os instrumentos continuam sendo padronizados. Obviamente um registrador de temperatura,com termopar, não poderá receber sinal de um transmissor eletrônico de pressão. Porém, poderá ser ajustado para receber sinal de outro termopar, desde que sejam modificadas as junções de compensação. 5. Os instrumentos de painel são estruturalmente mais frágeis que os instrumentos de campo, pois suas condições ambientais são mais favoráveis e porque as estantes de montagem os protegem. 6. Os instrumentos elétricos montados nos painéis são de uso geral. Ou seja, mesmo que a sala de controle seja de uma industria cuja área do campo seja perigosa por manipular produtos com gases inflamáveis e explosivos, ela é um local seguro. 7. Os tamanhos físicos dos instrumentos de painel são menores, para que os painéis sejam menores, as salas de controle sejam menores. A diminuição do tamanho dos instrumentos não prejudica a operação, pois na sala de controle os operadores podem se aproximar facilmente dos instrumentos de leitura. Modular ou integral

Os primeiros instrumentos agrupavam em seu invólucro todos os circuitos funcionais e são chamados de integrais. Como resultado, eram pouco flexíveis e praticamente não era possível fazer modificações em sua operação.

Instrumento integral

Ainda na instrumentação analógica apareceu a filosofia de separar os instrumentos em módulos independentes fisicamente e separados geograficamente; tem-se a instrumentação modular. Nesta configuração, um controlador era constituído por: TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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1. módulo de entrada, que recebe o sinal de medição da variável de processo, vindo do campo, 2. módulo de processamento de sinal, que pode opcionalmente alterar o sinal recebido, por exemplo, linearizando-o, 3. módulo de controle, onde está alojados os circuitos de controle, com pontos de teste e ajuste de sintonia, 4. módulo de saída, que envia o sinal de controle de volta para o campo, para o elemento final de controle, 5. estação de controle, que constitui a interface com o operador de processo, 6. cabo de ligação entre o módulo e a estação de controle. Todos estes instrumentos são montados na sala de controle. Porém, somente as estações de controle tem informação para o operador. Os instrumentos de painel foram divididos em duas grandes categorias e segregados, para economia de espaço e para simplificação da operação: 1. instrumentos de leitura (display) 2. instrumentos cegos (rack)

Áreas de display e rack


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Painel de leitura

A parte frontal do painel é o espaço nobre e portanto deve ser ocupada apenas por instrumentos que apresentem indicação em escalas, mostradores, gráficos e contadores. Na parte da frente do painel devem ser montados apenas os instrumentos que exijam leitura ou cuidados do operador: indicador, registrador, controlador, estação manual de controle, anunciador de alarme e contador totalizador. Os indicadores são lidos e eventualmente, suas leituras anotadas. Os registradores informam os valores registrados. Os seus gráficos são periodicamente trocados. Tipicamente um gráfico tipo tira, de rolo, tem duração de 30 dias; os gráficos tipo tira, sanfonados, tem duração de 16 dias. Raramente há gráficos circulares de registradores caixa grande na sala de controle, cuja duração típica é de 24 horas, ou menos comum, de 7 dias. Os controladores apresentam a situação do processo, mostrando o valor da medição, do ponto de ajuste e do sinal de saída e como conseqüência, a abertura da válvula de controle. O operador pode variar o ponto de ajuste, conforme orientação do processo. Quando requerido, deve atuar direta e manualmente no processo, através da estação manual de controle acoplada ao controlador automático, depois de fazer a conveniente transferência auto-manual.

Sistema Modular

Além dos instrumentos de indicação, registro e controle, na parte frontal do painel de leitura, estão colocadas as botoeiras de liga-desliga ou de múltiplas posições, que podem ser acionadas pelo operador, dependendo da situação do processo.

Estação de operação SCDC TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Na parte superior do painel, logo acima dos instrumentos convencionais de leitura está localizado o painel anunciador de alarme. Esse painel consiste de uma associação de som (buzina) e luzes e seu objetivo é o de informar ao operador quando os níveis de segurança e funcionamento do processo estão sendo alcançados. Quando ocorre uma situação de alarme, a buzina soa e a luz se acende. Nessa situação, o operador deve acionar o botão de conhecimento do alarme, de modo a desligar o som (que é irritante, de propósito). A luz continua acesa, podendo ficar piscando, para indicar que a situação do processo que provocou o alarme continua ocorrendo. O operador deve providenciar uma atuação no processo, através da manipulação manual da estação de controle, através do ligamento ou desligamento de algum equipamento, de modo que a variável alarmada retorne à sua condição normal. Quando ocorre a normalidade, a luz de alarme se apaga. Ainda acima do anunciador, há o painel sinóptico, onde está esquematizado em um fluxograma, o processo da planta. Ela facilita a tarefa do operador pois mostra as ligações lógicas dos instrumentos e indica os tags de identificação dos instrumentos envolvidos. Há painéis semigráficos que possuem lâmpadas de sinalização de alarme. Armário de instrumentos cegos

Há instrumentos na sala de controle que executam funções inteligentes, porém não apresentam nenhuma informação em forma de indicação ou registro. São os instrumentos auxiliares que condicionam e processam os sinais de informação: extratores de raiz quadrada (linearizam o sinal quadrático proveniente do transmissor de vazão, associado à placa de orifício), multiplicador/divisor de sinais (associado à medição de vazão com compensação de temperatura ambiente e pressão estática), integrador (cuja saída pulsada alimenta o contador, que está localizado na parte frontal do painel, porque possui uma indicação digital) somador, seletor de sinais. Esses instrumentos, geralmente chamados de computadoresanalógicos, são montados ou atras do painel de leitura ou em outro painel, colocado atras do painel de leitura. Quando montados em outro painel, esse painel é chamado de armário (o rack). Os operadores de processo na necessitam ter acesso a esse armário, desde que não há nenhuma informação a ser lida nesses instrumentos. Como esse instrumentos não apresentam nenhuma leitura são chamados de instrumentos cegos.

Painel cego de instrumentos TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Em sistema de arquitetura modular ou arquitetura dividida, a separação e o conceito de painel de leitura e armário de instrumentos cegos são mais nítidos. Atualmente existe um consenso que todas as funções de leitura podem e devem ser separadas fisicamente das funções de processamento e computação matemática. Essa separação ocorre não apenas na instrumentação eletrônica, mas também na instrumentação pneumática. Dedicado ou compartilhado

Instrumento dedicado é aquele que executa uma função relacionada com uma única variável de processo. Um instrumento corresponde a uma malha e uma malha corresponde a um instrumento. Os primeiros instrumentos analógicos eram dedicados. Atualmente, há instrumentos digitais microprocessados que também são dedicados a uma ou duas malhas de controle; são os instrumentos single loop. Instrumento compartilhado é aquele que executa a mesma função, (indicação, registro ou controle), de um grande número de variáveis, simultaneamente. É possível se ter o compartilhamento de várias malhas com um único instrumento mecânico analógico, como o registrador multiponto, quando um instrumento registra até 24 pontos de temperatura (tag TJR . Porém, o mais comum, é o compartilhamento do instrumento eletrônico digital. A interface para o compartilhamento é o multiplexador, que é o instrumento que converte várias entradas em uma única saída. Depois de multiplexar os sinais, há a conversão dos sinais analógicos para digital; (A/D). Quando há controle, o sinal digital deve ser reconvertido para analógico e voltar para o elemento final de controle. Usam-se o conversor digital-para-analógico e o demultiplexador. O conjunto destas funções de multiplexar, converter e demultiplexar é feito por um único instrumento chamado de moddem ( MODulador-DEModulador).

Registro compartilhado de temperatura


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Centralizado ou distribuído

O sistema de controle centralizado é aquele que converte todas as funções de interface com o campo (unidades de E/S), interface com operador, unidades de controle analógico e digital e gerenciamento em um único instrumento. O sistema de controle distribuído executa as funções de controle estabelecidas e permite a transmissão dos sinais de controle e de medição. As diferentes funções de interface com o campo (unidades de E/S), interface com operador, unidades de controle analógico e digital, gerenciamento são distribuídas geograficamente e interligadas pelo elo de comunicação. Os primeiros sistemas de instrumentação analógico possuíam uma sala de controle centralizada, para onde convergiam todos os sinais de informação do processo. Na sala de controle havia ainda a tomada de decisão do controle. As primeiras aplicações de controle digital incluíam um único computador centralizado para fazer a coleta de dados e o controle do processo. O alto custo do equipamento permitia a existência de apenas um (ou dois computadores, quando havia reserva). O uso intensivo e extensivo de microprocessadores devido a grande redução de seu custo e do equipamento de processamento de dados permitiu a distribuição da inteligência entre as diferentes fases do processo de coletar dados, condicionar sinais, tomar decisões e fornecer informação ao operador. Inicialmente houve a aplicação com muitos pontos de controle indo para um painel centralizado, depois com o sistema digital distribuído, voltou-se a distribuir as funções de controle na área industrial. A distribuição de equipamentos de controle diminui o número e o custo das fiações entre cada sensor e a sala de controle e requer um sistema de multiplexagem confiável e um sistema de comunicação de dados. No controle digital distribuído, as funções de monitoração e controle são distribuídas em vários painéis locais, cada um com seu próprio sistema digital, todos interligados por um sistema de comunicação. As operações são distribuídas funcional e fisicamente entre os vários processos da planta. A tendência atual não é mais a de eliminar o operador, mas assisti-lo melhor, fornecer-lhe ferramentas mais eficientes e dar-lhe mais informações acerca do comportamento do processo, para que ele possa intervir na operação, nas situações de emergência, de modo mais eficiente e seguro. O ênfase é colocado no desenvolvimento dos equipamentos de comunicação homem máquina, com aquisição de dados e telas de vídeo dando a possibilidade de estabelecer um dialogo entre os operadores e o processo.


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Estação de operação centralizada

Atualmente, os sistemas de controle distribuído proporcionam uma grande quantidade de informação que deve ser passada gradualmente aos computadores periféricos com o fim de prover controles avançados, otimizar o controle da planta e gerenciar a sua eficiência. O êxito e eficiência destas decisões, independente do seu nível, se baseiam na informação exata disponível e na existência de um sistema padronizado de comunicação entre o sistema de controle distribuído e os computadores que se acoplam a rede. Real ou Virtual Instrumento Real

Instrumento real ou convencional é o equipamento físico que executa a função para o qual ele foi projetado, construído e instalado. Ele deve ser especificado com detalhe para afunção a ser executada, pois ele é pouco flexível. Um controlador convencional deve ser especificado e comprado com as ações de controle necessárias. É muito difícil e quase impossível fazer atualização (upgrade ) de um controlador convencional, para acrescentar alguma característica opcional, não prevista na época de sua compra. Como já visto, o instrumento real pode ser montado no campo ou na sala de controle, pode ser pneumático ou eletrônico, pode ser dedicado ou compartilhado por várias malhas de medição e controle. Atualmente, por causa do uso intensivo e extensivo do computador pessoal na medição e controle de processo, há uma tendência universal de substituir o instrumento real de painel pelo instrumento virtual. Porém, nem tudo pode ser virtual. Os sensores e TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados transmissores, que são a interface com o processo, certamente continuarão a ser físicos, reais, convencionais. Instrumento Virtual

Um instrumento virtual é definido como uma camada de software, hardware ou de ambos, colocada em um computador de uso geral, de modo que o usuário possa interagir com o computador como se fosse um instrumento eletrônico tradicional projetado pelo próprio usuário.

Controlador virtual é aquele construído dentro de um computador pessoal. Atualmente, são disponíveis aplicativos para desenvolver a ace do controlador (template), seu bloco funcional PID e os programas intermediários para interligar imagens, layouts, blocos e sinais externos. Do ponto de vista do operador usuário, é muito difícil ver rapidamente as diferenças entre um instrumento virtual, constituído de programa e equipamento e um real, que é apenas equipamento. O que se vê na tela do computador não dá imediatamente um entendimento da filosofia de base. Diferente de um hardware, em que se pode abrir a caixa e olhar dentro , a arquitetura no software é abstrata e não é imediatamente visível para um olho nu. Para dar um exemplo, quando se tem um computador pessoal com um circuito de aquisição de dados embutido, para um instrumentista ou operador de processo, o instrumento pode funcionar como indicador, registrador, controlador ou chave de atuação. A única diferença entre o instrumento convencional e o virtual é o software e por isso tem se a idéia que o software é o instrumento . Através do monitor de vídeo, teclado e mouse, o operador pode fazer tudo no processo industrial que é feito com o instrumento convencional, como: 1. alterar ponto de ajuste do controlador, 2. passar de automático para manual e vice-versa e em modo manual, atuar diretamente no elemento final de controle 3. estabelecer pontos de alarme de máximo e de mínimo 4. alterar os parâmetros da sintonia (ganho, tempo integral e tempo derivativo) Adicionalmente, como o instrumento dentro do computador possui muito mais recursos, o operador pode: TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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5. ver a curva de resposta do controlador para atestar o resultado da sintonia 6. ver a curva de tendência histórica

Vista frontal de um controlador virtual Controlador virtual comercial

Como visto, o controlador é um instrumento que recebe um sinal de medição da variável controlada (PV), recebe um ponto de ajuste estabelecido pelo operador (SP) e gera um sinal de saída (MV), que é uma função matemática específica da diferença entre a medição e o ponto de ajuste. Tipicamente, o sinal de saída vai para uma válvula de controle. O ponto de ajuste pode ser 1. local, estabelecido pelo operador 2. remoto, determinado por um outro sinal, por exemplo saída de outro controlador 3. remoto ou local, selecionado por uma chave Todo controlador possui uma chave seletora para definir o modo de operação: 1. automático, quando a saída é determinada apenas pelo controlador, em função das ações e da diferença entre a medição e o ponto de ajuste 2. manual, quando a saída é gerada diretamente pelo operador O controlador pode ter ou não ter alarme. O alarme pode ser de baixa, de alta ou ambos.


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Como nos indicadores, o controlador sem alarme possui uma linha do balão preta e o controlador com alarme, linha vermelha. Todo controlador possui um balão com cinza escuro, para permitir a chamada da sua face frontal, através de um gatilho.

Face frontal do controlador, com ponto de ajuste apenas local Face frontal do controlador

O balão cinza escura do controlador indica que há um gatilho nele. Quando o operador coloca o cursor sobre este balão, aparece a mãozinha vermelha. Quando ele clica sobre o balão, aparece ao lado e acima do balão a face frontal do controlador, permitindo ao operador ter mais informações sobre o controlador e atuar no processo através do controlador. A face do controlador virtual é similar a de um controlador convencional, possuindo: 1. barra gráfica verde da variável medida (PV) 2. barra gráfica azul do ponto de ajuste (SP) 3. barra gráfica vermelha da saída do controlador (MV), 4. chave seletora A/M (automático/manual). Quando está em automático, aparece a chave Auto e quando está em manual, a chave Manual. 5. Chaves (4) de atuação manual da saída do controlador, atuável somente quando o controlador está em modo manual: uma lenta e outra rápida, uma subir e outra para descer. Estas chaves não estão habilitadas quando o controlador está em automático. 6. Chave seletora Remoto ou Local do ponto de ajuste (chave opcional) TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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7. Chaves (4) de atuação manual do ponto de ajuste local, atuável somente quando o controlador está com ponto de ajuste local: uma lenta e outra rápida, uma subir e outra para descer. Esta chave não está habilitada quando o controlador está em ponto de ajuste remoto. 8. Indicações digitais dos valores do ponto de ajuste (SP), variável medida (PV) e saída do controlador (MV), logo abaixo das barras gráficas. 9. Botão (ícone parecido com gráfico) para chamar a tela de tendência da variável controlada. 10. Indicação do status da abertura da válvula: A para aberta e F para fechada. 11. Botão para chamado das telas de sintonias P, I e D. Ação Automática ou Manual

Todos os controladores possuem a opção de modo Automático ou Manual. Em modo automático (Auto), a chave de alteração da saída não está habilitada. O operador pode alterar o ponto de ajuste local, atuando nas chaves à esquerda (SP), para aumentar ou diminuir, de modo rápido ou lento. Em modo Manual, a chave de alteração do ponto de ajuste não está habilitada. Através das chaves de atuação da saída, o operador pode atuar diretamente no processo, para aumentar ou diminuir, de modo rápido ou lento.

Frontais do controlador: operação do controlador em modo Automático ou Manual

Quando o operador clica na chave virtual Manual ou Auto do frontal, aparece uma janela para confirmar ou cancelar a mudança. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Imagem que aparece para confirmar ou canelar a transferência Auto-Manual da saída do controlador

Se o operador clicar em Auto, a ação muda ou continua em automático; se clicar em Manual, a ação muda ou continua em manual e se clicar em Cancel, a ação continua como está (nada é alterado). Ponto de ajuste Remoto ou Local

Há controladores com ponto de ajuste local e controladores com ponto de ajuste local ou remoto (p. ex., controlador de relação de vazões). Em modo Manual, a chave de alteração do ponto de ajuste não está habilitada. Em modo automático (Auto) e com o ponto de ajuste selecionado para Local, a chave de alteração do ponto de ajuste fica habilitada: o operador pode alterar o ponto de ajuste local, atuando nas chaves à esquerda (SP), para aumentar ou diminuir, de modo rápido ou lento. Enquanto o controlador estiver em modo Auto e com a chave de ponto de ajuste em Remoto, as chaves de alteração do ponto de ajuste desaparecem. Neste caso, o ponto de ajuste é alterado automaticamente, através de algum sinal externo que chegue ao controlador (tipicamente é a saída de outro controlador, quando os dois estão em controle cascata).

Frontais do controlador Local ou Remoto


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Frontais do controlador Local ou Remoto

Quando o operador clica na chave virtual Local ou Remoto do frontal do controlador, aparece uma janela para confirmar ou cancelar a mudança. Se o operador clicar em Local, a ação muda ou continua em local; se clicar em Remoto, a ação muda ou continua em remoto e se clicar em Cancel, a ação continua como está (nada é alterado).

Frontal de controlador com ponto de ajuste Remoto ou Local e operação Manual e Automático. Sintonia do Controlador

Quando o operador clica na tecla virtual PID aparece uma nova face frontal dos ajustes de sintonia do controlador.


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Janela para sintonia do controlador

Clicando no botão X, na parte superior direita da janela de sintonia, ela é fechada (desaparece da tela). Quando o operador clica na janela com a indicação digital do ganho proporcional (kp), aparece a tela para ajuste do ganho do controlador.

Janela para entrar com o novo valor do ganho

Janela para entrar com valor do ganho integral

Quando o operador clica na janela com a indicação digital do ganho integral (ki), aparece a tela para ajuste do ganho do controlador. Quando o operador clica na janela com a indicação digital do ganho derivativo (kd), aparece a tela para ajuste da ação derivativa do controlador. A sintonia do controlador (ajustes do ganho proporcional, ganho integral e ganho derivativo) é relativamente complexa e por isso, por enquanto, é feita apenas pelo Supervisor ou por instrumentista experiente. Clicando no botão X, na parte superior direita da imagem, a face frontal do controlador é fechada (desaparece da tela). TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Tela de ajuda

Quando operador clica na tecla virtual ATUALIZA, o novo valor entra e foi feita a alteração. Quando o operador clica na tecla virtual AJUDA, aparece a tela de ajuda. Janelas de modificação de ajustes

Em todas as telas de modificação de ajustes (Modify Tag Value), há as seguintes informações: 1. Nome do tag (Tag Name) 2. Descrição do parâmetro alterado 3. Valor corrente 4. Novo valor a ser ajustado 5. Janela com o novo valor 6. Teclas para confirmar (OK), Cancelar (Cancel) ou de Ajuda (Help). Se operador clica em OK, o novo valor é confirmado; se clica em Cancel, o antigo valor é mantido. Quando ele clica em Help, aparece a janela de ajuda. 2. Pressão Definição

Pressão é uma grandeza derivada, expressa como força por unidade de área. Dimensionalmente, tem-se [P] = [M][T -2][L-1] onde: [P] é a dimensão de pressão [M] é a dimensão de massa [T] é a dimensão de tempo [L] é a dimensão de comprimento TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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A pressão do fluido é transmitida com igual intensidade em todas as direções e age perpendicular a qualquer plano. Unidades

A unidade SI para pressão é o pascal (Pa). 1 pascal é a pressão de uma força de 1 Newton exercida numa superfície de 1 metro quadrado. O pascal é uma unidade muito pequena. Um pascal equivale à pressão exercida por uma coluna d'água de altura de 0,1 mm. Ela equivale a pressão de uma cédula de dinheiro sobre uma superfície plana. Na prática, usa-se o kilopascal (kPa) e o megapascal (MPa). A área que causou (e ainda causa) mais confusão na mudança para unidades SI foi a medição de pressão. A nova unidade de pressão, pascal, definida como Newton por metro quadrado é estranha mesmo para técnicos e engenheiros. Assim que o pascal seja aceito e entendido, fica fácil lidar com as pressões extremas de vácuo a altíssimas pressões. A grande vantagem do uso do pascal, no lugar do psi (lbf/in2), kgf/cm2 e mm de coluna liquida é que o pascal não depende da aceleração da gravidade do local e da densidade do liquido. A gravidade não está envolvida na definição de pascal. O pascal tem o mesmo valor em qualquer lugar da Terra, enquanto as unidades como psi, kgf/cm2 e mmH2O dependem da aceleração da gravidade do local.


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O pascal é também usado para expressar a tensão mecânica e o módulo de elasticidade dos materiais. Os altos valores de tensão mecânica são dados em MPa e os valores de módulo de elasticidade em GPa. É comum se usar altura de coluna d'água ou de mercúrio para expressar pequenas pressões. Dimensionalmente é errado expressar a pressão em comprimento de coluna líquida, mas subentende-se que a pressão de 100 mmH 2O significa a pressão igual à pressão exercida por uma coluna de água com altura de 100 mm. Em Instrumentação é comum ainda se usar psi ( pound square inch ) como unidade de pressão, às vezes, modificada como psi e psi, para indicar respectivamente pressão manométrica (gauge) e absoluta. Na borracharia da esquina, a calibração dos pneus é expressa em psi, mas se fala simplesmente libra , que é o modo preguiçoso de dizer libra-força por polegada quadrado. O sugerido pelo SI é pedir ao borracheiro para calibrar o pneu com 169 kPa, em vez de 26 libras. 3. Temperatura Definição

A temperatura é uma quantidade de base do SI, conceitualmente diferente na natureza do comprimento, tempo e massa. Quando dois corpos de mesmo comprimento são combinados, tem-se o comprimento total igual ao dobro do original. O mesmo vale para dois intervalos de tempo ou para duas massas. Assim, os padrões de massa, comprimento e tempo podem ser indefinidamente divididos e multiplicados para gerar tamanhos arbitrários. O comprimento, massa e tempo são grandezas extensivas. A temperatura é uma grandeza intensiva. A combinação de dois corpos à mesma temperatura resulta exatamente na mesma temperatura. A maioria das grandezas mecânicas, como massa, comprimento, volume e peso, pode ser medida diretamente. A temperatura é uma propriedade da energia e a energia não pode ser medida diretamente. A temperatura pode ser medida através dos efeitos da energia calorífica em um corpo. Infelizmente estes efeitos são diferentes nos diferentes materiais. Por exemplo, a expansão termal dos materiais depende do tipo do material. Porém, é possível obter a mesma temperatura de dois materiais diferentes, se eles forem calibrados. Esta calibração consiste em se tomar dois materiais diferentes e aquecê-los a uma determinada temperatura, que possa ser repetida. Coloca-se uma marca em algum material de referência que não tenha se expandido ou contraído. Depois, aqueça os materiais em outra temperatura determinada e repetível e coloque uma nova marca, como TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados antes. Agora, se iguais divisões são feitas entre estes dois pontos, a leitura da temperatura determinada ao longo da região calibrada deve ser igual, mesmo se as divisões reais nos comprimentos dos materiais sejam diferentes.

Um aspecto interessante da medição de temperatura é que a calibração é consistente através de diferentes tipos de fenômenos físicos. Assim, uma vez se tenha calibrado dois ou mais pontos determinados para temperaturas específicas, os vários fenômenos físicos de expansão, resistência elétrica, força eletromotriz e outras propriedades físicas termais, irá dar a mesma leitura da temperatura. A lei zero da termodinâmica estabelece que dois corpos tendo a mesma temperatura devem estar em equilíbrio termal. Quando há comunicação termal entre eles, não há troca de coordenadas termodinâmicas entre eles. A mesma lei ainda estabelece que dois corpos em equilíbrio termal com um terceiro corpo, estão em equilíbrio termal entre si. Por definição, os três corpos estão à mesma temperatura. Assim, pode-se construir um meio reprodutível de estabelecer uma faixa de temperaturas, onde temperaturas desconhecidas de outros corpos podem ser comparadas com o padrão, colocando-se qualquer tipo de termômetro sucessivamente no padrão e nas temperaturas desconhecidas e permitindo a ocorrência do equilíbrio em cada caso. Isto é, o termômetro é calibrado contra um padrão e depois pode ser usado para ler temperaturas desconhecidas. Não se quer dizer que todas estas técnicas de medição de temperatura sejam lineares mas que conhecidas as variações, elas podem ser consideradas e calibradas. Escolhendo-se os meios de definir a escala padrão de temperatura, pode-se empregar qualquer uma das muitas propriedades físicas dos materiais que variam de modo reprodutível com a temperatura. Por exemplo, o comprimento de uma barra metálica, a resistência elétrica de um fio fino, a militensão gerada por uma junção com dois materiais distintos, a temperatura de fusão do sólido e de vaporização do liquido. Unidades

A 9ª CGPM (1948) escolheu o ponto tríplice da água como ponto fixo de referência, em lugar do ponto de gelo usado anteriormente, atribuindo-lhe a temperatura termodinâmica de 273,16 K. Foi escolhido o grau kelvin (posteriormente passaria para kelvin) como unidade base SI de temperatura e se permitiu o uso do grau Celsius (0C), escolhido entre as opções de grau centígrado, grau centesimal e grau Celsius para expressar intervalos e diferenças de temperatura e também para indicar temperaturas em uso prático. Em 1960, houve pequenas alterações na escala Celsius, quando foram estabelecidos dois novos pontos de referência: zero absoluto e ponto tríplice da água substituindo os pontos de congelamento e ebulição da água. A 13ª CGPM (1967) adotou o kelvin no lugar do grau kelvin e decidiu que o kelvin fosse usado para expressar intervalo e diferença de temperaturas. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Atualmente, kelvin é a unidade SI base da temperatura termodinâmica e o seu símbolo é K. O correto é falar simplesmente kelvin e não, grau kelvin. O kelvin é a fração de 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água. Na prática, usa-se o grau Celsius e o kelvin é limitado ao uso científico ou a cálculos que envolvam a temperatura absoluta. Um grau Celsius é igual a um kelvin, porém as escalas estão defasadas de 273,15. A temperatura Celsius (Tc) está relacionada com a temperatura kelvin (Tk) pela equação:

A constante numérica na equação (273,15) representa o ponto tríplice da água 273,16 menos 0,01. O ponto de 0 0C tem um desvio de 0,01 da escala Kelvin, ou seja, o ponto tríplice da água ocorre a 0,01 0C ou a 0,00 K. Os intervalos de temperatura das duas escalas são iguais, isto é, 1 0C é exatamente igual a 1 K. O símbolo do grau Celsius é 0C. A letra maiúscula do grau Celsius é, às vezes, questionada como uma violação da lei de estilo para unidades com nomes de pessoas. A justificativa para usar letra maiúscula é que a unidade é o grau e Celsius (C) é o modificador. A temperatura pode ser realizada através do uso de células de ponto tríplice da água, com precisão de 1 parte em 104. Medições práticas tem precisão de 2 partes em 103. A escala e os pontos fixos são definidos em convenções internacionais que ocorrem periodicamente. Escalas

Para definir numericamente uma escala de temperatura, deve-se escolher uma temperatura de referência e estabelecer uma regra para definir a diferença entre a referência e outras temperaturas. As medições de massa, comprimento e tempo não requerem concordância universal de um ponto de referência em que cada quantidade é assumida ter um valor numérico particular. Cada milímetro em um metro, por exemplo, é o mesmo que qualquer outro milímetro. Escalas de temperatura baseadas em pontos notáveis de propriedades de substâncias dependem da substância escolhida. Ou seja, a dilatação termal do cobre é diferente da dilatação da prata. A dependência da resistência elétrica com a temperatura do cobre é diferente da prata. Assim, é desejável que a escala de temperatura seja independente de qualquer substância. A escala termodinâmica proposta pelo barão Kelvin, em 1848, fornece uma base teórica para a escala de temperatura independente de qualquer propriedade de material e se baseia no ciclo de Carnot. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Escala Prática Internacional de Temperatura (EPIT)

O estabelecimento ou fixação de pontos para as escalas de temperatura é feito para que qualquer pessoa, em qualquer lugar ou tempo possa replicar uma temperatura específica para criar ou verificar um termômetro. Os pontos específicos de temperatura se tornam efetivamente nos protótipos internacionais de calor. A Conferência Geral de Pesos e Medidas aceitou esta EPIT, em 1948, emendou-a em 1960, e estabeleceu uma nova em 1968 (com 13 pontos) e em 1990 (com 17 pontos). A Escala Prática Internacional de Temperatura (EPIT) foi estabelecida para ficar de conformidade, de modo aproximado e prático, com a escala termodinâmica. No ponto tríplice da água, as duas escalas coincidem exatamente, por definição. A EPIT é baseada em pontos fixos, que cobrem a faixa de temperatura de -270,15 a 1084,62 0C. Muitos destes pontos correspondem ao estado de equilíbrio durante a transformação de fase de determinado material. Os pontos fixos associados com o ponto de solidificação ou fusão dos material são determinados à pressão de uma atmosfera padrão (101,325 Pa) Além destes pontos de referência primários, foram estabelecidos outros pontos secundários de referência, que são mais facilmente obtidos e usados, pois requerem menos equipamentos. Porém, alguns pontos secundários da EPIT 1968 se tornaram primários na EPIT 1990.

Termômetro de vidro


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Escalas de temperatura

Há dois motivos para se ter tantos pontos para fixar uma escala de temperatura: 1. poucos materiais afetados pelo calor mudam o comprimento linearmente ou uniformemente. Tendo-se vários pontos, a escala pode ser calibrada em faixas estreitas, onde os efeitos não linearidade podem ser desprezados. 2. nenhum termômetro pode ler todas as temperaturas. Muitos pontos fixos permite um sistema robusto de calibração.

Pontos Fixos da Escala Prática Internacional de Temperatura (1990) TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Entre os pontos fixos selecionados, a temperatura é definida pela resposta de sensores específicos com equações experimentais para fornecer a interpolação da temperatura. Várias definições diferentes são fornecidas, na EPIT de 1990 para temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto. Nestas temperaturas, usa-se um termômetro de gás He para medir a pressão e a temperatura é inferida desta pressão. Na faixa de 13,8033 K e 961,78 oC a temperatura é definida por um termômetro de resistência de platina, que é calibrado em conjuntos específicos de pontos fixos com equações de interpolação cuidadosamente definidas. Acima de 1064,18 oC, a temperatura é definida por pirômetro óptico de radiação, onde a lei de Planck relaciona esta radiação com a temperatura. A EPIT é continuamente revista e uma nova versão pode estender a faixa para o extremo inferior de 0,5 K, substituindo o instrumento de interpolação a termopar com uma resistência de platina especial e atribuir valores com proximidade termodinâmica para os pontos fixos. Atualmente o mínimo valor definido na EPIT é 13,81 K. A calibração de um dado instrumento medidor de temperatura é geralmente feita submetendo-o a algum ponto fixo estabelecido ou comparando suas leituras com outros padrões secundários mais precisos, que tenham sido rastreados com padrões primários. A calibração com outro instrumento padrão é feita através do seguinte procedimento: 1. colocam-se os sensores dos dois instrumentos em contato íntimo, ambos em um banho de temperatura, 2. varia a temperatura do banho na faixa desejada, 3. permite que haja equilíbrio em cada ponto e 4. determinam-se as correções necessárias. Termômetros com sensores de resistência de platina e termopares geralmente são usados como padrões secundários.

Indicador de temperatura com enchimento TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 4. Nível Definição

O nível pode ser considerado a altura da coluna de líquido ou de sólido no interior de um tanque ou vaso. O nível não se aplica a gases em tanque de teto fixo, pois o gás sempre ocupa todo o espaço. Porém, em quando se armazena líquidos voláteis (p. ex., gasolina), é comum o uso de tanque com teto flutuante. O teto flutua exatamente para minimizar o nível de gás contido. Em aplicações industriais, pode se ter ainda um único vaso armazenando dois líquidos não miscíveis e se quer medir a interface desses dois líquidos. Unidades

A unidade de nível deve ser a unidade de comprimento do Sistema Internacional de Unidades (SI), que é o metro (m), pois o nível é a altura de uma coluna de líquido. Porém, é prática comum se referir ao nível como percentagem (%): o nível tem um nível que varia entre 0 e 100%, podendo assumir todos os valores intermediários. Também se usa a massa ou o volume ocupado pelo produto no tanque para se referir ao seu nível. Nestes casos, o nível seria expresso em kilograma (kg) ou metro cúbico (m 3), respectivamente.

Tanque de armazenamento para medição de nível


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 5. Vazão Introdução

A medição da vazão é essencial a todas as fases da manipulação dos fluidos, incluindo a produção, o processamento, a distribuição dos produtos e das utilidades. Ela está associada com o balanço do processo e está diretamente ligada aos aspectos de compra e venda dos produtos. A medição confiável e precisa requer uma correta engenharia que envolve a seleção do instrumento de medição, a sua instalação, a sua operação, a sua manutenção e a interpretação dos resultados obtidos. O conjunto formado pelo medidor e os trechos da tubulação antes e depois do medidor deve ser considerado globalmente e não apenas o medidor isolado. Este conjunto pode incluir retificadores de vazão, reguladores do perfil da velocidade, filtros e tomadas de medições. A vazão de fluidos é complexa e nem sempre sujeita à análise matemática exata. Diferente do sólido, os elementos de um fluido vazando podem mover em velocidades diferentes e podem ser sujeitos a acelerações diferentes. Os três conceitos mais importantes na vazão de um fluido são vistos em Mecânica dos Fluidos, são eles: 1. princípio da conservação da massa, do qual é desenvolvida a equação da continuidade, 2. princípio da energia cinética, que dá origem a certas equações da vazão, 3. princípio do momentum, que trata das forças dinâmicas exercidas pelos fluidos da vazão. Conceito de Vazão

Quando se toma um ponto de referência, a vazão é a quantidade do produto ou da utilidade, expressa em massa ou em volume, que passa por ele, na unidade de tempo. A unidade de vazão é a unidade de volume por unidade de tempo ou a unidade de massa por unidade de tempo. A vazão volumétrica é igual ao produto da velocidade do fluido pela área da seção transversal da tubulação. A vazão mássica é igual ao produto da vazão volumétrica pela densidade do fluido . TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Na prática, como é difícil a medição direta da densidade do fluido e a composição dos gases é constante, usam se as medições da temperatura e da pressão para inferir a densidade. A partir da vazão volumétrica ou mássica pode se obter a sua totalização, através da integral da vazão instantânea. Outra dificuldade apresentada na medição da vazão está relacionada com a grande variedade de fluidos manipulados e com o elevado número de configurações diferentes. Por isso, é freqüente na medição da vazão o uso de extrapolações e de similaridades geométricas, dinâmicas e cinemáticas entre os diferentes modelos. Vazão em Tubulação

Em aplicações industriais de medição da vazão, o mais comum é se ter fluidos em tubulações fechadas. O caminho mais empregado para transportar o fluido entre dois pontos da planta é a tubulação com seção circular. O círculo fornece a maior resistência estrutural e apresenta a maior área transversal por unidade de superfície da parede. Por isso, a não ser que seja dito diferente, as palavras tubo e tubulação sempre serão referidas a um conduíte fechado, com seção circular e com diâmetro interno constante. Ocasionalmente são encontrados conduites com seção transversal não circular ou tubulações com seção circular porém não totalmente preenchidas pelo fluido. Quando se calcula o número de Reynolds, nestas situações, utiliza se o conceito de raio hidráulico, que é a relação entre a área transversal da vazão e o perímetro molhado.

Medição de vazão em tubulação

Comportamento do fluido dentro da tubulação TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Muitas fórmulas empíricas propostas para a medição da vazão em tubo são muito limitadas e podem ser aplicadas apenas quando as condições reais do processo se aproximam das condições do laboratório. Para transferir o fluido de A para B, coloca se uma tubulação ligando os dois pontos e instala se uma bomba nesta tubulação. Por causa do atrito entre o fluido móvel e a tubulação fixa, o fluido deve ser pressurizado, para que escoe. Ou seja, para haver vazão do fluido através da tubulação, a pressão na saída da bomba deve ser maior que a pressão na entrada do tanque B. Esta diferença de pressão produz a força que faz o fluido escoar através da tubulação. O fluido atinge um equilíbrio ou fica em vazão de regime permanente quando a força requerida para movê-lo através da tubulação é igual a força produzida pela diferença de pressão. Vários parâmetros influem na queda de pressão ao longo da tubulação: o seu comprimento, o seu diâmetro interno, a velocidade , a densidade e a viscosidade do fluido que se move através da tubulação e o atrito provocado pela rugosidade da parede interna da tubulação no fluido. Existem equações teóricas e experimentais relacionando todos estes parâmetros. Mesmo quando se usam as unidades métricas, é comum usar a polegada para expressar o diâmetro nominal da tubulação. O tamanho nominal de tubulações iguais e maiores que 14" representa o diâmetro externa da tubulação e os tamanhos nominais menores são aproximações do diâmetro interno. A espessura da parede da tubulação, determinada pelo Schedule do tubo, pode variar substancialmente para um determinado diâmetro da tubulação, enquanto o diâmetro externo permanece constante. Como conseqüência, o diâmetro interno pode variar e por isso há ábacos e tabelas na literatura técnica (Crane, por exemplo) para a sua obtenção. Em geral, quando o número do Schedule aumenta, a espessura da parede aumenta e o diâmetro interno diminui. Tipos de Vazão

A vazão pode ser classificada de muitos modos, tais como 1. laminar ou turbulenta, 2. ideal ou real, 3. compressível ou incompressível, 4. homogênea ou com mais de uma fase, TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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5. viscosa ou sem viscosidade, 6. regime estável ou instável, 7. rotacional ou irrotacional, Para cada vazão, há hipóteses simplificadoras e as correspondentes equações permitem a sua análise. As simplificações se referem à viscosidade, densidade, pressão, temperatura, compressibilidade e energia em suas diferentes formas. Sempre há aspectos teóricos e informações experimentais. Em qualquer situação existem três condições: 1. a lei de Newton do movimento se aplica para cada partícula em cada instante, 2. a equação da continuidade é válida e 3. nas paredes do tubo, a componente normal da velocidade é igual à velocidade do tubo. Para o fluido real, a componente tangencial da velocidade do fluido na parede é zero, em relação à parede. Vazão Ideal ou Real

O fluido ideal não tem viscosidade e por isso não pode haver movimento rotacional das partículas em torno de seus centros de massa e nem tensão de cisalhamento. A vazão de um fluido sem viscosidade é chamada de vazão ideal e pode ser representada por uma única vazão resultante. A vazão ideal é irrotacional. Na vazão ideal as forças internas em qualquer seção são sempre perpendiculares a seção. As forças são puramente forças de pressão. Tal vazão é aproximada e nunca é conseguida na prática. A vazão de um fluido viscoso é chamada de vazão real. Vazão viscosa e vazão real são sinônimos. Todos os fluidos reais possuem algum grau de viscosidade.

Vazão ideal ou não ideal


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Vazão Laminar ou Turbulenta

A vazão laminar é assim chamada por que todas as partículas do fluido se movem em linhas distintas e separadas. As partículas do fluido se movem em linhas retas paralelas ao eixo da tubulação, de modo ordenado. A ação é como se as lâminas do fluido escorregassem relativamente entre si. No caso da vazão laminar em uma tubulação circular, a velocidade adjacente a parede é zero e aumenta para um máximo no centro do tubo. O perfil da velocidade é uma parábola e a velocidade média da vazão volumétrica é a metade da velocidade máxima do centro. A vazão laminar é governada pela Lei de Newton da viscosidade. Ela pode ser considerada como a vazão em que toda a turbulência é amortecida pela ação da viscosidade. Por isso, os termos vazão laminar e vazão viscosa são equivalentes. A vazão laminar é caracterizada por um movimento suave e contínuo do fluido, com pouca deformação. A vazão laminar é conseguida de vários modos: 1. fluido com pequena densidade, 2. movimento em baixa velocidade, 3. pequenos tamanhos dos corpos como os microrganismos nadando no mar ou 4. fluido com alta viscosidade, tais como os óleos lubrificantes. A vazão laminar ocorre para vazões com Re menor que 2.000.

Fluido dentro da tubulação

Um modo experimental de verificar quando um fluido está em vazão laminar é introduzir um filamento fino de um líquido colorido na vazão do fluido, através de um tubo de vidro. As trajetórias de todas as partículas do fluido serão paralelas as paredes do tubo e portanto o líquido se move em uma linha reta, como se estivesse dentro de um tubo fino mergulhado no fluido. Este estado da vazão depende da viscosidade, da densidade e da velocidade do fluido. Quando se aumenta a velocidade, a vazão continua laminar até se atingir um valor crítico, acima do qual, o líquido colorido começa a se dispersar e misturar com o fluido vazante. Neste ponto, as partículas do líquido colorido não são mais paralelas TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados as paredes do tubo mas sua velocidade possui componentes transversais. Esta forma de vazão é chamada de turbulenta.

A teoria dos fluidos viscosos lubrificantes em rolamentos se baseia na análise da vazão laminar. Mesmo em vazões com elevados números de Reynolds, como no vôo do avião, há regiões de vazão laminar próximas das superfícies. A perda da energia na vazão laminar varia linearmente com a velocidade e não com o quadrado da velocidade, como na vazão turbulenta. Esta relação matemática é a base do funcionamento do medidor com resistência linear usado para a medição de vazão laminar. Na vazão turbulenta não se tem linhas de vazão distintas mas o fluido consiste de uma massa de redemoinhos. As partículas não seguem a mesma trajetória. O perfil de velocidade mostra a velocidade máxima também no centro, mas a velocidade próxima das paredes da tubulação é igual a metade da máxima velocidade. O perfil é mais chato para um tubo liso do que para um tubo rugoso. A velocidade média no centro de um tubo rugoso é de 0,74 da máxima e no tubo liso vale 0,88 da máxima.

Vazão laminar ou turbulenta

No caso de um corpo sólido imerso em fluido vazando, há uma turbulência atrás do corpo, resultando em uma força de arraste no corpo (drag ). Na vazão turbulenta as velocidades locais e as pressões flutuam aleatoriamente de modo que as soluções do problema de turbulência requer a mecânica estatística. Os efeitos da viscosidade ainda estão presentes na vazão turbulenta, mas eles são geralmente mascarados pelas tensões de cisalhamento turbulentas. A difusão, a transferência de calor e as tensões de cisalhamento estão relacionadas diretamente com a turbulência. Turbulência muito acentuada pode provocar a separação da vazão. Quando a água é bombeada através de tubo em vazão muito elevada, a vazão se torna turbulenta. Para uma determinada pressão aplicada, a vazão pode ser aumentada muitas vezes, simplesmente pela adição de uma pequeníssima quantidade (poucas partes por TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados milhão) de um polímero de altíssimo peso molecular (maior que 1 milhão). Este fenômeno é chamado de redução do arraste e é usado, por exemplo, nas estações de bombeamento nos oleodutos do Alasca.

Erroneamente se pensa que é mais fácil medir vazões laminares. Na prática industrial e na natureza, a maioria das vazões é turbulenta e muitos medidores só conseguir medir vazões com número de Reynolds acima de um determinado limite, tipicamente de 10 4. Vazão Estável ou Instável

A vazão estável, também chamada de vazão em regime, é aquela conseguida quando, em qualquer ponto, a velocidade de partículas sucessivas do fluido é a mesma em períodos sucessivos de tempo. Na vazão estável a velocidade é constante em relação ao tempo, mas pode variar em diferentes pontos ou com relação à distância. Na vazão estável a velocidade é constante com o tempo, e por isso as outras variáveis (pressão, densidade) também não variam com o tempo. Obtém-se vazão estável somente quando a profundidade, inclinação, velocidade, área da seção transversal da tubulação são constantes ao longo do comprimento da tubulação. A vazão estável é obtida somente com a vazão laminar. Na vazão turbulenta há flutuações continuas na velocidade e na pressão em cada ponto. Porém, se os valores flutuam em torno de um valor médio constante, de modo simétrico, a vazão pode ser considerada estável. Na vazão estável, as condições são usualmente constantes no tempo, embora, em determinado momento, elas não sejam necessariamente as mesmas em seções diferentes. Na vazão instável, a velocidade varia com o tempo e como conseqüência, as outras condições (pressão, densidade, viscosidade) também variam em relação ao tempo. Depois de muito tempo, a vazão instável pode se estabilizar ou ficar zero. Esta variação da vazão pode ser lenta, como resultado da ação de uma válvula de controle proporcional ou pode ser rápida, como o resultado do fechamento repentino, que pode produzir o fenômeno conhecido como golpe de aríete ou martelo d'água. A vazão instável acontece também quando se tem a vazão de um reservatório para outro, em que o equilíbrio é conseguido somente quando os dois níveis se igualam. A vazão instável também inclui o movimento periódico ou cíclico, tal como o das ondas do mar ou o movimento do mar em estuários e outras oscilações. A diferença entre tais casos e a vazão média de regime em vazões turbulentas é que os desvios da média da vazão instável e a escala de tempo são muito maiores. Vazão Uniforme e Não Uniforme

Tem-se uma vazão uniforme quando o valor e a direção da velocidade não mudam de um ponto a outro no fluido, ou seja, a velocidade não varia com a distância percorrida. Na TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados vazão uniforme, as outras variáveis do fluido (pressão, densidade, viscosidade) também não variam com a distancia.

A vazão de líquidos sob pressão através de tubulações longas com diâmetro constante é uniforme, com a vazão estável ou instável. Ocorre a vazão não uniforme quando a velocidade, profundidade, pressão ou densidade do fluido varia de um ponto a outro na vazão. A vazão em um tubo com seção variável é não uniforme. Vazão Volumétrica ou Mássica

Os medidores industriais podem medir a vazão volumétrica (volume/tempo) ou mássica (massa/tempo). A massa, junto com as unidades de comprimento e de tempo, constitui a base para todas as medidas físicas. Como um padrão fundamental de medição, a unidade de massa não é derivada de nenhuma outra fonte. As variações de temperatura, pressão, densidade, viscosidade, condutividade térmica ou elétrica não afetam a massa do fluido cuja vazão está sendo medida. Por exemplo, em determinadas temperaturas e pressões, a água é sólida, líquida ou gás. Qualquer que seja o estado da água, porém, 1,0 kilograma de massa de água, gelo ou vapor permanece exatamente 1,0 kilograma.

Relação entre volume medido e volume à condição padrão (standard)

Atualmente, já é disponível comercialmente medidores diretos de vazão mássica, como o tipo Coriolis, o termal e o medidor com dois rotores. Como a massa do fluido independe de medições de outras variáveis do processo, como pressão, temperatura ou densidade, a medição da vazão mássica é mais vantajosa que a medição da volumétrica, na maioria das aplicações. Porém, em sistemas envolvendo tanques de armazenagem, é essencial que seja medida a vazão volumétrica. A maioria dos medidores industriais mede a velocidade e infere a vazão volumétrica do fluido. A partir da velocidade e da área da seção transversal da tubulação tem-se a vazão volumétrica. Como o volume do fluido compressível depende umbilicalmente da pressão e da temperatura, deve-se conhecer continuamente os valores da pressão e da temperatura para que o valor do volume tenha significado pratico. Como a pressão estática TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados e a temperatura do processo variam continuamente, para compensar estes desvios dos valores padrão de projeto, medem-se a pressão e a temperatura e fazem-se as correções, obtendo-se a vazão volumétrica compensada. Na prática, a maioria das medições de vazão de líquidos não tem nenhuma compensação, a minoria das vazões de líquidos possui apenas compensação da temperatura. A maioria absoluta das vazões de gases necessita da compensação da pressão e da temperatura, uma minoria reduzida não faz qualquer compensação e algumas aplicações requerem ainda a medição e compensação da densidade, além das medições de pressão e temperatura. Há aplicações onde se mede a temperatura e usa o seu valor para compensar a variação provocada simultaneamente no volume e na densidade do fluido.

Relação entre massa e volume Vazão Incompressível e Compressível

Na vazão incompressível o fluido se move com a densidade constante. Nenhum fluido é verdadeiramente incompressível, desde que até os líquidos podem variar a densidade quando submetidos à altíssima pressão. Na prática, para fluidos com número de Mach menor que 0,3 a vazão pode ser considerada incompressível. É quase impossível se atingir a velocidade de líquido de 100 m/s, por causa da altíssima pressão requerida. Por isso o líquido é considerado incompressível. A diferença essencial entre um fluido compressível e um incompressível está na velocidade do som. Em um fluido incompressível a propagação da variação de pressão é praticamente instantânea; em um fluido compressível a velocidade é finita. Um pequeno distúrbio se propaga na velocidade do som. Quando a velocidade do fluido se iguala a velocidade do som no fluido, a variação da densidade (ou do volume) é igual a variação da velocidade. Ou seja, grande variação da velocidade, em vazão de alta velocidade, causa grande variação na densidade do fluido. A vazão do gás pode facilmente atingir velocidades compressíveis. Por exemplo, dobrando a pressão do ar de 1 para 2 atmosferas, pode-se ter velocidade supersônica. Para a vazão turbulenta de um fluido incompressível, o efeito da variação da densidade na expressão da turbulência é desprezível. Porém, este efeito deve ser 49 TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados considerado em fluido compressível. O estudo da vazão turbulenta de um fluido compressível requer a correlação das componentes da velocidade, da densidade e da pressão

Os gases são compressíveis e as equações básicas da vazão devem considerar as variações na densidade, provocadas pela pressão e temperatura. Para os fluidos compressíveis, como os gases e vapores, é necessário adicionar os termos térmicos à equação de Bernoulli para obter uma equação que considere a energia total e não apenas a energia mecânica. A vazão mássica de um fluido compressível em uma tubulação, com uma dada pressão de entrada, se aproxima de uma determinada vazão limite, que não pode ser excedida, por mais que reduza a pressão da saída. A máxima velocidade de um fluido compressível em uma tubulação é limitada pela velocidade de propagação da onda de pressão que se desloca a velocidade do som no fluido. Como a pressão cai e a velocidade aumenta ao longo da tubulação, com área da seção transversal constante, a máxima velocidade ocorre na extremidade final da tubulação. Se a queda da pressão é muito alta, a velocidade da saída atingirá a velocidade do som. A diminuição adicional da pressão de saída não é sentida a montante porque a onda de pressão pode se deslocar, no máximo, a velocidade do som. A queda de pressão adicional, obtida pela diminuição da pressão de saída após se atingir a máxima descarga ocorre além do fim da tubulação. Esta pressão é perdida em ondas de choque e turbulências do jato do fluido. Pode se mostrar teoricamente que a relação das pressões antes e depois de um elemento primário de medição de vazão não pode ser menor que um valor crítico. Quando a pressão através da restrição é igual a esta fração crítica multiplicada pela pressão antes do elemento, a vazão é máxima e não pode ser aumentada, a não ser que se aumente a pressão antes do elemento. A vazão máxima de um fluido compressível depende do expoente isentrópico, da densidade e da relação das pressões antes e depois do elemento de vazão. Vazão Rotacional e Irrotacional

Na vazão rotacional, a velocidade de cada partícula varia diretamente com a sua distância do centro de rotação. Na vazão rotacional, cada pequena partícula do fluido parece rodar em torno de seu próprio eixo, para um observador fixo. Por exemplo, a vazão em um cilindro girando em torno de seu eixo, a vaza do fluido no interior da bomba.


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Perturbações que criam distorção do perfil, vazões secundárias e redemoinhos

Na vazão irrotacional, cada pequena parcela ou elemento do fluido preserva sua orientação original. Como um elemento do fluido pode ser girado em torno de seu eixo somente com aplicação de forças viscosas, o fluido rotacional é possível somente com fluido real viscoso e a vazão irrotacional só pode ser obtida de fluido ideal não viscoso. Para fluido com pequena viscosidade, tal como ar e água,a vazão irrotacional pode ser aproximada em um vórtice livre. Em um vórtice livre, um corpo de fluido gira sem a aplicação de torque externo por causa do momentum angular previamente aplicado nele Exemplos são a rotação do fluido que sai de um bomba centrífuga, um furacão de ar ou a rotação da água entrando no dreno de um vaso. Uma vazão irrotacional se torna rotacional quando a tubulação muda de direção, formando ângulos de 90o. Há medidores de vazão, como o tipo vortex e efeito Coanda que provocam artificialmente vórtices para a medição do valor da vazão. Quando for indesejável e geralmente o é, a rotação da vazão, usam-se retificadores de vazão para eliminar os redemoinhos. Vazão monofásica e bifásica

Nenhum medidor de vazão pode distinguir entre um líquido puro e um líquido contendo ar ou gás entranhado. O gás entranhado pode quando a quantidade de ar for pequena. Quando se tem um medidor de vazão para medir líquido e há gás em suspensão ou quando se tem um medidor para gás e há líquido condensado, há erros grosseiros de medição. Para se garantir medições com pequenos erros devidos a vazão multifásica, devese instalar eliminador de gás. O eliminador de gás reduz a velocidade do fluido em uma câmara para dar tempo ao gás escapar antes de reentrar na tubulação.


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Quando o gás se acumula, o nível do líquido cai, baixando uma bóia que abre um vent para liberar o gás do eliminador. Deve-se manter uma pressão de retorno na saída suficientemente grande para garantir uma vazão de descarga correta do gás. Atualmente, há desenvolvimento de medidores para a indústria de petróleo para medir e distinguir as vazões de diferentes fases, mas estes medidores ainda não estão disponíveis comercialmente ou ainda possuem preços elevados. Realmente, são vários medidores em um único invólucro, cada medidor com um princípio de funcionamento diferente e cada um detectando e medindo uma fase. O receptor microprocessado faz a separação dos sinais e dá o resultado da vazão de cada fase.

Tipos de vazão multifásica

As vazões com duas fases, líquida e gasosa, ocorrem quando há instabilidade e turbulência na tubulação e dependem da velocidade do fluido. As vazões bifásicas mais comuns são: 1. Vazão de bolha (bubble), quando há bolhas de gás dispersas através do líquido 2. Vazão plug, quando há grande bolha de gás na fase líquida gás

3. Vazão estratificada, quando há uma camada de líquido abaixo de uma camada de


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4. Vazão ondulada, parecida com a estratificada, porém a interface gás líquido é ondulada por causa da alta velocidade da vazão 5. Vazão anular, quando há um filme líquido nas paredes internas com gás no centro Vazão Crítica

Quando um gás é acelerado através de uma restrição, sua velocidade aumenta, a pressão diminui e sua densidade diminui. Desde que a vazão mássica é uma função da densidade e da velocidade, existe uma área crítica em que o fluxo de massa é máximo. Nesta área, a velocidade é sônica e a vazão é chamada de crítica ou de choque. Para líquidos, se a pressão na área mínima é reduzida à pressão de vapor, forma-se uma zona de cavitação que restringe a vazão, de modo que a diminuição da pressão a jusante não aumenta a vazão. Em ambos os casos, a vazão mássica pode somente ser aumentada pela aumento da pressão a montante. Quando o gás passa através de um bocal com uma grande diferença de pressão entre a entrada e a garganta do bocal, de modo que a velocidade do fluido atinge a velocidade do som neste fluido, a vazão através desta restrição é a crítica. A vazão crítica independe das condições a jusante, sendo função apenas das condições a montante. Ou seja, pode-se diminuir a pressão depois do bocal que a vazão não aumenta. A velocidade do som no gás é a maior velocidade obtível e a vazão mássica é dada por:


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Por causa da vazão crítica ser caracterizada pela velocidade do gás na garganta ser igual à velocidade do som, existe uma relação fixa das pressões na entrada (P1) e na garganta (P2) para qualquer pressão de entrada, desde que a condição crítica seja mantida. Como conseqüência, não se necessita de tomada de pressão e a vazão mássica depende apenas de P1 e T 1. Como a velocidade é sônica, a pressão a jusante (P3) não afeta a pressão a montante (P1), mas para se manter a vazão crítica, deve-se ter a relação:

BocaL, onde há vazão crítica

Este fenômeno só acontece com o bocal. A vazão crítica não ocorre com a placa de orifício de canto reto, pois a diminuição da pressão a jusante sempre faz a vazão aumentar. O bocal de vazão é usado como padrão secundário na calibração de medidores de vazão de gases, pois ele pode gerar vazões constantes e previamente calculadas pelo seu formato. Tubos venturi de cavitação (com melhor rendimento) ou orifícios de restrição (com pequena precisão) são usados como limitadores de vazão de líquidos no caso de falhas a jusante do sistema. 6. Metrologia 06.1. Definição ( Terminologia – VIM 2.2 )

Metrologia é a ciência que trata das medição, tratando de seus aspectos teóricos e práticos, incluindo a incerteza, em todos os campos da ciência ou da tecnologia. 06.2. Medição

Medição é um conjunto de operações com o objetivo de determinar um valor de uma grandeza. As operações podem ser feitas manualmente ou automaticamente. 06.3. Princípio de medição ( Terminologia – VIM 2.3 )

Princípio é a base científica de uma medição. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Exemplos:


1. efeito termelétrico aplicado à medição de temperatura; 2. efeito Josephson aplicado à medição de diferença de potencial elétrico; 3. efeito Doppler aplicado à medição de velocidade ou de vazão; 4. efeito Raman aplicado à medição do número de onda de vibrações moleculares. 06.4. Método de medição ( Terminologia – VIM 2.4 )

Método é a seqüência lógica de operações, descrita genericamente, usada para fazer medições. Os métodos de medição podem ser qualificados em vários modos, tais como: 1. direto 2. substituição 3. comparação ou balanço de nulo 06.5. Procedimento de medição ( Terminologia – VIM 2.5 )

Procedimento é um conjunto de operações, descrito especificamente e usado para fazer medições particulares de acordo com um dado método Um procedimento de medição é usualmente registrado no documento que é geralmente chamado de procedimento de medição (ou um método de medição) e é usualmente em detalhe suficiente para possibilitar um operador fazer uma medição sem informação adicional. 06.6. Mensurando (mensurando) ( Terminologia – VIM 2.6 )

Mensurando é o objeto da medição ou a grandeza particular sujeita à medição. Por exemplo -pressão de vapor de uma dada amostra de água a 20 o C. A especificação de um mensurando pode requerer declaração acerca de grandezas como tempo, temperatura e pressão. 06.7. Grandeza de influência ( Terminologia – VIM 2.7 )

É a grandeza que não é o mensurando mas que afeta o resultado da medição. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Exemplos


1. temperatura de um micrômetro usado para medir comprimento 2. freqüência na medição da amplitude de uma diferença de potencial elétrica alternada. 3. concentração de bilirubin na medição de concentração de hemoglobina em uma amostra de plasma sangüíneo do homem. 4. A grandeza de influência inclui valores associados com padrões de medição, materiais de referência e dados de referência dos quais o resultado de uma medição pode depender, bem 06.8. Grandeza de modificação

É a grandeza que não é o mensurando mas que afeta o resultado da medição, alterando o seu valor justo na medição, diretamente no elemento sensor. Exemplos: 1. temperatura e pressão na medição da vazão volumétrica de gás. Como o volume depende da pressão e da temperatura do gás, estas variáveis modificam o valor medido da vazão volumétrica do gás. 2. densidade na medição de nível de líquido através da pressão diferencial. Como a pressão diferencial exercida pela coluna líquida depende da densidade do líquido, aceleração da gravidade e da altura do líquido, o nível é modificado pela densidade. A modificação pode ser eliminada ou diminuída através da compensação da medição, quando se fazem as medições que afetam a variável medida e o cálculo matemático para eliminar a modificação. Por exemplo, na medição de nível de líquido com densidade variável através da pressão diferencial, medem-se a pressão diferencial e a densidade do líquido e aplicam-se os dois sinais a um divisor de sinais. A saída do divisor é proporcional apenas ao nível. 06.9. Instrumentos de Medição ( Terminologia – VIM 4.1 )

Há muitos termos empregados para descrever os artefatos utilizados nas medições. Eles não são mutuamente excludentes. Alguns são precisos outros são ambíguos, alguns são genéricos outros são específicos, alguns são usados por técnicos, outros por leigos.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Os principais nomes são:

1. elemento 2. componente 3. parte 4. transdutor de medição 5. dispositivo de medição 6. medidor 7. instrumento de medição 8. aparelho 9. equipamento 10. malha de medição 11. instalação de medição 12. sistema de medição Em Instrumentação, uma malha de medição é constituída dos seguintes componentes, que podem estar fisicamente separados ou alojados em um único invólucro: 1. sensor 2. condicionador 3. display 06.9.1. Instrumentos de Medição ( Conceito )

Dispositivo utilizado para realizar uma medição, isolado ou em conjunto com outros dispositivos complementares.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 06.9.2. Medida materializada (material measure)

Dispositivo destinado a reproduzir ou fornecer, de maneira constante durante seu uso, um ou mais valores conhecidos e confiáveis de uma dada grandeza. É também chamado material de referência certificado. Exemplos: 1. Massa padrão 2. Bloco padrão de comprimento 3. Medida de volume (de um ou vários valores, com ou sem escala graduada) 4. Resistor elétrico padrão 5. Gerador de sinal padrão 6. Solução padrão de pH 06.9.3. Transdutor de Medição (measuring transducer)

Genericamente, transdutor é qualquer dispositivo que modifica a forma de energia, da entrada para a saída. As formas de energia na entrada e saída são diferentes, porém há uma relação matemática definida entre ambas. Exemplos: 1. termopar 2. transformador de corrente 3. célula extensiométrica para medir pressão eletricamente 4. eletrodo de pH 06.9.4. Transmissor (transmitter)

Instrumento que sente uma variável de processa e gera na saída um sinal padrão proporcional ao valor da variável medida. Pode ser de natureza eletrônica (sinal de 4 a 20 mAcc) ou pneumática (sinal de 20 a 100 kPa). É utilizado para


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1. usar o sinal remotamente 2. isolar processo do display 3. padronizar sinais 06.9.5. Cadeia de medição (measuring chain)

Seqüência de elementos de um instrumentos ou sistema de medição formando o trajeto do sinal de medição, desde o estimulo (entrada) até a resposta (saída). O instrumentista diz: malha de medição (measuring loop). Uma cadeia de medição de temperatura pode ser formada por: termopar, fios de extensão, junta de referência e indicador de temperatura. 06.9.10. Sistema de medição (measuring system)

Conjunto completo de instrumentos de medição e outros equipamentos associados para executar uma determinada medição. Em certos casos, eqüivale à cadeia ou malha de medição. Um sistema de medição pode incluir medidas materializadas e reagentes químicos. Sistema de medição instalado de modo permanente é chamado de instalação de medição. 06.9.11. Indicador (indicator)

Instrumento de medição que sente uma variável e apresenta o resultado instantâneo em uma escala com ponteiro ou através de dígitos. Exemplos: 1. voltímetro 2. frequencímetro 3. termômetro 4. manômetro A indicação pode ser analógica, (contínua ou discreta), através de escala e ponteiro ou digital, através de dígitos. Um indicador pode apresentar os valores de várias grandezas independentes, de modo simultâneo ou um valor de cada vez, de modo selecionável manual ou automaticamente. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados O indicador pode também estar associado às funções de

1. transmissão 2. registro 3. controle O leigo também chama o indicador de relógio, mostrador ou medidor, que são nomes ambíguos e devem ser evitados. 06.9.12. Registrador (recorder)

Instrumento de medição que sente uma variável e imprime o resultado histórico ou de tendência em um gráfico através de penas com tinta. Exemplos: 1. registrador de temperatura 2. registrador de vazão, pressão e temperatura. O registro pode ser contínuo, com uma a quatro penas independentes ou pode ser discreto, quando cada ponto de registro é feito um de cada vez, em uma seqüência fixa definida (registrador multiponto). Um registrador pode apresentar os valores de várias grandezas independentes, de modo simultâneo ou um valor de cada vez, de modo selecionável manual ou automaticamente. O registrador pode também estar associado às funções de: 1. indicação 2. controle 06.9.13 Totalizador (totalizer)

Instrumento de medição que determina o valor de uma grandeza por meio do acúmulo dos valores parciais, durante determinado intervalo de tempo. É também chamado de integrador. Geralmente a integração é feita em relação ao tempo. O totalizador multiplica a variável totalizada por um intervalo de tempo, de modo que a integração da velocidade é distância, da potência é energia, da vazão volumétrica é volume. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Exemplos: 1. totalizador de potência elétrica, que apresenta o valor totalizado no tempo em energia. 2. totalizador de vazão, que apresenta o valor totalizado no tempo em volume ou massa. 3. totalizador de velocidade, que apresenta o valor totalizado no tempo em distância. O totalizador pode receber em sua entrada sinal analógico ou digital. Sua saída é sempre um contador. Quando um totalizador pára de totalizar, a sua saída fica congelada no último valor acumulado. O display do contador é geralmente digital, porém é possível ter display analógico. 06.9.14 Mostrador (display, dial)

Mostrador é a parte do indicador que apresenta a indicação. Quando analógico, é o conjunto escala e ponteiro e quando digital, o conjunto de dígitos. O mostrador pode ter diferentes 1. formatos: circular, reto horizontal, reto vertical, 2. tamanhos 3. cores 4. princípios de operação ou acionamento: eletrônico, pneumático ou mecânico 06.9.15 Sensor (sensor)

Sensor é o elemento de um instrumento de medição ou de uma malha de medição que é diretamente afetado pela quantidade medida. O sensor detecta a variável, gerando um sinal proporcional a ela. Nomes alternativos de sensor: detector, elemento primário, elemento transdutor, captador, probe.


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Em função de seu sinal de saída, o sensor pode ser mecânico (saída é um deslocamento ou movimento) ou eletrônico (saída é uma tensão ou variação de parâmetro eletrônico, como resistência, indutância, capacitância). O sensor depende umbilicalmente da variável medida, ou seja, o sensor é determinado pela variável medida. Exemplos: 1. termopar, que gera uma tensão em função da diferença da temperatura medida e a de referência 2. detector de temperatura a resistência (RTD) que varia a resistência elétrica em função da temperatura medida 3. placa de orifício que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica medida 4. bourbon C que gera um pequeno deslocamento em função da pressão aplicada 5. bóia de um sistema de medição de nível 6. tubo magnético de vazão que gera uma f.e.m. proporcional à vazão volumétrica de um líquido eletricamente condutor que passa em seu interior 06.10. Sistema Internacional de Unidades e Simbologia

Em 1968, o Bureau Internacional de Pesos e Medidas, BIPM, desenvolveu um sistema de unidades complementares coerente que foi adotado internacionalmente. Esse sistema é conhecido como Sistema Internacional de unidades, ou SI. O SI é composto das unidades da base, das unidades derivadas e das unidades suplementares. 06.10.1. Unidades de Base Grandeza Comprimento Massa Tempo Corrente Elétrica Temperatura Intensidade Luminosa Quantidade de Matéria

Unidade Metro Quilograma Segundo Ampére Kelvin Candela Mol


Símbolo m Kg s A K cd mol

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 06.10.2. Unidades Derivadas

São as unidades formadas pela combinação das unidades de base segundo relações algébricas. Constituem a grande maioria das grandezas em uso. Algumas dessas grandezas, por serem muito empregadas, recebem denominação específica, quase sempre em homenagem aos físicos e matemáticos que as enunciaram, como é o caso do Newton, Pascal, Watt, Hertz, etc. Algumas unidades derivadas do Sistema Internacional ( SI ) Grandeza Superfície Força Pressão Aceleração

Carga Elétrica Massa Específica

Unidade Metro quadrado Newton Pascal Metro por segundo ao quadrado Coulomb Quilograma por metro cúbico

Símbolo m2 N Pa m/s2

Em unid. de Base m2 m.Kg.s2 m-1.Kg.s-2 m.s-2

C Kg/m3

s.A Kg.m3

06.10.3. Unidades Suplementares

São unidades cuja definição são puramente matemáticas, sem que um padrão ou elemento físico seja necessário. Estão associadas às definições de ângulo sólido e ângulo plano e não possuem dimensão. Ângulo plano é a relação entre dois comprimentos e o ângulo sólido é a relação entre uma área e o quadrado de um comprimento. A tabela abaixo apresenta estas grandezas e sua derivadas. Grandeza Ângulo plano Ângulo sólido Velocidade angular Aceleração angular

Intensidade energética Luminância energética

Uidade Radiano Esteradiano Radiano por segundo Radiano por segundo ao quadrado Watt por esteradiano Watt por metro quadrado esteradiano


Simbolo rad sr rad/s rad/s2

W/sr W.m-2.sr-1

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 7. Instrumentos de Medição de Temperatura Termômetro a) Termômetro a dilatação de líquido

Os termômetros de dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido coma temperatura dentro de um recipiente fechado. Os tipos podem variar conforme sua construção: de recipiente de vidro transparente ou de recipiente metálico. Termômetros de dilatação em recipiente de vidro

É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado na parte superior. O reservatório e a parte capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar, existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo. Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste. A medição da temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida. Abaixo os líquidos mais usados em termômetros de vidro. Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico. Líquido

Ponto de Solidificação ( C ) -39 -115 -92 0

Mercúrio Álcool Etílico tolueno

Ponto de Ebulição ( C) +357 +78 +110 0

Faixa de Uso ( C) -35 a 550 -100 a 70 -80 a 100 0

No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550 0C injetando-se gás inerte sob pressão, evitando-se a vaporização do mercúrio. Por ser frágil e impossível de registrar sua indicação ou transmiti-la a distância, o uso deste termômetro é mais comum em laboratório ou em indústrias com a utilização de uma proteção metálica.


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Termômetros de dilatação em recipiente metálico

Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e, sob efeito de um aumento de temperatura, dilata-se deformando um elemento extensível ( sensor volumétrico ).

Características dos elementos básicos deste termômetro: 

Bulbo: suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e, principalmente, com a sensibilidade desejada. Líquido Mercúrio Xileno Tolueno Álcool

Faixa de calibração ( C ) -35 a +550 -40 a +400 -80 a +100 50 a +150


0

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 

Capilar: suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência à passagem do líquido em expansão.



Elemento de medição: o elemento usado é o tubo de Bourdon, podendo ser: tipo C, tipo espiral e o tipo helicoidal.

Os materiais usados são bronze fosforos, cobre-berílico, aço inox e aço-carbono.

Aplicam-se estes termômetros, em geral, na indústria para indicação e registro, pois permite leituras remotas e á o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura. Porém, não é recomendado para controle, por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande. O poço de proteção permite a manutenção do termômetro com o processo em operação. Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se formem restrições que prejudiquem o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição. b) Termômetro a pressão de gás

Fisicamente idênticos ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados bourbon

O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente, a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. A Lei de Gay-Lussac expressa matematicamente este conceito: P1 P1

=

P2 T 2

=

...

=

Pn T n

Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. O gás mais utilizado é o N 2, geralmente a uma pressão de 20 a 50 atm, na temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de –100 a 600 0C, sendo o limite inferior devido à própria temperatura crítica do gás, e o superior devido ao recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás nesta temperatura, o que acarretaria sua perda, inutilizando o termômetro. Veja abaixo os tipos de gás de preenchimento: Gás Hélio ( He ) Hidrogênio ( H2 ) Nitrogênio ( N2 ) Dióxido de Carbono ( CO 2 )

Temperatura Crítica -267,80C -239,90C -147,10C -31,10C

c) Termômetro a pressão de vapor

Construção bastante semelhante à do termômetro a dilatação de líquidos, baseando-se o seu funcionamento na Lei de Dalton: “A pressão da vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume”. 67 TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados


Portanto, para qualquer variação de temperatura, haverá uma variação na tensão de vapor de gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disto, uma variação na pressão dentro do capilar. A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em:  1

P1

H evap .  =

P2

 T 1

1 

−



T 2 

4,58

onde: P1 e P2 = pressões absolutas relativas às temperaturas; T 1 e T 2 = temperaturas absolutas; Hevap = representa o calor latente de evaporação do líquido em questão.

d) Termômetros a dilatação de sólidos

Baseia-se na dilatação linear dos metais com a temperatura.


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O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metal, com coeficiente de dilatação diferentes, sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento, que é proporcional à temperatura. Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta a sensibilidade. Na figura a seguir temos as características do termômetro bimetálico:

O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal, e consiste em um tubo bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo, que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. Normalmente, utiliza-se o invar (aço com 64% de Fe e 36% de Ni), com baixo coeficiente de dilatação, e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação. A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos é de +50 0C 0 8000C, aproximadamente, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de mais ou menos 1%. e) Termopar

Consiste em dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. ( força eletromotriz ), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente.


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Os pontos onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência. O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. este princípio, conhecido por efeito SEEDECK, propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura existente entre as juntas quente e fria, será, de um modo geral, indicado, registrado ou transmitido. 8. Instrumentos de Mediação de Pressão Manômetros

O instrumento mais simples para de medir a pressão é o manômetro, que pode ter vários “elementos sensíveis” e ser utilizado, também por transmissores e controladores. A seguir, o estudo de alguns tipos de elementos sensores. Os elementos sensíveis mais utilizados são: o tubo Bourbon, membrana ou diafragma, fole, coluna de líquido e os elementos sensíveis com princípios elétricos. a) Tipo Bourbon

O princípio de funcionamento baseia-se a um dispositivo bastante simples e idêntico a um brinquedo muito conhecido: a língua de sogra> Quando soprada a língua de sogra enchese de ar e desenrola-se, por causa de pressão exercida pelo ar. No caso do manômetro, esse desenrolar gera um movimento que é transmitido ao ponteiro e que vai indicar a medida da pressão.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados O Tubo de Bourbon pode apresentar-se nas seguintes formas: tipo C, tipo esprial ou tipo helicoidal, conforme o desenho abaixo:

P

P

P

Na figura a seguir o detalhe de um manômetro do Tipo Bourbon tipo C:

b) Membrana ou Diafragma

É constituído por um disco de material elástico ( metálico ou não ), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca, e esse deslocamento é proporcional à pressão TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados aplicada. O diafragma geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva.

c) Tipo Fole

É também muito empregado na medição de pressão. Ele á basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna.

d) Coluna de Líquido

Consiste em tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água ( normalmente com um corante ) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na coluna, o líquido é deslocado, sendo que este deslocamento é proporcional à pressão aplicada. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Quando o manômetro está separado da linha de gás, os dois lados do manômetro estão com o nível de água no zero da escala. Isso acontece porque os dois lados do manômetro estão sujeitos à pressão atmosférica ambiente. Com um lado do manômetro ligado à tubulação de distribuição de gás ( para medir a pressão de gás ) e o outro lado ainda sujeito à pressão atmosférica local, a coluna de água será forçada para baixo no lado pressurizado e elevada no lado sob ação da atmosfera. A pressão do gás na tubulação é medida pelo deslocamento total da coluna de água e seu valor é dado em milímetros de coluna de água ( mmca ). O deslocamento total da coluna de água ( DT ) é dado pela soma da elevação ( E ) no lado atmosférico e do abaixamento ( A ) no lado pressurizado. O abaixamento ( A ) no lado pressurizado é igual à elevação ( E ) no lado atmosférico. Por isso, o deslocamento total ( DT ) pode ser medido multiplicando-se o abaixamento ( A ) ou a elevação ( E ) por 2. Osso pode ser escrito em uma fórmula simples para a leitura da pressão no manômetro: DT = A + E

ou

DT = 2 x A

ou

DT = 2 x E

e) Elementos Sensíveis ou Capacitivos

A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência de força/deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformação pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total, que é medida por um circuito eletrônico. Esta montagem, se por um lado elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente a TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados temperatura. Este conveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis à temperatura montados junto ao sensor.

Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras, devido à deformação não-linear. Neste caso, faz-se necessário um compensação ( linearização ) a cargo do circuito eletrônico. O sensor é formado pelos seguintes componenetes:   

Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido; Dielétrico formado pelo óleo de enchimento ( silicone ou fluorube ); Armadura móvel ( diafragma sensor ).

Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta ( high ) e de baixa ( low ) produz uma força no diafragma isolador, que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível ( diafragma sensor ) provocando sua deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e pela armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico, que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 9. Instrumentos Medidores de Vazão Tipos de Medidores

As classificações dos medidores de vazão se baseia somente no tipo do elemento primário ou no princípio físico envolvido. Os medidores de vazão podem ser divididos em dois grandes grupos funcionais: 1. medidores de quantidade 2. medidores de vazão instantânea. Os medidores de vazão podem ser ainda classificados sob vários aspectos, como 1. relação matemática entre a vazão e o sinal gerado, se linear ou não-linear; 2. tamanho físico do medidor em relação ao diâmetro da tubulação, igual ou diferente; 3. fator K, com ou sem 4. tipo da vazão medida, volumétrica ou mássica, 5. manipulação da energia, aditiva ou extrativa. Obviamente, há superposições das classes. Por exemplo, a medição de vazão com placa de orifício envolve um medidor de vazão 1. volumétrica instantânea, 2. com saída proporcional ao quadrado da velocidade, 3. vazão, com diâmetro total, 4. sem fator K e 5. com extração de energia. O medidor de deslocamento positivo com pistão reciprocante é um medidor de 1. quantidade, 2. linear, TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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3. com fator K,


4. com diâmetro total e 5. com extração de energia. O medidor magnético é um medidor de vazão 1. volumétrica instantânea, 2. com fator K, 3. diâmetro total 4. com adição de energia. Quantidade ou Vazão Instantânea

No medidor de quantidade, o fluido passa em quantidades sucessivas, completamente isoladas, em peso ou em volumes, enchendo e esvaziando alternadamente câmaras de capacidade fixa e conhecida, que são o elemento primário. O elemento secundário do medidor de quantidade consiste de um contador para indicar ou registrar a quantidade total que passou através do medidor. O medidor de quantidade é, naturalmente, um totalizador de vazão. Quando se adiciona um relógio para contar o tempo, obtém-se também o registro da vazão instantânea. No medidor de vazão instantânea, o fluido passa em um jato contínuo. O movimento deste fluido através do elemento primário é utilizado diretamente ou indiretamente para atuar o elemento secundário. A vazão instantânea, ou relação da quantidade de vazão por unidade de tempo, é derivada das interações do jato e o elemento primário por conhecidas leis físicas teóricas suplementadas por relações experimentais. Linear e não linear

A maioria dos medidores de vazão possui uma relação linear entre a vazão e a grandeza física gerada. São exemplos de medidores lineares: turbina, magnético, área variável, resistência linear para vazão laminar, deslocamento positivo. O sistema de medição de vazão mais aplicado, com placa de orifício é não linear. A pressão diferencial gerada pela restrição é proporcional ao quadrado da vazão medida. Exemplo de outro medidor não-linear é o tipo alvo, onde a força de impacto é proporcional ao quadrado da vazão. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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A rangeabilidade do medidor, que é a relação entre a máxima vazão medida dividida pela mínima vazão medida, com o mesmo desempenho é uma função inerente da linearidade. Os medidores lineares possuem a rangeabilidade típica de 10:1 e os medidores com grandeza física proporcional ao quadrado da vazão possuem a rangeabilidade de 3:1. Exemplos típicos de medidores de vazão não-lineares: placa de orifício, venturi, bocal, target, calha Parshall (exponencial); medidores lineares: turbina, deslocamento positivo, magnético, coriolis, área variável. Diâmetros Totais e Parciais do Medidor

Sob o aspecto da instalação do medidor na tubulação, há dois tipos básicos: com buraco pleno (full bore ) ou de inserção. A maioria dos medidores possuem aproximadamente o mesmo diâmetro que a tubulação onde ele é instalado. A tubulação é cortada, retira-se um carretel do tamanho do medidor e o instala, entre flanges ou rosqueado. Tipicamente o seu diâmetro é aproximadamente igual ao da tubulação, e ele é colocado direto na tubulação, cortando a tubulação e inserindo o medidor alinhado com ela. Esta classe de medidores é mais cara e com melhor desempenho. Exemplos de medidores com diâmetro pleno: placa, venturi, bocal, turbina, medidor magnético, deslocamento positivo, target, vortex. A outra opção de montagem é através da inserção do medidor na tubulação. Os medidores de inserção podem ser portáteis e são geralmente mais baratos porém possuem desempenho e precisão piores. Exemplos de medidores: tubo pitot e turbina de inserção. Medidores Com e Sem Fator K

Há medidores que possuem o fator K, que relaciona a vazão com a grandeza física gerada. A desvantagem desta classe de medidores é a necessidade de outro medidor padrão de vazão para a sua aferição periódica. São exemplos de medidores com fator K: turbina, magnético, Vortex. O sistema de medição de vazão com placa de orifício é calibrado e dimensionado a partir de equações matemáticas e dados experimentais disponíveis. A grande vantagem da medição com placa de orifício é a sua calibração direta, sem necessidade de simulação de vazão conhecida ou de medidor padrão de referência.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Medidores volumétricos ou mássicos

A maioria dos medidores industriais mede a velocidade do fluido. A partir da velocidade se infere o valor da vazão volumétrica (volume = velocidade x área). A vazão volumétrica dos fluidos compressíveis depende da pressão e da temperatura. Na prática, o que mais interessa é a vazão mássica, que independe da pressão e da temperatura. Tendo-se a vazão volumétrica e a densidade do fluido pode-se deduzir a vazão mássica. Porém, na instrumentação, a medição direta e em linha da densidade é difícil e complexa. Na prática, medem-se a vazão volumétrica, a pressão estática e a temperatura do processo para se obter a vazão mássica, desde que a composição do fluido seja constante. Atualmente, já são disponíveis instrumentos comerciais que medem diretamente a vazão mássica. O mais comum é o baseado no princípio de Coriolis. Energia Extrativa ou Aditiva

Em termos simples, os medidores de vazão podem ser categorizados sob dois enfoques diferentes relacionados com a energia: ou extraem energia do processo medido ou adicionam energia ao processo medido. Como o fluido através da tubulação possui energia, sob várias formas diferentes, como cinética, potencial, de pressão e interna, pode-se medir a sua vazão extraindo alguma fração de sua energia. Este enfoque de medição envolve a colocação de um elemento sensor no jato da vazão. O elemento primário extrai alguma energia do fluido suficiente para fazêlo operar. A vantagem desta filosofia é a não necessidade de uma fonte externa de energia. Porém, o medidor é intrusivo e oferece algum bloqueio a vazão, o que é uma desvantagem inerente a classe de medição. Exemplos de medidores extratores de energia: placa de orifício, venturi, bocal, alvo, cotovelo, área variável, pitot, resistência linear, vertedor, calha, deslocamento positivo, turbina e vortex. O segundo enfoque básico para medir a vazão é chamado de energia aditiva. Neste enfoque, alguma fonte externa de energia é introduzida no fluido vazante e o efeito interativo da fonte e do fluido é monitorizado para a medição da vazão. A medição com adição de energia é não intrusivo e o elemento primário oferece nenhum ou pequeno bloqueio a vazão. Como desvantagem, é necessário o uso de uma fonte externa de energia. Exemplos de medidores aditivos de energia: magnético, sônico, termal. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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O número de medidores baseados na adição da energia é menor que o de medidores com extração da energia. Isto é apenas a indicação do desenvolvimento mais recente destes medidores e este fato não deve ser interpretado de modo enganoso, como se os medidores baseados na adição da energia sejam piores ou menos favoráveis que os medidores baseados na extração da energia. Medidores aprovados pela ANP ( Agência Nacional de Petróleo )

Os medidores de vazão aprovados pela ANP para a medição de óleo e petróleo são: 1. o medidor de vazão com deslocamento positivo; usado para a totalização direta da vazão, 2. o medidor direto de massa de Coriolis, 3. o medidor ultra-sônico por tempo de trânsito, multifeixe Os medidores de vazão aprovados pela ANP para a medição de gás natural são: 4. sistema de medição de vazão com placa de orifício (ISO 5167 e AGA 3) 5. a turbina medidora de vazão com eixo longitudinal (ISO 9951 e AGA 7) 6. o medidor ultra-sônico por tempo de trânsito, multifeixe (ISO 12 765 e AGA 9) Outros medidores que podem ser usados, desde que aprovados previamente são: 7. o sistema de medição magnética da vazão, com excitação senoidal e corrente contínua pulsada. Usado para a medição de fluidos eletricamente condutores, como água salgada. 8. o medidor com geração de vórtices de Von Karmann, chamado genericamente de vortex, 10. Instrumentos Medidores de Nível Introdução

O nível pode ser medido de modo manual ou automático. A medição manual de nível geralmente envolve o uso de uma régua, vareta, trena ou fita acoplada a um peso de imersão. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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As vantagens da medição manual são 1. Simplicidade, pois envolve uma régua ou trena rastreada 2. Facilidade por ser uma medição direta As desvantagens são: 1. O operador deve ir ao local, que às vezes é alto, perigoso e pode ocorrer em horas inoportunas, como madrugadas, momentos de chuva ou ventania. 2. Medições de produtos tóxicos requerem uso de mascara apropriada e cuidados adicionais 3. Para que a medição seja sempre precisa, o operador deve seguir sempre um procedimento, senão haverá uma variabilidade devida ao operador. 4. Para que a medição seja sempre exata, a régua ou trena de medição requer calibração ou troca periódica por uma nova certificada. A norma internacional que trata da medição manual de nível é a ISO 4512 (15 DEZ 2000): Petróleo e produtos líquidos de petróleo –Equipamentos para a medição de níveis de líquido em tanques de armazenagem – Métodos manuais. Os principais pontos desta norma

serão mostrados, a seguir. Geral

É necessário um certificado de calibração para qualquer um dos equipamentos de medição, tais como réguas graduadas, pesos, réguas para ullage. O certificado deve ser emitido por uma autoridade competente, como INMETRO ou órgão credenciado por ele e deve ser rastreável a padrões nacionais ou internacionais, com um limite de confiança de 95%, que está dentro do máximo erro permissível especificado. Equipamento que foi sujeito a reparo não pode ser usado como referência, mas pode ser usado para outros objetivos se ele for verificado por uma autoridade competente e foi considerado conforme com as exigências da norma ISO 4512. Fita de imersão

A fita ou trena de imersão deve ser usada em conjunto com um peso de imersão (dipweight), régua de ullage ou régua para detectar água. A fita é enrolada em um tambor contido dentro de uma estrutura equipada com uma manivela. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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É recomendada que os pesos, régua de ullage e régua de detectar água sejam destacadas da fita, quando transportada ou armazenada para evitar a flexão constante no ponto de fixação, facilitando a quebra da fita neste ponto. O conjunto fita, dispositivo de fixação e peso, que forma um sistema contínuo e completo, deve ser construído de modo que o zero do sistema seja a face inferior do peso. Há graduação em todo comprimento da fita

Fita de imersão com enrolamento Peso de imersão

O peso de imersão é projetado e construído para ser usado em combinação com a fita de imersão. Construção

O peso de imersão deve ter formato cilíndrico no meio e cônico na extremidade inferior. A base deve ser chata, com uma superfície normal ao eixo maior. O formato cilíndrico afinado na ponta fornece a sensitividade em imergir e penetrar em depósitos mais facilmente que um formato totalmente cilíndrico. Um peso com uma extremidade muito pontiaguda não é recomendado, pois é susceptível a dano mecânico que afeta a precisão da medição e pode se desgastar rapidamente, quando em uso. A extremidade superior deve ser projetada para permitir a fixação da fita de imersão. Esta fixação não deve afetar a precisão do conjunto fita-peso. Uma face chata, não menor que 10 cm, deve ser provida para ter uma escala gravada, continuando a escala da fita.


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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Régua Ullage

A régua de ullage deve ser projetada e construída para uso combinado com a fita de imersão. A régua de ullage pode ser graduada em mais de uma face, mas as graduações devem estar no mesmo nível em relação à referência de zero (zero datum) da régua. O normal é ter graduação somente em uma face. As graduações na régua ullage que são gravadas abaixo da marca zero são suplementares às marcações da fita de imersão. Não se pode combinar réguas ullage com réguas de detecção de água porque os seus pontos de referência zero são diferentes.

Peso de imersão típico


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Exemplo de uma régua ullage Régua detectora de água Geral

A régua detectora de água deve ser projetada e construída para uso combinado com a fita de imersão. A régua detectora de água pode ser graduada em mais de uma face, mas as graduações devem estar no mesmo nível em relação à referência de zero (zero datum) da régua. Nota: O normal é ter graduação somente em uma face.

As graduações na régua detectora de água devem ser gravadas a partir da marca zero da régua.


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As graduações não são precisam ser diretamente relacionadas com as graduações da fita de imersão fixada nela, porque a régua detectora de água normalmente é maior do que o peso padrão combinado com a fita. Não se pode combinar réguas ullage com réguas de detecção de água porque os seus pontos de referência zero são diferentes. A régua detectora de água é projetada para uso com pasta detectora de água. Nota: a informação na detecção de interface por meio da pasta detectora de água é dada na norma ISO 4511. 11. Controle de Processo Conceito

Controlar um processo industrial é manter a variável controlada em uma das três seguintes condições: 1. sempre igual ao ponto de ajuste, que é o valor desejado 2. próximo ao ponto de ajuste 3. oscilando constantemente em torno do ponto de ajuste. O que determina a condição são as ações de controle envolvidas. Controle automático é quando não há intervenção do operador (ou há a mínima intervenção do operador). O controle pode ser opcionalmente manual, quando o operador atua manualmente no processo. Todo controle envolve uma medição. O controle é sempre tão bom quanto a medição. Monitorar um processo é acompanhar os valores das variáveis, porém sem condição de atuar em linha, para fazer as devidas correções. Alarmar um processo é colocar dispositivos para chamar a atenção do operador, quando a variável controlada igular ou ultrapassar determinados valores pré-determinados. O alarme pode incluir o intertravamento, quando, além de chamar a atenção do operador, atua no processo, desligando ou ligando algum equipamento para manter o processo sempre seguro. Automatizar um processo é integrar e coordenar todas as funções de medição, controle, alarme, intertravamento e monitoração. Controle automático não é automação. O controle automático é uma das varias camadas da automação. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Vantagens do controle

As principais estão vantagens do controle automático relacionadas com a qualidade e quantidade dos produtos, fabricados com segurança e sem subprodutos nocivos. Há muitas outras vantagens. O controle automático possibilita a existência de processos extremamente complexos, impossíveis de existirem apenas com o controle manual. Um processo industrial típico envolve centenas e até milhares de sensores e de elementos finais de controle que devem ser operados e coordenados continuamente. Como vantagens, o instrumento de medição e controle 1. não fica aborrecido ou nervoso, 2. não fica distraído ou atraído por pessoas bonitas, 3. não assiste a um jogo de futebol na televisão nem o escuta pelo rádio, 4. não pára para almoçar ou para ir ao banheiro, 5. não fica cansado de trabalhar, 6. não tem problemas emocionais, 7. não abusa seu corpos ou sua mente, 8. não tem sono, 9. não folga do fim de semana ou feriado, 10. não sai de férias, 11. não reivindica aumento de salário. Porém, o instrumento: 1. sempre apresenta erro de medição 2. opera adequadamente somente quando estiver nas condições previstas pelo fabricante, 3. requer calibrações periódicas, para se manter exato e as incertezas dos padrões de calibração podem afetar suas medições, TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados 4. requer manutenção preventiva ou corretiva, para que sua precisão se mantenha dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante e se essa manutenção não for correta, ele se degrada ao longo do tempo,

5. é provável que algum dia ele falhe e pela lei de Murphy, esta falha geralmente acontece na pior hora possível e pode acarretar grandes complicações. Qualidade do Produto

A maioria dos produtos industriais é fabricada para satisfazer determinadas propriedades físicas e químicas. Quanto melhor a qualidade do produto, menores devem ser as tolerâncias de suas propriedades. Quanto menor a tolerância, maior a necessidade dos instrumentos para a medição e o controle automático. O controle automático garante a pequena variabilidade do processo. Os fabricantes executam testes físicos e químicos em todos os produtos feitos ou, pelo menos, em amostras representativas tomadas aleatoriamente das linhas de produção, para verificar se as especificações estabelecidas foram atingidas pela produção. Para isso, são usados instrumentos tais como densitômetros, viscosímetros, espectrômetros de massa, analisadores de infravermelho, cromatógrafos e outros. Os instrumentos possibilitam a verificação, a garantia e a repetitividade da qualidade dos produtos. Atualmente, o conjunto de normas ISSO 9000 exige que os instrumentos que impactam a qualidade do produto tenham um sistema de monitoração, onde estão incluídas a manutenção e calibração documentada deles.

Variabilidade do processo com controle manual e controle automático Quantidade do Produto

As quantidades das matérias primas, dos produtos finais e das utilidades devem ser medidas e controladas para fins de balanço do custo e do rendimento do processo. Também é freqüente a medição de produtos para venda e compra entre plantas diferentes. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Os instrumentos de indicação, registro e totalização da vazão e do nível fazem a aquisição confiável dos dados através das medições de modo continuo e preciso. Os instrumentos asseguram a quantidade desejada das substancias. Os instrumentos utilizados para mostar as quantidades transferidas em compra e venda são chamados de instrumentos para transferência de custódia. As variáveis típicas de quantidade são a vazão e o nível.

Instrumento de medição de nível Economia do Processo

O controle automático economiza a energia, pois elimina o superaquecimento de fornos, de fornalhas e de secadores. O controle de calor está baseado geralmente na medição de temperatura e não existe nenhum operador humano que consiga sentir a temperatura com a precisão e a sensitividade do termopar ou da resistência. Os instrumentos garantem a conservação da energia e a economia da sua utilização. Ecologia

Na maioria dos processos, os produtos que não são aproveitáveis e devem ser jogados fora, são prejudiciais às vidas animal e vegetal. A fim de evitar este resultado nocivo, devem ser adicionados agentes corretivos para neutralizar estes efeitos. Pela medição do pH dos efluentes, pode se economizar a quantidade do agente corretivo a ser usado e pode se assegurar que o efluente esteja não agressivo. Os instrumentos garantem efluentes limpos e inofensivos.

Tubulação de transferência TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados Segurança da Planta

Muitas plantas possuem uma ou várias áreas onde podem estar vários perigos, tais como o fogo, a explosão, a liberação de produtos tóxicos. Haverá problema, a não ser que sejam tomados cuidados especiais na observação e no controle destes fenômenos. Hoje são disponíveis instrumentos que podem detectar a presença de concentrações perigosas de gases e vapores e o aparecimento de chama em unidades de combustão. Os instrumentos protegem equipamentos e vidas humanas.

Área industrial hostil Proteção do Processo

O processo deve ter alarme e proteção associados ao sistema de medição e controle. O alarme é realizado através das mudanças de contatos elétricos, monitoradas pelos valores máximo e mínimo das variáveis do processo. Os contatos dos alarmes podem atuar (ligar ou desligar) equipamentos elétricos, dispositivos sonoros e luminosos. Os alarmes podem ser do valor absoluto do sinal, do desvio entre um sinal e uma referência fixa e da diferença entre dois sinais variáveis. É útil o uso do sistema de desligamento automático ou de trip do processo. Deve-se proteger o processo, através de um sistema lógico e seqüencial que sinta as variáveis do processo e mantenha os seus valores dentro dos limites de segurança, ligando ou desligando os equipamentos e evitando qualquer seqüência indevida que produza condição perigosa.


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Plataforma marítima: uma área de risco

Os primeiros sistemas de intertravamento utilizavam contatos de reles, contadores, temporizadores e integradores. Hoje, são utilizados os Controladores Lógicos Programáveis (CLP), a base de microprocessadores, que possuem grande eficiência em computação matemática, seqüencial e lógica, que são os parâmetros básicos do desligamento. Alguns instrumentistas fazem distinção entre o sistema de desligamento (trip) e o de intertravamento (interlock), enquanto outros consideram os dois conceitos idênticos. Processo Contínuo e Descontínuo

O processo é contínuo quando a matéria prima entra num lado do sistema e o produto final sai do outro lado continuamente. Nesta aplicação o termo continuamente significa um período de tempo relativamente longo, medido em horas, em dias e até em meses, dependendo do processo. A maioria das indústrias petroquímicas e siderúrgicas possui processos contínuos. As paradas totais dos processos se realizam em intervalos de um ano ou mais. O processo contínuo pode levar até vários dias para entrar em regime estável e permanente de produção.

Esquema simplificado do processo contínuo TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Todo processo possui um fluxo de material, energia ou ambos. O fluxo de material ou energia é manipulado sob o comando de um controlador cujo objetivo é manter a variável do processo em um valor desejado; este valor é chamado de ponto de ajuste ( set point ). Exemplo de processo contínuo simples é o nível de líquido de um tanque. A entrada do tanque é livre e a sua saída é manipulada por um controlador de nível, de modo que o nível seja sempre igual a um determinado valor. O nível pode assumir qualquer valor entre vazio (0%) e totalmente cheio (100%). Em determinado momento ele pode valer 65,3 %; em outro 34,9 %. O controle automático do processo contínuo se baseia no algoritmo que combina as três ações clássicas: Proporcional, Integral e Derivativa e por isso é também chamado de controle PID.

Processo contínuo: nível do tanque

Dependendo do tipo do sensor e do sistema de medição, é possível se ter uma medição descontínua de uma variável contínua. No mesmo exemplo do nível do líquido do tanque, quando se tem eletrodos como sensores do nível, a medição e controle do nível ocorre de modo discreto, através de degraus. Quando se tem três eletrodos com tamanhos diferentes, tem-se uma medição do nível em três degraus. Enquanto apenas um eletrodo estiver coberto pelo nível, a medição do nível não se altera, até que o nível atinja o próximo eletrodo. Controle das Variáveis por controladores

As variáveis de processo mais envolvida são: pressão, temperatura, vazão e nível. Serão vistas agora as suas característica dinâmicas, suas dificuldades e suas exigência de controle. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados a) Pressão

A pressão é caracterizada pela grande capacidade, pequeno atraso de transferência e pequeno tempo morto. Por ter grande capacidade, pode-se ter auto-regulação do controle de pressão, desde que não haja vazão. O tempo de resposta da pressão rápida é aproximadamente igual ao da vazão e o tempo da pressão lenta se aproxima do tempo do nível. O exemplo de um processo com pressão rápida é o controle da pressão de um tanque, manipulando a vazão de saída do vapor. O exemplo da pressão lenta é a manipulação da vazão d'água de resfriamento na entrada do trocador de calor para controlar a pressão do vaso de vapor. A dinâmica da transferência do calor e o atraso d'água através do trocador influem no tempo de resposta da malha de controle da pressão. Pode-se controlar a pressão de um gás pela manipulação da vazão da entrada ou da saída do gás no tanque de volume constante. A pressão de gás em tanque de volume constante é de fácil controle, mesmo quando o volume é pequeno. Basta um controlador proporcional com banda proporcional estreita. Quando não se pode ter desvio permanente, usa-se também o modo integral. O controle de pressão de liquido é praticamente igual ao controle de vazão. Em sistema com vapor e liquido em equilíbrio, a pressão pode ser controlada pelo ajuste da vazão do liquido ou pela transferência de calor. A pressão do sistema líquido-vapor em equilíbrio é afetada pela vazão do produto e pela transferência do calor. Assim, para o controle de pressão de vapor saturado, basta controlar a vazão de massa do vapor. Nos sistemas mais complexos, como a caldeira, a coluna de destilação ou o evaporador, o controle da pressão está ligado diretamente ao controle de temperatura. A pressão no início de uma tubulação está diretamente relacionada com a vazão da linha. A única participação dinâmica do processo é a inércia apresentada pela vazão do liquido. A banda proporcional do controlador de pressão deve ser mais estreita, ou seja, o controlador deve ser mais sensível do que para o controle de vazão. Raramente se utiliza a ação derivativa para o controle de pressão. O controlador típico para o controle de pressão é o PI. A banda proporcional é tipicamente maior que 100% e o tempo integral é pequeno. b) Vazão

A vazão é a variável de processo com a resposta mais rápida e com a menor capacitância. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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A vazão é a variável manipulada da maioria dos controles de outras variáveis. Quando se tem o controle de vazão, a coincidência entre a variável manipulada e a controlada torna ainda mais fácil o controle. A vazão entre dois pontos de uma tubulação com seção circular fechada é gerada e modificada pelas bombas e compressões, que produzem uma diferença de pressão entre eles. A vazão sempre vai do ponto de maior pressão para o de menor pressão. A vazão sofre distúrbios das conexões e acidentes da tubulação, da colocação de elementos sensores e de válvulas, de equipamentos tais como trocadores de calor. Como a vazão possui pequena capacitância e como a maioria dos líquidos é não compreensível, esses ruídos provocados pelos distúrbios não são amortecidos e se transmitem por todo o sistema. Na escolha e nos ajustes do controlador, esses ruídos da vazão devem ser considerados. Como conclusão, quase nunca se utiliza o modo derivativo no controlador de vazão. Se o fluido é gás, está sujeito a expansão devida a variação da pressão. Se o fluido é liquido, a inércia é fundamental: a vazão começa com aceleração e termina com desaceleração. No controle de vazão, a válvula de controle geralmente é colocada depois medidor de vazão, para se evitar que os distúrbios provocados pela ação da válvula afetem a medição da placa de orifício. Devem ser respeitadas as distâncias mínimas de trecho reto antes e depois do medidor. Os distúrbios provocados a jusante do medidor são menores do que os provocados a montante. Por causa dos vários elementos dinâmicos associados a medição de vazão, o ganho dinâmico da malha de medição, incluindo a tubulação, o transmissor, o controlador e o atuador da válvula, é muito grande e a banda proporcional a ser ajustada no controlador deve ser larga, nunca menor que 100%. No controle de vazão os modos usados são o proporcional e o integral, para não permitir desvios permanentes. Nunca se utiliza o modo derivativo, por causa dos ruídos presentes. Ou então, é possível a utilização ação derivativa inversa, que amortece esses ruídos e permite o uso do controlador com banda proporcional mais estreita. O controlador típico para a vazão é o PI, com a banda proporcional larga (típica de 150%), para reduzir o efeito dos ruídos da vazão. O tempo integral é pequeno, típico de 0,1 minuto/repetição, para eliminar rapidamente o desvio permanente. A grande vantagem do controle de nível de liquido é a possibilidade de se ter sistema autoregulante. O nível de liquido pode apresentar ruídos, provocados pelas ondulações da face liquida. Essas ondulações podem ser eliminadas ou diminuídas, principalmente com o uso de gaiola lateral externa. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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O nível é a variável de processo com diferentes graus de dificuldade. Há níveis fáceis de serem controlados, com grande capacidade e pequena demanda. Há níveis difíceis de serem controlados. O controle de nível com grande capacidade pode ser executado inclusive com controle liga-desliga. Quando se requer um controle mais rigoroso utiliza o controlador proporcional e finalmente, quando não é admissível a ocorrência de desvios, utiliza-se a ação integral. Raramente se usa ação derivativa. O controlador típico para o nível é o proporcional puro, que fornece um controle do nível médio, que pode variar entre os valores máximo e mínimo, sem problemas. A banda proporcional é ajustada no valor típico de 100%, de modo que a saída do controlador varia de 20 a 100 kPa, quando a saída do transmissor de nível varia de 20 a 100 kPa. c) Temperatura

Não há malha de controle de temperatura típica. A temperatura é outra variável, como o nível, que apresenta diferentes graus de dificuldade de controle. Os problemas do controle de temperatura se referem a transferência de calor, como a radiação, a condução e a convecção. A variável temperatura está associada ao tempo morto, o parâmetro de difícil controle. Ela é caracterizada por pequena velocidade de reação e por diferentes capacidades, embora o mais freqüente seja sistema de temperatura com grande capacidade. A temperatura é usualmente lenta por causa dos atrasos do sensor e dos atrasos da transferência de calor. A colocação do elemento sensor de temperatura em lugar estagnado e de baixa velocidade é imprestável. Os processos de temperatura com grande capacidade, pequeno atraso de transferência e pequeno tempo morto, podem ser controlador com os modos liga-desliga. Os fornos elétricos, os fornos de tubos radiantes, as fornalhas com chama aberta, os banhos de temperatura, são exemplos típicos de sistemas que podem ser controlados satisfatoriamente com o controlador liga-desliga. Como refinamento pode se aplicar o controle liga-desliga com intervalo diferencial ou ainda o controle com três níveis de energia. Tem-se o controle liga-desliga com posições múltiplas: alto, baixo e desligado. Essa aplicação se refere a sistema de temperatura que requer alta energia de aquecimento apenas no princípio e depois requer baixa energia para a manutenção da temperatura de trabalho. No início da operação, o sistema opera em alta energia, com todas as resistências ligadas. Quando o sistema atinge a temperatura desejada, ele desliga um conjunto de resistências e passa a operar em duas posições, convencionalmente. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Para resultados mais precisos, é utilizado o controlador proporcional. O controle proporcional se aplica a sistema com elevada velocidade de reação, que provocaria grandes flutuações no sistema liga-desliga. O controle proporcional é utilizado em fornos com queima de óleo, em que a relação óleo-ar é controlada. O controle proporcional é também aplicado a sistema que apresenta grande variação de carga. Nessa aplicação a banda proporcional deve ser estreita, a fim de ter pequenos desvios permanentes. Porém, a banda proporcional deve ser larga para tornar o sistema pouco sensível aos tempos de atraso da medição da temperatura. Para conciliar essas exigências, é necessário o uso da ação derivativa. No controle de temperatura, a capacidade do lado da carga deve ser maior que a capacidade do lado do suprimento. Uma grande capacidade de carga é favorável, desde que ela diminui e nivela as variáveis do processo. Por isso é muito fácil um controle de trocador de calor ou de forno, completamente carregado do que com pequena carga. Usa-se sempre o modo integral associado ao proporcional quando há atraso na medição e quando a carga varia e freqüentemente. Como o uso da ação integral piora a resposta dinâmica do controlador, geralmente é aconselhável o uso também da ação derivativa, que melhora a resposta dinâmica. A maioria dos controladores PID é usada em malhas de temperatura e a maioria das malhas de temperatura requer o controlador PID. Os ajustes da banda proporcional são em valores estreitos (menor que 100%), dependendo da faixa do transmissor e do tamanho da válvula. O tempo integral é da mesma ordem que o período natural do processo, ou seja, quanto mais rápido o processo, menor é o tempo integral ajustado. O tempo derivativo deve ser ajustado em cerca de 1/4 do período natural do processo, dependendo do nível do ruído. A conclusão mais importante no estudo do controle de temperatura é que a temperatura é uma variável extremamente complexa e dependente dos fatores termodinâmicos, de transferência de calor, de funções não-lineares, de tempo morto. É muito freqüente a utilização de sistema de controle, com mais de um controlador, para o conjunto executar um controle mais avançado, tipo cascata, faixa dividida, controle programado, controle auto seletor.


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Comparação da controlabilidade das variáveis de processo Sintonia do controlador

O processo industrial modifica uma matéria prima em um produto acabado, através de um balanço entre o suprimento e a demanda de produtos e de energia, durante um determinado período de tempo. Na prática, nenhum processo é igual a outro. Os processos apresentam características típicas, quanto a carga, suprimentos, transporte de materiais, transferência de energia, quantidade e qualidade do suprimento de energia. Em outras palavras, cada processo apresenta um inerente grau de dificuldade para ser controlado automaticamente. Levando em consideração esses diferentes graus de dificuldade de controle, resultantes de diferentes características dinâmicas e estáticas do processo, os fabricantes de instrumentos desenvolveram diferentes tipos de controladores. O controlador mal escolhido raramente desempenha a função desejada. O controlador escolhido corretamente, também não funcionará idealmente, se os ajustes das ações proporcional, integral e derivativa não forem aqueles exigidos pelo processo específico. Os ajustes insuficientes ou exagerados podem, na melhor situação, produzir um controle demorado e fora do ponto de ajuste e na pior hipótese, provocar oscilação da variável controlada.

XL e XH são pontos de alarme e XLL e XHH são pontos de desligamento TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Sintonia correta do controlador

Sintonizar o controlador é ajustar os valores das suas ações de controle. Com a sintonia ideal, obtém se o máximo potencial da malha e pode se estimar o erro do controlador.

Sintonia incorreta do controlador

A maioria dos trabalhos publicados e disponíveis utiliza as técnicas matemáticas avançadas, como a transformada de Laplace, a transformada Z, a função de transferência, que não são dominadas pelos técnicos ou que já foram esquecidas pelos engenheiros. Pior ainda, a complexidade do emaranhado matemático das técnicas faz perder o sentimento dos aspectos práticos e a visão dos objetivos reais do controle. Embora a teoria possa determinar os valores exatos a serem ajustados no controlador, os métodos teóricos são de difícil execução, pois os dados necessários para os cálculos teóricos são imprecisos. Por isso, os métodos mais usados são empíricos e para sua execução, é necessário se provocar pequenos distúrbios ao processo, para se medir a resposta a esses distúrbios. Isso é indesejável, pois há processos críticos que não permitem perturbações.


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Na prática, os instrumentistas fazem a sintonia do controlador por tentativa e erro, sem a convicção do que esteja fazendo e sem nenhum suporte teórico. 1. Calibração do Instrumento

Todo equipamento usado para medir qualquer parâmetro, que se estiver impreciso pode afetar criticamente a qualidade, deve ser incluído no sistema de calibração. Deve existir um Procedimento de Calibração, que inclua a lista de equipamentos que requerem calibração e qual a frequência de calibração exigida. Deve ser feito um Cronograma de Calibração. Todo equipamento pertencente ao sistema de calibração deve ter uma etiqueta afixada com detalhes sobre a próxima data de calibração. Toda calibração segue uma norma nacional. Quando o equipamento estiver fora da calibração, será removido imediatamente e levado para o Gerente da Qualidade. Se possível, o equipamento deve ser substituído e enviado para recalibração. Deve haver um Procedimento de ação corretiva, com instruções. O cronograma deve ser cumprido. Para cada item do sistema de calibração, há um arquivo com detalhes dos resultados de todas as calibrações. Todos os operadores dos equipamentos de inspeção e ensaios são responsáveis para garantir que o equipamento esteja aferido, verificando as etiquetas. Todo item do equipamento de medição e ensaio deve ter um número de inventário, que é atribuído no recebimento. Deve-se garantir que todo equipamento usado com propósitos de medição seja adequado à sua aplicação. Os itens de equipamento de medição e ensaio classificados como inativos ou usados como referência e que não exijam calibração devem ser identificados como tal, através de uma etiqueta de Calibração Não Exigida . Deve-se garantir que todos os fornecedores ou subcontratados utilizados no projeto e fabricação do dispositivo tenham um sistema de calibração satisfatório, através de auditorias de fornecedores.


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13. Controle Supervisório ( Estação de Medição )

O controle digital supervisório é mostrado nas figuras abaixo:

Os controladores analógicos existentes são mantidos intactos. Os sinais de todos os transmissores são enviados para o computador e para os controladores. Os controladores devem ter a opção de ponto de ajuste remoto. Nesta configuração, o computador estabelece os pontos de ajuste de cada controlador. Dependendo do programa, o computador pode mostrar (display) imagens dinâmicas de alta resolução dos estados atuais do processo ou a historia de cada variável O computador pode estabelecer os pontos de ajustes de todas as malhas, de modo coordenado. O computador também pode executar o controle preditivo antecipatório e a interdependência das quantidades de alimentação de A e B com a composição e o nível. O controle digital supervisório pode ser facilmente adicionado ao sistema de controle analógico existente. Se o computador digital falha, o sistema continua a operar em seus últimos pontos de ajuste e pode ser chaveado para operação manual. Como os controladores analógicos manipulam a dinâmica de malha, computador não precisa ser muito rápido. TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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Para uma nova instalação, o controle digital supervisório requer muita instrumentação eletrônica. O desempenho final do sistema limitado pelas características dos dos controladores analógicos. Este sistema não é muito flexível. 14. Noções de Materiais Usados em Instalações de Instrumentação

São listados os materiais do sensor, das partes em contato com o processo (partes molhadas), dos invólucros, tampas, parafusos, fluidos de enchimento e de selagem, conexões com o processo. Os sensores geralmente estão em contato direto com o fluido do processo e o seu material deve ser compatível com o fluido, para não haver corrosão. O projeto correto garante também que não haverá erosão, cavitação e desgaste físico. O material mais usado para construir sensores é o aço inoxidável AISI 316. Outros usados incluem ligas especiais como Co-Ni-Cr, Hastelloy C, Monel, tântalo, prata, platina. O material dos invólucros pode ser metal, plásticos reforçados com fibra de vidro. O material padrão é uma liga metálica de cobre e alumínio, que tenha pequeno peso e seja resistente mecanicamente. O invólucro à prova de explosão tem limitação de conteúdo de alumínio e magnésio, por questão de segurança. A cerâmica é um material muito pesquisado e usado, por causa de suas vantagens de resistência à corrosão e erosão, embora seja quebradiço. A cerâmica é um material muito usado, atualmente, para substituir o teflon® como revestimento de tubos magnéticos de vazão. Os invólucros geralmente são pintados ou revestidos de epoxy e outros materiais plásticos resistentes à corrosão. Também devem ser definidos os materiais de gaxetas e juntas de tampas de instrumentos, que devem ser compatíveis com a atmosfera contaminante do ambiente. Buna-N é o material padrão para aneis-O (O-ring). O invólucro à prova de tempo deve ter gaxetas que vedem a entrada d'água e umidade; o invólucro à prova de chama não pode ter gaxetas entre seus espaçamentos críticos e esta incompatibilidade deve ser verificada. É possível, embora difícil, a compatibilização de prova de tempo e prova de explosão. Geralmente tampa à prova de tempo tem gaxeta e parafuso; tampa à prova de explosão e de tempo tem tampa aparafusada, com número mínimo de filete e anel-O especial. O material dos parafusos de fixação não necessariamente é igual ao material do invólucro. O material padrão dos parafusos é aço carbono; quando se quiser aço inoxidável, deve-se especificar. Os sensores de pressão diferencial e os selos de pressão são cheios TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados de óleo. O silicone é o material padrão. Aplicações especiais como manipulação de oxidante (oxigênio, cloro) requerem o uso de Fluorinert®.

Geralmente a especificação informa a massa aproximada do instrumento. Esta informação é útil para saber como transportar, armazenar ou suportar na instalação do processo. Um transmissor eletrônico, sem indicador, pesa tipicamente de 2,0 a 5,0 kg. 15. Controle supervisório e aquisição de dados (SCADA)

SCADA é o acróstico de Supervisory Control And Data Acquisition – Controle Supervisório e Aquisicao de Dados. SCADA é um sistema de controle tipicamente usado para monitorar e controlar processos que tenham muitas operações de liga e desliga e poucas malhas de controle analógico PID. O sistema SCADA não é usado tradicionalmente para o controle do processos complexos, mas principalmente para partir e parar unidades remotas Exemplos de processos complexos, que requerem muito controle analógico PID: refinaria de petróleo, planta química ou petroquímica. Nestes processos, a tecnologia empregada é o Sistema Digital de Controle Distribuído, mais complexo, caro e poderoso que um sistema SCADA. Exemplos de processos simples:,unidades de transferência de produtos em tubulações por bombas (líquidos) ou compressores (gases), distribuição de água e distribuição de energia elétrica. Tais sistemas utilizam intensiva e extensivamente o sistema SCADA. Antigamente o termo controle supervisório significava o sistema onde o computador digital estabelecia o ponto de ajuste e outros parâmetros dos controladores analógicos. Há sistemas SCADA proprietários, de umúnico fabricante, que já está interligado com todas interfaces e drivers proprietários. São sistemas mais caros, menos flexíveis, porém já prontos para o uso. Exemplo clássico: MOSCAD, da Motorola. A tendência atual é utilizar sistemas com protocolos e programas abertos, podendo utilizar equipamentos de diferentes fabricantes. Os equipamentos básicos deste SCADA são: Controlador Lógico Programável (CLP) para fazer a aquisição de dados Computador Pessoal (PC) para rodar o supervisório e constituir a estação de operação ou a interface humano-máquina (termo mais correto que homem-máquina, que é machista. Gostaram, meninas?). Neste sistema, tem-se vários fornecedores de CLP (Siemens, Modicon, Rockwell, GE Fanuc, Hitachi, Reliance) e vários aplicativos (InTouch, IFix). Há maior flexibilidade, porém, há maior dificuldade de integração do sistema.


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Um sistema de Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA) coleta e armazena dados para uso futuro. Os dados podem ser analógicos, discretos ou digitais. Os dados analógicos podem ser do tipo: 1. 4 a 20 mA cc, 2. tensão de mV de células de carga, 3. tensão de termopares dos tipos J, K, R, S, T B e E, 4. resistências detectoras de temperatura, 5. pulsos de turbinas medidoras de vazão, 6. freqüência de sinais de transmissores de vazão magnéticos, 7. freqüências de medidores tipo vortex ou coriolis) Estes sinais analógicos são convertidos para a forma digital conveniente para uso dentro do sistema digital de aquisição de dados. Dados discretos são as saídas de chave, que podem ser 0 ou 1. O sinal discreto possui apenas um bit de informação: 0 ou 1, baixo ou alto, ligado ou desligado, aberto ou fechado. No CLP, há módulos de entrada específicos para receber os dados discretos. Estes módulos geralmente possuem alta densidade, ou seja, podem receber 8, 16 ou 32 dados discretos. Sinal digital é aquele composto de vários bits. Quando se define a função de cada bit, tem-se definido um protocolo digital. Os sinais digitais entram no sistema digital através da rede de comunicação digital. Há autores, manuais e literatura técnica que chamam o sinal discreto de digital, diferente de nossas definições. Um modo claro para mostrar a diferença entre sinal discreto e digital, em um CLP é que os sinais discretos entram através de módulos de entrada e sinais digitais através da porta da CPU do CLP. Há ainda o sinal de pulso, cuja informação pode estar na amplitude, na freqüência, na duração ou na posição do pulso. Exemplos de sinais: saída de turbina medidora de vazão, saída de medidor magnético de vazão. Na maioria das aplicações industriais, a aquisição de dados é feita por controladores lógico programáveis (CLP) que possuem as interfaces de entrada e saída padronizadas e com preço conveniente. Outra vantagem de se usar um CLP como sistema de coleta de TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados

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TRANSPETRO / PETROBRAS AUTOMAÇÃO / INSTRUMENTAÇÃO Direitos Autorais Reservados dados é a facilidade de driver de comunicação entre ele e o microcomputador onde será rodado o programa aplicativo para realizar o controle supervisório do processo.

Quando os dados são coletados a grandes distâncias, eles são transferidos através de fios físicos, por uma onda de rádio freqüência portadora ou através de linha telefônica ou por uma combinação qualquer destas três técnicas. Estes dados devem estar disponíveis em um único local centralizado, e podem ser indicados, registrados, totalizados, analisados e alarmados, que é a estação de operação. É também desejável que o operador, além de coletar os dados e saber os status dos dispositivos remotos, possa atuar no processo, abrindo e fechando válvulas motorizadas, ligando e desligando motores de bombas e compressores, enviando sinais analógicos para atuar em válvulas de controle. Nestas aplicações, os sinais digitais do sistema de aquisição de dados devem ser convertidos de volta para a forma analógica e aplicados a algum tipo de atuador no processo. Neste ponto, deve-se projetar e construir equipamentos digitais que executem todas estas tarefas. Este equipamento é a Estação de Operação, que tipicamente é um computador pessoal (PC), que roda um software aplicativo de Controle Supervisório. Equipamento (Hardware)

A plataforma de operação do sistema de aquisição de dados e controle supervisório é um microcomputador, rodando um programa aplicativo. Através de configuração de telas, o operador pode selecionar através do teclado ou mouse do computador diferentes visões do processo, desde uma malha isolada até o processo completo (overview ). O monitor do computador irá substituir os painéis convencionais com botoeiras, instrumentos de display, anunciador de alarme e painel sinóptico. As chaves liga e desliga e as botoeiras de partida e parada são substituídas por teclas ou são atuadas através da tela especial (touch screen ). Têm-se agora chaves lógicas ou virtuais que funcionam exatamente como se fossem reais. O monitor do computador substitui os instrumentos de display. Através do programa de configuração, o operador pode selecionar telas que apresentam os valores numéricos das variáveis de processo de diferentes modos, à sua escolha. Os valores podem aparecer ao lado dos equipamentos associados. Por exemplo, o nível do tanque pode ser apresentado em percentagem ao lado do desenho do tanque, a vazão que passa por uma tubulação pode ter o valor instantâneo mostrado junto da tubulação, a temperatura de um reator pode ser mostrada em diferentes posições, em valores digitais. Através da configuração de tela, os instrumentos virtuais podem se parecer com instrumentos convencionais, com escala analógica (gráfico de barras simula a escala analógica), com botões, chaves seletoras e chaves de atuação.


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A totalização da vazão ou de outra variável (por exemplo, tempo acumulado de operação de motor de bomba) pode ser apresentada na tela do monitor, em tamanho e cor definidos pelo usuário. O anunciador de alarme é eliminado e agora os alarmes são listados pelo computador, mostrados na tela do monitor ou impressos em papel, se necessário. O alarme sonoro continua existindo. O usuário pode definir um código de cores para diferentes tipos de alarme. No diagrama do processo mostrado na tela do monitor do computador, as variáveis alarmadas podem assumir diferentes cores. Também no sistema, os status dos equipamentos podem ser definidos e observados na tela do monitor. Assim, por exemplo, válvulas fechadas podem ser representadas em vermelho, abertas em verde e em posições intermediárias, em azul. Tudo que era feito através da instrumentação convencional contínua sendo feito, porém, o operador vê o processo através de uma janela. Sua interface para ver o que está ocorrendo é a tela do monitor e sua nterface para atuar no processo é o teclado do computador, mouse, trackball (mouse com esfera) ou a própria tela do monitor se ela for sensível ao toque (touch screen ). Este sistema supervisório facilita muito a vida do operador. Relatórios que anteriormente eram escritos à mão agora são automaticamente impressos. A partir do aperto de uma tecla, o operador pode ter uma lista de todos os pontos que foram alarmados nas últimas 24 horas de operação. Concluindo: um conjunto integrado de sistema de aquisição de dados, programa de controle supervisório e um microcomputador, pode ser uma alternativa econômica para um Sistema Digital de Controle Distribuído. Por causa de suas limitações de desempenho e conveniência geral apresentadas por um sistema com microcomputador, estas aplicações são idéias para processos onde o custo é crítico e o controle é simples. Este conceito certamente cria a expectativa e a visão do futuro para aplicações abertas. Mesmo com suas limitações, o sistema pode ter ou fazer as seguintes tarefas: 1. Gerenciamento de banco de dados relacional, 2. Pacote de planilha de cálculo 3. Gerenciamento de display orientado para objeto 4. Estação de trabalho orientada para janela 5. Troca de informações com outros sistemas da planta


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6. Comunicação com outros sistemas digitais, como controlador lógico programável, controlador digital single loop, sistema de monitoração de máquinas rotativas, sistema de análise da planta 7. Interoperabilidade entre outras plataformas digitais diferentes. Programa Aplicativo (Software)

A operação de selecionar uma malha, iniciar uma entrada de dados, atuar em determinado dispositivo remoto, apresentar uma lista de alarmes não é feita milagrosamente, mas deve ser prevista e programada. Para facilitar as coisas, são disponíveis vários programas aplicativos no mercado, para que usuário realize seu controle, sendo os mais conhecidos: 1. Intouch, da Wonderware 2. FicsDmacs, da Intellution 3. Oasys, da Valmet 4. Wizcon, da Wizcon 5. Elipse, da Elipse Software 6. RSView, da Allen-Bradley 7. Aimax, da Smar Um programa aplicativo supervisório é usado para confeccionar telas, animar objetos, permitir a monitoração e atuação do processo através da estação de controle. Os aplicativos possuem bibliotecas com figuras, imagens, símbolos e ícones já prontos e fáceis de serem usados, bastando ao programador apenas a sua configuração e endereçamento. Geralmente, a comunicação não é feita por fios físicos, mas por transmissão de radio, linhas telefônicas ou mesmo satélites. Os tempos de atraso destes sistemas SCADA induzem a não confiar na monitoração e controle dos detalhes do processo em si, que está à distância. A porção do controle supervisório cuida principalmente de ligar, desligar equipamentos ou contornar unidades danificadas por acidente.


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Transpetro / 2006 Automação / Instrumentação Prof. Marcio Costa

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