Instrumentação9a edição Marco Antônio Ribeiro Instrumentação 9a edição Marco Antônio Ribeiro Dedicado a Marcelina e Arthur, meus pais, sem os quais este trabalho não teria sido possível, em todos os sentidos. Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão ou então, que tem razão para evitar falar claramente (Rosa Luxemburg) © 1978, 1982, 1986, 1989, 1992, 1995, 1997, 1999, 2002, Tek Treinamento & Consultoria Ltda Salvador, Outono 2002 Prefácio Qualquer planta nova, bem projetada para produzir determinado produto, sempre requer sistemas de instrumentação para fazer a medição, controle, monitoração e alarme das variáveis. A escolha correta dos sistemas pode ser a diferença entre sucesso e fracasso para uma unidade, planta ou toda a companhia. Também, como há uma rápida evolução das tecnologias e conseqüente obsolescência, periodicamente toda planta requer ampliações e modificações radicais que incluem a atualização dos seus instrumentos e seus sistemas de controle. Assim, técnicos e engenheiros que trabalham com o projeto, especificação, operação e manutenção de plantas de processo devem estar atualizados com a instrumentação e as recentes tecnologias envolvidas. O presente trabalho foi escrito como suporte de um curso ministrado a engenheiros e técnicos ligados, de algum modo, a estas atividades. Este trabalho de Instrumentação e um outro de Controle de processo constituem um conjunto completo para estudo e consulta. Neste trabalho, dá-se ênfase aos equipamentos e instrumentos e são apresentados três grandes temas: Fundamentos, Funções dos Instrumentos e Medição das Variáveis. Na primeira parte, de Fundamentos de Instrumentação, são apresentados os conceitos relacionados com Instrumentação, Terminologia, Símbolos e Identificação dos instrumentos analógicos e digitais; vistos os instrumentos sob a óptica de sistemas; mostradas a evolução e as ondas da instrumentação. São apresentados os parâmetros para a Especificação correta do instrumento individual, considerando o processo, ambiente, risco e corrosão. Na parte de Funções de instrumentos, são estudados individualmente os instrumentos, tais como sensor, transmissor, condicionador de sinal, indicador, registrador, totalizador, controlador e válvula de controle. Finalmente na terceira parte, são mostradas as tecnologias empregadas para medir as principais Variáveis de Processo, como pressão, temperatura, vazão nível, pH, condutividade e cromatografia, que são as variáveis mais encontradas nas indústrias químicas, petroquímicas e de petróleo. Sugestões e críticas destrutivas são benvidas, no endereço: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230, Fone (071) 452-3195 e Fax (071) 452-3058 e no e-mail:
[email protected] . Marco Antônio Ribeiro Salvador, verão 1999 Autor Marco Antônio Ribeiro se formou no ITA, em 1969, em Engenharia de Eletrônica Durante quase 14 anos foi Gerente Regional da Foxboro, em Salvador, BA, período da implantação do polo petroquímico de Camaçari . Fez vários cursos no exterior e possui dezenas de artigos publicados nas áreas de Instrumentação, Controle de Processo, Automação, Segurança, Vazão e . Desde 1987, é diretor da Tek Treinamento & Consultoria Ltda. á, firma que presta serviços nas áreas de Instrumentação e Controle de Processo. Conteúdo Fundamentos 1. Instrumentação Objetivos de Ensino 1. Instrumentação 1.1. Conceito e aplicações 1.2. Disciplinas relacionadas 2. Vantagens e Aplicações 2.1. Qualidade do Produto 2.2. Quantidade do Produto 2.3. Economia do Processo 2.4. Ecologia 2.5. Segurança da Planta 2.6. Proteção do Processo 2 2 2 2 3 3 3 4 4 4 4 3. Sistemas de Instrumentação 1. Classes de Instrumentos 2. Manual e Automático 4. Pneumático ou Eletrônico 4.1. Instrumento pneumático 4.2. Instrumento eletrônico 5. Analógico ou Digital 5.1. Sinal 5.2. Display 5.3. Tecnologia 5.4. Função Matemática 5.5. Analógica Versus Digital 6. Burro ou inteligente 7. Campo ou sala de controle 7.1. Instrumento de campo 7.2. Instrumentos na sala 8. Modular ou integral 8.1. Painel de leitura 8.2. Instrumentos cegos 9. Dedicado ou compartilhado 10. Centralizado ou distribuído 1 1 2 3 3 4 4 5 5 5 6 7 8 8 9 11 11 12 13 13 3. Alimentação dos Instrumentos 1 2. Símbolos e Identificação 1. Introdução 2. Aplicações 3. Roteiro da identificação 3.1. Geral 3.2. Número de tag típico 3.3. Identificação funcional 3.4. Identificação da malha 4. Simbologia de Instrumentos 4.1. Parâmetros do Símbolo 4.2. Alimentação 4.3. Linhas entre os Instrumentos 4.4. Balão do Instrumento 5. Malha de controle 6. Sistemas completos 7. Referências bibliográficas 1 1 1 1 1 1 2 3 3 3 6 6 13 13 16 11. Real ou Virtual 14 11.1. Instrumento real 14 11.2. Instrumento virtual 15 11.3. Controlador virtual comercial 15 4. Terminologia 5.1. Introdução 5.2. Definições e Conceitos i Funções dos Instrumentos 0. Funções dos Instrumentos 1. Instrumentos de Medição 1.1. Introdução 1.2. Tipos de Medição 2. Aplicações da Medição 2.1. Controle 2.2. Monitoração 2.3. Alarme 3. Sistema de Medição 1 1 3 3 4 4 4 3. Transmissor e manutenção 3.1. Transmissor descartável 3.2. Transmissor convencional 3.3. Transmissor digital 3.4. Transmissor híbrido 11 11 12 12 14 4. Receptores associados 14 4.1. Instrumentos associados 14 4.2. Alimentação 14 4.3. Transmissor como controlador 15 5. Serviços associados 5.1. Especificação 5.2. Instalação 5.3. Configuração 5.4. Operação 5.5. Calibração 5.6. Manutenção 15 15 15 16 16 16 18 1. Elemento Sensor 1. Conceito 2. Terminologia 3. Modificadores 3. Princípios de transdução 4. Sensores Mecânicos 5. Sensores Eletrônicos 5.1. Sensor capacitivo 5.2. Sensor indutivo 5.3. Sensor relutivo 5.4. Sensor eletromagnético 5.5. Sensor piezoelétrico 5.6. Sensor resistivo 5.7. Sensor potenciométrico 5.8. Sensor strain-gage 5.9. Sensor fotocondutivo 5.10. Sensor fotovoltáico 5.11. Sensor termoelétrico 5.12. Sensor iônico 6. Escolha do sensor 7. Características Desejáveis 1 1 2 3 3 3 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 3. Condicionadores de Sinal 1. Conceito 2. Aplicações 3. Funções desenvolvidas 4. Linearização da Vazão 4.1. Introdução 4.2. Lineares e Não-lineares 1 1 2 4 4 5 5. Compensação 6 5.1. Introdução 6 5.2. Condições normal, padrão e real 7 5.3. Compensação da Temperatura 8 5.4. Tomadas 8 6. Totalização da Vazão 7. Serviços associados 9 10 2. Transmissor 1. Conceitos básicos 1 1.1. Introdução 1 1.2. Justificativas do Transmissor 1 1.3. Terminologia 2 1.4. Transmissão do sinal 4 1.5. Sinais padrão de transmissão 4 2. Natureza do transmissor 5 2.1. Transmissor pneumático 2.2. Transmissor eletrônico 4. Indicador 1. Conceito 2. Variável Medida 3. Local de Montagem 4. Tipo da Indicação 5. Rangeabilidade da Indicação 5 7 6. Associação a Outra Função 7. Serviços Associados 1 1 2 2 3 4 5 5. Registrador 1. Introdução 2. Topografia 3. Acionamento do Gráfico 4. Penas 5. Gráficos 6. Associação a Outra Função 7. Serviços Associados 1 1 2 2 3 4 5 4. Controlador Microprocessado 4.1. Conceito 4.2. Características 4.3. Controladores comerciais 4. Controlador SPEC 200 4.1. Descrição e Funções 14 14 14 15 16 16 5. Estação Manual de Controle 18 5.1. Estação Manual 18 5.2. Estação de Chaveamento A/M 18 5.3. Estação A/M e Polarização 19 5.4. Serviços Associados 20 6. Computador de Vazão 1. Conceito 2. Programáveis 3. Dedicado 1 1 2 8. Válvula de Controle 1. Introdução 2. Elemento Final de Controle 3. Válvula de Controle 4. Corpo 4.1. Conceito 4.2. Sede 4.3. Plug 5. Castelo 6. Atuador 6.1. Operação 6.2. Atuador Pneumático 6.3. Ações do Atuador 6.4. Escolha da Ação 6.5. Mudança da Ação 6.6. Dimensionamento 6.7. Outro Elemento Final 7. Acessórios 7.1. Volante 7.2. Posicionador 7.3. Booster 8. Característica da Válvula 10 8.1. Conceito 8.2. Válvula e Processo 8.3. Escolha de Características 9. Operação da Válvula 9.1. Aplicação da Válvula 9.2. Desempenho 9.3. Rangeabilidade 10. Vedação e Estanqueidade 10.1. Classificação 10.2. Fatores do Vazamento 10.3. Válvulas de Bloqueio 15 11. Dimensionamento 11.1. Filosofia 11.2. Válvulas para Líquidos 11.3. Válvulas para Gases 11.4. Queda de Pressão 1 1 2 3 3 3 3 4 4 4 5 5 6 7 7 7 8 8 8 9 4. Aplicações Clássicas 2 4.1. Vazão de liquido 2 4.2. Vazão de gás 3 4.3. Sistema com 2 transmissores 3 4.5. Vazão de massa de gás 3 5. Seleção do Computador 4 6. Planímetro 4 6.1. Histórico 4 6.2. Cálculo matemático 5 6.3. Método do corte e peso 5 6.4. Método do planímetro 5 6.5. Gráficos Circulares Uniformes6 6.6. Seleção e Especificação 6 7. Controlador 1. Conceito 2. Componentes Básicos 2.1. Medição 2.2. Ponto de Ajuste 2.3. Estação Manual Integral 2.4. Balanço Automático 2.5. Malha Aberta ou Fechada 2.6. Ação Direta ou Inversa 1 1 1 1 2 2 3 3 10 10 12 13 13 13 14 15 15 15 3. Especificação do Controlador 5 3.1. Controlador Liga-Desliga 5 3.2. Controlador com Intervalo Diferencial 5 3.3. Controlador Proporcional 6 3.4. Controlador P + I 7 3.5. Controlador P + D 8 3.6. Controlador P + I + D 10 3.7. Controlador Tipo Batelada 10 3.8. Controlador Analógico 12 3.9. Controlador Digital 13 16 16 17 17 17 12. Instalação 12.1. Introdução 12.2. Localização da Válvula 12.3. Comissionamento 12.4. Tensões da Tabulação 12.5. Redutores 12.6. Instalação da Válvula 13. Parâmetros de Seleção 20 13.1. Função da Válvula 13.2. Fluido do Processo 13.3. Perdas de Atrito do Fluido 13.4. Condições de Operação 13.5. Vedação 13.6. Materiais de Construção 13.7. Elemento de Controle 14. Tipos de Válvulas 14.1. Válvula Gaveta 14.2. Válvula Esfera 14.3. Válvula Borboleta 14.4. Válvula Globo 14.5. Válvula Auto-regulada 15. Válvulas Especiais 15.1. Válvula Retenção 15.2. Tipo Levantamento 15.3. Retenção Esfera 15.4. Retenção Borboleta 15.5. Retenção e Bloqueio 32 16. Válvula de Alívio de Pressão 16.1. Função do Equipamento 16.2. Definições e Conceitos 16.3. Sobrepressão 16.4. Válvula de Segurança 17. Válvulas Solenóides 17.1. Solenóide 17.2. Válvula Solenóide 17.3. Operação e Ação 18. Válvula Redutora de Pressão 18.1. Conceito 18.2. Precisão da Regulação 18.3. Sensibilidade 18.4. Seleção 18.5. Instalação 18.6. Operação 18 18 18 18 19 19 19 20 20 20 21 21 21 21 22 23 24 25 27 28 30 30 31 31 31 5. Especificação de Instrumentos 1. Informação do Produto 1.1. Propriedade (feature) 1.2. Especificação 1.3. Característica 2. Propriedades do Instrumento 2.1. Funcionalidade 2.2. Estabilidade 2.3. Integridade 2.4. Robustez 2.5. Confiabilidade 11 2.6. Disponibilidade 2.7. Calibração 2.8. Manutenção 2.9. Resposta dinâmica 1 1 1 2 2 2 6 6 10 15 16 17 18 3. Especificações do instrumento 20 3.1. Especificações de Operação 20 Característica 20 3.2. Especificação de desempenho 20 3.3. Especificações funcionais 30 3.4. Especificações físicas 31 3.5. Especificação de segurança 32 4. Corrosão dos Instrumentos 4.1. Tipos de Corrosão 4.2. Corrosão nos instrumentos 4.3. Partes molhadas 4.4. Materiais de revestimento 4.5. Partes expostas ao ambiente 4.6. Instrumentos pneumáticos 4.7. Instrumentos eletrônicos 4.8. Processos Marginais 5 Terminologia 2.1. Introdução 2.2. Definições e Conceitos 2.3. Referências Bibliográficas 41 41 41 42 42 43 43 43 45 1 1 31 32 32 32 33 34 36 36 36 37 38 38 38 38 39 39 40 Medição das Variáveis Objetivos de Ensino 1. Variáveis de Processo 1.1. Introdução 1.2. Conceito 1.3. Dimensões 1 2 2 2 2 2.5. Enchimento Termal 8 2.6. Termopar 9 2.7. Resistência detectora de temperatura (RTD) 14 3. Acessórios 3.1. Bulbo 3.2. Capilar 3.3. Poço de temperatura 4. Referências Bibliográficas 27 27 28 29 30 2. Tipos das Quantidades 3 2.1. Energia e Propriedade 3 2.2. Extensivas e Intensivas 3 2.3. Pervariáveis e Transvariáveis 3 2.4. Variáveis e Constantes 4 2.5. Contínuas e Discretas 4 2.6. Mecânicas e Elétricas 4 3. Faixa das Variáveis 3.1. Faixa e Amplitude de Faixa 3.2. Limites de Faixa 3.3. Faixa e Desempenho 4. Função Matemática 4.1. Conceito 4.2. Notação 4.3. Função Linear 4.4. Correlação 6 6 6 6 7 7 7 7 8 3. Vazão 1. Fundamentos 1.1. Conceito de vazão 1.2. Unidades 1.3. Funções Associadas 1.4. Dificuldades da Vazão 2. Medidores de Vazão 2.1. Sistema de Medição 2.2. Tipos de Medidores 2.3. Quantidade ou Instantânea 2.4. Relação Matemática 2.5. Diâmetros Totais e Parciais 2.6. Com e Sem Fator K 2.7. Volumétricos ou Mássicos 2.8. Energia Extrativa ou Aditiva 2.9. Medidor Universal Ideal 2.10. Medidores Favoritos 3. Geradores de ∆p 3.1. Elemento Gerador 1 1 2 2 3 4 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 8 9 1. Pressão 1. Conceitos Básicos 1.1. Definição 1.2. Unidades 1.3. Tipos 2. Medição da Pressão 2.1. Objetivos da medição 2.2. Padrões de calibração 2.3. Sensores Mecânicos 2.4. Sensores Elétricos 2.5. Seleção do Sensor 3. Acessórios 3.1. Selo Químico 3.2. Pressostato 1 1 1 2 3 3 4 6 9 9 9 9 10 2. Temperatura 1. Conceitos Básicos 1.1. Definições 1.2. Unidades 1.3. Escalas 1.4. EPIT 2. Medição da Temperatura 2.1. Introdução 2.2. Sensores 2.3. Termômetros de vidro 2.4. Bimetal 1 1 2 2 3 5 5 5 6 7 4. Placa de Orifício 9 4.1. Conceito 9 4.2. Características Físicas 9 4.3. Tomadas da Pressão 10 4.4. Dimensionamento 10 4.5. Vantagens 11 4.6. Desvantagens e Limitações 11 4.7. Orifício Integral 12 4.8. Tubo Venturi 12 4.9. Outros Geradores da Pressão13 4.10.Seleção do Elemento 13 4.11. Medidor do ∆p 13 5. Medidor Tipo Alvo (Target) 6. Rotâmetro de Área Variável 7. Deslocamento Positivo 14 15 16 8. Medidor Magnético 8.1. Princípio de funcionamento 8.2. Sistema de Medição 8.3. Tubo Medidor 8.4. Transmissor de Vazão 8.5. Vantagens 8.6. Desvantagens e limitações 9. Turbina 9.1. Princípio de funcionamento 9.2. Construção 9.3. Vantagens 9.4. Desvantagens e limitações 10. Medidor tipo Vortex 11. Medidor Coriolis 11.1. Introdução 11.2. Efeito Coriolis 11.3. Calibração 11.4. Medidor Industrial 11.5. Características 11.6. Aplicações 11.7. Limitações 17 17 17 17 18 18 19 19 19 19 20 20 21 23 23 23 24 24 25 25 26 12. Medidor termal 26 12.1. Princípio de Funcionamento 26 12.2. Medidor a Calor 26 13. Medidor ultra-sônico 13.1. Introdução 13.2. Diferença de Tempo 13.3. Diferença de Freqüência 13.4. Efeito Doppler 28 28 28 29 29 4. Nível 1. Conceitos Básicos 1.1. Introdução 1.2. Conceito 1.3. Unidades 1.4. Aplicações 2. Medição de Interface 3. Medição de Nível 1 1 1 2 2 3 4 4. Visor de nível 4 4.1. Medidor com Bóia 5 4.2. Pressão Diferencial 6 4.3. Medição a borbulhamento 9 4.4. Medição com Deslocador 11 4.5. Medição Radioativa 13 4.6. Sistema com radar 20 4.7. Medidor sônico e ultra-sônico 25 Instrumentação 1. Fundamentos 2. Funções 3. Variáveis 1. Fundamentos 1. 2. 3. 4. Instrumentação Símbolos e Identificação Sistemas de Instrumentação Terminologia 1.1 Instrumentação Fig. 1.1.1. Operador de campo, sala de controle centralizada e arrea industrial 1 Instrumentação Objetivos de Ensino 1. Definir o significado de instrumentação e listar as disciplinhas correlatas. 2. Descrever as aplicações e as vantagens do controle e da automação industrial. 3. Informar acerca do histórico e da evolução das tecnologias aplicadas: analógica e digital, pneumática e eletrônica, centralizada e distribuída, dedicada e compartilhada, real e virtual.. 5. Controle: garantir que o valor de uma variável permaneça igual, em torno ou próximo de um valor desejável 6. Alarme e intertravamento: geração de sinais para chamar a atenção do operador para condições que exijam sua interferência ou para atuar automaticamente no processo para mantê-lo seguro As variáveis envolvidas incluem mas não se limitam a 1. Pressão 2. Temperatura 3. Vazão 4. Nível 5. Análise Os instrumentos estão associados e aplicados aos seguintes equipamentos: 1. Caldeira: equipamento para gerar vapor 2. Reator: equipamento onde se realiza uma reação química ordenada 3. Compressor: equipamento para mover gases 4. Bomba: equipamento para mover liquidos 5. Coluna de destilação: equipamento para separar diferentes produtos com diferentes pontos de ebulição 6. Forno: equipamento para aquecer algum produto 7. Refrigerador: equipamento para esfriar algum produto 8. Condicionador de ar: equipamento para manter as condições do ar ambiente dentro de determinados limites As indústrias que utilizam os instrumentos de medição e de controle do processo, de modo intensivo e extensivo são: 1. Química 2. Petroquímica 3. Refinaria de petróleo 4. Gás e óleo 5. Dutos e Terminais 6. Têxtil 7. Fertilizante 8. Papel e celulose 9. Alimentícia 10. Farmacêutica 11. Cimento 12. Siderúrgica 13. Mineração 14. Nuclear 1. Instrumentação 1.1. Conceito e aplicações A instrumentação é o ramo da engenharia que trata de instrumentos industriais. Os enfoques da Instrumentação podem ser de 1. Fabricação: construção de componentes e instrumento 2. Projeto: detalhamento básico e específico de sistemas equipamentos e instrumentos 3. Especificação: estabelecimento de características físicas, funcionais e de segurança dos instrumentos 4. Vendas: comercialização, marketing e promoção de instrumentos 5. Montagem: fixação correta dos instrumentos no local de trabalho, para que ele opere conforme o previsto 6. Operação: monitoração do desempenho do instrumento e atuação manual, quando necessário, para garantir segurança e eficiência 7. Manutenção dos instrumentos: reparo do instrumento quando inoperante, calibração e ajuste do instrumento quando o desempenho metrológico o exigir As principais funções dos instrumentos são: 1. sensor: detecção da variável medida 2. Indicação: apresentação do valor instantâneo da variavel 3. Condicionamento do sinal: operação de tornar mais amigável e tratável o sinal original 4. Registro: apresentação do valor histórico e em tempo real da variavel 2 Instrumentação 15. Hidrelétrica 16. Termelétrica 17. Tratamento d'água e de efluentes foles, estabelecimento de ângulos retos entre alavancas, colocação de parafusos em locais quase inacessíveis. A manutenção dos instrumentos eletrônicos requer o conhecimento da eletrônica básica, do funcionamento dos amplificadores operacionais e atualmente das técnicas digitais. O fabricante correto fornece os circuitos eletrônicos e os diagramas de bloco esquemáticos dos instrumentos. Para a sintonia do controlador e o entendimento dos fenômenos relativos ao amortecimento, à oscilação e à saturação é útil o conhecimento rigoroso dos conceitos matemáticos da integral e da derivada. A analise teórica da estabilidade do processo requer uma matemática transcendental, envolvendo a função de transferência, os zeros e os pólos de diagramas, as equações diferenciais, a transformada de Laplace e os critérios de Routh-Hurwitz. 1.2. Disciplinas relacionadas O projeto completo do sistema de controle de um processo envolve vários procedimentos e exige os conhecimentos dos mais diversos campos da engenharia, tais como: 1. Mecânica dos fluidos, para a especificação de bombas, dimensionamento de tubulações, disposição de bandejas da coluna de destilação, dimensionamento de trocadores de calor, especificação de bombas e compressores. 2. Transferência de calor, para a determinação da remoção do calor dos reatores químicos, préaquecedores, caldeiras de recuperação e dimensionamento de condensadores. 3. Cinética das reações químicas, para o dimensionamento dos reatores, escolha das condições de operação (pressão, temperatura e nível) e de catalizadores, 4. Termodinâmica, para o calculo da transferência de massa, do número e da relação das placas de refluxo e das condições de equilíbrio do reator. Esses conhecimentos auxiliam na escolha e na aplicação do sistema de controle automático associado ao processo. Os modelos matemáticos, as analogias e a simulação do processo são desenvolvidos e dirigidos para o entendimento do processo e sua dinâmica e finalmente para a escolha do melhor sistema de controle. A especificação dos instrumentos requer o conhecimento dos catálogos dos fabricantes e das funções a serem executadas, bem como das normas, leis e regulamentações aplicáveis. A manutenção dos instrumentos exige o conhecimento dos circuitos mecânicos, pneumáticos e eletrônicos dos instrumentos, geralmente fornecidos pelos fabricantes dos instrumentos. Para a manutenção da instrumentação pneumática exige-se a habilidade manual e uma paciência bovina para os ajustes de elos, alinhamento de 2. Vantagens e Aplicações Nem todas as vantagens da instrumentação podem ser listadas aqui. As principais estão relacionadas com a qualidade e com a quantidade dos produtos, fabricados com segurança e sem subprodutos nocivos. Há muitas outras vantagens. O controle automático possibilita a existência de processos extremamente complexos, impossíveis de existirem apenas com o controle manual. Um processo industrial típico envolve centenas e até milhares de sensores e de elementos finais de controle que devem ser operados e coordenados continuamente. Como vantagens, o instrumento de medição e controle 1. não fica aborrecido ou nervoso, 2. não reclama, 3. não fica distraído ou atraído por pessoas bonitas, 4. não assiste a um jogo de futebol na televisão nem o escuta pelo rádio, 5. não pára para almoçar ou ir ao banheiro, 6. não fica cansado de trabalhar, 7. não tem problemas emocionais, 8. não abusa seu corpos ou sua mente, 9. não tem sono, 10. não folga do fim de semana ou feriado, 11. não sai de férias, 12. não reivindica aumento de salário. 3 Instrumentação Porém, como desvantagens, o instrumento 1. sempre apresenta erro de medição 2. opera adequadamente somente quando estiver nas condições previstas pelo fabricante, 3. requer calibrações e ajustes periódicos, para se manter exato 4. requer manutenção corretiva, preventiva ou preditiva, para que sua precisão se mantenha dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante 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. Atualmente, o conjunto de normas ISO 9000 exige que os instrumentos que impactam a qualidade do produto tenham um sistema de monitoração, onde estão incluídas a manutenção e calibração documentada deles. 2.2. Quantidade do Produto As quantidades das matérias primas, dos produtos finais e das utilidades devem ser medidas e controladas para fins de balanço do custo e do rendimento do processo. Também é freqüente a medição de produtos para venda e compra entre plantas diferentes. Os instrumentos de indicação, registro e totalização da vazão e do nível fazem a aquisição confiável dos dados através das medições de modo continuo e preciso. Os instrumentos asseguram a quantidade desejada das substâncias. 2.1. Qualidade do Produto A maioria dos produtos industriais é fabricada para satisfazer determinadas propriedades físicas e químicas. Quanto melhor a qualidade do produto, menores devem ser as tolerâncias de suas propriedades. Quanto menor a tolerância, maior a necessidade dos instrumentos para a medição e o controle automático. Os fabricantes executam testes físicos e químicos em todos os produtos feitos ou, pelo menos, em amostras representativas tomadas aleatoriamente das linhas de produção, para verificar se as especificações estabelecidas foram atingidas pela produção. Para isso, são usados instrumentos tais como indicadores de densidade e viscosidade, espectrômetros de massa, analisadores de infravermelho, cromatógrafos e outros. Fig. 1.1.2. Instrumentos de medição de nível 2.3. 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 do processo . Fig. 1.1.1. Transmissor de pH Os instrumentos possibilitam a verificação, a garantia e a repetibilidade da qualidade dos produtos. 4 Instrumentação 2.5. 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. 2.6. Proteção do Processo Fig. 1.1.3. Instrumentação aplicada à indústria 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. 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 para garantir a segurança da planta. 2.4. 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. Fig. 1.1.2. Incêndio em área industrial Apostilas\Instrumentação. 11 Introdução.doc 23 MAR 01 (Substitui 03 SET 00) 5 1.2 Símbolos e Identificação 1. Introdução A simbologia de instrumentação analógica e digital, compartilhada e integral, distribuída e centralizada se baseia nas seguintes normas americanas (geralmente traduzidas para o português) : 1. ISA S5.1, Instrumentation Symbols and Identification, 1984 2. ISA S5.3, Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems, 1983 3. Roteiro da identificação 3.1. Geral Cada instrumento ou função a ser identificada é designado por um conjunto alfanumérico, chamado de tag. A parte de identificação da malha correspondente ao número é comum a todos os instrumentos da mesma malha. O tag pode ainda ter sufixo para completar a identificação. 2. Aplicações Os símbolos de instrumentação são encontrados principalmente em 1. fluxogramas de processo e de engenharia, 2. desenhos de detalhamento de instrumentação instalação, diagramas de ligação, plantas de localização, diagramas lógicos de controle, listagem de instrumentos, 3. painéis sinópticos e semigráficos na sala de controle, 4. diagramas de telas de vídeo de estações de controle. 3.2. Tag completo típico TIC 103 T... ...C ...I... 103 Identificação do instrumento ou tag do instrumento Primeira letra: variável da malha, Temperatura Última letra: identificação funcional: Controlador Modificador ou complemento da função: Indicador Número da malha de temperatura O número da malha do instrumento pode incluir o código da informação da área . Por exemplo, o TIC 500-103, TIC 500-104, aos dois controladores indicadores de temperatura, ambos da área 500 e os números seqüenciais são 103 e 104. 3.3. Identificação funcional A identificação funcional do instrumento ou seu equivalente funcional consiste de 6 Símbolos e Identificação letras da Tab. 1.2.5 e inclui uma primeira letra, que é a variável do processo medida ou de inicialização. A primeira letra pode ter um modificador opcional. Por exemplo, PT é o transmissor de pressão e PDT é o transmissor de pressão diferencial. A identificação funcional do instrumento é feita de acordo com sua função e não de sua construção. Assim, um transmissor de pressão diferencial para medir nível tem o tag LT (transmissor de nível) e não o de PDT, transmissor de pressão diferencial. Embora o transmissor seja construído e realmente meça pressão diferencial, seu tag depende de sua aplicação e por isso pode ser LT, quando mede nível ou FT, quando mede vazão. Outro exemplo, uma chave atuada por pressão ligada à saída de um transmissor pneumático de nível tem tag LS, chave de nível e não PS, chave de pressão. O tag também não depende da variável manipulada, mas sempre da variável inicializada ou medida. Assim, uma válvula que manipula a vazão de saída de um tanque para controlar nível, tem tag de LV ou LCV e não de FV ou FCV. A segunda letra tipicamente é a função do instrumento. FT é o tag de um transmissor (T) de vazão (F). Também a segunda letra pode ter um ou mais modificadores. FIA é o tag de um indicador de vazão, com alarme. Alarme é o modificador da função indicação. Também pode se detalhar o tipo de alarme, p. ex., FIAL é o tag de um indicador de vazão com alarme de baixa. O tag pode ter modificador da variável (primeira letra) e da função (segunda letra). Por exemplo, PDIAL é um indicador de pressão diferencial (modificador de pressão) com alarme (modificador do indicador) de baixa (modificador do alarme). Quando o tag possuir várias letras, pode-se dividi-lo em dois tags. O instrumento é simbolizado por dois balões se tangenciando e o tag por ser, por exemplo, TIC-3 para o controlador indicador de temperatura e TSH-3 para a chave manual associada ao controlador. Todas as letras de identificação de instrumentos são maiúsculas. Por isso, deve-se evitar usar FrC para controlador de relação de vazões e usar FFC, controlador de fração de vazões. As funções de computação (+. -, x, ÷, √), seleção (<, >), lógica e covnersão (i/p, p/i) deve ter os símbolos ao lado do balão, para esclarecer a função executada. 3.4. Identificação da malha A identificação da malha geralmente é feita por um número, colocado ao final da identificação funcional do instrumento associado a uma variável de processo. A numeração pode ser serial ou paralela. Numeração paralela começa de 0 ou para cada variável, TIC-100, FIC-100, LIC-100 e AI-100. Numeração serial usa uma única seqüência de números, de modo que se tem TIC-100, FIC-101, LIC-102 e AI-103. A numeração pode começar de 1 ou qualquer outro número conveniente, como 101, 1001, 1201. Quando a malha tem mais um instrumento com a mesma função, geralmente a função de condicionamento, deve-se usar apêndice ou sufixo ao número. Por exemplo, se a mesma malha de vazão tem um extrator de raiz quadrada e um transdutor corrente para pneumático, o primeiro pode ser FY-101-A e o segundo FY-101-B. Quando se tem um registrador multiponto, com n pontos, é comum numerar as malhas como TE-18-1, TE-182, TE-18-3 até TE-18-n. Quando um registrador tem penas dedicadas para vazão, pressão, temperatura, seu tag pode ser FR-2, PR-5 e TR-13. Se ele registra três temperaturas diferentes, seu tag pode ser TR-7/8/9. Acessórios de instrumentos, como medidores de purga, regulador de pressão, pote de selagem e poço de temperatura, que às vezes nem é mostrado explicitamente no diagrama, precisam ser identificados e ter um tag, de acordo com sua função e deve ter o mesmo número da malha onde é utilizado. Esta identificação não implica que o acessório deva ser representado no diagrama. Também pode usar o mesmo tag da malha e colocandose a palavra de sua função, como SELO, POÇO, FLANGE, PURGA. Há acessório que possui letra correspondente, como W para poço termal. 7 Símbolos e Identificação Pode haver diferenças de detalhes de identificação. Por exemplo, para a malha 301 de controle de temperatura, pode-se ter a seguinte identificação: 4.1. Parâmetros do Símbolo A simbologia correta da instrumentação deve conter os seguintes parâmetros 1. identificação das linhas de interligação dos instrumentos, p. ex.., eletrônica física , eletrônica por configuração, pneumática. 2. determinação do local de instalação dos instrumentos, acessível ou não acessível ao operador de processo. 3. filosofia da instrumentação, quanto ao instrumento ser dedicado a cada malha ou compartilhado por um conjunto de malhas de processo 4. identificação (tag) do instrumento, envolvendo a variável do processo, a função do instrumento e o numero da malha do processo. 5. outras informações adicionais. TE-301 TT – 301 TIC-301 TCV-301 sensor de temperatura transmissor de temperatura controlador de temperatura válvula controladora (ou de controle) de temperatura Porém, há quem prefira e use: TIC-301-E TIC – 301-T TIC-301-C TIC-301-V sensor de temperatura transmissor de temperatura controlador de temperatura válvula controladora (ou de controle) de temperatura Também é possível encontrar em diagramas o tag de TIC ou TC para o controlador de temperatura. Como praticamente todo controlador é também indicador, é comum simplificar e usar TC. Alguns projetistas usam pequenas diferenças de tag para distinguir válvulas auto controladas (reguladoras) de válvulas convencionais que recebem o sinal do controlador. Assim, a válvula auto controlada de temperatura tem tag de TCV e a válvula convencional de TV. 4.2. Alimentação dos instrumentos A maioria absoluta dos instrumentos de medição e de controle requer alguma fonte de alimentação, que lhe forneça algum tipo de energia para seu funcionamento. Os tipos mais comuns de alimentação são a elétrica e a pneumática, porém há muitas outras disponíveis. As seguintes abreviações são sugeridas para denotar os tipos de alimentação. Opcionalmente, elas podem indicar também tipos de purga. 4. Simbologia de Instrumentos A normalização dos símbolos e identificações dos instrumentos de medição e controle do processo, que inclui símbolos e códigos alfa numéricos, torna possível e mais eficiente a comunicação do pessoal envolvido nas diferentes áreas de uma planta manutenção, operação, projeto e processo. Mesmo os não especialistas em instrumentação devem saber a identificação dos instrumentos. AS ES GS HS NS SS WS Suprimento de ar (Air supply) Suprimento elétrico (Electric supply) Suprimento de gás (Gas supply) Suprimento hidráulico Suprimento de Nitrogênio Suprimento de Vapor (Steam supply) Suprimento de água (Water supply) O nível de alimentação pode ser adicionado à linha de alimentação do instrumento. Por exemplo, AS 100 kPa (alimentação pneumática de 100 kPa), ES 24 V cc (alimentação de 24 V cc para instrumento elétrico). 8 Símbolos e Identificação Tab. 1.2.1. Válvulas de controle Válvula de controle com atuador pneumático Tab. 1.2.2. Válvulas manuais (*) (*) Válvula gaveta (*) Pode ser acoplado atuador ao corpo Válvula globo Válvula atuada por cilindro (ação dupla) Válvula retenção Válvula auto regulada ou reguladora Válvula plug Reguladora com tomada de pressão externa Válvula controle manual (*) Reguladora de vazão autocontida S R Válvula esfera (*) Válvula borboleta ou damper Válvula de retenção e bloqueio Válvula de blowdown Válvula solenóide com três vias com reset Atuada por diafragma com pressão balanceada (*) (*) Válvula diafragma Válvula ângulo Válvula com atuador a diafragma e posicionador (*) Válvula três vias FO ou FC Ação da válvula FC – Falha fechada FO – Falha aberta IhV Válvula de controle com atuador manual NV Válvula quatro vias Corpo de válvula isolado Válvula agulha Outras válvulas com abreviatura sob o corpo TSO 9 Símbolos e Identificação Tab. 1.2.3. Miscelânea PSV Válvula de segurança de pressão, ajuste em 100 kPa Filtro tipo T FE Placa de orifício com flange PSV Válvula de segurança de vácuo, ajuste em 50 mm H2O vácuo FQI Totalizador indicador de vazão a DP Indicador de vazão tipo área variável FE PSE Disco de ruptura (pressão) FI PSE Disco de ruptura (vácuo) Tubo venturi ou bocal medidor de vazão C C = selo químico P = amortecedor de pulsação S = sifão FE Turbina medidora de vazão ou elemento propelente Plug FE Placa de orifício em porta placa Mangueira FE Tubo pitot ou Annubar Filtro, tipo Y Espetáculo cego instalado com anel em linha (passagem livre) Espetáculo cego instalado com disco em linha (bloqueado) Dreno contínuo Transmissor de nível a pressão diferencial LT LSV T LSV T Purgador de vapor Código item #1234 o Funil de dreno (Ver abreviaturas) LT Instrumento de nível tipo deslocador, montado externamente ao tanque 10 Símbolos e Identificação 4.3. Linhas entre os Instrumentos As linhas de ligações entre os instrumentos devem ser mais finas que as linhas de processo e são simbolizadas como mostrado a seguir. Sinal indefinido: conexão com processo, elo mecânico ou alimentação do instrumento Sinal pneumático, típico de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi) Sinal eletrônico, típico de 4 a 20 mA cc Sinal de ligação por programação ou elo de comunicação Elo mecânico Sinal eletromagnético ou sônico (guiado) Sinal eletromagnético ou sônico (não guiado) Sinal hidráulico Tubo capilar Linha de processo ~ ~ ~ L L L ~ ~ ~ 4.4. Balão do Instrumento O instrumento completo é simbolizado por um pequeno balão circular, com diâmetro aproximado de 12 mm. Porem, os avanços nos sistemas de controle com instrumentação aplicando microprocessador, computador digital, que permitem funções compartilhadas em um único instrumento e que utilizam ligações por programação ou por elo de comunicação, fizeram surgir outros símbolos de instrumentos e de interligações. Tab. 1.2.4. Representação dos instrumentos em Diagramas P&I Sala de Controle Central Acessível ao operador Equipamento Instrumento discreto Equipamento compartilhado Instrumento compartilhado Software Função de computador Lógica compartilhada Controle Lógico Programável Instrumentos compartilhando o mesmo invólucro. Não é mandatório mostrar uma caixa comum. Atras do painel ou inacessível ao operador Local Auxiliar Acessível ao operador Atras do painel ou inacessível ao operador Campo Montado no campo Tab. 1.2.5. Letras de Identificação 11 Símbolos e Identificação Primeira letra Variável Modificador A B C D E F G H I J K L M Letras subsequentes Função display Função saída Modificador Alarme Escolha (1) Escolha (1) Controle (13) Escolha (1) Análise (5,19) Queimador Escolha (1) Escolha (1) Tensão (f.e.m.) Vazão (flow) Escolha (1) Manual (hand) Corrente Potência Tempo Nível (level) Escolha (1) Escolha (1) Escolha (1) Pressão, Vácuo Quantidade Radiação Velocidade ou Freqüência Temperatura Multivariável (6) Vibração, Análise mecânica Peso, Força Não classificado (2) Variável a definir Evento, Estado Função a definir Posição ou Dimensão Eixo X Eixo Y Eixo Z Segurança (8) Integral, Total (4) Varredura (scan) (7) Tempo de mudança (4, 21) Momentâneo Fração ou relação (4) Diferencial Elemento sensor Visor (9) ou indicador local Indicação (10) Alto (high) (7, 15, 16) Lâmpada (11) Estação controle (22) Baixo (low) (7, 15, 16) Médio (7, 15) Escolha (1) N O P Q R S T U V W Escolha (1) Orifício ou Restrição Ponto de teste Escolha (1) Registro (17) Chave (13) Transmissão (18) Multifunção (12) Multifunção (12) Válvula, damper (13) Não classificado (2) Relé, computação (13, 14, 18) Elemento final Não classificado (2) Multifunção (12) Poço (well) Não classificado (2) X Y Z 12 Símbolos e Identificação 1. Uma letra de escolha do usuário tem o objetivo de cobrir significado não listado que é necessário em uma determinada aplicação. Se usada, a letra pode ter um significado como de primeira letra ou de letras subsequentes. O significado precisa ser definido uma única vez em uma legenda. Por exemplo, a letra N pode ser definida como módulo de elasticidade como uma primeira letra ou como osciloscópio como letra subsequente. 2. A letra X não classificada tem o objetivo de cobrir significado não listado que será usado somente uma vez ou usado em um significado limitado. Se usada, a letra pode ter qualquer número de significados como primeira letra ou como letra subsequente. O significado da letra X deve ser definido do lado de fora do círculo do diagrama. Por exemplo, XR pode ser registrador de consistência e XX pode ser um osciloscópio de consistência. 3. A forma gramatical do significado das letras subsequentes pode ser modificado livremente. Por exemplo, I pode significar indicador, ou indicação; T pode significar transmissão ou transmissor. 4. Qualquer primeira letra combinada com as letras modificadoras D (diferencial), F (relação), M (momentâneo), K (tempo de alteração) e Q (integração ou totalização) representa uma variável nova e separada e a combinação é tratada como uma entidade de primeira letra. Assim, os instrumentos TDI e TI indicam duas variáveis diferentes: diferença de temperatura e temperatura. As letras modificadoras são usadas quando aplicável. 5. A letra A (análise) cobre todas as análises não descritas como uma escolha do usuário. O tipo de análise deve ser especificado fora do circulo de identificação. Por exemplo, análise de pH, análise de O2. Análise é variável de processo e não função de instrumento, como muitos pensam principalmente por causa do uso inadequado do termo analisador. 6. O uso de U como primeira letra para multivariável em lugar de uma combinação de outras primeiras letras é opcional. É recomendável usar as primeiras letras especificas em lugar da letra U, que deve ser usada apenas quando o número de letras for muito grande. Por exemplo, é preferível usar PR/TR para indicar um registrador de pressão e temperatura em vez de UR. Porém, quando se tem um registrador multiponto, com 24 pontos e muitas variáveis diferentes, deve-se usar UR. 7. O uso dos termos modificadores alto (H), baixo (L), médio (M) e varredura (J) é opcional. 8. O termo segurança se aplica a elementos primários e finais de proteção de emergência. Assim, uma válvula auto atuada que evita a operação de um sistema de fluido atingir valores elevados, aliviando o fluido do sistema tem um tag PCV (válvula controladora de pressão). Porém, o tag desta válvula deve ser PSV (válvula de segurança de pressão) se ela protege o sistema contra condições de emergência, ou seja, condições que são perigosas para o pessoal ou o equipamento e que são raras de aparecer. A designação PSV se aplica a todas as válvulas de proteção contra condições de alta pressão de emergência, independente de sua construção, modo de operação, local de montagem, categoria de segurança, válvula de alívio ou de segurança. Um disco de ruptura tem o tag PSE (elemento de segurança de pressão). 9. A função passiva G se aplica a instrumentos ou equipamentos que fornecem uma indicação não calibrada, como visor de vidro ou monitor de televisão. Costuma-se aplicar TG para termômetro e PG para manômetro, o que não é previsto por esta norma. 10. A indicação normalmente se aplica a displays analógicos ou digitais de uma medição instantânea. No caso de uma estação manual, a indicação pode ser usada para o dial ou indicador do ajuste. 11. Uma lâmpada piloto que é parte de uma malha de instrumento deve ser designada por uma primeira letra seguida pela letra subsequente L. Por exemplo, uma lâmpada piloto que indica o tempo expirado deve ter o tag KQL (lâmpada de totalização de tempo). A lâmpada para indicar o funcionamento de um motor tem o tag EL (lâmpada de voltagem), pois a voltagem é a variável medida conveniente para indicar a operação do motor ou YL (lâmpada de evento) assumindo que o estado de operação está sendo monitorado. Não se deve usar a letra genérica X, como XL 12. O uso da letra U para multifunção, vem vez da combinação de outras letras funcionais é opcional. Este designador não específico deve ser usado raramente. 13. Um dispositivo que liga, desliga ou transfere um ou mais circuitos pode ser uma chave, um relé, um controlador liga-desliga ou uma válvula de controle, dependendo da aplicação. Se o equipamento manipula uma vazão de fluido do processo e não é uma válvula manual de bloqueio liga-desliga, ela é projetada como válvula de controle. É incorreto usar o tag CV para qualquer coisa que não seja uma válvula de controle auto atuada. Para todas as aplicações que não tenham vazão de fluido de processo, o equipamento é projetado como: a) Chave, se for atuada manualmente. b) Chave ou controlador liga-desliga, se for automático e for o primeiro dispositivo na malha. O termo chave é geralmente usado se o dispositivo é aplicado para alarme, lâmpada piloto, seleção, intertravamento ou segurança. O termo controlador é usado se o dispositivo é aplicado para o controle de operação normal. c) Relé, se for automático e não for o primeiro dispositivo na malha, mas atuado por uma chave ou por um controlador liga-desliga. 14. As funções associadas com o uso de letras subsequentes Y devem ser definidas do lado de fora do circulo de identificação. Por exemplo, FY pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de vazão; TY pode ser o conversor corrente para pneumático em uma malha de controle de temperatura. Quando a função é evidente como para uma válvula solenóide ou um conversor corrente para pneumático ou pneumático para corrente a definição pode não ser obrigatória. 15. Os termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário correspondem aos valores da variável medida e não aos valores do sinal. Por exemplo, um alarme de nível alto proveniente de um transmissor de nível com ação inversa deve ser LAH, mesmo que fisicamente o alarme seja atuado quando o sinal atinge um valor mínimo crítico. 16. Os termos alto e baixo quando aplicados a posições de válvulas e outras dispositivos de abrir e fechar são assim definidos: a) alto significa que a válvula está totalmente aberta b) baixo significa que a válvula está totalmente fechada 17. O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar permanentemente a informação que permita a sua recuperação por qualquer modo. 18. Elemento sensor, transdutor, transmissor e conversor são dispositivos com funções diferentes, conforme ISA S37.1. 19. A primeira letra V, vibração ou análise mecânica, destina-se a executar as tarefas em monitoração de máquinas que a letra A executa em uma análise mais geral. Exceto para vibração, é esperado que a variável de interesse seja definida fora das letras de tag. 20. A primeira letra Y se destina ao uso quando as respostas de controle ou monitoração são acionadas por evento e não acionadas pelo tempo. A letra Y, nesta posição, pode também significar presença ou estado. 21. A letra modificadora K, em combinação com uma primeira letra como L, T ou W, significa uma variação de taxa de tempo da quantidade medida ou de inicialização. A variável WKIC, por exemplo, pode representar um controlador de taxa de perda de peso. 22. A letra K como modificador é uma opção do usuário para designar uma estação de controle, enquanto a letra C seguinte é usada para descrever controlador automático ou manual. Notas para a Tabela das Letras de Identificação 13 Símbolos e Identificação AI- PAH dp/dt C-#2 (PI) PIC 211 S.P. AO-21 0-300 PT 211 ½" AS PY 211 AS P FC PCV 211 (a) Representação detalhada PIC 211 (b) Representação simplificada Fig. 1.2.1. Representação detalhada de uma malha de controle de pressão (a) e a equivalente, simplificada (b). 14 Símbolos e Identificação FR 1 PR 2 FY 1 Fluido do trocador de calor PT 2 FT 1 RTD TV 3 TAL 3 TRC 3 TSL 3 Fig. 1.2.2. Simbologia total Fluido do trocador de calor FR 1 PR 2 TAL 4 TV 3 TRC 3 Fig. 1.2.3. Simbologia de modo simplificado 15 Símbolos e Identificação ELEMENTO DE VAZÃO TRANSMISSOR DE VAZÃO FE FT CAMPO PAINEL REGISTRADOR MEDIÇÃO EXTRATOR DE RAIZ QUADRADA FR CONTROLADOR DIFERENÇA (ERRO) AÇÃO PROPORCIONAL ∆ K PONTO DE AJUSTE AÇÃO INTEGRAL SOMADOR ∫ Σ FEEDFORWARD K RELÉ TRANSFERÊNCIA A/M LIMITADOR AJUSTÁVEL H e L Τ <> TRANSFERÊNCI MANUAL SAÍDA I T A I ESTAÇÃO AUTO-MANUAL MANUAL EMERGÊNCIA L PAINE CAMPO TRANSDUTOR I/P I/P VÁLVULA COM ATUADOR PNEUMÁTICO Fig. 1.2.4. Diagrama funcional detalhado típico de malha de controle 16 Símbolos e Identificação Tab. 1.2.6. Elementos do Diagrama Funcional FT Transmissor de vazão Polarização, adição ou subtração ∆ Comparador, diferença LT PT TT AT Transmissor de nível Σ Σ/n Σ/t Adicionador, somador Transmissor de pressão Tirador de média Transmissor de temperatura Integrador Transmissor de análise Contato normalmente aberto Lâmpada de painel Contato normalmente fechado XI XR T T T Indicador da variável X A Gerador de sinal analógico Registrador da variável X Gerador de sinal manual Bobina de relé Chave de transferência S Atuador solenoide > Relé de transferência ou trip Seletor de sinal alto Seletor de sinal baixo Limitador de sinal alto > < A/D D/A MO < P/I Limitador de sinal baixo Conversor analógico/digital Conversor digital/analógico Operador motorizado Operador não especificado Extrator de raiz quadrada Transdutor ar pneumático para corrente Válvula com atuador pneumático K Ação de controle proporcional ∫ d/dt Ação de controle integral f(x) Ação de controle derivativa 5. Malha de controle A Fig. 1.2.1 (a). ilustra como os símbolos anteriores são combinados para descrever uma determinada malha de controle. Há vários níveis de detalhamento. À esquerda, tem-se a malha com todos os detalhes e à direita, a malha simplificada. × ÷ ± Multiplicador Divisor 17 Símbolos e Identificação Esta malha de controle e indicação de pressão (PIC) é controlada por um sistema de controle distribuído compartilhado O ponto de ajuste deste controlador é estabelecido por um computador supervisório através de um highway de dados compartilhados que fornece o elo de programação entre o computador e o sistema de controle compartilhado. O número da malha de controle é único e igual a 211, que pode indicar a 11a malha da área 200. Todos os componentes da malha possuem este mesmo número, ou seja, 1. transmissor PT 211 2. transdutor i/p PY 211 3. controlador PIC 211 O transmissor PT 211 está ligado ao processo através de uma válvula de bloqueio de ½ " (13 mm) e sente a pressão de 0 a 300 psi e gera na saída o sinal padrão de corrente eletrônica de 4 a 20 mA cc. O sinal de saída do transmissor é recebido e identificado no multiplexador do sistema compartilhado como a entrada analógica #17 (AI- 17). O controlador PIC 211 se encontra no console #2 (C-2) do sistema compartilhado e tem as funções de controle PI. O sistema compartilhado também fornece um sinal de alarme de alta e uma variação de pressão de alta (dP/dt) desta medição (PAH). No lado da saída do controlador, o sinal que deixa o multiplexador do sistema é identificada como a saída analógica (AO-21), que ainda é o sinal de 20 mA cc que é recebido por um transdutor i/p, que o converte para o sinal pneumático de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi), que está montado na válvula de controle PCV 211. A válvula em si é linear, em falha ela fecha (fail close - FC) e possui um posicionador (P). O transdutor i/p requer a alimentação pneumática (AS - air supply), típica de 140 kPa (22 psi). O diagrama da Fig. 1.2.1 (b) mostra uma malha de controle de pressão, digital e compartilhada, PIC. 6. Sistemas completos A seguir são mostrados outros exemplos com símbolos de instrumentação. As Fig. 1.2.2. e Fig. 1.2.3 mostram o mesmo sistema de controle com diferentes graus de detalhamento. Na Fig. 1.2.3 todos os elementos são mostrados. O registro da vazão é obtido de 1. uma placa de orifício (elemento de vazão, FE-1, não mostrado), 2. transmissor de vazão, montado no campo, FT-1, 3. extrator de raiz quadrada, montado atrás do painel do operador 4. registrador com duas penas, uma para a vazão (FR-1) e outra para a pressão (PR-2), montado no painel de leitura. O registro da pressão é obtido de 1. transmissor de pressão, PT-2, montado no campo. A tomada da pressão usa a tomada de alta ou de baixa da placa de orifício. Todos os sinais envolvidos são pneumáticos, padrão de 20 a 100 kPa. A temperatura da saída do gás é medida por um detector de temperatura a resistência (RTD), montada em um poço, ligado diretamente ao registrador e controlador de temperatura (TRC-3). A saída elétrica do controlador (4 a 20 mA cc) modula a abertura de uma válvula esfera (TV-3), com atuador a cilindro. O controlador registrador de temperatura tem uma chave de temperatura (termostato TSL-3), que atua um alarme no painel (TAL-3), com a temperatura baixa. A Fig. 1.2.3 usa uma simbologia simplificada para mostrar que um gás é aquecido e sua temperatura é controlada por um controlador de painel. O fluido de aquecimento é modulado por uma válvula de controle e registra a vazão do gás, pressão e temperatura de saída e há um alarme que atua com temperatura baixa. 18 Alimentação Fig. 1.2.5. Instrumentação para um sistema de distilação 19 Símbolos e Identificação Fig. 1.2.6. Instrumentação para um sistema de reação 20 Sistemas de Instrumentação A Fig. 1.2.5. mostra a descrição simbólica completa de um processo de distilação. A vazão de alimentação é medida (FE-3, FT-3) e registrada (FR-3), mas não controlada A taxa de entrada de calor é proporcional à taxa de alimentação vezes um ganho de relé (FY-3B), que ajusta o ponto de ajuste do controlador de vazão do óleo quente (FRC-1). O produto leve da torre é condensado, com a temperatura do condensado controlada mantendo-se constante a pressão da coluna (PRC-11). A saída do produto leve tem vazão controlada (FRC-4). O ponto de ajuste do controlador é ajustado por um relé divisor (UY-6), cujas entradas são a vazão de alimentação, como modificada pelo relé função (FY-3A) e a saída do controlador de análise dos produtos leves (ARC-5). O controlador de análise recebe a análise do produto de seu transmissor, que também transmite o sinal para uma chave de análise dual (alta/baixa), que por sua vez, atua em alarmes correspondentes. O nível do acumulador é mantido constante (LIC-7) através da manipulação da vazão de refluxo (LV-7), que é uma válvula com falha aberta (FO). Uma chave de nível separada atua um alarme de nível do acumulador em alta e baixa (LSH/L 9). Há uma indicação de nível local através de visor (LG 10). São medidas temperaturas em vários pontos do processo e os valores são registrados (6 pontos - TJR 8-1 a 8-6) e indicados (3 pontos - TJI 9-1 a 9-3). Alguns dos pontos de registro possuem chaves de acionamento de temperatura baixa e alta (por exemplo, TJSH 8-2, TAH 8-2 e TJSL 9-5 e TAL 8-5), com respectivos alarmes A Fig. 1.2.6. ilustra o sistema de controle para um reator químico. O reagente A é alimentado com vazão controlada (FC-1). As vazões de A e B são controladas com razão constante, através do relé de ganho (FY-1), ajustando o ponto de ajuste do controlador de vazão B (FIC-2). O nível do reator é mantido constante (LIC-3) modulando a saída dos produtos pesados (LC-3). Se o nível é alto, ele automaticamente fecha as válvulas de alimentação dos reagentes (FV1 e FV-2) através de válvulas solenóides (UY-7A e UY-7B) e atua um alarme de nível alto (LSH-3 e LAH-3). Um alarme separado é atuado por nível baixo do reator (LSL-3 e LAL3). A reação é exotérmica e a temperatura é controlada (T4) modulando a pressão do refrigerante na jaqueta do reator. Isto é feito pelo controlador de temperatura do reator ajustando o ponto de ajuste do controlador de pressão da jaqueta (PRC-5), que controla a pressão do vapor gerado pela transferência de calor para a água de refrigeração. A temperatura do reator, se alta, atua um alarme. Se a temperatura fica muito alta, ela fecha as válvulas de alimentação A (FV-1) e B (FV-2) e a de pressão (PV-5), enquanto abre a alimentação d'água e as válvulas de retorno através de válvulas piloto solenóides de intertravamento (UY-7A, B, C, D). Estas válvulas de alta temperatura podem também ser atuadas por uma chave manual (HS-6). Um nível constante do refrigerante é mantido na jaqueta modulando a alimentação de água e o nível baixo da jaqueta atua um alarme (LSL-11 e LAL-11). A pressão do reator é controlada modulando o venting dos não condensáveis formados na reação enquanto um disco de ruptura protege o reator contra altas pressões perigosas (PSE-10). Apostilas\Automação SimbologiaISA.DOC 24 NOV 98 (Substitui 01 SET 96) 21 1.3 Sistemas de Instrumentação 1. Classes 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 instrumento e faz a leitura. Também neste caso, ele pode anotar a leitura feita para uso posterior. 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 a emissão de relatórios de medição através de impressoras de computador. Fig. 1.3.1. Instrumentos portáteis (HP) 3. Alimentação dos 2. 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 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 22 Sistemas de Instrumentação 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). Fig. 1.3.3. Manômetro, sem alimentação externa 4. 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. 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. Fig. 1.3.2. Alimentação do transmissor eletrônico 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 autoalimentados. 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). 23 Sistemas de Instrumentação 4.1. Instrumento pneumático O instrumento pneumático é aquele que necessita, para seu funcionamento, da alimentação de ar comprimido, pressão típica de 120 kPa (20 psig). 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. 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 2-fios. Pretendeu-se diminuir o sinal padrão para faixa menor que 4 a 20 mA, para que a alimentação fosse de 5 V cc, porém, isso não se realizou. Fig. 1.3.5. Medidor vortex, eletrônico (Foxboro) Fig. 1.3.4. Transmissor pneumático (Foxboro) 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. 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 FisherRosemount, 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. 4.2. 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 5 V cc, porém ele não é 24 Sistemas de Instrumentação 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. 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. Fig. 1.3.6. 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 5. Analógico ou Digital O conceito de analógico e digital se refere a 1. sinal 2. tecnologia 3. display 4. função matemática. 5.1. 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. 25 Sistemas de Instrumentação 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. para polarizar os circuitos. Os componentes ativos (transistores, amplificadores operacionais) operam na região de amplificação linear. 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. 5.2. 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. Fig. 1.3.8. Totalização (digital) por meio analógico (a) 5.4. 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 (b) Fig. 1.3.7. Display (a) analógico e (b) digital 5.3. 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 26 Sistemas de Instrumentação 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. 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. Porem, 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). 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%. 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. 5.5. 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. Fig. 1.3.9. Instrumentos inteligentes (Foxboro) 27 Sistemas de Instrumentação 6. 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 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. Fig. 1.3.10. Área externa 28 Sistemas de Instrumentação 7. 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, até com técnicas digitais de controle distribuído, a tendência é a de se usar instrumentos centralizados em salas de controle, distribuídas em toda a extensão da planta. Fig. 1.3.11. 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. 7.1. 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 tanto no campo como 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. 29 Sistemas de Instrumentação Os instrumentos de campo devem ser montados em lugares de fácil acesso, para possibilitar abertura, troca de gráficos, calibração e manutenção. (a) Instrumentos soltos Fig. 1.3.12. 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". (b) Instrumentos montados nas estantes Fig.4.13. Instrumentos em painel de leitura (Foxboro) 2. Os instrumentos de painel são mais 7.2. 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. 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 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 30 Sistemas de Instrumentação 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 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. (a) Portátil (b) Painel (c) Área industrial Fig. 1.3.14. Locais de montagem 4. Os únicos instrumentos de painel que Fig. 13.15. Painel de leitura e armário cego 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 31 Sistemas de Instrumentação 8. 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. 8.1. 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 contadortotalizador. 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. Fig. 1.3.15. 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: 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) Fig. 1.3.16. Sistema modular (Foxboro) 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. 32 Sistemas de Instrumentação 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 computadores analógicos, 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 (ou rack). Os operadores de processo não necessitam ter acesso a esse armário, desde que não há nenhuma informação a ser lida nesses instrumentos. Como esses instrumentos não apresentam nenhuma leitura são chamados de instrumentos cegos. Fig. 1.3.17. Estação de operação de SDCD 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. Fig. 1.3. Painel cego de instrumentos 8.2. 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 33 Sistemas de Instrumentação 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. Fig. 1.3.20. Registro compartilhado de temperatura 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 de-multiplexador. O conjunto destas funções de multiplexar, converter e demultiplexar é feito por um único instrumento chamado de modem (MODulador-DEModulador). Fig. 1.3.19. Registrador de 4 penas (Foxboro) 9. 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 . 10. 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 34 Sistemas de Instrumentação 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. 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. 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. 11. Real ou Virtual 11.1. 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 a função 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 transmissores, que são a interface com o processo, certamente Fig. 1.3.21. Estação de Operação Centralizada 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 35 Sistemas de Instrumentação continuarão a ser físicos, reais, convencionais. 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: 5. ver a curva de resposta do controlador para atestar o resultado da sintonia 6. ver a curva de tendência histórica 11.2. 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 face 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. Fig. 1.3.23. Vista frontal de um controlador virtual Fig. 1.3.22. Controlador virtual na tela do monitor 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. 11.3. 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 36 Sistemas de Instrumentação 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. 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. A seqüência do alarme do controlador é idêntica à do indicador. 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) 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. Fig. 1.3.24.Face frontal do controlador, com ponto de ajuste apenas local 37 Sistemas de Instrumentação Ação Automática ou Manual Todos os controladores possuem a opção de modo Automático ou Manual. 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). Fig. 1.3.25. Frontais do controlador: operação do controlador em 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. Quando o operador clica na chave virtual Manual ou Auto do frontal, aparece uma janela para confirmar ou cancelar a mudança. Fig. 1.3.27. Frontais do controlador Local ou Remoto Fig.1.3.26. Imagem que aparece para confirmar ou canelar a transferência Auto-Manual da saída do controlador 38 Sistemas de Instrumentação Fig. 1.3.28. 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. Fig.1.3.30. Frontal de controlador com ponto de ajuste Remoto ou Local e modo de operação Manual e Automático. Quando o operador clica na janela da indicação digital da Relação, aparece a janela para a alteração desta relação. Fig. 1.3.29. Imagem que aparece para confirmar ou canelar a transferência Local-Remoto do ponto de ajuste 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). Controle de relação Há malhas com controle de relação de vazões de HCN e Propanona. A saída do controlador de vazão de Propanona vai para o ponto de ajuste do controlador de vazão de HCN, passando por uma estação de relação (FFC). Esta relação pode ser ajustada pelo controlador, que clica no botão Relação Fig. 1.3.31. Janela para entrar com novo valor da relação Sintonia do Controlador Quando o operador clica na tecla virtual PID aparece uma nova face frontal dos ajustes de sintonia do controlador. Fig. 1.3.32. Janela para sintonia do controlador 39 Sistemas de Instrumentação 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. Fig. 1.3.35. Janela para entrar com novo valor do ganho derivativo 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). 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. Se o valor entrado está fora da faixa aceitável, aparece uma janela informando o fato e o operador tem que entrar com um valor aceitável. Fig. 1.3.33. Janela para entrar com o novo valor do ganho Quando o operador clica na janela com a indicação digital do ganho integral (ki), aparece a tela para ajuste do ganho do controlador. Fig. 1.3.34. Janela para entrar com novo valor do ganho integral Quando o operador clica na janela com a indicação digital do ganho derivativo (kd), aparece a tela para ajuste da ação derivativa do controlador. Fig. 1.3.36. Janela de alerta para entrada de valor inválido de qualquer parâmetro 40 Sistemas de Instrumentação Tendência do controlador Quando o operador clica na chave virtual com um ícone de gráfico, aparece a tela com a tendência (real ou histórica) da variável controlada. Fig. 1.3.37. Imagem do gráfico de tendência do controlador FQC-210-1A No menu e em Modes, pode-se escolher a tendência real ou tendência histórica. Em tendência real, o gráfico mostra a variável em tempo real, a partir do instante zero. Em tendência real, o gráfico mostra o histórico da variável controlada. Clicando na barra de rolamento, pode-se andar para trás ou para frente no tempo. Apostila\Instrumentação Sistemas.doc 03 SET 00 (Substitui 10 DEZ 98) 41 1.4 Terminologia 2.1. Introdução Deve haver uma uniformidade de termos e nomenclatura no campo da instrumentação de processo. Aqui estão definidos os principais termos especializados da Instrumentação, que podem ser levemente ou totalmente diferentes do uso comum. Os termos definidos são convenientes para o uso do pessoal envolvido de algum modo com a Instrumentação, incluindo projeto, fabricação, montagem, operação, manutenção, teste e venda. Os tipos de indústrias de processo incluem: química, petróleo, gás e óleo, petroquímica, geração de energia, siderúrgica, metalúrgica, alimentícia, têxtil, farmacêutica, papel e celulose e mineração. pela entrada. A saída pode ser um sinal ou um valor da variável manipulada. A entrada pode ser o sinal de realimentação negativa da malha quando o ponto de ajuste é constante, um sinal de erro real ou a saída de outro controlador. Ação é também chamada de modo. Ação Derivativa (Rate) é a ação de controle em que a saída é proporcional à taxa de variação da entrada. A ação derivativa é expressa em tempo (s). Ação Flutuante(Floating) é a ação de controle em que a taxa de variação da saída é uma função pré determinada da entrada. Um erro na variável controlada faz a saída do controlador variar em uma taxa constante. O erro deve exceder limites predeterminados antes do controlador começar a variar. Ação Integral (Reset) é a ação de controle em que a saída é proporcional à integral no tempo da entrada. A taxa de variação da saída é proporcional à entrada. A ação integral é expressa em repetições por tempo (s). Ação Liga-Desliga é a ação de controle em que a saída é 0 ou 100% e o elemento final de controle está ligado ou desligado. Ação Proporcional é a ação de controle em que há uma relação linear contínua entre a saída e a entrada. 2.2. Definições e Conceitos Ação do Controlador Modo como a saída do controlador varia em função da variável medida. O controlador possui ação direta quando o valor do sinal de saída aumenta quando o valor da entrada (variável medida) aumenta. O controlador possui ação inversa quando o valor do sinal de saída aumenta quando o valor da entrada (variável medida) diminui. Acessível Instrumento visível pelo operador de processo, que apresenta sinais visuais de indicação e registro de valores da variável de processo ou requer a atuação do operador, para estabelecer ponto de ajuste, transferir de automático para manual e vice-versa, atuar manualmente Ação de Controle Ação do controlador ou de um sistema de controle é a natureza matemática (função) da variação da saída provocada 42 Terminologia no processo, acionar chaves liga-desliga. Instrumento acessível ao operador é montado no painel de leitura ou display; instrumento não acessível é montado em armário cego ou rack. consiste em o valor de uma variável de processo atingir um valor limite, alto ou baixo, predeterminado. O alarme geralmente requer a atuação ou atenção do operador. Amortecimento Redução progressiva ou supressão da oscilação em um instrumento ou sistema. A resposta a um degrau é chamada de criticamente amortecida quando o tempo de resposta é tão rápido quanto possível sem overshoot. É sub amortecida quando ocorre overshoot ou superamortecida quando a resposta é mais lenta que a crítica. Amortecimento viscoso usa a viscosidade dos fluidos para fazer o amortecimento. Amortecimento magnético usa a corrente induzida nos condutores elétricos pelas variações no fluxo magnético para fazer o amortecimento. Amplificador Dispositivo que possibilita um sinal de entrada controlar a potência de uma fonte independe de sinal e assim ser capaz de entregar uma saída que suporta alguma relação com, e é geralmente maior que o sinal de entrada. Analisador Fig. 1.4.1. Conceitos de Display e Armário (Rack) Nome incorreto atribuído a instrumento usado para medir pH, concentração, composição, condutividade ou densidade. Os nomes corretos são sensor de análise, transmissor de análise, indicador de análise ou registrador de análise. Ajuste Operação no instrumento para torná-lo exato ou eliminar seus erros sistemáticos. Geralmente o ajuste é feito depois da calibração. Quando o instrumento não fica exato depois de vários ajustes, ele requer manutenção. Cfr. calibração. Os principais ajustes de calibração do instrumento são o de zero e o de amplitude de faixa (span). Análise Variável de processo que consiste na determinação da composição de uma substancia, em percentagem (%) ou partes por milhão (ppm). Também é incluída como análise o pH (potencial de H+), pIon (potencial de íon), ORP (potencial de óxido redução), condutividade elétrica, densidade. Análise é uma quantidade física e não uma função de instrumento e por isso deve ser preferida a forma de sensor de análise (AE), transmissor de análise (AT), indicador de análise (AI) ou registrador de análise (AR) Alarme Alarme é a indicação da existência de uma condição normal ou anormal através de um sinal sonoro, visual ou ambos. A condição anormal geralmente 43 Terminologia Analógico Propriedade que se refere ao sinal, função, tecnologia e display. Sinal analógico é aquele que pode assumir infinito número de níveis, entre 0 a 100%. O sinal de comunicação de 4 a 20 mA cc é exemplo de um sinal analógico. Função analógica é aquela que envolve medição, como controle ou registro. Tecnologia analógica é a baseada no amplificador operacional (amp op). Display analógico é baseado em escala e ponteiro, onde um é móvel e outro é fixo. O instrumento que manipula sinais analógicos na sua entrada ou saída é chamado de analógico. Cfr. Digital. Área externa é um local em que o equipamento está exposto a condições ambientais sem proteção, incluindo temperatura, umidade, raio de sol direto, vento, chuva e sereno. Área protegida é um local de processo industrial com proteção contra exposição direta dos elementos, como luz do sol direta, chuva, vento e sereno. As temperatura e umidade podem ser as mesmas da área externa. Pode haver condensação. A ventilação é natural. Aquecimento (warm up) Período de tempo necessário para o instrumento eletrônico se estabilizar e operar normalmente, depois de ligado. O instrumento pode apresentar erros grosseiros ou não operar corretamente durante o período de aquecimento. Área de ambiente Local qualificado na planta com condições ambientais especificadas de conformidade com a severidade. As áreas possíveis são: área de ar condicionado, área de sala de controle, área externa e área protegida Área de ar condicionado é um local com temperatura mantida constante em um valor nominal dentro de uma tolerância estreita e igual a um valor confortável típico. A umidade é também mantida dentro de uma faixa estreita. Áreas com ar condicionado possuem circulação de ar limpo e são tipicamente usadas para instrumentação como computador ou outro equipamento requerendo ambiente controlado. Área de sala de controle é um local com facilidade de aquecer ou resfriar o ambiente. As condições são mantidas dentro de limites especificados. Pode haver ou não controle automático de temperatura e umidade. As áreas da sala de controle são comumente apropriadas para a operação do sistema de controle, havendo a presença continua de operadores. Fig. 1.4.2. Diferentes áreas de processo Armário (Rack) Painel sem indicações que não fornece informação e nem requer atenção do operador. Pode ser considerado, também, a parte traseira de um painel de leitura. Cfr. Painel. Atenuador Dispositivo que diminui o tamanho do sinal entre dois pontos ou entre duas freqüências. Atenuação é o inverso do ganho. A atenuação pode ser expressa como uma relação adimensional, relação escalar ou em decibel (dB). Atenuação 4:1 é um critério de sintonia de controlador de processo onde a amplitude do desvio (erro) da variável controlada, seguindo um distúrbio, é cíclica, de modo que a amplitude de cada pico é ¼ do pico anterior. Atraso (delay) O intervalo de tempo entre um sinal variando e sua repetição para alguma 44 Terminologia duração especificada em um ponto a jusante do caminho do sinal. Banda proporcional é a região onde há controle automático. Atuador Parte do elemento final de controle que translada o sinal de controle em ação do equipamento final de controle no processo. A válvula de controle geralmente possui um diafragma acionado pneumaticamente como atuador. Bourdon C Um sensor de pressão que converte a pressão em um pequeno deslocamento aproximadamente linear. Ele é chamado de bourdon por causa de seu inventor e C, por causa de seu formato encurvado. Seu funcionamento se baseia na deformação elástica do elemento. Outros elementos similares são: diafragma, fole, espiral e helicoidal. Fig. 1.4.3. Bourdon C Auto – aquecimento Aquecimento interno resultante da dissipação da energia elétrica no sensor. Fenômeno indesejável que ocorre na medição de temperatura com resistência. Auto - regulação A propriedade de algumas variáveis no processo adotarem um valor estável sob dadas condições de carga, mesmo sem um sistema de controle. Por exemplo, a temperatura de fervura da água é de 100 o C, à pressão atmosférica padrão (103,1 kPa) Banda morta A faixa através da qual uma entrada pode ser variada sem provocar resposta detectável. A banda morta é geralmente expressa em percentagem da amplitude de faixa. Auto - sintonia A propriedade de alguns controladores microprocessados adotarem automaticamente os melhores valores de sintonia (ganho, tempo integral e tempo derivativo), sempre que as condições de carga do processo variarem. Base de numeração O número cujas potências determinam o valor de cada posição no número. O mais usado no dia a dia é o decimal ou base 10. Em computação, o sistema padrão é o binário ou base 2. Em configuração de sistemas digitais, é comum se encontrar as bases octal (base 8) e hexadecimal (base 16). A base hexadecimal é útil em casos onde as palavras são compostas de múltiplos de 4 bits (palavras de 4, 8, 16, 32 bits). A base octal é mais útil onde as palavras são compostas de múltiplos de 3 bits (3, 6, 9 ou 12 bits) Backlash Um movimento relativo entre partes mecânicas que interagem, resultando em folga, quando o movimento é invertido. Banda Proporcional A variação na entrada de um controlador Proporcional requerida para produzir uma variação total na saída. Assim, se 10% de variação no erro causa uma variação de 100% na saída do controlador, então é banda proporcional é de 10. Banda proporcional é a relação da variação de entrada sobre a da saída. Banda proporcional é o inverso do ganho. 45 Terminologia Binário Um sistema de representação de números de base 2, onde só existem os dígitos 0 e 1. É o sistema de trabalho dos computadores digitais. O binário pode ser considerado um caso especial de digital, quando se tem apenas um bit. A saída de uma chave é um sinal binário, pois a chave só pode estar ligada ou desligada. Cfr. Digital. Bypass Caminho alternativo em torno de outro componente, tubulação, ligação ou sistema, usado principalmente para permitir a manutenção do equipamento colocado no caminho principal. Bico-Palheta Peça fundamental de todo instrumento pneumático que transmite, manipula ou controla sinais. Basicamente, o conjunto converte um pequeno deslocamento da palheta no sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi). Fig. 1.4.5. Calibração a seco Bocal Tipo especial de restrição usada para medir vazão de fluidos, gerando uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão. É usado em sistema de calibração de medidores de vazão de gases, pois ocorre nele o fenômeno da vazão crítica. Calibração Operação de verificar a exatidão de um instrumento através da comparação com outro padrão rastreado. Determinação dos pontos em que as graduações da escala estão colocados. Também chamada de aferição ou verificação. Cfr. Ajuste. Calibração a seco de transmissor é aquela feita contornando o seu elemento sensor; gerando valores internos como padrão, não requerendo o padrão da variável sendo medida. Ciclo de Calibração é a aplicação de valores conhecidos da variável medida e o registro dos valores correspondentes das leituras de saída, sobre a faixa do instrumento, nos sentidos de subida e descida. Curva de Calibração é a representação gráfica do relatório de calibração. Rastreabilidade da Calibração é a relação da calibração de um instrumento com um instrumento calibrado e certificado por um Laboratório Nacional, através de um processo passo a passo. Relatório de Calibração é a tabela ou gráfico da relação medida de um instrumento comparado com um padrão, em toda sua faixa. Fig. 1.4.4. Bocal de vazão Bode, Diagrama de Um gráfico de função de transferência versus freqüência, onde o ganho (geralmente em dB) e fase (em graus) são plotados contra a freqüência em uma escala logarítmica. Bulbo Parte sensível do elemento primário de temperatura. Invólucro que protege o termopar ou o fio de resistência detectora de temperatura ou que contem o fluido de enchimento do elemento termal. O bulbo não é o elemento sensor. 46 Terminologia Campo Área industrial, off site limit bateries, área externa, local. Cfr. Sala de controle. Fig. 1.4.7. Operador em Centro de Controle Fig. 1.4.6. Estado de instrumento de campo Chave Dispositivo que liga, desliga ou seleciona um determinado circuito elétrico. A chave pode ser manual ou automática. Chave automática é acionada quando a variável de processo atinge um valor predeterminado. Chaves automáticas clássicas são: pressão (pressostato), temperatura (termostato), nível, vazão, posição (chave fim de curso). Carga Carga do processo expressa os valores nominais de todas as variáveis em um processo que afetam a variável controlada, exceto a variável manipulada e a controlada. Cavitação Fenômeno indesejável da evaporação do líquido e a implosão de bolhas quando o vapor volta ao estado líquido, que ocorre em interior de tubulações quando há diminuição da pressão ou aumento da temperatura. A cavitação pode ocorrer no interior de elementos sensores de vazão, bombas, restrições e válvulas. A cavitação pode destruir internos de válvulas e sensores colocados na tubulação. Cfr. flacheamento (flashing). Choque mecânico Aplicação momentânea de uma força de aceleração a um equipamento. É geralmente expresso em número de acelerações da gravidade (g). Cíclico Uma condição de estado permanente ou oscilação transiente de um sinal em relação ao valor nominal Célula de carga Sensor elétrico para medição de pressão ou peso. A ação é baseada em strain gauges montados dentro da célula em uma barra de força. Também chamada de célula extensiométrica. É o elemento sensor padrão da balança eletrônica. Cfr. cristal piezoelétrico e strain gauge. Condições de Operação Condições em que um instrumento ou equipamento está sujeito, não incluindo a variável medida por ele. As condições de operação incluem: temperatura ambiente, pressão ambiente, força gravitacional, campos eletromagnéticos, inclinação, variações da alimentação (tensão, freqüência, harmônicas), choque e vibração. As condições de operação normais são a faixa de condições de operação dentro da qual o instrumento é projetado para operar e para a qual são estabelecidas as influências de operação. As condições de operação de referência são a faixa de condições de operação dentro da qual as influências de Centro de Controle Uma estrutura de equipamentos para medir, controlar ou monitorar um processo. Também pode se referir à sala de controle da planta. 47 Terminologia operação são desprezíveis. As condições de referência são usualmente estreitas. Por exemplo, a condição de referência de operação típica de um instrumento é de 24 ± 2 oC . Condutância Em circuito de corrente contínua, é o inverso da resistência e portanto é a medida da habilidade de um circuito conduzir a corrente. Em corrente alternada, é a parte real da admitância, quando a impedância não contem reatância. Sua unidade SI é o siemens (S) e não é mho. Transporte e Armazenamento Limites de operação Operação normal Limites de referência Condição de referência Limites de referência Condutividade (elétrica) Variável de processo ou grandeza física que consiste na relação da densidade de corrente elétrica para o campo elétrico no material. Também conhecida como condutância específica. Condutividade é diferente de condutância. Também existe condutividade termal, condutividade acústica Operação normal Limites de operação Transporte e Armazenamento Confiabilidade Probabilidade que uma parte componente, instrumento ou sistema funcione satisfatoriamente, sob condições, determinadas sem manutenção, durante determinado período de tempo. Fig. 1.4.8. Diagrama das condições de operação As condições de transporte e armazenamento são a faixa de condições em que um instrumento ou equipamento está sujeito entre o tempo de construção e o tempo de instalação, incluindo o tempo em que ele estiver desligado. Não deve ocorrer nenhum dano físico ou defeito de operação durante este período, porem, pode ser necessário se fazer pequenos ajustes e calibração para restaurar sua condição de operação normal. Conhecimento (Acknowledgement) Chave do sistema de intertravamento ou alarme utilizada para silenciar o sistema sonoro, depois que o sistema é acionado. Compartilhado Um único instrumento executa a mesma função, geralmente indicação, registro ou controle, de um grande numero de variáveis, simultaneamente; é o instrumento associado a muitas malhas. Cfr. Dedicado. Compensação Provisão de uma construção especial, equipamento suplementar, circuito ou materiais especiais para contrabalançar fontes de erro devidas às variações em condições de operação específicas. Eliminação de erros variáveis provocadas por modificação. Fig. 1.4.9. Instrumento montado no campo 48 Terminologia Compensador Equipamento que converte um sinal em alguma função que direciona o elemento final de controle para reduzir desvios na variável diretamente controlada. Computador Analógico Computador analógico é o instrumento que 1. faz operações matemáticas (soma, multiplicação, divisão e integração) 2. seleciona sinais de máximo ou mínimo 3. lineariza sinais, p. ex.., extração da raiz quadrada e caracterização de sinal. O computador analógico é também chamado de relé pneumático ou pelo nome específico, p. ex., somador, extrator de raiz quadrada. Fig. 1.4.11. Instrumento configurável Conformidade Conformidade é o grau de aproximação de uma curva a outra específica (e.g., linear, logarítmica, parabólica, cúbica). Geralmente é medida em conformidade e expressa em não conformidade. É um dos parâmetros da exatidão especificada do instrumento. A conformidade pode ser independente, baseada no terminal e baseada no zero. Constante de Tempo Um número caracterizando o tempo necessário para a saída de um equipamento atingir aproximadamente 63% do valor final, em resposta a um degrau aplicado na entrada. A constante de tempo é também chamada de tempo característico. Fig. 1.4.10. Computador analógico pneumático Consumo de ar A máxima taxa em que o ar comprimido é consumido por um instrumento pneumático, dentro de sua faixa de operação e durante condições de sinal constante. Geralmente expressa em m3/hr, a temperatura e pressão especificadas. Computador Digital Sistema baseado no circuito integrado microprocessador. O computador inteiro geralmente está embutido em uma única placa de circuito impresso e trabalha com palavras de dados com 8, 16 e 32 bits. Controlador Instrumento que opera automaticamente para regular uma variável controlada. O controlador a realimentação negativa recebe um sinal proporcional à variável medida, compara-o com um valor de referência estabelecido pelo operador e gera um sinal padrão na saída que é função matemática da diferença entre a medição e a referência. O sinal de saída tende a manter a variável controlada igual ou em torno do valor desejado. O controlador pode ter o nome das ações de controle embutidas; tem-se controlador liga-desliga (on-off), controlador proporcional (P), controlador Configuração Seleção através de comandos do teclado da estrutura básica do algoritmo de controle, do formato da leitura e das terminações de entrada e saída. Configurar por programação é fazer as ligações de blocos funcionais através de programação de computador (software). A configuração por programação é lógica e não física. Cfr. Fiação física 49 Terminologia proporcional mais integral (PI), controlador proporcional mais derivativa (PD), controlador mais integral mais derivativa (PID). desliga pode ser realizado através de chave. No controle liga-desliga convencional um único ponto serve para ligar e desligar o sistema. O Controle com Intervalo (Gap) Diferencial é um controlador ligadesliga, com dois pontos de atuação: um para ligar e outro para desligar. A vantagem é que o elemento final de controle atua menor número de vezes e a desvantagem é que a amplitude de variação da variável é maior. Controle Lógico Programável Sistema digital, compartilhado, aplicado principalmente para controle lógico de processos com muita operação de ligadesliga. Como não possui interface Homem-Máquina, geralmente é associado a um sistema de computador onde roda um aplicativo para controle supervisório. É chamado abreviadamente de CLP. Fig. 1.4.12. Controladores single loop Controlador Single Loop é um instrumento microprocessado, configurável e dedicado ao controle de uma, duas ou até quatro malhas de controle. Alguns modelos podem ser reconfigurados para computador de vazão. O controlador pode também ser autooperado; chama-se regulador. Controle Multivariável Sistema de controle mais elaborado, onde estão envolvidas duas ou mais malhas de controle ou duas ou mais variáveis de processo. Controle Adaptativo é aquele em que os meios automáticos são usados para variar o tipo ou influência (ou ambos) dos parâmetros de controle, de modo a melhorar o desempenho do sistema de controle. Controle Auto-seletor é um sistema de controle com dois ou mais controladores, em que apenas um é selecionado para executar o controle, enquanto todos os outros ficam em espera. É mandatório o uso de um seletor de sinais. É também chamado de controle override. Controle Cascata é um sistema de controle com duas malhas fechadas, em que a saída de um controlador (primário) é o ponto de ajuste de outro controlador (secundário). Controle Faixa Dividida é um sistema de controle em que o controlador atua em dois ou mais elementos finais de controle. É também chamado de split range. Controle Compartilhado Controle em que um único controlador divide seu tempo de computação e controle entre várias malhas de controle. Em vez de ser dedicado a uma única malha, ele é compartilhado por todas as malhas da planta e assume o controle de cada malha, uma por vez, de modo cíclico, em uma varredura predeterminada. Controle Digital Direto Controle feito por um dispositivo digital que executa todas as funções de detecção de erro e atuação no elemento final de controle. Controle Liga-Desliga Um sistema de controle com duas posições, em que um dos dois valores discretos é zero. É um sistema simples de controle onde a saída do controlador só pode estar ligada (alta) ou desligada (baixa) e consequentemente o elemento final de controle está totalmente aberto (100%) ou fechado (0%). O controle liga- 50 Terminologia Controle Relação de Vazões é um sistema de controle em que o controlador recebe n medições de vazão e atua em (n – 1) elementos finais de controle para manter constante a relação entre as vazões. Controle Realimentação Negativa Controle em que a variável medida é comparada com seu valor desejado para produzir um sinal de erro de atuação que age de tal modo a reduzir o tamanho do erro. Controle Processo O controle de processo é a regulação ou manipulação das variáveis que afetam a operação do processo, de modo a obter um produto com qualidade desejada em quantidade eficiente. É o balanço dos fluxos de energia (pressão e temperatura) e de material (vazão e nível). Variável controlada Controle Supervisório Controle em que as malhas de controle operam independentemente, sujeitas a ações corretivas intermitentes. Exemplo de controle supervisório é o sistema com os pontos de ajustes variados por uma fonte externa. Conversor Variável não controlada Temperatura ambiente TC TT Vapor Variável manipulada Saída Carga Instrumento que transforma uma forma de energia elétrica em outra. Conversor A/D que transforma um a tensão ou corrente de entrada analógica em um sinal digital proporcional. Conversor D/A que transforma um sinal digital, geralmente de um computador, em uma tensão ou corrente de saída analógica proporcional. Coriolis Produto Condensado Distúrbio TE Fig. 1.4.13. Terminologia da malha de controle Controle Preditivo Antecipatório Controle em que a informação referente a uma ou mais condições que podem afetar a variável controlada são convertidas, fora de qualquer malha de realimentação negativa, em ação corretiva para minimizar os desvios da variável controlada. O uso do controle preditivo antecipatório não afeta a estabilidade do sistema, pois ele não é parte da malha de realimentação negativa que determina a estabilidade. Força Coriolis é uma pseudoforça dependente da velocidade em relação a um sistema que está em rotação com relação a um sistema inercial de referência; é igual e oposta ao produto da massa da partícula onde a forma age e sua aceleração de Coriolis. Efeito Coriolis é a deflexão relativa à superfície da terra a qualquer objeto movendo acima da terra, causada pela força Coriolis. Um objeto se movendo horizontalmente é defletido para a esquerda, no hemisfério Sul. O medidor de vazão tipo Coriolis determina a vazão mássica a partir do torque em um tubo que sofre uma vibração externa. Fig. 1.4.14. Medidor de vazão Coriolis 51 Terminologia Correção Diferença algébrica entre o valor ideal e a indicação do valor medido. É a quantidade que adicionada algebricamente à indicação dá o valor ideal. Correção positiva denota que a indicação do instrumento é menor que o valor ideal. correção = valor ideal – indicação características mais comuns são: linear, abertura rápida e igual percentagem. Dedicado Um instrumento executa uma função relacionada com uma única variável de processo; um instrumento corresponde a uma malha e uma malha corresponde a um instrumento. Cfr. Compartilhado. Corpo Negro Um corpo ideal que absorve toda a radiação incidente e não emite nenhuma. (Conceito utilizado na medição de temperatura com radiação) Default Um valor automaticamente usado, a não ser que seja especificado outro diferente. Correlação A interdependência ou associação entre duas variáveis de natureza quantitativa ou qualitativa. A correlação pode variar de –1 (correlação inversa), 0 (não há) a 1 (correlação total). Densidade Variável de processo ou grandeza física que consiste na relação da massa sobre volume. A unidade SI é kg/m3 . Embora exista instrumento que meça diretamente densidade, na prática de Instrumentação é mais comum medir densidade através da pressão e temperatura do fluido do processo. Corrosão Destruição gradual de um metal ou liga devido a processos químicos como oxidação ou a ação de agente químico. A corrosão pode ser eliminada ou diminuída pela escolha criteriosa dos materiais em contato. Erosão é a perda de material ou desgaste de uma superfície provocada pela alta velocidade de um fluido. A corrosão é de origem química; a erosão é física. Desvio (drift) Uma variação indesejável na relação saída-entrada durante um período de tempo. O ponto de desvio é a variação na saída durante um período especificado de tempo para uma entrada constante, em determinada condição de operação de referência. Os pontos de desvio clássicos são os de zero e de amplitude de faixa. Expressão típica: o desvio no meio da escala para a temperatura ambiente (24 ± 1 oC ), para um período de 48 horas, é de ±0,1% da amplitude de faixa da saída. Desvio permanente (offset) é a diferença estável entre o ponto de ajuste e a medição de um controlador Proporcional, quando há alteração da carga do processo ou do ponto de ajuste do controlador. O desvio permanente pode ser eliminado manualmente ou automaticamente, através da ação integral. Cristal piezoelétrico Um sensor elétrico de pressão que gera uma tensão proporcional à pressão aplicada na entrada. Cfr. strain gage. Característica, Curva Uma curva (gráfico) que mostra os valores ideais em regime ou uma saída de um sistema como função de uma entrada, com as outras entradas sendo mantidas em valores constantes especificados. Detector Dispositivo para usado para sentir a presença de um objeto, radiação ou composto químico; chamado de elemento sensor. Característica de Válvula Relação em percentagem da vazão e abertura correspondente da válvula. As 52 Terminologia Dew Point A temperatura e pressão em que um gás começa a se condensar em líquido. A temperatura de dew point é aquela em que o ar se torna saturado quando resfriado sem adição de umidade ou mudança de pressão; qualquer resfriamento adicional causa a condensação. Digital Propriedade que se refere ao sinal, função, tecnologia e display. Sinal digital é aquele que só pode assumir determinados níveis, geralmente dois: 0 ou 1. O sinal digital de comunicação (protocolo) é um conjunto de bits (0 ou 1). HART é exemplo de um sinal digital. Função digital é aquela que envolve contagem ou manipulação de pulsos. Tecnologia digital é a baseada em portas lógicas. Display digital é baseada em dígitos, que substitui a escala e o ponteiro. O instrumento que manipula sinais digitais na sua entrada ou saída é chamado de instrumento digital. Cfr. Analógico. Diafragma Um sensor de pressão que converte a pressão em um pequeno deslocamento aproximadamente linear. Diagrama ladder Diagrama consistindo de combinação de entradas (contatos NA e NF de chaves manuais, chaves automáticas, relés) e de saídas (bobinas de relés e de solenóides, lâmpadas piloto, sirenes) colocados em forma de degraus de uma escada, mostrando uma seqüência lógica de eventos e para ser rodado em um CLP. Cfr. CLP. Display Representação visível da informação, em palavras, números, desenhos, monitores ou consoles de computador. Imagem da informação. Instrumento ou painel acessível ao operador, para apresentar alguma indicação, registro ou contagem. Também chamado de read out. Partida Parada CR1 CR1-1 Vout-1 saída 1 Distúrbio Uma variação indesejável que ocorre em um processo que tende a afetar nocivamente o valor da variável controlada. CR1-2 LSH Vin Vin-1 Vout-2 saída 2 saída 3 saída 4 saída 5 dp Cell Um sensor de pressão que responde à diferença na pressão entre duas fontes, geralmente usado para medir vazão pela pressão diferencial através de uma restrição na tubulação. O transmissor d/p cell possui um diafragma dp cell. S Vin-2 1800 TR1-2 T TR1 H CR1-3 Vin-3 LSL TR1-2 Vout Fig. 1.4.15. Diagrama ladder típico saída 6 Fig. 1.4.16. Aplicação típica do d/p cell 53 Terminologia Driver Uma seqüência de instruções de programa que controla um equipamento de entrada-saída, como um acionador de disco. Às vezes, chamado de interface. Erro ambiental é o causado pela variação na condição de operação especificada da condição de referência . Erro de amplitude de faixa é a diferença entre a amplitude real e a ideal. Um instrumento apresenta erro de amplitude de faixa quando sua curva de calibração tem inclinação diferente da ideal. Erro de atrito é devido à resistência ao movimento apresentado pelas superfícies em contato. Erro de inclinação é a mudança na saída causada somente pela inclinação do instrumento de sua posição normal de operação. Erro de tensão de montagem é resultante da deformação de um instrumento causada pela montagem e conexões do instrumento. Erro sistemático é aquele constante em valor absoluto e sinal, quando se faz um grande número de medições nas mesmas condições e do mesmo valor de uma dada quantidade. O erro sistemático pode ser eliminado ou diminuído pela calibração. Erro de zero é o apresentado pelo instrumento operando sob condições determinadas de uso quando sua saída está no valor inferior da faixa. instrumento apresenta erro de zero quando sua curva de calibração não passa pela origem. Elemento Final Elemento que varia diretamente o valor da variável manipulada. Equipamento da malha de controle que está em contato com o processo, recebendo o sinal do controlador. Normalmente, é a válvula de controle com atuador pneumático; pode ser, também, cilindro, damper, válvula solenóide. Cfr. Elemento sensor. Eletrônico Instrumento cuja alimentação é a tensão elétrica e cujo sinal padrão de transmissão de corrente é padronizado de 4 a 20 mA cc. Cfr. Analógico, Digital e Pneumático Elo de Comunicação Circuito físico para ligar equipamentos com a finalidade de transmitir e receber dados. Equipamento Um aparato para fazer uma determinada função. Também chamado de dispositivo. Erro A diferença algébrica entre o valor medido de uma variável e seu valor ideal. Neste caso é também chamado de incerteza, desvio ou tolerância. Um erro positivo denota que a indicação do instrumento é maior que o valor ideal. erro = indicação – valor ideal Em controle de processo, é o sinal de diferença entre a medição e o ponto de ajuste do controlador. Erro aleatório é aquele que varia seu pequeno valor e sinal, quando se faz um grande número de medições nas mesmas condições e do mesmo valor de dada quantidade. O erro aleatório nunca pode ser eliminado e o seu tratamento estatístico determina seus limites. Fig. 1.4.17. Sensores de pressão Espiral Um sensor de pressão que converte a pressão em um pequeno deslocamento aproximadamente linear. Elemento sensor mecânico que funciona sob deformação elástica. 54 Terminologia Estação Automático-Manual Dispositivo que possibilita ao operador selecionar um sinal automático ou um sinal manual, como a entrada para um elemento de controle. O sinal automático é normalmente a saída do controlador, enquanto o sinal manual é saída de um dispositivo operado manualmente pelo operador. É também chamada pelo seu tag: HIC. a) percentagem do valor medido real. A expressão típica é ±1% do valor medido. b) percentagem do fundo de escala. A expressão típica é ±1% do fundo da escala ou limite superior da escala (URL – upper range limit). c) percentagem da amplitude de faixa (span). A expressão típica é ±1% amplitude de faixa. d) percentagem do comprimento da escala. A expressão típica é ±1% o C. Exatidão Medida é o desvio máximo positivo e negativo observado no teste de um equipamento sob condições especificadas e por um procedimento específico. Geralmente é medida como uma inexatidão e expresso como exatidão. É tipicamente expressa em termos da percentagem do valor medido ou percentagem do fundo de escala. Estação Manual de Controle Instrumento cujo sinal de saída é gerado arbitrariamente pelo operador. Pode ser independente do controlador automático ou pode estar acoplado a ele. Cfr. Controlador. Excitação Alimentação externa aplicada a um equipamento para sua operação. A excitação sempre tem valores máximo e mínimo, acima e abaixo do qual pode se danificar ou degradar o desempenho do instrumento. Fig. 1.4.18. Estação manual de controle (HIC) Exatidão (accuracy) Grau de conformidade de um valor indicado com um valor padrão aceito reconhecidamente (valor ideal). Cfr. Precisão Exatidão Especificada é o número que define um limite que os erros não excederão quando um equipamento é usado sob condições de operação especificadas. Quando as condições de operação não são especificadas, devem ser assumidas as condições de operação de referência. Como especificação de desempenho, a exatidão (ou a exatidão de referência) deve ser assumida para significar a exatidão especificada do instrumento, quando usado nas condições de operação de referência. A exatidão especificada inclui os efeitos combinados de conformidade, histerese, banda morta e repetitividade. A inexatidão pode ser expressa por: Faixa Faixa é a região entre os limites dentro da qual uma variável é medida. A faixa é definida por dois números: limite inferior e limite superior. Assim, a temperatura é para ser medida entre 20 e 100 oC , define a faixa da medição de temperatura. Amplitude de faixa é a diferença algébrica entre o limite superior e o inferior. Assim, a temperatura na faixa de 10 a 100 o C possui amplitude de faixa de 80 oC. Faixa com zero elevado é aquela cujo início (valor inferior) é menor que zero (negativo); por exemplo de –20 a 100 oC, -100 a 0 oC ou -100 a –20 oC. Faixa com zero suprimido é aquela cujo início é maior que zero (positivo); por exemplo de 20 a 100 oC. 55 Terminologia Falha Condição causada pelo colapso, quebra ou encurvamento, de modo que o instrumento ou equipamento não mais desempenhe sua função. Sistema de falha segura (failsafe) é aquele que vai naturalmente para uma condição segura, quando há falha no sistema. Válvula com falha fechada (FC - fail close) é aquela com ação ar para abrir; em caso de falha a válvula fica totalmente fechada. Válvula com falha aberta (FO - fail open) é aquela com ação ar para fechar; em caso de falha a válvula fica totalmente aberta. Na medição de temperatura com RTD é comum se usar três fios de ligação. Flacheamento (flashing) Fenômeno indesejável da evaporação do líquido (formação de bolhas de vapor), que ocorre em interior de tubulações quando há diminuição da pressão ou aumento da temperatura. O flacheamento pode ocorrer no interior de elementos sensores de vazão, bombas, restrições e válvulas. Cfr. cavitação. Fole Um sensor de pressão que converte a pressão em um pequeno deslocamento aproximadamente linear. Fator de Escala O fator pelo qual o número de divisões da escala do indicador ou do registrador deve ser multiplicado para se obter o valor da variável medida. Foreground/background Um sistema de controle que usa dois computadores, uma para fazer as funções de controle e o outro para aquisição de dados, avaliação do desempenho off-line, operações financeiras, programações de produção. Qualquer um dos dois computadores pode fazer as funções de controle. Fibra óptica Cabo (fio) de comunicação longo, fino, de sílica fundida ou de outra substancia transparente, usado para transmitir a luz. Também conhecido como guia de luz. Sensor de fibra óptica é um dispositivo em que a quantidade física a ser medida é feita para modular a intensidade, espectro, fase ou polarização da luz de um diodo emissor de luz (LED) ou diodo laser viajando através de uma fibra óptica. A luz modulada é detectada por um fotodiodo. Freqüência Número de ciclos completados por uma quantidade periódica na unidade de tempo. A unidade SI de freqüência é hertz, que é o inverso de segundo. Período é o inverso de freqüência. Freqüência também é o número de vezes um evento ocorre, durante determinado intervalo de tempo. Por exemplo, a freqüência de calibração de um instrumento é de duas vezes por ano. Fieldbus Protocolo digital para comunicação de instrumentos de campo, atualmente suportado pela Fieldbus Foundation. Função Uma regra matemática entre duas grandezas físicas, de modo que um valor da primeira grandeza corresponda exatamente um valor da segunda. Por exemplo, a saída de um sensor deve ser função de sua entrada (variável medida). Em instrumentação, a função do instrumento está relacionada com seu objetivo na malha de medição. As funções clássicas são: detecção, transmissão, condicionamento, indicação, registro, Fio Condutor elétrico com resistência teoricamente zero usado para interligar instrumentos ou componentes de circuito. Também chamado de cabo. A configuração mais usada em Instrumentação é com dois fios trançados, onde são transportados simultaneamente o sinal analógico, a alimentação e o digital. 56 Terminologia contagem, alarme, intertravamento e controle. Função de Transferência é a resposta de um elemento da malha de controle de processo que especifica como a saída do equipamento é determinada pela entrada. Hot Standby (Reserva a quente) Sistema onde um equipamento digital é reserva do outro, onde o reserva acompanha o status do principal, podendo assumir a função imediata e automaticamente. Embora apenas um dos equipamentos esteja na função, o outro está idêntico ao primeiro, podendo assumir o comando a qualquer momento. Ganho Ganho é a relação da variação da saída sobre a variação da entrada. Podese definir ganho de instrumento individual, do processo, da malha fechada ou fechada de controle. Um sistema linear possui ganho constante; o ganho é variável no sistema não linear. Ganho é o inverso da banda proporcional O ganho pode ser adimensional ou ter qualquer dimensão. Um controlador possui ganhos ajustáveis das ações Proporcional, Integral e Derivativa Impedância Impedância elétrica é a oposição total que um circuito apresenta a uma corrente alternada; possui uma parte resistiva (resistência) e outra reativa (que pode ser capacitiva ou indutiva). Em circuito de corrente contínua, impedância equivale à resistência. Indicador Instrumento que sente uma variável de processo e mostra o seu valor através do conjunto escala e ponteiro (analógico) ou de dígitos (digital). No indicador, apenas o valor instantâneo da variável medida é visualmente mostrado. Tag do indicador da variável X é XI. Hardware (HD) No contexto da informática, hardware se refere ao equipamento físico associado com o computador, como CI (circuito integrado), placa de circuito impresso, cabos, terminais. Cfr. software (SW). HART Acróstico de Highway Adressable Remote Transducer. É um protocolo de comunicação digital para instrumentos de campo. Hidrômetro Genericamente, instrumento que mede vazão de líquidos. Em instrumentação, se aplica geralmente a indicador local de vazão de água; às vezes o líquido não é água. Fig. 1.4.19. Indicadores analógicos Interface Alguma forma de dispositivo que permite dois instrumentos incompatíveis se comunicarem um com o outro. Instrumentos compatíveis são ligados diretamente, sem interface. Interfaces clássicas: transdutor i/p, e transdutor p/i, que permitem a ligação de um instrumento pneumático a um eletrônico. Também chamada de driver. Histerese A tendência de um instrumento dar uma saída diferente uma dada entrada, dependendo se a entrada resulta de um aumento ou diminuição do valor anterior. Histerese é diferente de banda morta. 57 Terminologia Interferência eletromagnética Qualquer efeito espúrio produzido no circuito por campos eletromagnéticos externos. A interferência pode ser eliminada ou diminuída pela nova posição dos equipamento ou por blindagem elétrica. Intertravamento Sistema lógico implementado em hardware ou software para coordenar a atividade de dois ou mais dispositivos, onde a ocorrência de um evento depende da existência prévia de outros eventos, de ações do operador e da lógica instalada. O intertravamento deve garantir a operação segura da planta. O intertravamento é feito por controle lógico. Cfr. Alarme. Fig. 1.4.20. Face de um instrumento virtual Invólucro Estrutura que envolve os circuitos constituintes de um instrumento, garantindo sua integridade física e funcional. Há normas relacionadas com a escolha do invólucro, relacionadas com sua integridade e a segurança do local. Instrumentação Coleção de instrumentos ou sua aplicação com objetivo de observação, medição ou controle. Área da Engenharia que trata dos equipamentos usados na detecção, transmissão, indicação, registro, controle, alarme e intertravamento das variáveis de processo. IPTS Escala Prática Internacional de Temperatura é a escala baseada em seis pontos, tomados em oC : a) Ponto triplo da água b) ponto de ebulição da água c) ponto de ebulição do oxigênio d) ponto de ebulição do enxofre e) ponto de solidificação da prata f) ponto de solidificação do ouro Instrumento inteligente Instrumento a base de microprocessador, assim chamado porque condiciona e manipula os sinais e apresenta os resultados numa forma amigável. A inteligência é aplicada a sensores, transmissores, controladores e posicionadores de válvula. Isolação Separação física entre partes de um circuito ou sistema. A isolação evita a interação entre as duas partes. A isolação pode ser galvânica (transformador), relé ou óptica (isolador óptico). Por exemplo, o módulo de entrada do CLP possui isolação entre sua entrada e sua saída. Instrumento virtual Instrumento configurado e construído dentro de um computador através de um programa aplicativo específico. Sua operação e características são idênticas a de um instrumento convencional, porém ele só existe dentro do computador. Junta Ponto de ligação entre dois fios ou dois caminhos condutores de corrente. O termopar possui duas juntas: 1. junta de medição ou junta quente, que é o ponto onde quer medir a temperatura desconhecida. 2. junta de compensação, referência ou junta fria, que deve estar em uma temperatura constante e conhecida e onde os fios estão ligados ao instrumento de display. 58 Terminologia Lâmpada Piloto Dispositivo que indica os estados de operação de um sistema parado, operação, alarme, automático, manual . Local de Risco (classificado) Porção da planta onde líquidos combustíveis ou flamáveis, vapores, gases ou pós podem estar presentes no ar em quantidades suficientes para provocar misturas explosivas ou ignitáveis. Classificar uma área é lhe atribuir atributos relacionados com a Classe, Grupo e Zona. Classe está relacionada com o tipo físico do material: 1. Gás 2. Pó 3. Fibra Grupo está relacionado com as características químicas do material. Por exemplo, a Classe 1 possui os Grupos A, B, C e D. Zona está relacionada com probabilidade de ocorrência do material no local. 1. Zona 0 é 100% de probabilidade 2. Zona 1 é alta probabilidade relativa 3. Zona 2 é baixa probabilidade relativa. LASER Acróstico de Amplificação de Luz por Emissão de Radiação Estimulada (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Fonte de radiação, geralmente nas faixas infravermelho, visível e ultravioleta, caracterizada pela pequena divergência, coerência, monocromacidade e alta colimação e potência. Linear Instrumento é linear quando sua saída varia na proporção direta da entrada. Grandeza linear possui apenas uma dimensão. Curva linear é aquela que se aproxima ou é igual a uma linha reta, definida por dois pontos. Sistema linear possui um desempenho uniforme. Escala linear é aquela com divisões distribuídas uniformemente. LVDT Transformador Diferencial Variável Linear que mede deslocamento pela conversão para uma tensão linearmente proporcional. Linearidade Proximidade de uma curva relacionada com duas variáveis com uma linha reta. A linearidade é expressa em não linearidade. É um dos parâmetros da exatidão especificada do instrumento. A linearidade pode ser independente, baseada no terminal e baseada no zero. Malha Conjunto de instrumentos interligados, fisicamente ou por programação. A malha pode aberta ou fechada, ativa ou passiva. A malha aberta é sem realimentação. Exemplos: indicação ou registro de uma variável (passivas). Outro exemplo: atuação manual no processo (ativa). A malha fechada tem um caminho de sinal que inclui a malha de instrumentos e o processo, onde o processo fecha a malha. A malha de realimentação negativa é sempre fechada. Magnético, Medidor de Vazão Sistema de medição de vazão de fluido eletricamente condutor baseado na geração de uma força eletromotriz com amplitude linearmente proporcional à vazão volumétrica. O sistema consiste em um tubo medidor e um transmissor de Fig. 1.4.21. Área de risco ou classificada 59 Terminologia vazão. O tubo medidor metálico possui um revestimento isolante, bobinas de excitação e eletrodos de detecção. Modulação O processo ou resultado do processo, onde alguma característica de uma onda é variada de acordo com alguma característica de outra onda. Módulo Um conjunto de peças interligadas que constitui um equipamento ou instrumento identificável. Um módulo pode ser desligado, removido como uma unidade e substituído por um reserva. O módulo possui uma característica de desempenho definida, que permite que ele seja testado como unidade. Às vezes, o módulo é chamado de cartão. Exemplos de módulos: módulo de entrada e saída (I/O) de CLP ou de SDCD. Fig. 1.4.22. Medidor magnético de vazão Manômetro Genericamente, instrumento que mede pressão. Em instrumentação, se aplica geralmente a indicador local de pressão. Multiplexador Instrumento, circuito ou dispositivo que permite a seleção de um de vários canais de dados analógicos sob o controle do computador ou do sistema digital. O multiplexador é parte integrante de um sistema de aquisição de dados. O multiplexador é também chamado de modulador. O conjunto moduladordemodulador é chamado de MODDEM. Fig. 1.4.23. Manômetro Não incenditivo Equipamento que em sua condição normal de operação não provoca a ignição de uma atmosfera perigosa específica em sua concentração mais facilmente ignitável. Equipamento com classificação de não incenditivo só pode ser usado em área segura e de Zona 2; não pode ser usado em local de Zona 0 e Zona 1. Também chamado de não faiscador (no sparking) Esta classe de proteção é simbolizada como ex-n. Medição Medição é a aquisição de informação na forma de resultado, acerca de estado, característica ou fenômeno do mundo externo, observado com auxílio de instrumentos. A medição deve ser descritiva, seletiva e objetiva. A medição pode ser quantitativa ou qualitativa. A medição pode se aplicar à quantidade física e não física. Em Instrumentação, o termo medir é vago e deve ser usado um termo mais preciso como indicar, registrar ou totalizar. Nível Variável de processo ou grandeza física que consiste na altura da coluna liquida ou de sólido no interior de um tanque ou vaso. O nível pode ser expresso em altura (m) ou percentagem. Microprocessador Um circuito integrado em larga escala que tem todas as funções de um computador exceto memória e sistemas de entrada e saída, tais como: conjunto de instrução, unidade lógica aritmética, registros e funções de controle. 60 Terminologia Normal Condições normal de temperatura e pressão (CNTP) são: Temperatura = 0,0 oC Pressão = 101,3 kPa P&I Acróstico de Process & Instruments (ou Piping & Instruments). É um diagrama esquemático que mostra os desenhos das tubulações e da instrumentação associada para medição e controle. Oscilação Qualquer efeito que varia periodicamente entre dois valores, subindo e descendo. Oscilar é o mesmo que ciclar. Um controlador oscila ou entra em oscilação quando sua saída varia periodicamente entre dois valores extremos. Um pulso espúrio pode provocar a oscilação, que se mantém indefinidamente na malha fechada. Peso Variável de processo ou grandeza física derivada igual ao produto da massa pela aceleração da gravidade local. Peso é uma força, cuja unidade SI é o newton (N). O peso é medido através da balança. Bomba de peso morto é um instrumento usado como padrão para calibrar instrumentos de pressão em que a pressão hidráulica conhecida é gerada por meio de pesos livremente balanceados (mortos) colocados em um pistão calibrado. Otimização de Controle Controle que automaticamente procura e mantém o valor mais vantajoso de uma variável especificada, em vez de mantê-la igual ao ponto de ajuste. Pirômetro Um sensor de temperatura baseado na radiação eletromagnética emitida por um objeto, que é função da temperatura. Padrão Equipamento (instrumento), receita (procedimento) ou material de referência certificada usado como referência para a calibração de uma quantidade física ou outro instrumento. Condição padrão (conforme ISO 5024): Temperatura = 15,0 oC Pressão = 760 mm Hg (101,3 kPa) Condição padrão (conforme AGA – American Gas Association): Temperatura = 60 oF (15,6 oC) Pressão = 762 mm Hg Condição padrão (conforme CGI – Compressed Gas Institute): Temperatura = 68 oF (20 oC) Pressão = 760 mm Hg Célula padrão (Weston): fornece uma tensão de 1,018 636 V, @ 20 oC Gravidade padrão: 9,806 65 m/s2 Painel de Leitura (Display) Painel frontal, com acesso ao operador, com as escalas de indicações, registros e com os dispositivos de atuação, como botoeiras, chaves e teclados. Fig. 1.4.25. Exemplo de um P&I Pitot Tubo Pitot é um sensor que mede a vazão volumétrica a partir da pressão de 61 Terminologia estagnação e da estática de um fluido. Chamado também de tubo de impacto. Instrumento pneumático é alimentado com ar comprimido (120 a 140 kPa) e possui sinal padrão de transmissão de 20 a 100 kPa (0,1 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psig). Cfr. Eletrônico. pH Atividade do íon H+ de um sistema. É definido como –log aH+, onde aH+ é a atividade do íon hidrogênio. Em solução diluída, atividade é essencialmente igual à concentração. A solução de pH de 0 a 7 é ácida, igual a 7 é neutra e de 7 a 14 é básica ou alcalina. O potencial de óxido redução (ORP) ou potencial redox é a diferença de tensão em um eletrodo imerso em um sistema reversível de oxidação e redução. É a medição do estado de oxidação do sistema. Poço termal Receptáculo metálico onde é colocado o bulbo ou o elemento sensor de temperatura, para possibilitar a sua colocação e retirada sem interrupção do processo. Tag: TW. Placa de orifício Tipo especial de restrição usada para medir vazão de fluidos, gerando uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão. É o elemento sensor de vazão mais usado, por causa da facilidade de calibração do sistema. Tag da placa: FE. Quando a placa de orifício é tão pequena (diâmetro menor que 2”), ela é colocada diretamente na tomada de processo do transmissor, quando é chamada de orifício integral. A placa de orifício pode ser usada para diminuir vazão ou pressão em um sistema, quando é chamada de orifício de restrição (tag RO). Fig. 1.4.27. Poços de temperatura Ponto de Ajuste Valor da variável que o operador estabelece no controlador como referência ou ponto ideal de controle. O ponto de ajuste é o valor desejado ou ideal para o controle. Também chamado de set point. Em controle a diferença entre o ponto de ajuste e a medição é chamada de erro. Posição Localização de determinado componente ou dispositivo. É comum a chave de posição ou chave fim de curso ou chave limite, que é acionada quando determinada peça mecânica atinge determinado ponto. Em Automação, é comum usar chave de posição para confirmar abertura ou fechamento de válvula de controle. Posicionador Fig. 1.4.26. Placas de orifício Dispositivo acoplado à haste da válvula de controle para garantir uma relação biunívoca entre o sinal de saída do controlador e a posição da válvula. Ele recebe na entrada o sinal do controlador, gera um sinal padrão na saída e está mecanicamente ligado à válvula. O posicionador é um controlador de posição. Pneumático Sistema que emprega gas, geralmente ar comprimido, como portador da informação e o meio para processar e avaliar a informação. 62 Terminologia Pressão Grandeza física ou variável de processo definida como força por área e cuja unidade SI é o pascal (1 Pa = 1 N/1 m2) Pressão absoluta é a pressão cujo ponto de referência (zero) é o vácuo total. Pressão ambiente é a pressão que envolve um instrumento. Pressão atmosférica é a pressão exercida na superfície da Terra pelos gases que a circundam. A pressão atmosférica varia principalmente com a altura. Também chamada de pressão barométrica. Pressão diferencial é a diferença de pressão entre dois pontos. São clássicas as medições de nível de líquido e de vazão de fluidos através da pressão diferencial. Pressão dinâmica é a pressão que um fluido móvel possui se ele é levado ao repouso pela vazão isentrópica contra um gradiente de pressão. Também conhecida como pressão de impacto, pressão de estagnação ou pressão total. Pressão estática é a pressão em regime permanente aplicada a um equipamento ou tubulação. Na tubulação, é medida na parede interna, onde a velocidade do fluido é zero. No elemento de pressão diferencial, a pressão estática está aplicada igualmente às duas conexões. Pressão manométrica é a pressão cujo ponto de referência é a pressão atmosférica. Pressão máxima de trabalho (MWP – maximum working pressure) é a máxima permissível em um vaso ou equipamento, sob qualquer circunstância durante a operação, a uma dada temperatura. É a máxima pressão que pode ser aplicada a um processo ou equipamento. Por norma, se estabelece o limite seguro para uso regular. Pode-se chegar à MWP por dois métodos: 1. Projetada – por análise adequada do projeto, com um fator de segurança. 2. Testada – por teste de ruptura de amostras típicas. Pressão de operação é a pressão real (positiva ou negativa) em que um equipamento opera sob condições normais. Pressão de processo é a pressão em um ponto especificado no meio do processo. Pressão de projeto é a usada no projeto de um vaso ou instrumento para determinar a espessura mínima permissível ou característica física das peças para uma dada máxima pressão de trabalho (MWP), em uma dada temperatura. Pressão de ruptura, determinada por teste, é aquela em que o equipamento se rompe. O teste consiste em fazer o equipamento se romper. Pressão de suprimento é aquela aplicada à alimentação do instrumento pneumático para fazê-lo operar. Pressão de surge é um pico de pressão acima da pressão de operação que ocorre rapidamente em partidas de bombas, fechamentos de válvulas. Pressão de vapor de um líquido é aquela em que o líquido começa a se evaporar, a uma dada temperatura. Pressão de vazamento (leak) é aquela em que ocorre algum escape detectável em um equipamento. Pressão manométrica Pressão Atmosférica Zero Relativo Vácuo ou pressão manométrica negativa Pressão atmosférica Pressão absoluta Pressão absoluta Zero Absoluto Fig. 1.4.28. Terminologia da pressão Pressurização Classe de proteção aplicada a ambiente, instrumento e equipamento elétrico, onde se aplica um gás inerte em uma pequena pressão positiva. A pressão positiva interna impede a entrada de gases 63 Terminologia inflamáveis ou explosivos no interior. Também chamada de purga e é simbolizada por ex-p. Reação ao Processo Um método de determinação dos ajustes ótimos do controlador quando sintonizando uma malha de controle de processo. O método é baseado na reação de uma malha aberta a um distúrbio tipo degrau. Procedimento Uma seqüência de ações escritas que coletivamente mostram como uma determinada tarefa deve ser feita. Procedimento clássico: para calibração. Regime permanente Uma característica de uma condição, como valor, periodicidade, amplitude ou taxa de variação constante (com variação desprezível), durante longo período de tempo. É o contrário de transiente. Chamado steady-state. Processo Qualquer sistema composto de variáveis dinâmicas, usualmente envolvidas em operações de fabricação ou produção. Qualquer mudança física ou química de matéria ou conversão de energia. Na prática, diz-se também do local onde ocorre a mudança ou conversão. Registrador Instrumento que sente uma variável de processo e imprime o seu valor histórico em um gráfico. O registro pode ser analógico ou digital e pode ser visualmente indicado ou não. XR é o tag do registrador de X. Protocolo Um conjunto de regras semânticas e sintáticas (procedimentos) que permitem a comunicação digital entre dois instrumentos. Prova de explosão Equipamento, invólucro ou instrumento que evita que uma explosão ou chama interna se propague para o ambiente exterior, devido à sua estrutura mais robusta e a pequenos espaçamentos entre peças criticas. Também chamado de prova de chama. Classe de proteção tipo ex-d. Fig. 1.4.30. Instrumentos de leitura (Foxboro) Regulador Um controlador em que toda a energia necessária para operar o elemento final de controle é derivada do sistema controlado. É um conjunto de válvula (elemento final) com o mecanismo de controle (onde se tem o ajuste do ponto desejado de controle). Os reguladores clássicos são de pressão (o mais comum), temperatura e vazão. Fig. 1.4.29. Invólucro à prova de explosão Relé Conjunto de bobina e contatores: os contatos se alteram quando a bobina é energizada. Dispositivo que liga, desliga ou transfere um ou mais circuitos elétricos. O relé serve para isolar sinais de alto e de baixo nível de potência. Em Prover (lê-se prúver) Prover (lê-se prúver) é um sistema usado para calibrar medidor de vazão, in situ. Pode ser balístico ou esférico. 64 Terminologia Instrumentação, relé é o nome alternativo para o computador analógico pneumático. Resposta O comportamento da saída de um instrumento em função da entrada, ambas relativas ao tempo. As entradas clássicas para se observar a saída são: rampa, degrau e senóide. A saída pode ter componentes em regime permanente (steady state) e transiente. Repetitividade A proximidade entre um número consecutivo de medições do mesmo valor de uma grandeza, sob as mesmas condições de operação. É usualmente medida como não repetitividade e expressa como repetitividade, em percentagem da amplitude de faixa. É um dos parâmetros da precisão do instrumento. Na atual terminologia do INMETRO, mesmo que precisão. Ressonância A ressonância de um sistema ou elemento é uma condição evidenciada por grande amplitude de oscilação, que resulta quando uma pequena amplitude de entrada periódica tem uma freqüência se aproximando da freqüência natural do sistema. Reprodutitividade A proximidade entre um número consecutivo de medições do mesmo valor de uma grandeza, sob as mesmas condições de operação, durante um período de tempo. É medida como não reprodutitividade e expressa como reprodutitividade, em percentagem da amplitude de faixa. É um dos parâmetros da precisão do instrumento e inclui histerese, banda morta, desvio e repetitividade. Reynolds, número de Número adimensional que relaciona as forcas inerciais e viscosas de um escoamento de fluido. Está relacionado com o estado laminar ou turbulento da vazão. Na prática, é usado para verificar a aplicabilidade de determinado medidor de vazão. Reset Reset (rearme) é a restauração de um equipamento de memória ou estágio binário para um estado prescrito, usualmente zero. Chave do sistema de intertravamento ou alarme que habilita o sistema para voltar a funcionar. Nome alternativo para a ação integral, que elimina o desvio permanente do controlador. A condição reset de um circuito flip flop em que o estado interno é levado a zero. O modo reset é considerado o modo de condição inicial. RTD Acróstico para Detector de Temperatura a Resistência. Sensor de temperatura de natureza elétrica que fornece informação da temperatura quando há variação na resistência de um fio metálico como uma função da temperatura. O metal default é a platina (Pt 100). Fig. 1.4.31. Sensor tipo RTD dentro do bulbo Resolução A mínima variação detectável de alguma variável em um sistema de medição. O mínimo intervalo entre dois detalhes discretos adjacentes que podem ser distinguidos um do outro. 65 Terminologia Rotâmetro Um medidor de vazão baseado na proporcionalidade da elevação de um deslocador em uma tubo graduado cônico, arranjado verticalmente. Genericamente (e erradamente), chama-se qualquer medidor de vazão de rotâmetro. Rotâmetro de purga é um indicador de presença ou não de vazão de ar, usado em medição de nível de líquido de tanque com borbulhamento de ar comprimido. intensidade luminosa (candela). A partir destas unidades de base, pode-se criar qualquer unidade derivada. O SI dá o estado oficial e recomendado para uso universal pela Conferência Geral de Pesos e Medidas. Sinal Variável física (visual, aural ou de outra natureza) que contem a informação acerca de outra variável. O sinal pode estar na entrada ou na saída do instrumento. Sinal analógico representa uma variável que pode ser continuamente observada e representada. O sinal analógico é medido. O sinal de 4 a 20 mA é analógico. Sinal digital representa uma variável através de um conjunto de valores discretos, de acordo com uma regra (protocolo). O protocolo HART é um sinal digital. Sinal binário representa uma variável através de um bit, que pode ser 0 ou 1. A saída de uma chave é um sinal binário, pois ela só pode estar aberta ou fechada. Sinal de pulsos representa uma variável através de um conjunto de pulsos, onde a informação pode estar na freqüência, amplitude, fase ou posição dos pulsos. Um pulso só pode ser contado e não medido. A relação sinal/ruído (S/N – signal – noise) expressa a qualidade do sinal; quanto maior a relação, melhor é o sinal. Em Instrumentação, existe um instrumento com a função de selecionar sinal (e.g., o maior, o menor, o do meio). Fig. 1.4.32. Rotâmetros de área variável Ruído Um componente indesejável de um sinal ou variável. O ruído deve ser da mesma natureza que a do sinal. O ruído pode ser expresso em unidades da saída ou em percentagem da saída. Saturação A condição de um sistema em que o aumento da entrada não produz mais aumento na saída, pois ela já atingiu seu limite físico. A saturação pode ocorrer no máximo (mais comum) ou no mínimo. Em controle de processo, um controlador com ação integral pode saturar quando o erro da medição for muito demorado. Segurança intrínseca Classe de proteção em que o sistema e a fiação são incapazes de liberar energia elétrica ou termal, sob condições normais e anormais, para causar ignição de uma mistura atmosférica específica em sua concentração mais facilmente ignitável. A segurança intrínseca se baseia em colocação de barreiras de energia elétrica entre as áreas de risco e segura. Equipamento intrinsecamente seguro pode ser usado em área segura e de Zona 0 a 2. Esta classe de proteção é simbolizada como ex-ia e ex-ib. SI Símbolo do Sistema Internacional de Unidades, criado em 1960. SI é um sistema de unidades físicas em que as quantidades fundamentais são sete (com suas unidades): comprimento (metro), massa (kilograma), tempo (segundo), temperatura (kelvin), corrente elétrica (ampere), quantidade de substância (mol), 66 Terminologia Segurança aumentada Equipamento ou instrumento que evita o aparecimento de faísca interna, através de um projeto e montagem especiais. Classe de proteção simbolizada como ex-e e só permitida em ambiente de Zona 2 (não pode ser usado em Zona 0 ou 1). aquisição de dados (geralmente feita por Controladores Lógico Programáveis) e um sistema de computador digital de uso geral onde é rodado um programa aplicativo para o controle supervisório. SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) Sistema digital de instrumentação que executa funções de controle estabelecidas e permite a transmissão dos sinais de controle e de medição. As diferentes funções: 1. interface com o campo, 2. interface com operador, 3. unidades de controle 4. gerenciamento do controle são distribuídas geograficamente e interligadas por um sistema de comunicação. Possui uma poderosa e amigável interface Homem-Máquina. Aplicado principalmente para controle de processos contínuos complexos. Sensitividade Relação da variação da saída sobre a variação da entrada que causa a saída, depois que se atinge o estado de regime. Também conhecida com ganho. Sensor Um dispositivo que converte uma variável física, como pressão, vazão, nível, análise e temperatura em uma quantidade analógica mais amigável, geralmente mecânica (deslocamento) ou elétrica (tensão ou resistência elétrica). O sensor não é um instrumento, mas é um componente do instrumento, p. ex.., do indicador, registrador, transmissor e controlador. Geralmente o sensor está em contato com o processo para detectar o valor da variável. Também chamado de elemento sensor, elemento primário, probe, detector e transdutor. XE é o sensor da variável X. A entrada e saída do elemento sensor são ambas não padronizadas. Cfr. Elemento final. Servomecanismo Um dispositivo de controle automático em que a variável controlada é a posição mecânica ou qualquer uma de suas derivadas no tempo. Fig. 1.4.33. Console de operação de um Sistema Digital de Controle Distribuído Sistema de Controle Um sistema em que a manipulação ou atuação é usada para conseguir uma valor predeterminado de uma variável. Sistema de Controle Automático é um sistema de controle que opera sem intervenção humana. Sistema de Controle Multivariável é um sistema de controle utilizando sinais de entrada derivados de duas ou mais variáveis de processo com o objetivo de afetar conjuntamente a ação do sistema de controle. Sistema de Aquisição de Dados Um sistema que faz a interface de muitos sinais analógicos, chamados canais, para um computador. Todas as chaves, controles e conversões estão incluídas no sistema. SCADA (Supervisory Control And Data Acquision) Acróstico para Controle Supervisório e Aquisição de Dados. Sistema digital para 67 Terminologia Sistema de Controle Não Interativo é um sistema de controle com vários elementos projetado para evitar distúrbios em outras variáveis controladas por causa de ajustes na entrada do processo que são feitos com o objetivo de controlar uma determinada variável de processo. Temperatura absoluta é aquela mensurável em teoria na escala de temperatura termodinâmica. A unidade SI é o kelvin (K). É a escala cujo 0 K corresponde a –273,16 oC. Temperatura ambiente é a temperatura do meio envolvendo um equipamento. 1. Para equipamento que não gera calor, é a mesma que a temperatura do meio envolvendo o equipamento quando o equipamento não está presente. 2. Para equipamento que gera calor, é a mesma que a temperatura do meio envolvendo o equipamento quando o equipamento está presente e dissipando calor. 3. Os limites da máxima temperatura ambiente permissível são baseados na hipótese que o equipamento em questão não esteja exposto a fonte de energia radiante significativa. Temperatura do processo é a do meio do processo no elemento sensor. Temperatura relativa é aquela obtida de pontos notáveis de mudança de estado de substância pura. As escalas clássicas são a Celsius (não usar grau centígrado!) e a Farenheit. Estas escalas valem em relação ao zero absoluto: 0 K = -273,16 oC 0 oR = -459,69 oF Software (SW) Em informática, o software se refere aos programas que fornecem as instruções para o computador nas operações e cálculos a serem feitos. Geralmente os softwares são disponíveis em disquete, disco rígido ou CD-ROM, de onde podem ser instalados e carregados no computador. Quando o programa está gravado permanentemente em um circuito, ele é chamado de firmware. Solenóide Bobina. A solenóide está geralmente associada a um conjunto de contatos (relé) ou a um corpo de válvula (válvula solenóide). Strain gage Ver Célula de Carga Tacômetro Instrumento que mede a velocidade angular de um eixo rotativo, em rotação por minuto. Tempo Dimensão do universo físico, em um dado local, que ordena a seqüência de eventos. É uma das sete unidades de base do SI, cuja unidade é o segundo (s). Tempo característico é o atraso de reposta de um sistema, quando a saída leva para atingir aproximadamente 63% do valor final, em resposta a um degrau aplicado na entrada. O tempo característico é também chamado de constante de tempo do sistema. Tempo derivativo é o tempo que a ação derivativa de um controlador PD se adianta da ação proporcional, quando se aplica uma rampa na entrada. O tempo derivativo é igual à ação integral. Cfr. Controle, ação derivativa. Tempo integral é o tempo que a ação integral de um controlador PI leva para repetir a ação proporcional, quando se Telemetria Transmissão e recepção a distância de sinais, através do ar, por meio de ondas de rádio freqüência ou linha telefônica. Temperatura Uma propriedade de um objeto que determina o sentido do fluxo de calor quando o objeto é colocado em contato termal com outro objeto: o calor flui de uma região de mais alta temperatura para uma de mais baixa. Pode ser medida por uma escala experimental (baseada em alguma propriedade ou por um instrumento) ou por uma escala de temperatura absoluta. A temperatura é uma das sete grandezas de base do SI. 68 Terminologia aplica um degrau na entrada. O tempo integral é o inverso da ação integral. Cfr. Controle, ação integral. Tempo morto é o intervalo de tempo entre uma variação no sinal de entrada para um sistema de controle e a resposta para o sinal. Durante o tempo morto o processo está incapaz de responder a qualquer estímulo na entrada. momento da força ou momento de rotação. A unidade SI é newton x metro (N.m). O produto escalar força x distância = trabalho (N x m = J) Transdutor Em Engenharia, qualquer dispositivo que converte um sinal de entrada em um sinal de saída de forma diferente. Em Instrumentação, é o instrumento que converte o sinal padrão pneumático em sinal eletrônico (P/I) ou vice-versa (I/P). Incorretamente chamado de conversor. A entrada e saída do transdutor são ambas padrão. Tag: XY. Termistor Sensor de temperatura a semicondutor, que converte a temperatura em resistência, geralmente não linear e com coeficiente termal negativo. Termômetro Genericamente, instrumento que mede temperatura. Em instrumentação, se aplica geralmente a indicador local de temperatura. Transferível Característica do sistema que permite ao operador canalizar ou dirigir um sinal de um instrumento para outro, sem necessidade de alterar a fiação. A transferência pode ser por chave ou por teclado. Termopar Sensor de temperatura de natureza elétrica que produz uma tensão aproximadamente linear e proporcional à diferença da temperatura medida e uma temperatura de referência conhecida. Transiente Comportamento de uma variável durante a transição entre dois estados em regime. Geralmente, o transiente é rápido. Transmissor Instrumento que sente uma variável de processo e gera um sinal padrão eletrônico ou pneumático proporcional ao valor da variável. A entrada do transmissor é nãopadrão e a saída é padrão. Tag XT Transmissão é a transferência à distância de sinais padronizados, feita através de fio (eletrônico) ou tubo (pneumático). Os sinais padrão de transmissão são: 1. pneumático: 20 a 100 kPa 2. eletrônico analógico: 4 a 20 mA 3. eletrônico digital: HART (de facto) Transmissor inteligente é o transmissor a base de microprocessador e cuja saída única é um protocolo digital, como HART, Fieldbus ou FoxCom. Transmissor híbrido é aquele com duas saídas simultâneas: um protocolo digital e o sinal padrão de 4 a 20 mA cc. Fig. 1.4.37. Sensores tipo termopar Teste, Ponto de Pontos acessíveis para a instalação temporária e intermitente de instrumento de medição, para fins de manutenção. Teste, Chave de Chave do sistema de intertravamento e alarme que, quando acionada, evidenciamse as falhas de lâmpadas e verifica a lógica do sistema. Torque Produto vetorial de uma força por uma distancia. Também conhecido como 69 Terminologia Válvula de Controle Equipamento usado para regular a vazão de fluidos em tubulações e máquinas, recebendo o sinal de saída do controlador e atuando na variável manipulada. É o elemento final de controle mais utilizado. Tag XV ou XCV. Fig. 1.4.35. Transmissor eletrônico Tubo de vazão (flow tube ou meter run) Tubo metálico, com acabamento especial e dimensões criteriosamente escolhidas, usado para alojar um elemento sensor de vazão, para melhorar a precisão da medição. Fig. 1.4.38. Válvula de controle (Fisher) Fig. 1.4.36. Tubo de vazão ou meter run Válvula de segurança Válvula acionada por mola e atuada pela pressão que permite o fluido escapar do recipiente pressurizado em uma pressão ligeiramente acima do nível seguro de trabalho. Chamada de válvula de seguranca para líquido, quando abre continuamente ou válvula de alivio para gás, quando abre repentinamente. Tag: PSV. Turbina medidora de vazão Instrumento medidor de vazão baseado na geração de um trem de pulsos cuja freqüência é linearmente proporcional à vazão volumétrica. Fig. 1.4.37. Turbina medidora de vazão Vapor Vapor é um gás à temperatura abaixo da temperatura crítica, de modo que ele pode ser liqüefeito por compressão, sem baixar a temperatura. Sob o ponto de vista termodinâmico, gás e vapor possuem o mesmo significado prático. O vapor d'água, água no estado gasoso, é o fluido de trabalho mais usado na industria para aquecimento, limpeza e reação de processo. O vapor d'água é gerado na caldeira. Umidade Ar é uma mistura de oxigênio, nitrogênio e vapor d'água. Umidade é a quantidade de vapor d'água na atmosfera. As unidades de umidade são: 1. umidade relativa, de 0 a 100% 2. dew point (ponto de saturação) ou temperatura do bulbo seco e molhado 3. relação de volumes ou de massas Genericamente, o medidor de umidade é chamado de higrômetro. Variável de Processo Qualquer grandeza física mensurável, como pressão, temperatura, nível, vazão e análise. Pode ser classificada como controlada, manipulada e carga do processo. 70 Terminologia Variável controlada é a regulada pela malha de controle. Variável manipulada é a atuada no elemento final de controle, através do controlador, para regular a controlada. Geralmente é a vazão de um fluido. Variável medida é a quantidade, propriedade ou condição que é medida. É também chamada de mensurando. Carga do processo são todas as variáveis envolvidas que afetam a controlada, exceto a controlada e manipulada. as massas de sua posição de equilíbrio. A vibração resultante é uma tentativa das forças agirem nas massas para equalizálas. Viscosidade Variável de processo ou grandeza física que consiste na resistência que um gás ou líquido oferece para fluir quando é submetido a uma tensão de cisalhamento. Também conhecida como resistência à vazão ou atrito interno. Vazão Variável de processo associada com volume ou massa de fluido que passa por um ponto durante determinado intervalo de tempo. Vazão é o movimento contínuo de fluido (gás, vapor ou líquido) através de uma tubulação fechada ou canal aberto. Vazão também pode ser o movimento discreto de objetos sólidos através de uma esteira. Em Instrumentação, a vazão pode ser detectada (FE), transmitida (FT), indicada (FI), registrada (FR), totalizada (FQ), alarmada (FA) ou chaveada (FS). Visor de nível Indicador local e direto de nível, através de uma escala transparente graduada. Tag do visor é LG (level glass). Vortex Medidor de vazão baseado na formação e medição da freqüência de vórtices provocados por um sensor de canto vivo colocado no fluxo do fluido. Venturi Tubo venturi é um elemento sensor de vazão, com geometria definida, que produz uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica. Fig. 1.4.40. Medidor de vazão tipo vortex Wheatstone, ponte de Fig. 1.4.39. Tubo medidor de vazão venturi Circuito eletrônico consistindo de 4 resistências, de modo que, quando balanceado (corrente em D nula), são iguais os produtos das duas resistências opostas (R1 x R4 = R2 x R3). É o circuito default para medir resistências e pequenas tensões desconhecidas. Vibração Movimento periódico ou oscilação de um elemento, equipamento ou sistema. Variável de processo que é medida e monitorada em sistema de proteção de grandes máquinas rotativas. A vibração é causada por qualquer excitação que desloca algumas ou todas 71 Terminologia R1 E R3 D R2 R4 Fig. 1.4.41. Circuito da ponte de Wheatstone Ziegler – Nichols Método de sintonia do controlador, onde a determinação dos ajustes ótimos se baseia na determinação do ganho proporcional que causa instabilidade na malha fechada. Decaimento 4:1 Fig. 1.4.42. Resposta de controlador bem sintonizado Apostilas\Instrumentação Terminologia.DOC 10 DEZ 98 72 2 Funções 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Introdução Elemento Sensor Condicionadores de Sinal Transmissor Indicador Registrador Computador de Vazão Controlador Válvula de Controle 73 2.0 Funções dos Instrumentos Objetivos de Ensino 1. Relacionar as necessidades e aplicações das medições das variáveis, em controle, monitoração e alarme de processos industriais. 2. Apresentar as principais funções da medição e controle: deteção da variável, condicionamento do sinal, apresentação dos dados e atuação no processo. 3. Mostrar os principais tipos de instrumentos, pelo princípio de funcionamento, atuação, alimentação, natureza do sinal. Estas funções podem ser feitas por um ou vários módulos. 1.2. Tipos de Medição Há três procedimentos principais de medição: 1. medição direta 2. comparação 3. substituição Medição direta Como o nome sugere, esta é a forma mais simples de medição. Por exemplo, se mede a voltagem escolhendo um medidor com a faixa correta de voltagem, ligando-o nos terminais apropriados e lendo a voltagem diretamente da posição do ponteiro na escala ou nos dígitos do display. O método equivalente na pesagem é tomar uma balança com mola, com a faixa correta, colocar nela o peso desconhecido e ler o deslocamento na escala calibrada. Os dois métodos possuem várias coisas em comum. Ambos os métodos se baseiam no comportamento de algum sistema físico (sensor e processador do sinal) para converter a quantidade medida (sinal de entrada) em uma quantidade observável (sinal de saída). Para o voltímetro, o processo físico é a rotação da bobina móvel quando a corrente passa por ela. O balanço da mola se baseia no deslocamento causado pela força da gravidade no peso. Para os dois instrumentos, é necessária uma calibração inicial da posição do ponteiro, como uma função da magnitude do sinal de entrada. Isto é feito somente em uma posição, tipicamente na deflexão de fundo de escala e a precisão da leitura em outros pontos depende da linearidade da resposta do sistema. A 1. Instrumentos de Medição 1.1. Introdução Em Instrumentação, o termo medir é vago e ambíguo. Normalmente, quando se fala medir, se quer dizer indicar o valor de uma variável. Porém, o mesmo termo medir se refere a sentir. Mais ainda, medir pode incluir transmitir, registrar, totalizar, alarmar ou controlar. Embora a instrumentação trate dos instrumentos medidores, não existe símbolo (tag) para o medidor, mas para indicador (I), transmissor (T), registrador (R), totalizador (Q), alarme (A) e controlador (C) e condicionador (Y). Esta confusão aparece porque um sistema completo de medição envolve as funções básicas de 1. sentir a variável 2. condicionar o sinal 3. apresentar o valor da variável. 74 Funções dos Instrumentos precisão contínua do instrumento entre as calibrações depende do valor pelo qual a resposta do sistema pode variar, devido ao envelhecimento e outros efeitos. A precisão da medição direta depende fundamentalmente do sistema físico escolhido como transdutor e processador do sinal, do número de vezes de calibração do sistema e da qualidade do equipamento usado. outro sistema físico para se obter o valor da quantidade medida. Fig. 2.1.2. Medição por comparação É verdade que é necessário usar e se usa um sistema de medição para indicar a obtenção do balanço do nulo. O sistema necessita apenas da leitura do zero; ele não precisa ser calibrado nem precisa dar uma resposta linear. O sistema de medição deve ser calibrado ou ajustado somente quando as leituras estiverem fora do equilíbrio. Medição por substituição Como já visto, o método comparativo de medição é fundamentalmente mais preciso do que o método correspondente de medição direta, por que se elimina o sistema de medição como meio de interpretar o sinal de entrada sendo medido. Foi visto também que uma forma limitada de sistema de medição era usar o registro da posição do balanço do nulo. Um método mais preciso ainda de medição elimina qualquer efeito do sistema de medição. Como exemplo, seja a balança química com dois pratos, que fica balançada exatamente quando há a massa de 200 g em cada prato. Agora, se estes pesos forem removidos e um peso de apenas 1 g for colocado em cada prato, haverá ainda um balanço perfeito? Espera-se que sim. Porém, entre a primeira e a segunda medições foram removidas 398 g do sistema e isto afetará as tensões e resistências presentes nos braços, suportes e ponteiro. É bem possível que haja uma pequena variação no comportamento do sistema, dando um erro na medição da 1 g. Em uma balança mais precisa deveria haver uma garantia que o peso total no Fig. 2.1.1. Medição direta Medição comparativa - balanço de nulo O método comparativo de pesagem deve ser muito familiar a todos. Usam-se dois pratos da balança para comparar os pesos da massa desconhecida e da massa conhecida. Quando eles forem iguais, não haverá deflexão do ponteiro. Quando um for maior que o outro, haverá uma deflexão para algum dos lados da balança. Tudo se resume a uma questão de se ter pesos calibrados conhecidos para que se tenha a pesagem exata de qualquer massa desconhecida. Não há necessidade de calibração. Em cada medição, a quantidade desconhecida é comparada diretamente com uma quantidade conhecida. Uma situação similar pode ocorrer na medição elétrica. Pode-se produzir uma voltagem conhecida e então compará-la com uma voltagem desconhecida. A comparação real é feita usandose um galvanômetro que detecta se há passagem ou não de corrente por ele. Quando as voltagens forem diferentes, haverá passagem de corrente em alguns dos dois sentidos, dependendo do valor relativo das voltagens. Quando elas forem iguais não haverá corrente pelo galvanômetro. Quando se obtém a posição zero (nulo), garante-se que as voltagens são exatamente iguais. Este método, chamado de balanço de nulo, é extremamente preciso porque ele não se baseia em qualquer 75 Funções dos Instrumentos sistema não variasse, mesmo se forem medidos pesos de diferentes valores. Isto pode ser feito pelo método da substituição. Uma balança perfeita é obtida com os pesos calibrados de 200 g no prato B. Um peso desconhecido M é colocado no prato A. Para se consiga um novo balanço, agora é necessário remover pesos do prato B. desejado ou variando dentro de limites estreitos. Só se controla uma variável. Não se pode ou não há interesse em controlar grandeza que seja constante. O controle pode ser obtido manualmente, quando o operador atua no processo baseando-se nas medições e indicações de grandezas do sistema. O controle manual é de malha aberta e é matematicamente estável. Há várias técnicas e teorias para se obter o controle automático de processos industriais. A técnica básica e a mais usada é através da malha fechada com realimentação negativa (feedback), onde 1. mede se a variável controlada na saída do processo, 2. compara-a com um valor de referência e 3. atua na entrada do processo, 4. de modo a manter a variável controlada igual ao valor desejado ou variando em torno deste valor. O controle automático com realimentação negativa pode se tornar mais complexo, envolvendo muitas variáveis de processo simultaneamente. São casos particulares de controle a realimentação negativa multi variável: cascata, faixa dividida (split range) e auto-seletor. Outra técnica alternativa é o controle de malha fechada preditivo antecipatório (feedforward). Esta estratégia envolve 1. a medição de todos os distúrbios que afetam a variável controlada, 2. um modelo matemático do processo sob controle, 3. a atuação em uma variável manipulada, 4. no momento em que há previsão de variação na variável controlada e antecipando-se ao aparecimento do erro. 5. para manter a variável controlada constante e igual ao valor desejado, Um caso particular e elementar de controle preditivo antecipatório é o controle de relação de vazões. Atualmente, com a aplicação intensiva e extensiva de instrumentação digital a microprocessador e com computadores, há vários níveis de estratégias de controle, como: Fig. 2.1.3. Medição por substituição O peso removido de B é igual ao peso desconhecido colocado no prato A, de modo que este peso foi medido. Porem, o que é significativo neste novo sistema é que o peso total na balança não foi alterado. Tudo que aconteceu foi a substituição de um peso desconhecido por um peso conhecido e as condições do sistema de medição (balança) não foram alteradas. Assim, a medição por substituição envolve a recolocação de algo de valor desconhecido por algo de valor conhecido, sem alterar as condições de medição. Por exemplo, seja a resistência de valor desconhecido em um circuito. Se ela é substituída por uma resistência de valor conhecido, R, de modo que a voltagem e a corrente no circuito continuem exatamente as mesmas, então o valor da resistência desconhecida é também igual a R. 2. Aplicações da Medição Os principais usos da medição em processos industriais e operações são: 1. controle 2. monitoração 3. alarme. 2.1. Controle Controlar uma variável de processo é mantê-la constante e igual a um valor 76 Funções dos Instrumentos 1. controle 2. coordenação 3. otimização 4. gerenciamento. Ao nível do processo, no chão de fábrica, há o controle de regulação automática, envolvendo as variáveis de processo, dados de engenharia e com alta freqüência de atuações. Acima do nível do controle de processo, há o controle de coordenação, quando são estabelecidos os pontos de ajustes dos controladores e é feita a supervisão do controle. Acima deste nível, tem-se a otimização do controle, quando são usados e analisados os dados do processo, para o controle estatístico. Finalmente, no topo da pirâmide, temse o controle de gerenciamento da planta. Quanto mais elevado o nível, maior o nível de administração e de complexidade. Quanto mais baixo e próximo do processo, mais engenharia e menos complexidade. continuamente, analisam-se as condições do processo e, em caso extremo, pode-se desligar o sistema, de modo automático ou manual, quando os limites críticos de segurança são atingidos. 2.3. Alarme Em sistemas de controle e de monitoração é comum se ter alarmes. Um sistema de alarme opera dispositivos de aviso (luminoso, sonoro) após a ocorrência de uma condição indesejável ou perigosa no processo. O sistema de alarme é usado para chamar a atenção do operador para condições anormais do processo, através de displays visuais e dispositivos sonoros. Os displays visuais geralmente piscam lâmpadas piloto para indicar condições anormais do processo e são codificados por cores para distinguir condições de alarme (tipicamente branca) e de desligamento (tipicamente vermelha). Diferentes tons audíveis também podem ser usados para diferenciar condições de alarme e de desligamento. Um sistema de alarme possui vários pontos de alarme que são alimentados por uma única fonte de alimentação. O anunciador de alarme apresenta a informação operando em seqüência. A seqüência descreve a ordem dos eventos, incluindo as ações das chaves de alarme, lógica do anunciador, sinal sonoro, display visual e ação do operador. Tipicamente, cada seqüência tem quatro objetivos: 1. alertar o operador para uma condição anormal, 2. indicar a natureza da condição anormal (alarme ou desligamento), 3. requerer a ação de conhecimento pelo operador 4. indicar quando o sistema retorna à condição normal. 2.2. Monitoração Monitorar é supervisionar um sistema, processo ou operação de máquina, para verificar se ele opera corretamente durante sua operação. Em instrumentação, é comum usar instrumentos para medir continuamente ou em intervalos uma condição que deve ser mantida dentro de limites pré determinados. São exemplos clássicos de monitoração: 1. radioatividade em algum ponto de uma planta nuclear, 2. deslocamento axial ou vibração radial de eixos de grandes máquinas rotativas, 3. reação química em reatores através da análise de composição dos seus produtos. Um sistema de monitoração é diferente de um sistema de controle automático porque não há atuação automática no sistema, ou por incapacidade física de atuação ou por causa dos grandes atrasos entre as amostragens, medições e atuações. No sistema de monitoração, todas as indicações e registros são avaliados 3. Sistema de Medição Embora haja vários tipos de controle, vários níveis de complexidade, vários enfoques diferentes, há um parâmetro em comum no controle, monitoração e 77 Funções dos Instrumentos alarme do processo: a medição das variáveis e grandezas do processo. A medição é fundamental. A base de um controle correto é a medição precisa da variável controlada. básicos, que fazem parte de todos instrumentos: 1. elemento sensor ou elemento transdutor, que detecta e converte a entrada desejada para uma forma mais conveniente e prática a ser manipulada pelo sistema de medição. O elemento sensor é também chamado de elemento primário ou transdutor. Ele constitui a interface do instrumento com o processo. 2. elemento condicionador do sinal, que manipula e processa a saída do sensor de forma conveniente. As principais funções do condicionador de sinal são as de amplificar, filtrar, integrar e converter sinal analógicodigital e digital-analógico. 3. o elemento de apresentação do dado, que dá a informação da variável medida na forma quantitativa. O elemento de apresentação de dado é também chamado de display ou readout. Ele constitui a interface do instrumento com o operador do processo. Os elementos auxiliares aparecem em alguns instrumentos, dependendo do tipo e da técnica envolvida. Eles são: 1. elemento de calibração para fornecer uma facilidade extra de calibração embutida no instrumento. Os transmissores inteligentes possuem esta capacidade de autocalibração incorporada ao seu circuito. 2. elemento de alimentação externa para facilitar ou possibilitar a operação do elemento sensor, do condicionador de sinal ou do elemento de display. 3. elemento de realimentação negativa para controlar a variação da quantidade física que está sendo medida. Este elemento possibilita o conjunto funcionar automaticamente, sem a interferência do operador. (a) elemento sensor real desmontado (b) elemento e transmissor Fig. 2.1.4. Transmissor de temperatura com sistema de enchimento termal A instrumentação para fazer estas medições é vital para a indústria. O uso de instrumentação em sistemas como casa de força, indústrias de processo, máquinas de produção automática, com vários dispositivos de controle, manipulação e segurança revolucionou e substituiu velhos conceitos. Os instrumentos tem produzido uma grande economia de tempo e mão de obra envolvida. Os sistemas de instrumentos agem como extensões dos sentidos humanos e facilitam o armazenamento da informação de situações complexas. Por isso, a instrumentação se tornou um componente importante das atividades rotineiras da indústria e contribuiu significativamente para o desenvolvimento da economia. Um sistema genérico de medição consiste dos seguintes elementos 78 Funções dos Instrumentos (a) instrumento desmontado (b) lateral Fig. 2.1.6. Registro de temperatura a termopar ou RTD (c) Vista frontal do instrumento Fig. 2.1.5. Indicador de pressão manométrica ou manômetro com bourdon C Por exemplo, no indicador analógico de pressão com bourdon C, o elemento sensor é o tubo metálico em forma de C. A pressão a ser medida é aplicada diretamente no sensor que sofre uma deformação elástica, produzindo um pequeno movimento mecânico. A entrada do sensor é a pressão e a saída é um movimento mecânico. Este pequeno movimento é mecanicamente amplificado por meio de engrenagens e alavancas, que constituem os elementos condicionadores do sinal. Finalmente, um ponteiro é fixado na engrenagem e executa uma excursão angular sobre uma escala graduada em unidade de pressão. O conjunto escala e ponteiro constitui o elemento de apresentação de dados. Este instrumento é analógico e seu funcionamento é mecânico. Ele não requer alimentação externa, pois utiliza a própria energia da pressão para funcionar. Em outro exemplo, no registro de temperatura com termopar ou RTD, o termopar ou o RTD (detector de temperatura a resistência) é o elemento sensor que detecta a temperatura a ser medida. A temperatura medida gera uma pequena tensão ou varia a resistência elétrica do RTD. Esta pequena tensão ou resistência é medida por um circuito eletrônico chamado de ponte de Wheatstone. A tensão ou a variação da resistência é linearmente proporcional à temperatura medida. A ponte de Wheatstone é um condicionador de sinal. Através de uma polarização externa e um balanço de nulo, é possível determinar a tensão gerada pelo termopar ou variação da resistência elétrica do RTD. O circuito da ponte também processa o sinal elétrico, amplificando-o, filtrando-o de ruídos externos e, no caso, convertendoo para um sinal para o registro final da temperatura. Este instrumento é eletrônico e a indicação é digital. A apresentação de dados não é feita através do conjunto pena e gráfico do registrador. Apostilas\Instrumentação 20Ffunção.doc 11 DEZ 98 ( Substitui 26 ABR 97) 79 Sensor 2.1 Elemento Sensor 1. Conceito O elemento sensor não é um instrumento mas faz parte integrante da maioria absoluta dos instrumentos. O elemento sensor é o componente do instrumento que converte a variável física de entrada para outra forma mais usável. A grandeza física da entrada geralmente é diferente grandeza da saída. O elemento sensor depende fundamentalmente da variável sendo medida. O elemento sensor geralmente está em contato direto com o processo e dá a saída que depende da variável a ser medida. Exemplos de sensores são: 1. o tubo bourdon que se deforma elasticamente quando submetido a uma pressão, 2. o strain gauge que varia a resistência elétrica em função da pressão exercida sobre ele; 3. o sensor bimetal que varia o formato em função da variação da temperatura medida, 4. o termopar que gera uma militensão em função da diferença de temperatura entre dois pontos; 5. a placa de orifício que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica que passa no seu interior. Se há mais de um elemento sensor no sistema, o elemento em contato com o processo é chamado de elemento sensor primário, os outros, de elementos sensores secundários. Por exemplo, a placa de orifício é o elemento primário da vazão; o elemento que mede a pressão diferencial gerada pela placa é o secundário. Em alguns processos o elemento sensor pode estar protegido por algum outro dispositivo, de modo que ele não fica em contato direto com o processo. O selo de pressão e o poço de temperatura são exemplos de acessórios que evitam o contato direto do sensor com o processo. Os nomes alternativos para o sensor são: elemento transdutor, elemento primário, detector, probe, pickup ou pickoff. 2. Terminologia De um modo geral, transdutor é o elemento, dispositivo ou instrumento que recebe a informação na forma de uma quantidade e a converte para informação para esta mesma forma ou outra diferente. Aplicando este definição, são transdutores: elemento sensor, transmissor, transdutor corrente para pneumático (i/p) e pneumático para corrente (p/i), conversor eletrônico analógico para digital (A/D) e conversor digital para analógico (D/A). A norma ISA 37.1 (1982): Electrical Transducer Nomenclature and Terminology padroniza a terminologia e recomenda o seguinte: 1. elemento sensor ou elemento transdutor para o dispositivo onde a entrada e a saída são ambas não-padronizadas e de naturezas iguais ou diferentes. 2. transmissor para o instrumento onde a entrada é não-padronizada e a saída é padronizada e de naturezas iguais ou diferentes. 3. transdutor para o instrumento onde a entrada e a saída são ambas padronizadas e de naturezas diferentes. 80 Sensor 4. conversor para o instrumento onde a entrada e a saída são ambas de natureza elétrica mas com características diferentes, como o conversor A/D (analógico para digital), D/A (digital para analógico), conversor I/F (corrente para freqüência), conversor i/v (corrente para voltagem). O nome correto e completo do elemento transdutor recomendado pela norma ISA 37.1 (1982) inclui: 1. o nome transdutor, 2. variável sendo medida, 3. modificadora restritiva da variável, 4. princípio de transdução, 5. faixa de medição, 6. unidade de engenharia. Exemplos de elementos sensores: 1. Transdutor, pressão, diferencial, 0 a 100 kPa, potenciométrico 2. Transdutor, pressão de som, capacitivo, 100 a 160 dB. 3. Transdutor, aceleração, relativa, ±3 g. 4. Transdutor de pressão absoluta a strain gauge amplificador, 0 a 500 MPa. 5. 0-300 oC, resistivo, superfície, temperatura, transdutor. 14. Posição 15. Potência 16. Pressão e vácuo 17. Queima (combustão) 18. Radiação nuclear 19. Temperatura 20. Tempo 21. Tensão elétrica 22. Torque 23. Umidade 24. Vazão 25. Velocidade 26. Vibração 27. Viscosidade O segundo modificador do sensor se refere ao tipo ou à restrição da quantidade medida. Os exemplos incluem: 1. Absoluta (temperatura, pressão) 2. Angular (velocidade) 3. Diferencial (pressão, tensão) 4. Escalar (velocidade) 5. Gauge (pressão) 6. Infravermelha (luz) 7. Intensidade 8. Linear 9. Mássica (vazão) 10. Radiante 11. Relativa (densidade, pressão) 12. Superfície 13. Total 14. Vetorial (velocidade) 15. Volumétrica (vazão) O terceiro modificador é o princípio de transdução elétrico envolvido, como: 1. Capacitivo 2. Eletromagnético 3. Indutivo 4. Ionizante 5. Fotocondutivo 6. Fotovoltáico 7. Piezoelétrico 8. Potenciométrico 9. Relutante 10. Resistivo 11. Strain gauge 12. Termelétrico O quarto modificador do sensor se refere a alguma característica especial ou propriedade relevante do sensor. Ele serve para dar mais detalhe ao nome. Exemplos: 1. Amplificador 2. Autogerador 3. Cápsula 4. Chave 5. Colado 3. Modificadores Há quatro modificadores do sensor: 1. mensurando 2. tipo do mensurando 3. princípio elétrico 4. características especiais O mensurando ou quantidade medida determina o nome do elemento sensor. Embora as principais variáveis de processo sejam nível, pressão, temperatura e vazão, as possíveis variáveis medidas são: 1. Aceleração 2. Análise (composição, pH) 3. Atitude 4. Condutividade elétrica 5. Corrente elétrica 6. Deslocamento 7. Densidade 8. Força (peso) 9. Fluxo de calor 10. Freqüência 11. Luz 12. Nível de líquido 13. Número de Mach (velocidade relativa) 81 Sensor 6. Dobrável 7. Elemento exposto 8. Fole 9. Giro 10. Incremento discreto 11. Integrante 12. Saída ca (corrente alternada) 13. Saída cc (corrente contínua) 14. Saída digital 15. Saída dual 16. Saída freqüência 17. Semicondutor 18. Servo 19. Soldável 20. Tubo bourdon 21. Turbina 22. Ultra-sônico 23. Vibrante 1. Espiral (b) Enchimento termal (c). Placas de orifício Fig. 1.1. Elemento sensores mecânicos O elemento sensor mecânico não necessita de nenhuma fonte de alimentação externa para funcionar; ele é acionado pela própria energia do processo ao qual está ligado. Exemplos de elementos sensores mecânicos: 1. Espiral, para a medição de pressão; 2. Enchimento termal, para temperatura; 3. Placa de orifício, para a vazão 3. Princípios de transdução Conforme a natureza do sinal de saída, os sensores podem ser classificados como: 1. mecânicos 2. eletrônicos Praticamente, toda variável de processo pode ser medida eletronicamente e nem toda variável pode ser medida mecanicamente. Por exemplo, o pH só pode ser medido por meio elétrico. As principais vantagens do sinal eletrônico sobre o mecânico são: 1. não há efeitos de inércia e atrito, 2. a amplificação é mais fácil de ser obtida 3. a indicação e o registro à distância são mais fáceis. Durante o estudo das variáveis de processo, serão vistos com profundidade os princípios mais comuns descritos adiante. 5. Sensores Eletrônicos O elemento sensor eletrônico recebe na entrada a variável de processo e gera na saída uma grandeza elétrica, como tensão, corrente elétrica, variação de resistência, capacitância ou indutância, proporcional a esta variável. Há elementos sensores eletrônicos ativos e passivos. Os elementos ativos geram uma tensão ou uma corrente na saída, sem necessidade de alimentação externa. Exemplos: 1. cristal piezelétrico para a pressão 2. termopar para a temperatura 3. eletrodos para a medição de pH. Os circuitos que condicionam estes sinais necessitam de alimentação externa. Os elementos passivos necessitam de uma polarização elétrica externa para poder medir uma grandeza elétrica passiva para medir a variável de processo. As grandezas elétricas variáveis são: a resistência, a capacitância e a indutância. 4. Sensores Mecânicos O elemento sensor mecânico recebe na entrada a variável de processo e gera na saída uma grandeza mecânica, como movimento, força ou deslocamento, proporcional à variável medida. 82 Sensor Exemplo de elementos sensores passivos eletrônicos: 1. resistência detectora de temperatura 2. célula de carga (strain gauge) para a medição de pressão e de nível, 3. bobina detectora para a transdução do sinal de corrente para o sinal padrão pneumático. 1. pelo movimento de um dos eletrodos (placas), alterando a distancia d 2. pela variação da área das placas 3. pela variação do dielétrico entre as duas placas fixas. Atualmente, a maioria dos transmissores eletrônicos usa cápsulas capacitivas para a medição de pressão manométrica, absoluta ou diferencial. ∆C (a) Placas móveis, dielétrico fixo Fig. 1.2. Elemento sensor eletrônico de pH ∆C Os elementos sensores eletrônicos podem ser dos seguintes tipos: 1. capacitivo 2. indutivo 3. relutante 4. eletromagnético 5. piezoelétrico 6. resistivo 7. potenciométrico 8. strain gauge 9. fotocondutivo 10. fotovoltáico 11. termelétrico 12. ionizante (b) Placas fixas, dielétrico variável Fig. 1..3. Transdução capacitiva 5.2. Sensor indutivo O sensor indutivo converte a variável de processo medida em uma variação da auto-indutância elétrica de uma bobina. As variações da indutância podem ser causadas pelo movimento de um núcleo ferromagnético dentro da bobina ou pelas variações de fluxo introduzidas externamente na bobina com núcleo fixo. Há transmissores eletrônicos, a balanço de forças, que utilizam (ou utilizavam) bobinas detetoras para a medição da pressão. 5.1. Sensor capacitivo O sensor capacitivo converte a variável de processo medida em uma variação da capacitância elétrica. Um capacitor consiste de duas placas condutoras de área A separadas por um dielétrico (ε) pela distância d, conforme a expressão matemática seguinte: C=ε A d Assim, a variação de capacitância pode ser causada 83 Sensor Fig. 1.6. Transdução eletromagnética ∆L Fig.2.4. Transdução indutiva 5.5. Sensor piezoelétrico O sensor piezoelétrico converte uma variável de processo medida em uma variação de carga eletrostática (Q) ou voltagem (E) gerada por certos materiais quando mecanicamente estressados. O stress é tipicamente de forças de compressão ou tração ou por forças de entortamento exercida no cristal diretamente por um elemento sensor ou por um elo mecânico ligado ao elemento sensor. ∆E ou 5.3. Sensor relutante O sensor relutante converte a variável de processo medida em uma variação da voltagem devida a uma variação na relutância entre duas ou mais bobinas separadas e excitadas por tensão alternada (ou de duas porções separadas de uma mesma bobina). Esta categoria de sensores inclui relutância variável, transformador diferencial e ponte de indutâncias. A variação na trajetória da relutância é usualmente feita pelo movimento de um núcleo magnético dentro da bobina. ∆Q ∆E ou ∆Q Tap central ∆E Fig. 1.7. Transdução piezoelétrica (a) compressão ou tensão (b) força de entortamento Fig. 1.4. Transdução relutiva por transformador diferencial 5.6. Sensor resistivo O sensor resistivo converte a variável de processo medida em uma variação de resistência elétrica. As variações de resistência podem ser causadas em condutores ou semicondutores (termistores) por meio de aquecimento, resfriamento, aplicação de tensão mecânica, molhação, secagem de certos sais eletrolíticos ou pelo movimento de um braço de reostato. 5.4. Sensor eletromagnético O sensor eletromagnético converte a variável de processo medida em uma força eletromotriz induzida em um condutor pela variação no fluxo magnético, na ausência de excitação. A variação no fluxo feita é usualmente pelo movimento relativo entre um eletromagneto e um magneto ou porção de material magnético. ∆E 84 Sensor ∆R ∆R Fig. 1.10. Transdução de strain gauge A ∆R ∆R Ex D ∆E B Wheatstone polarizada, de modo que a saída é uma variação de voltagem. C Fig. 1.8. Transdução resistiva 5.9. Sensor fotocondutivo O sensor fotocondutivo converte a variável de processo medida em uma variação de resistência elétrica (ou condutância) de um material semicondutor devido à variação da quantidade de luz incidente neste material. 5.7. Sensor potenciométrico O sensor potenciométrico converte a variável de processo medida em uma variação de relação de voltagens pela variação da posição de um contato móvel (wiper) em um elemento resistivo, através do qual é aplicada uma excitação. A relação dada pela posição do elemento móvel é basicamente uma relação de resistências. Luz ∆R Ex + - Ew L ∆ Ew Ex Luz ∆E Fig. 1.11. Transdução foto condutiva Fig. 1.9. Transdução potenciométrica 5.8. Sensor strain gauge O sensor strain gauge converte a variável de processo medida em uma variação de resistência em dois ou quatro braços da ponte de Wheatstone. Este princípio de transdução é uma versão especial da transdução resistiva, porém, ela envolve dois ou quatro sensores strain gauges resistivos ligados em uma ponte de 5.10. Sensor fotovoltáico O sensor fotovoltáico converte a variável de processo medida em uma variação de tensão elétrica de um material semicondutor devido à variação da quantidade de luz incidente em junções de certos materiais semicondutores. 85 Sensor Fig. 1.12. Transdução fotovoltáica A qualidade da medição da variável sendo controlada estabelece a linha de referência do desempenho global do sistema. É muito importante entender os princípios físicos que permitem o sensor converter a variável do processo em uma grandeza elétrica ou mecânica. É fundamental estabelecer a exatidão, precisão, resolução, linearidade, repetitividade e tempo de resposta do sensor para as necessidades do sistema. Um sensor especificado com precisão insuficiente pode comprometer o desempenho de todo o sistema. No outro extremo, selecionar um sensor com precisão exagerada e difícil de ser conseguida na prática, não é justificado para um controle que não requer tanta precisão. 5.11. Sensor termoelétrico O sensor termoelétrico converte a variável de processo medida em uma variação de força eletromotriz gerada pela diferença de temperatura entre duas junções de dois materiais diferentes, devido ao efeito Seebeck. T1 T2 ∆E Fig. 1.13. Transdução termelétrica 5.12. Sensor iônico O sensor iônico converte a variável de processo medida em uma variação da corrente de ionização existente entre dois eletrodos. (a) Esquemático Fig. 1.14. Transdução ionizante 6. Escolha do sensor O objetivo de um sistema de controle é garantir uma correlação rigorosa entre a saída real e a saída desejada. A saída real é a variável de processo e a saída desejada é chamada de ponto de ajuste. Gasta se muita matemática, eletrônica e dinheiro para se obter e garantir o desempenho do sistema. Porém, por melhor que seja o projeto matemático ou a implementação eletrônica, o controle final não pode ser melhor que a percepção da variável do processo. (b) Físico Fig. 1.15. Elemento de enchimento termal, com compensação de temperatura ambiente 86 Sensor 7. Características Desejáveis do Sensor Em certos casos, o sensor do sinal de entrada pode aparecer discretamente em dois ou mais estágios, tendo-se o elemento primário, secundário e terciário. Em outros casos, o conjunto pode ser integrado em um único elemento. Algumas características desejáveis de um elemento sensor que devem ser consideradas em sua especificação e seleção para uma determinada aplicação são: 1. o elemento sensor deve reconhecer e detectar somente o sinal da variável a ser medida e deve ser insensível aos outros sinais presentes simultaneamente na medição. Por exemplo, o sensor de velocidade deve sentir a velocidade instantânea e deve ser insensível a pressão e temperatura locais. 2. o sensor não deve alterar a variável a ser medida. Por exemplo, a colocação da placa de orifício para sentir a vazão, introduz uma resistência à vazão, diminuindo-a. A vazão diminui quando se coloca a placa para medi-la. 3. o sinal de saída do sensor deve ser facilmente modificado para ser facilmente indicado, registrado, transmitido e controlado. Por isso, atualmente os sensores eletrônicos são mais preferidos que os mecânicos, pois são mais facilmente manipulados. 4. o sensor deve ter boa exatidão, conseguida por fácil calibração. 5. o sensor deve ter boa precisão, constituída de linearidade, repetitividade e reprodutibilidade. 6. o sensor deve ter linearidade de amplitude. 7. o sensor deve ter boa resposta dinâmica, respondendo rapidamente às variações da medição. 8. o sensor não deve induzir atraso entre os sinais de entrada e de saída, ou seja, não deve provocar distorção de fase. 9. o sensor deve suportar o ambiente hostil do processo sem se danificar e sem perder suas características. O sensor deve ser imune à corrosão, erosão, pressão, temperatura e umidade ambientes. 10. o sensor deve ser facilmente disponível e de preço razoável. D:\APOSTILA\INSTCONT 21Sensor.DOC 11 DEZ 98 (Substitui 15 ABR 95) 87 2.2 Transmissor 1. Conceitos básicos 1.1. Introdução Rigorosamente o transmissor não é necessário, nem sob o ponto de vista de medição, nem sob o ponto de vista de controle. A transmissão serve somente como uma conveniência de operação para tornar disponíveis os dados do processo em uma sala de controle centralizada, num formato padronizado. Na prática, por causa das grandes distâncias envolvidas, as funções de medição e de controle estão freqüentemente associadas aos sinais dos transmissores. O transmissor é geralmente montado no campo, próximo ao processo. Porém, ele também pode ser montado na sala de controle, como ocorre com o transmissor de temperatura com o termopar ou com a resistência elétrica. 1.2. Justificativas do Transmissor Antes do aparecimento do transmissor pneumático, circa 1930, o controlador era conectado diretamente ao processo. O controlador e o painel de controle deviam estar próximos ao processo. O transmissor oferece muitas vantagens em comparação com o uso do controlador ligado diretamente ao processo, tais como a segurança, a economia e a conveniência. 1. os transmissores eliminam a presença de fluidos flamáveis, corrosivos, tóxicos mal cheirosos e de alta pressão na sala de controle. 2. as salas de controle tornam-se mais práticas, com a ausência de tubos capilares compridos, protegidos, compensados e com grande tempo de atraso. 3. há uma padronização dos instrumentos receptores do painel; os indicadores, os registradores e os controladores recebem o mesmo sinal padrão dos transmissores de campo. Fig. 2.1. Transmissores para medição de nível Fig. 2.2. Transmissor montado em local hostil 88 Transmissor 1.3. Terminologia O transmissor é também chamado erradamente de transdutor e de conversor. Transdutor é um termo genérico que designa um dispositivo que recebe informação na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica a informação, a sua forma ou ambas e envia um sinal de saída resultante. Este termo é genérico e segundo este conceito, o elemento primário, transmissor, relé, conversor de corrente elétrica para pneumático e a válvula de controle são transdutores. Há uma norma na instrumentação, ANSI/ISA S37.1-1978 (R1982) que estabelece uma nomenclatura uniforme e consistente entre si e para elemento sensor, transmissor, conversor, transdutor. Elemento sensor Elemento sensor é um dispositivo integrante de um instrumento que converte um sinal não-padrão em outro sinal nãopadrão. Por exemplo, o bourdon C é um elemento sensor de pressão, que converte a pressão em um pequeno movimento proporcional. Nem a pressão de entrada e nem o deslocamento do sensor são padronizados. Todo transmissor possui um elemento sensor, que depende essencialmente da variável medida. Atualmente além do sensor da variável principal o transmissor inteligente possui outro sensor para medir a temperatura ambiente e fazer a compensação de suas variação sobre a variável principal. Já existe disponível comercialmente transmissor multivariável. No único invólucro do transmissor há vários sensores para medir simultaneamente a variável principal (vazão) e as secundárias (pressão e temperatura do processo), também para fins de compensação. Neste contexto, tem-se: 1. Sensor primário é o sensor que responde principalmente ao parâmetro físico a ser medido. 2. Sensor secundário é o sensor montado adjacente ao primário para medir o parâmetro físico que afeta de modo indesejável a característica básica do sensor primário (por exemplo, os efeitos da temperatura na medição de pressão). Fig. 2.3. Elementos sensores de pressão Transmissor O transmissor é o instrumento que converte um sinal não-padrão em um sinal padrão de natureza igual ou distinta. O transmissor sente a variável através de um sensor no ponto onde ele está montado e envia um sinal padrão, proporcional ao valor medido, para um instrumento receptor remoto. É desejável que a saída do transmissor seja linearmente proporcional à variável medida e nem sempre há esta linearidade. Por exemplo: o transmissor eletrônico de pressão sente um sinal de pressão, por exemplo, de 15 a 60 MPa, e o converte em um sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc e o transmite. Outro exemplo: o transmissor pneumático de pressão manométrica converte um sinal de pressão, e.g., de 60 a 100 MPa, em um sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi) e o transmite. Nos dois exemplos, as faixas da pressão de entrada são não padrão mas as saídas dos transmissores eletrônico (4 a 20 mA) e pneumático (20 a 100 kPa) o são. Transmissor sabido (smart) Transmissor sabido é um transmissor em que é usado um sistema microprocessador para corrigir os erros de não linearidade do sensor primário através da interpolação de dados de calibração mantidos na memória ou para compensar os efeitos de influência secundárias sobre o sensor primário incorporando um segundo sensor adjacente ao primário e 89 Transmissor interpolando dados de calibração armazenados dos sensores primário e secundário. Transdutor O transdutor é o instrumento que converte um sinal padrão em outro sinal padrão de natureza distinta. Por exemplo: transdutor pressão-para-corrente ou P/I converte o sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa no sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc e o transmite. O transdutor corrente-para-pressão ou I/P, converte o sinal padrão de corrente de 4-20mA cc no sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa e o transmite. O transdutor i/p compatibiliza o uso de um controlador eletrônico (saída 4 a 20 mA) com uma válvula com atuador pneumático (entrada 20 a 200 kPa). Elemento transdutor tem o mesmo significado que elemento sensor ou elemento primário. Fig. 2.4. Transmissor eletrônico (Foxboro) Transmissor inteligente Transmissor inteligente é um transmissor em que as funções de um sistema microprocessador são compartilhadas entre 1. derivar o sinal de medição primário, 2. armazenar a informação referente ao transmissor em si, seus dados de aplicação e sua localização e 3. gerenciar um sistema de comunicação que possibilite uma comunicação de duas vias (transmissor para receptor e do receptor para o transmissor), superposta sobre o mesmo circuito que transporta o sinal de medição, a comunicação sendo entre o transmissor e qualquer unidade de interface ligada em qualquer ponto de acesso na malha de medição ou na sala de controle. O primeiro termo que apareceu foi smart (sabido), que foi traduzido como inteligente. Depois, apareceu o transmissor intelligent, com mais recursos que o anterior. Porém, já havia o termo inteligente e por isso, no presente trabalho, traduziu-se smart por sabido e intelligent por inteligente. Atualmente os dois termos, smart e inteligente, tem o mesmo significado prático. Por exemplo, Fisher Rosemount usa o termo smart e a Foxboro usa o termo intelligent para o transmissor com as mesmas características. Por consistência, o transmissor convencional não inteligente é burro (dumb). Fig. 2.5. Transdutor i/p, montado na válvula Conversor O conversor é o instrumento que transforma sinais de natureza elétrica para formas diferentes. Por exemplo: conversor analógico/digital: transforma sinais de natureza analógica (contínuo) em sinais digitais (pulso descontínuo). Mutatis mutandis, tem-se o conversor digital/analógico, que transforma sinal digital em analógico. Geralmente, o conversor A/D e D/A está associado ao multiplexador, que converte várias entradas em uma única saída e o demultiplexador, que converte uma entrada em várias saídas. O conjunto conversor A/D e D/A e multiplexador e demultiplexador é também chamado de Modem (MODulador DEModulador). 90 Transmissor O transmissor inteligente, por ser digital e receber um sinal analógico, tem necessariamente em um conversor A/D em sua entrada. O transmissor híbrido, que é digital e possui a saída analógica de 4 a 20 mA deve possuir em sua saída um conversor D/A. Transmissor Receptor Fonte (a) Tipo. 2. Circuito com 2 fios Transmissor Receptor Fonte Fig. 2.6. Sinal analógico e digital 1.4. Transmissão do sinal O sinal de transmissão entre subsistemas ou dispositivos separados do sistema deve estar de conformidade com a norma ANSI/ISA SP 50.1 - 1982 (Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments) Esta norma estabelece, entre outras coisas, 1. a faixa de 4 a 20 mA, corrente continua, com largura de faixa de 16 mA, que corresponde a uma tensão de 1 a 5 V cc, com largura de faixa de 4 V 2. a impedância de carga deve estar entre 0 e um mínimo de 600 Ω. 3. o número de fios de transmissão, de 2, 3 ou 4. 4. a instalação elétrica 5. o conteúdo de ruído e ripple 6. as características do resistor de conversão de corrente para tensão, que deve ser de (250,00 ± 0,25) Ω e coeficiente termal de α ≤ 0,01%/oC, de modo que a tensão convertida esteja entre (1,000 a 5,000 ± 0,004) V 7. o resistor não deve se danificar quando a entrada for de 10 V ou de 40 mA. (b) Tipo 3. Circuito com 3 fios Receptor (c) Tipo 4. Circuito com 4 fios Fig. 2.7. Consideração do tipo de transmissor 1.5. Sinais padrão de transmissão Sinal pneumático O sinal padrão da transmissão pneumática no SI é 20 a 100 kPa (kilopascal) e os seus equivalentes em unidades não SI: 3 a 15 psig e 0,2 a 1,0 kgf/cm2. Praticamente não há outro sinal pneumático de transmissão, embora em hidrelétricas onde se tem válvulas enormes, é comum o sinal de 40 a 200 kPa (6 a 30 psi). Sinal eletrônico O sinal padrão de transmissão eletrônico é o de 4 a 20 mA cc, recomendado pela International Electromechanical Commission (IEC), em 91 Transmissor maio de 1975. No inicio da instrumentação eletrônica, circa 1950, o primeiro sinal padrão de transmissão foi o de 10 a 50 mA cc, porque os circuitos eram pouco sensíveis e este nível de sinal não necessitava de amplificador para acionar certos mecanismos; hoje ele é raramente utilizado, por questão de segurança. Atualmente há uma tendência em padronizar sinais de baixo nível, para que se possa usar a tensão de polarização de 5 V comum aos circuitos digitais. Existe ainda o sinal de transmissão de 1 a 5 V cc, porém ele não é adequado pois há atenuação na transmissão da tensão. Usa-se a corrente na transmissão e a tensão para a manipulação e condicionamento do sinal localmente, dentro do instrumento. Relação 5:1 Todos os sinais de transmissão, pneumático e eletrônicos, mantém a mesma proporcionalidade entre os valores máximo e mínimo da faixa de 5:1, ou seja falhas no sistema, como falta de alimentação ou fio partido no transmissor eletrônico ou entupimento do tubo, quebra do tubo, falta de ar de suprimento no transmissor pneumático. Quando se manipula a tensão elétrica, pode-se ter e se medir a tensão negativa e portanto pode-se usar uma faixa de 0 a 10 V cc detectora de erro. Isto significa que o 0 V se refere ao valor mínimo da faixa medida e quando há algum problema o sinal assume um valor negativo, por exemplo, -2,5 V cc. Esta faixa possui o zero vivo. 2. Natureza do transmissor Como há dois sinais padrão na instrumentação, também há dois tipos de transmissores: pneumático e eletrônico 2.1. Transmissor pneumático O transmissor pneumático mede a variável do processo e transmite o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), proporcional ao valor da medição. A sua alimentação é a pressão típica de 140 kPa (20 psig). O mecanismo básico para a geração do sinal pneumático é o conjunto bico-palheta, estabilizado pelo fole de realimentação. Para funcionar o transmissor pneumático requer a alimentação de ar comprimido, no valor típico de 140 kPa (22 psi). O transmissor é alimentado individualmente por um conjunto de filtro regulador. O regulador pode ser fixo (ajustável na oficina) ou regulável pelo operador, no local. Há dois princípios mecânicos básicos para o funcionamento do transmissor pneumático: 1. balanço de forças e 2. balanço de movimentos. 100 kPa 20 kPa = 20 mA 4 mA = 15 psi 3 psi = 5V 1V =5 Esta proporcionalidade fixa facilita a conversão dos sinais padrão, pelos transdutores. Zero vivo Todas as faixas de sinais padrão de transmissão começam com números diferentes de zero, ou seja os sinais padrão são 20 a 100 kPa e não 0 a 80 kPa, 4 a 20 mA cc e não 0 a 16 mA cc. Diz-se que uma faixa com supressão de zero, ou seja partindo de número diferente de zero é detectora de erro. Por exemplo, seja o transmissor eletrônico de temperatura com faixa de medição de 20 a 200 oC. A sua saída vale: 4 mA, quando a medida é de 20 oC, 20 mA, quando a medida é de 200 oC e 0 mA, quando há problema no transmissor, como falta de alimentação ou fio partido . Se a saída do transmissor fosse um sinal de 0 a 20 mA não haveria meios de identificar o sinal correspondente ao valor mínimo da faixa com o sinal relativo às 92 Transmissor Fig. 2.8. Esquema típico de um transmissor pneumático a balanço de forças (Foxboro) Balanço de forças O sistema é mantido estável, pelo equilíbrio das forças aplicadas a uma barra. A variação na medição desequilibra o sistema, alterando a posição da barra, variando proporcionalmente o sinal transmitido e retornando o sistema à condição de equilíbrio. Como a posição da barra está relacionada com o equilíbrio ou balanço das forças atuando nesta barra, este sistema é chamado de balanço de forças. O diafragma sente a pressão do processo e através de um flexor, transmite uma força a barra de força. A barra de força funciona como a palheta em relação ao bico. A variável do processo modula a distância entre o bico e a barra de forças. Através do mecanismo de transmissão pneumática (relé pneumático, fole de realimentação, mola de ajuste de zero) obtém-se uma saída padrão e estável de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi), linearmente proporcional à pressão medida. Através do deslocamento do volante que serve como fulcro para o equilíbrio das forças e ajusta a largura de faixa de medição. Fig. 2.9. Transmissor pneumático a balanço de forças: (a) esquema e (b) vista externa As principais vantagens são: 1. a robustez e a precisão da operação, praticamente sem movimento e desgaste das peças, 2. a opção da supressão ou da elevação do zero, necessária medições de nível. As suas desvantagens são: 1. não há indicação local da variável transmitida, mas apenas a indicação opcional do sinal de saída do transmissor, 2. a velocidade da resposta é lenta Os transmissores a balanço de força são genericamente chamados de d/p cell, embora rigorosamente d/p cell seja uma marca registrada da Foxboro e se refira ao transmissor de pressão diferencial para medição de vazão e de nível. O transmissor pneumático a balanço de forças da Foxboro foi um dos mais bem sucedidos instrumentos da historia da instrumentação. O transmissor pneumático era tão estável e repetitivo que, a partir dele, foi projetado e construído o transmissor eletrônico, também a balanço de forças. Balanço de movimento No sistema a balanço de movimentos, a medição é sentida pelo elo mecânico, que desequilibra o sistema bico-palheta. Este desequilíbrio provoca variações no sinal transmitido, até haver novo equilíbrio. Na realidade há um balanço de posições mas o sistema é referido como balanço de movimentos. O transmissor a balanço de movimento permite a indicação local da medição; é naturalmente um transmissor-indicador. 93 Transmissor requer a alimentação, geralmente a tensão contínua. Normalmente esta alimentação é feita da sala de controle, através do instrumento receptor (indicador, controlador ou registrador), onde está a fonte de alimentação. A alimentação é feita pelo mesmo fio que porta o sinal transmitido de 4 a 20 mA. Os conceitos de fonte de tensão e de fonte de corrente explicam porque se pode utilizar apenas um par de fios para transportar tanto o sinal de corrente como a alimentação de tensão. A corrente só deve depender da variável medida e não deve depender da tensão de polarização. A tensão de alimentação não pode ser afetada pelo valor da corrente gerada. A tensão de alimentação pode variar, dentro de limites convenientes e depende principalmente do valor do sinal transmitido e do valor da resistência total da malha de controle. Fig. 2.10. Esquema de transmissor pneumático a balanço de movimentos (Foxboro) Fig. 2.11. Transmissor a balanço de movimento As principais vantagens do transmissor a balanço de movimentos são: 1. apresenta a indicação da medida, no local de transmissão 2. opera com grande variedade de elementos primários, pois a força necessária para atua-lo é pequena (cerca de 2 gramas). As suas desvantagens são: 1. não apresenta a opção de abaixamento e elevação de zero. 2. sua operação é mais delicada e sua calibração é mais difícil e menos estável, por causa dos elos mecânicos e das partes moveis. . Fig. 2.12. Tensão de alimentação e impedância da malha de transmissão eletrônica Transmissor indutivo No transmissor eletrônico a balanço de forças, o pequeno movimento provocado na barra de força é amplificado e posiciona o núcleo móvel de uma bobina. Quando a pressão varia, a barra de força se movimenta e altera a posição do núcleo da bobina, variando a indutância. Através da variação da indutância um circuito condicionador gera o sinal padrão de 4 a 20 mA cc, proporcional a pressão medida. Este transmissor é chamado de indutivo, pois se baseia na variação do núcleo de uma bobina detectora. Atualmente, este transmissor foi substituído por outros 2.2. Transmissor eletrônico O transmissor eletrônico mede a variável do processo e transmite o sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc proporcional ao valor da medição. Ele 94 Transmissor menores e melhores, como capacitivo, com fio ressonante e sensor CI. para o diafragma sensor no centro da célula de pressão diferencial. O diafragma sensor funciona como um elemento de mola que deflete em resposta à pressão diferencial aplicada através dele. O deslocamento do diafragma sensor, um movimento máximo de 0,10 mm, é proporcional à pressão diferencial. As placas de capacitor em ambos os lados do diafragma sensor detectam a posição do diafragma sensor. A capacitância diferencial entre o diafragma sensor e as placas do capacitor é então proporcional linearmente à pressão diferencial aplicada aos diafragma isolantes. A capacitância é detectada por um circuito ponte e é convertida e amplificada para o sinal padrão, linear, a dois fios de 4 a 20 mA cc. Fig. 2.13. Transmissor a balanço de forças indutivo Transmissor capacitivo No inicio dos anos 80, a Rosemount lançou o transmissor eletrônico capacitivo, que se tornou um dos tipos de instrumentos mais vendidos na instrumentação. O princípio de operação básico é a medição da capacitância resultante do movimento de um elemento elástico. O elemento elástico mais usado é um diafragma de aço inoxidável ou de Inconel, ou Ni-Span C ou um elemento de quartzo revestido de metal exposto à pressão do processo de um lado e uma pressão de referência no outro. Dependendo da referência, pode-se medir pressão absoluta (vácuo), manométrica (atmosférica) ou diferencial. A capacitância de um capacitor de placas paralelas, é dada simplificadamente por: C=ε A d Fig. 2.14. Célula δ capacitiva (Rosemount) O sensor capacitivo tem precisão típica de 0,1 a 0,2% da largura de faixa e com a seleção de diafragmas, pode medir faixas de 0,08 kPa a 35 MPa (3 in H20 a 5000 psi). Os transmissores capacitivos perdem em popularidade apenas para os com strain gauge e tem-se as seguintes vantagens 1. alta robustez e 2. grande estabilidade 3. excelente linearidade 4. resposta rápida 5. deslocamento volumétrico menor que 0,16 cm3 elimina a necessidade de câmaras de condensação e potes de nível Suas limitações, principalmente dos transmissores capacitivos mais antigos, são: 1. sensitividade à temperatura 2. alta impedância de saída onde C é a capacitância ε é a constante dielétrica do isolante entre as placas A é a área das placas d é a distância entre as placas. Como a pressão pode provocar um deslocamento, ela pode ser inferida através da capacitância, que também depende de um deslocamento. Os diafragmas isolantes detectam e transmitem a pressão do processo para o fluido de enchimento (óleo de silicone). O fluido transmite a pressão de processo 95 Transmissor 3. sensitividade à capacitância parasita 4. sensitividade a vibração 5. pequena capacidade de resistir à sobrepressão O transmissor eletrônico capacitivo da Rosemount foi outro instrumento best seller da instrumentação. Transmissor fio ressonante O transmissor com sensor a fio ressonante foi lançado no fim da década de 1970, pela Foxboro, que gosta muito de fio, pois já havia aplicado o fio Nitinol, com memória mecânica, para acionar ponteiros e penas dos instrumentos de display do sistema SPEC 200. Neste projeto, um circuito oscilador faz um fio oscilar em sua freqüência de ressonância, enquanto a tensão do fio é variada como uma função da pressão do processo. As pressões do processo são detectadas pelos diafragmas de alta e baixa pressão, nos lados direito e esquerdo do sensor. Quando a pressão diferencial aumenta, o fluido de enchimento transmite uma força correspondente ao fio, excitado por um campo magnético. O dano por sobrepressão é evitado pelos diafragmas sendo suportados por placas reservas. A variação na tensão do fio modifica a freqüência de ressonância do fio, que é então digitalmente medida. Configurações semelhantes são usadas na medição de pressão absoluta e manométrica. Quando usado para medir pressão absoluta, o lado de baixa é coberto por uma capa e faz-se vácuo na cavidade da ordem de 0,52 Pa (0,004 mm Hg). As vantagens deste transmissor são: boa repetitividade alta precisão boa estabilidade baixa histerese alta resolução sinal de saída forte geração de um sinal digital. As limitações incluem: 1. sensitividade à temperatura ambiente, requerendo compensação embutida. 2. sinal de saída não linear 3. alguma sensitividade à vibração e choque. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Transmissor com sensor a CI Os transmissores mais recentes utilizam o estado da arte da tecnologia eletrônica, com um sensor a circuito integrado, com um chip de silício piezoresistivo difuso. Na fabricação deste sensor, boro é difundido em uma estrutura de cristal de silício para formar uma ponte de Wheatstone totalmente ativa. Neste processo de difusão, o boro e o silício são unidos a um nível molecular, eliminado a necessidade de métodos mecânicos de solda, como usado nos sensores convencionais de strain gauge. Este processo resulta em sensores com altíssima repetitividade e estabilidade, somente conseguidas em instrumentos de laboratório. Fig. 2.16. Circuito da ponte de Wheatstone Fig. 2.15. Sensor de pressão a fio ressonante (Foxboro) 96 Transmissor A faixa de pressão de cada sensor de silício é determinada pela espessura do silício diretamente sob a ponte de Wheatstone. A espessura do diafragma de silício é determinada ataque químico na parte traseira de cada chip sob a ponte para uma profundidade específica. O chip acabado é então colada a uma placa de pyrex ou alumina com suporte e isolação do chip. Para medição de pressão manométrica ou diferencial, faz-se um buraco através do pyrex para acessar a cavidade na parte traseira do chip. Isto fornece uma referência da pressão atmosférica para o sensor de pressão manométrica e uma passagem para o lado da baixa pressão do sistema de enchimento de fluido para o d/p cell. Para a medição de pressão absoluta, a cavidade do chip é evacuada antes de colar a placa de pyrex, fornecendo uma referência de pressão absoluta. O chip é então montado em um extrato de cerâmica ou aço inoxidável selado a vidro. Conexões com fio de ouro completam o conjunto, que é juntado ao pacote completo do sensor. Diafragmas de isolação de vários materiais resistentes a corrosão são soldados no lugar, sobre o chip sensor e as cavidades entre o chip são cheias sob vácuo com óleo silicone DC-200 ou Fluorinert FC/B. Este processo isola totalmente o sensor de silício do meio da pressão sem um link mecânico. O diafragma de isolação também fornece a proteção de sobrefaixa para o sensor de silício no d/p cell. Transmissor com sensor piezoelétrico O sensor é um cristal de quartzo ou turmalina que, quando exposto a pressão ou força em torno do seu eixo, é elasticamente deformado. A deformação produz uma força eletromotriz proporcional. As vantagens do transmissor com sensor piezoelétrico são: 1. pequeno tamanho 2. robustez 3. alta velocidade de resposta 4. autogeração do sinal. As desvantagens são: 1. limitado à medição dinâmica 2. sensitividade à temperatura 3. necessidade de cabeamento especial entre sensor e circuito amplificador. A aplicação típica do sensor piezoelétrico é no medidor de vazão vortex. É piezoelétrico o sensor que detecta a freqüência criada pelos vórtices de De Karmann. Fig. 2.17. Transmissor de vazão tipo vortex (Foxboro) 3. Transmissor e manutenção Quanto à manutenção e independente do princípio de funcionamento ou da variável medida, há quatro tipos básicos de transmissores eletrônicos disponíveis atualmente: 1. analógico descartável 2. analógico reparável 3. digital híbrido 4. digital inteligente 3.1. Transmissor analógico descartável O transmissor analógico descartável possui saída analógica de 4 a 20mA cc e um circuito encapsulado irrecuperável quando estragado. Quando o transmissor se danifica (o que os fabricantes asseguram ser raro) é integralmente substituído por outro. Sua confiabilidade é expressa não em MTBF (tempo médio entre falhas) mas em MTFF (tempo médio para a primeira falha). Como vantagens, tem-se: 1. Baixo custo de aquisição, com preços típicos entre US$50 a US$350, 97 Transmissor 2. Baixo custo de reposição, pois é 3. Geralmente são mais frágeis e mais barato substituir prontamente um transmissor do que mandar um instrumentista de manutenção a um local distante para retirar do processo um transmissor defeituoso, levá-lo para a oficina, repará-lo, levá-lo de volta para o processo e reinstalá-lo. A substituição préconfigurada pode ser feita na primeira ida ao local do processo, 3. Pequeno tamanho, simplicidade e transmissão a dois fios, 4. Facilidade de implementar técnica de proteção, como segurança intrínseca e não incenditivo, pois o encapsulamento favorece a conformidade com exigências de normas. menos resistentes a ambientes hostis, o bloco terminal podendo se quebrar quando submetido a abuso; 4. Menos confiável, pois são usados projetos e circuitos mais baratos para torná-los mais competitivos. 3.2. Transmissor analógico convencional O transmissor analógico convencional possui saída padrão de 4 a 20 mA cc e circuitos acessíveis para sua calibração e manutenção. Eles podem ser reparados e ter suas faixas de calibração alteradas no campo ou na oficina, pelo usuário final. Os seus preços variam de US$300 a US$500,00. Fig. 2.20. transmissor convencional (Foxboro) Fig. 2.18. Transmissor descartável de pressão (Dynisco) As suas principais vantagens são: 1. O transmissor convencional é reparável, possuindo um invólucro que protege os circuitos e permitindo o seu acesso fácil e seguro aos circuitos. Seus circuitos analógicos são simples e é fácil achar os defeitos e repará-los. A possibilidade de ser reparado torna o transmissor convencional mais seguro e menos caro para serviço em longo prazo. 2. O transmissor é robusto, suportando bem os rigores do processo, grande vibração mecânica, alto calor e atmosfera agressiva 3. O transmissor convencional pode ter sua faixa alterada dentro de grandes limites. O transmissor de temperatura pode aceitar todos os tipos de termopares ou RTD de vários valores. Tipicamente as alterações de parâmetros são feitas mecanicamente no campo ou na Fig. 2.19. Transmissor de temperatura descartável (Eckardt) As principais desvantagens e limitações são: 1. A precisão é pior do que a dos outros tipos, pois o transmissor deve ter baixo custo, 2. Pequena flexibilidade, pois o transmissor tem somente uma única entrada e faixa fixa de calibração e não são convenientes para aplicações que requerem alterações freqüentes do processo, 98 Transmissor oficina, ajustando-se potenciômetros, alterando-se posições de jumpers ou mudando chaves DIP. 4. O transmissor analógico tem melhor tempo de resposta que o do transmissor digital e também se recupera mais rapidamente, depois de uma interrupção de alimentação. 5. Possui precisão melhor do que a do transmissor descartável e pior do que a do digital. Como desvantagens, tem-se: 1. Menos estável e requer mais calibração do que o transmissor digital, pois os ajustes mecânicos feitos através de potenciômetros de fio são pouco estáveis. 2. Não são adequados para aplicações com operação e comunicação digitais, porém, para a maioria das aplicações o alto custo da substituição dos transmissores analógicos convencionais por digitais não se justifica Fig. 2.21. Instrumentação inteligente 2. Mínimo de reserva: uma grande 3.3. Transmissor inteligente digital O transmissor inteligente digital tem um microprocessador embutido em seu circuito e possui saída digital, apropriada para se comunicar com outros dispositivos digitais com o mesmo protocolo. Ele não possui a saída padrão de 4 a 20 mA cc. Suas vantagens são: 1. Recalibração remota: o transmissor digital pode ser recalibrado sobre o elo de dados digitais da sala de controle, através da estação de operação, de um computador digital ou de um terminal portátil proprietário. Porém, isso é útil somente em plantas envolvendo grandes distâncias e com variações freqüentes no processo. Ele permite alterações imediatas de parâmetros, sem perda de tempo e custo para mandar um técnico a cada ponto de medição para fazer uma alteração manual. variedade de parâmetros de operação pode ser armazenadas na memória do microprocessador do transmissor digital. Um único transmissor pode ser eletronicamente programado para substituir qualquer outro transmissor do sistema. Facilidades com vários tipos de sensores e faixas de medição permitem um menor número de instrumentos reservas para reposição ou adição. 3. Altíssima precisão: melhor do que qualquer outro transmissor. Tipicamente, da ordem de 0,05 a 0,1% do fundo de escala. 4. Autodiagnose: a maioria dos transmissores digitais possui um programa de autodiagnose em sua memória interna que automaticamente identifica falhas do sensor e do transmissor. O pessoal de manutenção de instrumentos pode usar a informação fornecida pelas mensagens de erro enviadas do transmissor no campo para a sala de controle para preparar a substituição e reparo do instrumento. O benefício é o menor tempo de malha parada. 5. Segurança de comunicação: diferente do transmissor convencional que tem um par de fios para transportar o sinal seguro e a perigosa alimentação, o sinal digital pode ser comunicado através de fibra óptica ou links de luz 99 Transmissor infravermelha, que são seguros por natureza. Fig. 2.22. Transmissor inteligente (Foxboro) As principais desvantagens do transmissor digital inteligente são: 1. Custo: embora os preços tendem a cair e se comparar aos do transmissor convencional, o preço de aquisição do digital ainda é um pouco maior do que o do convencional 2. Não padronização do sinal digital: este é o maior obstáculo técnico para o uso extensivo do transmissor digital. Atualmente ainda existem vários protocolos de comunicação digital proprietários, como HART, Foxcom, Fieldbus. Até que se chegue a um consenso acerca do protocolo de comunicação digital, muitos usuários preferirão não usar o transmissor digital. 3. Tempo de resposta: o transmissor de campo operando em baixa potência tem dificuldade de operar rapidamente a comunicação digital. A resposta demorada é inerente para começar e completar uma transação de comunicação digital. Além disso, alguns transmissores inteligentes tem grande tempo de recuperação após a perda da alimentação, durante o que os transmissores excedem a faixa por cima ou por baixo, acionando erradamente alarmes e causando problemas para outros instrumentos no sistema. O transmissor é simultaneamente analógico e digital e o usuário experiente pode tirar proveito das vantagens isoladas de cada tipo, como as vantagens de padronização e resposta rápida da transmissão analógica e as vantagens de autodiagnose, facilidade de recalibração e alteração de parâmetros da parte digital do transmissor. O planejamento correto da aquisição de transmissores híbridos pode economizar investimentos quando se implanta uma instrumentação digital do sistema global. O transmissor híbrido pode substituir tanto um transmissor analógico como um digital existente sem necessidade de qualquer componente adicional. Também é necessário pouco treinamento de operadores e instrumentistas, quando de sua integração no sistema. 4. Receptores associados 4.1. Instrumentos associados A transmissão é uma função auxiliar, opcional. Usa-se o transmissor quando se quer a indicação, o registro ou o controle da variável de processo em um local remoto do processo, geralmente na sala de controle. Como conseqüência, o transmissor sempre requer outro instrumento para completar sua função: indicador, registrador, controlador, alarme ou integrador de vazão. 3.4. Transmissor híbrido analógico digital Como ainda hoje a maioria das aplicações envolve o sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc e também por causa da ausência de uma padronização do sinal digital, muitos transmissores digitais possuem simultaneamente os dois sinais de transmissão: 1. analógico de 4 a 20 mA cc e 2. digital Fig. 2.23. Controladores de painel 100 Transmissor Alguns transmissores podem ter uma indicação local da variável medida. Outros transmissores podem, opcionalmente, ter a indicação de sua saída, que é proporcional ao valor da variável medida. Há transmissores que podem medir simultaneamente várias variáveis de processo e para tanto, eles possuem os vários sensores destas variáveis embutidos em seu corpo. A aplicação clássica é na medição de vazão compensada, onde e quanto se quer medir simultaneamente o sinal proporcional à vazão (pressão diferencial), pressão estática e temperatura. O instrumento receptor associado a este transmissor é o computador de vazão. Todos estes instrumentos envolvidos são microprocessados. 4.3. Transmissor como controlador Em alguns casos raros e simples, o próprio transmissor pode funcionar como um controlador limitado. Para que a saída típica do controlador de s = s o + K p (m − sp ) + Ki ∫ edt + K d dt fique igual a do transmissor s = Km s = Km tem-se 1. com bias igual a zero, (so = 0) 2. com banda proporcional fixa e igual 3. com ponto de ajuste igual a zero (sp a 100% (Kp = 1) = 0), 4. apenas com o modo proporcional 4.2. Alimentação O transmissor eletrônico montado no campo sempre necessita de uma alimentação. Raramente esta alimentação é fornecida por bateria integral, por questão de economia e de segurança. O comum é a alimentação do transmissor ser fornecida por um instrumento montado na sala de controle. Assim, além de receber o sinal do transmissor, o instrumento receptor também alimenta o transmissor. Alguns fabricantes possuem fontes de alimentação separadas, montadas na sala de controle, para alimentar os transmissores de campo, separadas e independentes de outros instrumentos. (Ki = Kd = 0). 5. Serviços associados Como os outros instrumentos, o transmissor deve ser especificado, montado, calibrado rotineiramente e mantido em perfeitas condições de funcionamento. 5.1. Especificação Na especificação do transmissor, devem ser fornecidos os seguintes parâmetros ao fabricante: 1. a variável do processo a ser transmitida, 2. o elemento sensor desejado, em função da faixa, do processo, da variável e do material, 3. o sinal padrão de transmissão e a alimentação, como 20 a 100 kPa ou 3 a 15 psig (rigorosamente são sinais diferentes, quanto a calibração), 4. os materiais do corpo do transmissor, dos parafusos, da tampa e do elemento sensor, 5. a montagem: tubo de 2" (pipe), pedestal (yoke), superfície ou painel, 6. a faixa calibrada da variável, 7. a conexão ao processo: rosca 1/2" NPT, flange 150 psi, selo. 8. quando há contato direto com o fluido do processo: tipo do material Fig. 2.24. Fiação do transmissor, receptor e fonte 101 Transmissor quanto à corrosão, erosão, sujeira, temperatura e pressão estática, 9. identificação da malha do processo, 10. a classificação mecânica do invólucro: NEMA ou IEC IP, 11. a classificação elétrica do instrumento, se elétrico e se montado em área classificada: prova de explosão, purgado ou intrinsecamente seguro, entidade de aprovação, 12. acessórios: conjunto filtro regulador, conjunto distribuidor (manifold), indicação do sinal de saída ou da variável medida, 13. opções extras, como materiais especiais em contato com o processo (Monel, Hastelloy, tântalo, preparação para manipular oxigênio, cloro, hidrogênio, aplicação em serviço nuclear, amortecimento maior que o normal, saída reversa, aquecimento elétrico para evitar o congelamento, alta temperatura do processo, selo de proteção, pontos de teste, proteção de sobre faixa. 5.3. Configuração 5.4. Operação O transmissor é geralmente um instrumento cego, montado no campo, que não requer a atenção do operador. Quando possui indicação da variável medida, ele pode requerer a leitura periódica para comparação com a indicação do painel. 5.5. Calibração A calibração do transmissor garante sua exatidão. O transmissor é calibrado antes de ser montado. Depois, ele deve ser calibrado 1. quando programado pelo plano da qualidade (ISO 9000), 2. depois da manutenção ou 3. quando requisitado pela operação. Calibrar um transmissor requer 1. local adequado, 2. procedimento claro 3. padrões rastreados 4. técnico treinado 5. registro documentado 6. prazo de validade 5.2. Instalação A montagem do transmissor deve ser feita conforme as recomendações do fabricante, diagramas do projetista e normas de engenharia aplicáveis, quanto aos aspectos de corrosão, segurança, localização e funcionamento. A partida e comissionamento do transmissor de pressão diferencial para vazão e nível envolve algumas operações seqüenciais recomendadas pelo fabricante, que se não forem seguidas corretamente podem danificar o transmissor ou descalibrá-lo. Fig. 2.26. Calibração de transmissor (Rosemount) Fig. 2.25. Transmissor para vazão de gás Ambiente Como o transmissor opera em condições muito pouco exigentes (-40 a +60 oC), raramente ele requer um ambiente de calibração controlado. Porém, o ambiente deve ser conhecido e as condições de calibração (pressão, temperatura e umidade relativa ambientes) devem ser registradas no relatório de calibração. 102 Transmissor Procedimento Procedimento de calibração não é simplesmente o manual do fabricante, mas algo mais abrangente que inclui o manual do fabricante. O procedimento deve ser escrito pelo executante e pode ser copidescado (feita revisão para uniformizar linguagem, arrumar estilo, eliminar erros vernáculos) pelo chefe. O procedimento tem o objetivo de garantir que a mesma pessoa, em tempos diferentes ou pessoas diferentes ao mesmo tempo, façam a mesma calibração exatamente do mesmo modo. Procedimento que é usado geralmente sofre revisões periódicas. Quando algo deve ser mudado, primeiro se muda o procedimento, com o consenso de todos os envolvidos, e depois de muda o comportamento. Padrões Todos os padrões usados na calibração devem ser rastreados, ou seja, calibrados contra outros padrões superiores e dentro do prazo de validade. A rastreabilidade do padrão é que lhe dá a garantia que ele está confiável e fornece o valor verdadeiro convencional. Se o padrão não estiver rastreado e sua calibração estiver vencida, a calibração que ele faz não é confiável e portanto é inútil. Técnico treinado O executante da calibração deve conhecer o instrumento que vai calibrar e todos os cuidados e procedimentos envolvidos. Enfim, deve estar treinado especificamente para fazer a calibração. Calibração feita por pessoa não habilitada não é confiável. Registro Toda calibração deve ser registrada e os registros devem ser guardados por algum período estabelecido pelo executante. Os registros referentes ao programa de qualidade (ISO 9000) devem ser disponíveis e acessíveis ao auditor. Outros registros podem ser acessíveis ao cliente comprador (transferência de custódia) ou algum fiscal do governo. Calibração sem registro escrito é inútil. Prazo de validade Toda calibração possui um prazo de validade, depois do qual o instrumento se torna não confiável. O prazo de validade é estabelecido pelo usuário, pois somente ele tem o domínio completo de todas as informações e dados do instrumento e do processo. Este prazo considera o tipo de instrumento, recomendações do seu fabricante, severidade do processo, precisão do instrumento e penalidade da não conformidade. Programa consistente de calibração sempre prevê critério para administrar os prazos, aumentando e diminuindo os intervalos, para que se trabalhe o mínimo necessário com o máximo possível de eficiência. Há vários critérios de alteração de prazos de validade de calibração; os mais conhecidos são o de Schumacher e o de Grasmann. Realização A calibração do transmissor geralmente consiste em 1. Simular a variável sentida, não a necessariamente a medida. Por exemplo, simula-se a militensão do termopar e não a temperatura medida. Tipicamente são simulados os pontos correspondentes a 0, 25, 50, 75, 100, 75, 50, 25 e 0% da faixa. Sobe-se e desce-se para verificar histerese do transmissor. 2. Comparar os valores lidos com os valores pré-estabelecidos no relatório, conforme precisão do transmissor, 3. Quando os valores lidos estiverem fora dos limites, ajustar o transmissor nos pontos de zero e de largura de faixa (span). Com os ajustes, a saída do transmissor deve ser igual a 20 kPa ou 4 mA cc para 0% da entrada e 100 kPa ou 20 mA cc, quando a variável assumir 100% do valor do processo (ou vice-versa, quando a saída do transmissor for invertida). Os pontos intermediários devem seguir a curva de calibração, geralmente uma reta. 4. Quando os valores estiverem dentro dos limites, não se faz nada, a não ser desmontar o circo, arrumar o transmissor e voltá-lo para o 103 Transmissor processo. As pessoas não resistem e geralmente fazem pequenos ajustes, o que não está de conformidade com o procedimento. 5. Quando o transmissor não gera os sinais dentro dos limites, depois de um (ou dois, ou quantos o executante definir) ajuste, o transmissor está com problema e requer manutenção. 6. Depois de qualquer manutenção, todo instrumento deve ser calibrado. Além destes pontos, que se aplicam a todo transmissor, ainda se deve tomar os seguintes cuidados: 1. A calibração dos transmissores a balanço de movimentos exige também os ajustes de angularidade. 2. Os transmissores de nível e de vazão, quando operaram em pressões diferentes da atmosférica, devem ser alinhados dinamicamente. 3. A calibração do transmissor deve ser feita na posição real de trabalho. 4. Transmissor inteligente requer calibrador especial proprietário (também chamado de configurador, comunicador, terminal portátil), que também deve ser periodicamente rastreado. 5.6. Manutenção Quando o transmissor apresenta algum problema evidente de operação, ele deve ser submetido à manutenção. Alguns transmissores também podem ser submetidos a programas de manutenção preventiva. A manutenção tem os objetivos principais de garantir: 1. a continuidade operacional do instrumento, e como resultado, do processo 2. a precisão nominal do transmissor. Com o tempo, o transmissor sofre desvios que o fazem se afastar de seu desempenho nominal e a manutenção correta elimina estes desvios. Calibrar e fazer manutenção do transmissor são operações totalmente diferentes, embora haja algumas correlações como: 1. Se um transmissor não consegue ser calibrado, ele requer manutenção. 2. Depois de qualquer manutenção, o transmissor necessita ser calibrado. Fig. 2.27. Calibração de transmissor inteligente através do Comunicador Hart (Rosemount) Apostila\Instrumentação (Substitui 20 SET 96) 22Transmissor. Doc 11 DEZ 98 104 2.3 Condicionadores de Sinal 1. Conceito Há necessidade de se ter instrumentos com funções auxiliares para alterar o sinal gerado pelo sensor e combinar matematicamente vários sinais padrão. Como o sinal gerado pelo elemento sensor pode ser inadequado para ser usado pelo instrumento de display, é necessário utilizar um instrumento para alterar este sinal para torná-lo mais conveniente para o uso no instrumento display. Esta alteração pode ser linearização do sinal, filtro dos ruídos, amplificação do sinal. O computador analógico é o instrumento que executa as operações matemáticas, a seleção dos sinais, o alarme, o condicionamento e a geração de sinais analógicos. Ele pode ser pneumático ou eletrônico. Quando pneumático é também chamado de relé pneumático ou relé computador. O computador analógico pneumático é mais limitado e pode manipular apenas um ou dois sinais de entrada. Quando eletrônico, ele pode manipular até quatro sinais analógicos ao mesmo tempo. A medição volumétrica dos gases só tem significado prático quando se faz a compensação da pressão estática e da temperatura do processo. Compensar a medição da vazão significa medir os sinais analógicos proporcionais à vazão, à pressão e à temperatura e continuamente executar a seguinte equação matemática: Como o volume do gás é diretamente proporcional à temperatura e inversamente proporcional à pressão, na compensação fazem-se as operações inversas, ou seja: Fc = Fm P T onde Fc é a vazão compensada Fm é a vazão medida, sem compensação P é proporcional à pressão absoluta T é proporcional à temperatura absoluta Quando o sistema de medição inclui a placa de orifício, o sinal é proporcional ao quadrado da vazão e a relação acima fica 2. Aplicações O computador analógico processa os sinais de informação para desempenhar as funções matemáticas requeridas pelo processo. A aplicação típica dos computadores analógicos é na medição compensada da vazão. Fc = Fm P T Quando se usam computadores pneumáticos, são necessários três instrumentos: 1. extrator de raiz quadrada 2. divisor 3. multiplicador 105 Condicionadores de Sinal 3. Funções desenvolvidas Os principais computadores analógicos que desenvolvem operações matemáticas são: 3.1. Multiplicador/divisor A sua função matemática genérica é: D = A.B/C onde D é a saída e A, B e C são as entradas. Fig. 3.1. Computador analógico pneumático Na teoria, é indiferente a ordem das operações, mas na prática as operações devem ser feitas na seguinte ordem: 1. No sistema com pequena variação da pressão estática e grande variação na temperatura: primeiro se faz a multiplicação F.P e depois a divisão por T. 2. No sistema com grande variação da pressão estática e pequena variação na temperatura: primeiro se faz a divisão F/T e depois a multiplicação por P. A regra mnemônica é: a variável que sofre pequenas variações é manipulada duas vezes e a que varia muito é operada apenas uma vez, de modo que os erros resultantes são os menores possíveis. O multiplicador e o divisor podem ser usados também no sistema de controle de relação de vazões, quando os computadores servem para determinar o ponto de ajuste ou para modificar a vazão medida. O seletor de sinais é o instrumento chave para o controle auto-seletor; o computador seleciona automaticamente a variável cujo valor está mais próximo do valor critico de segurança. Quando pneumático, o computador analógico só pode receber dois sinais de entrada e portanto, ele só pode executar uma única operação, por vez. Através da alteração da posição do relé pneumático ele pode ser : multiplicador: D = A × B divisor: D = A C A extrator de raiz quadrada: D = elevador ao quadrado: D = A 2 Quando eletrônico, ele pode executar as operações simultaneamente e através da alteração das entradas, realimentações da saída e colocação de jumpers, pode-se ter a combinação das operações de multiplicação, divisão, extração de raiz quadrada e elevação ao quadrado. 3.2. Somador/subtrator A saída do instrumento vale: D = aA +- bB +-cC +-eE, onde A, B, C e E são os sinais de entrada, D é o sinal de saída, a, b, c e e são os ganhos das entradas. 3.3. Extrator de raiz quadrada É o instrumento tipicamente aplicado para linearizar o sinal de saída do transmissor de vazão associado a placa de orifício, quando se tem a saída do transmissor proporcional ao quadrado da vazão. Como visto, a extração da raiz quadrada pode ser executada pelo 106 Condicionadores de Sinal multiplicador/divisor, porem, 'e mais econômico o uso do instrumento especifico. A saída do extrator vale: o de valor intermediário. O seletor de valor intermediário recebe três sinais de entrada e seleciona o sinal do meio. O valor intermediário entre três sinais não deve ser confundido com o valor médio de dois a quatro sinais. Por exemplo, o somador pode ser ajustado para dar a media dos sinais. 3.6. Alarme O alarme pode ser acionado diretamente pela ação do ponteiro do indicador e da pena do registrador em microswitches ou pode ser realizado pelo computador analógico, que recebe o sinal analógico na entrada e muda o contato elétrico da saída, quando o valor do sinal atingir os limites críticos predeterminados. Pode haver três tipos diferentes de alarme: 1. alarme absoluto, de máximo e/ou de mínimo. A saída do modulo de alarme muda de estado quando o sinal de entrada atinge um valor pré-ajustado, de máximo ou de mínimo. 2. alarme de desvio, aciona o contato de saída quando os dois sinais variáveis da entrada se desviam de um valor predeterminado. Este tipo de alarme se aplica principalmente em controle, quando os dois sinais alarmados são a medição e o ponto de ajuste; quando os sinais se afastam de uma valor ajustado, o alarme é acionado. 3. alarme de diferença é acionado quando o sinal se afasta de um sinal de referencia ajustável de um valor determinado. D= A Fig. 3.2. Sinal linear e quadrático 3.4. Caracterizador do sinal É um instrumento que aproxima qualquer função matemática para vários segmentos de reta, com os pontos de inflexão e as inclinações dos segmentos ajustáveis. Sua aplicação pratica é a linearização dos níveis de tanques de formatos não lineares. Exemplos de tanques com formatos lineares: quadrados, retangulares, cilíndrico em pé; exemplos de não-lineares: esféricos, cônicos e cilíndricos deitados. A curva (nível x quantidade estocada) de um tanque esférico tem um formato de S e pode ser aproximada para vários segmentos de reta através do caracterizador de sinal. Através da medição do nível e do caracterizador, pode-se determinar diretamente a quantidade estocada. 3.5. Seletor de sinais Este instrumento recebe de duas a quatro entradas e seleciona automaticamente apenas um sinal de entrada. Os seletores mais usados são o de máximo ou mínimo e 107 Condicionadores de Sinal 3.7. Compensador dinâmico O compensador dinâmico possui a função de adiantar ou atrasar o sinal aplicado a entrada. Ele é chamado de lead/lag e se aplica no controle preditivo antecipatório (feedforward). 3.8. Gerador de sinais O computador analógico pode gerar sinal na saída, sem sinal aplicado na entrada. A sua saída gera um sinal com característica conhecida e ajustável, como a rampa universal, a tensão ajustável, o temporizador. 3.9. Transdutor Genericamente, transdutor é qualquer dispositivo que altera a natureza do sinal recebido na entrada com o gerado na saída. Deste ponto de vista, o elemento sensor, o transmissor, o conversor são considerados transdutores. Em instrumentação, transdutor é o instrumento que converte o sinal padrão pneumático no sinal padrão de corrente eletrônica (P/I) ou vice versa (I/P). Ele possibilita a utilização de instrumentos pneumáticos e eletrônicos na mesma malha. Eles são chamados incorretamente de conversores. Resumidamente, tem-se: 1. elemento sensor, onde a entrada e a saída são ambas não-padronizadas, 2. transmissor, onde a entrada é nãopadronizada e a saída é padronizada, 3. transdutor, onde a entrada e a saída são ambas padronizadas, 4. conversor, onde a entrada e a saída são ambas de natureza elétrica; tem-se conversor A/D (analógico para digital), D/A (digital para analógico), conversor I/F (corrente para freqüência). O transdutor serve de interface entre a instrumentação pneumática e a eletrônica. Como o elemento final de controle mais usado é a válvula com atuador pneumático, o transdutor I/P é usado principalmente para casar a instrumentação eletrônica de painel com a válvula com atuador pneumático. 4. Linearização da Vazão 4.1. Introdução Linearizar um sinal não-linear é torna-lo linear. Só se lineariza sinais não lineares, aplicando-se a função matemática inversa. Por exemplo, lineariza-se o sinal quadrático, extraindo a sua raiz quadrada; lineariza-se o sinal exponencial, aplicando seu logaritmo. A linearização pode ser feita de vários modos diferentes, tais como: 1. escolha da porção linear da curva, como na aplicação de medição de temperatura por termopares. Cada tipo de termopar apresenta uma região linear para determinada faixa de temperatura. 2. uso de uma escala não-linear, como na aplicação de medição de vazão por placa de orifício. Como a placa de orifício gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão, usa-se uma escala do indicador ou um gráfico do registrador do tipo raiz quadrática, podendo ler diretamente o valor da vazão em unidades de engenharia. Quando se usam termopares para medições de temperatura que incluem regiões não-lineares, usam-se as escalas especificas para cada termopar, tipo J, K, R, S, T, E. 3. uso de instrumentos linearizadores, como o extrator de raiz quadrada do sinal de pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão, gerado pela placa de orifício. 4. uso de circuitos linearizadores, incorporados no transmissor (por exemplo, transmissor inteligente) ou no instrumento receptor (registrador de temperatura a termopar). 5. uso de pontos de curva de linearização, armazenados em ROMs ou PROMs, como nos sistemas de linearização de baixa vazão em sistemas com turbinas medidoras de vazão. A não linearidade da medição é devida a viscosidade e densidade do fluido 108 Condicionadores de Sinal (numero de Reynolds) e do tipo de detecção-geração de pulsos. 6. uso de programas (software) de linearização em sistemas digitais, como nos computadores de vazão ou sistemas digitais de aquisição de dados. Durante a configuração do sistema, tecla-se o tipo de nãolinearidade do sinal de entrada e o sistema automaticamente lineariza o sinal. correspondem a grandes variações na vazão e em altas vazões, grandes variações da saída correspondem a pequenas variações na vazão. Tab. 3.1. ∆p x saídas Medidor vazão % saída 0,0 1,0 10,0 25,0 50,0 75,0 100,0 Saída linear % vazão 0,0 1,0 10,0 25,0 50,0 75,0 100,0 Saída raiz quad. % vazão 0,0 10,0 31,6 50,0 70,7 86,6 100,0 4.2. Medidores Lineares e Nãolineares O medidor de vazão linear é aquele cuja saída varia diretamente com a vazão. Isto significa que uma dada percentagem da saída corresponde `a mesma percentagem de vazão. Matematicamente, tem-se: vazão = K x saída São exemplos de medidores lineares: 1. turbina, cuja freqüência de pulsos é linearmente proporcional `a vazão volumétrica instantânea, 2. medidor magnético, cuja amplitude da tensão variável é linearmente proporcional `a vazão volumétrica instantânea, 3. vortex, cuja freqüência de pulsos é linearmente proporcional `a vazão volumétrica instantânea, 4. mássico, tipo Coriolis, cuja freqüência de precessão é linearmente proporcional `a vazão mássica instantânea, Quando a saída do medidor não corresponde linearmente `a vazão, o medidor é não-linear. O medidor não-linear mais comum é a placa de orifício, que produz uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão. Temse as seguintes equações: vazão = K × saída A linearização do sinal quadrático é feita pelo computador analógico chamado extrator de raiz quadrada, onde é valida a seguinte relação: % saída = % entrada O extrator de raiz quadrada possui alto ganho em pequenas vazões e pequeno ganho em grandes vazões. Para contornar a grande instabilidade do instrumento em manipular os pequenos sinais, são usados vários macetes: 1. a saída fica zero quando a entrada é pequena (menor que 10%), 2. a saída fica igual a entrada quando a entrada é pequena (menor que 10%), 3. calibra-se o extrator com o zero levemente abaixo do zero verdadeiro, eliminando o erro em baixas vazões e tendo pequeno erro em grandes vazões. saída = K' (vazão)2 Quando a vazão medida dobra de valor, a pressão diferencial gerada aumenta de 4 vezes. Como resultado, em baixas vazões, pequenas variações da saída 109 Condicionadores de Sinal 5. Compensação 5.1. Introdução Em serviços de medição de gás, a maioria dos medidores de vazão mede o volume real ou infere o volume real, tomando como referência a vazão volumétrica nas condições nominais de operação. Quando as condições reais do processo se afastam das condições nominais de projeto de operação, ocorrem grandes variações no volume real, resultando em grande incerteza na medição da vazão. Um modo de resolver este problema seria manipular a vazão mássica, medindo-se a vazão volumétrica e a densidade do fluido e usar a relação W=rxQ onde W é a vazão mássica Q é a vazão volumétrica r é a densidade. A medição da densidade de um fluido vazando é relativamente cara, demorada e pouco confiável e a prática mais comum é inferir o valor da densidade a partir dos valores da pressão estática absoluta e da temperatura do processo, aplicando-se a lei do gás real. Tem-se: onde o fator simplificado (P/ZT) compensa a variação da pressão e temperatura (que determinam a densidade), variando das condições nominais de projeto para as reais de operação e calcula o volume requerido nas condições nominais para provocar o efeito da mesma vazão nas condições reais. Isto significa, por exemplo, que se P/ZT for 1,10, o gás nas condições reais é 1,10 mais denso do que o gás nas condições nominais e 10% mais de gás vaza realmente através do medidor linear do que está medido, assumindo as condições nominais de operação. Nas condições nominais de operação, o fator (P/ZT) é usado para corrigir o volume real antes que as não linearidades sejam compensadas. Assim, estes fatores são tratados do mesmo modo que a densidade, nas equações do medidor. Quando a vazão variar não linearmente com a densidade do gás, a vazão também vai variar não linearmente com o fator P/ZT. Para o sistema com placa de orifício, portanto, o fator de compensação é a raiz quadrada de P/ZT, pois a vazão volumétrica é proporcional `a raiz quadrada da densidade. A compensação da pressão e temperatura usa a hipótese de o fator de compressibilidade Z ser constante nas condições de operação próximas das condições nominais e despreza os efeitos da compressibilidade. Para se medir a vazão volumétrica compensada usa-se a equação, para o medidor linear: Z P T Vf = Vn f n f Z P T n f n ou quando as condições nominais de operação são conhecidas e podem ser resumidas em uma constante matemática, a equação fica simplificada como: Z P T Vf = Vn n f n Z P T f n f e quando o fator de compressibilidade nas condições reais não se afasta do fator nas condições nominais: Z × Tf Vf = K × Vn f P f P T Vf = Vn f n P T n f Para um medidor com saída proporcional ao quadrado da vazão, tem-se a equação: Fazer a compensação da temperatura e pressão reais do processo, que se afastaram da temperatura e pressão nominais é justamente multiplicar por Pf Z f × Tf P T Vf = Vn f n P T n f 110 Condicionadores de Sinal Note-se que a equação da vazão compensada é o inverso da equação da lei dos gases, justamente para eliminar os efeitos da pressão e da temperatura. Ou seja, como a vazão volumétrica depende da pressão e temperatura de um fator (ZT/P), deve-se multiplicá-la por um fator de compensação (P/ZT) para se ter uma vazão volumétrica compensada. A operação de corrigir um erro fixo é chamada de polarização (bias) e a compensação é a correção de um erro variável. Quando somente se quer a compensação da pressão, pois a temperatura é se afasta pouco de seu valor nominal, assume-se um valor constante igual ou diferente do nominal e o incorpora `a constante. Quando a temperatura for constante e diferente do valor nominal, em lugar de usar um medidor de temperatura para fazer a compensação continua, aplica-se um fator de correção na leitura do medidor. A compensação da pressão é implementada, multiplicando-se a pressão absoluta pela vazão medida e uma constante, antes de linearizar a saída do medidor. De modo análogo, quando a pressão é assumida constante e diferente do valor nominal, se aplica um fator para a leitura do medidor em lugar de usar um medidor de pressão para a compensação. A compensação da temperatura é implementada, multiplicando-se a temperatura absoluta pela vazão medida e uma constante, antes de linearizar a saída do medidor. Tab. 3.2. Erros da medição do gás sem compensação de T Temperatura (oC) -20 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 40 45 50 Erro (%) -13 -11 -7 -6 -4 -2 0 +2 +4 +6 +8 +9 +10 * Condição padrão (standard) (Cfr. Industrial Flow Measurement, D.W. Spitzer) Tab. 3.3. Erros da medição do gás sem compensação da P Pressão, psig Tolerância em torno da pressão nominal Psig 0,25 2,0 5,0 10 20 50 75 100 125 0,25 1,7% 1,5% 1,3% 1,0% 0,7% 0,4% 0,3% 0,2% 0,2% 0,50 NA 3,0% 2,6% 2,0% 1,5% 0,8% 0,6% 0,4% 0,4% 1 NA 6,1% 5,2% 4,1% 2,9% 1,6% 1,1% 0,9% 0,7% 2 NA 12,2% 10,3% 8,2% 5,8% 3,1% 2,2% 1,7% 1,4% 3 NA NA 25,8% 20,5% 14,5% 7,8% 5,6% 4,4% 3,6% (Cfr. Industrial Flow Measurement, D.W. Spitzer) 5.2. Condições normal, padrão e real Na medição do fluido compreensível, é mandatório definir as condições sob as quais está sendo medida sua vazão volumétrica. A mesma vazão de um fluido compreensível pode ser expressa por valores totalmente diferentes, em função das condições especificadas. 111 Condicionadores de Sinal As condições normal de pressão e temperatura (CNPT) são: Temperatura : 0,0 oC (273,2 K) Pressão : 760 mm Hg (14,6959 psi) Umidade relativa: 0% Pela norma ISO 5024 (1976), as condições padrão (standard) são: Temperatura : 15,0 oC (59 oF, 288,2 K) Pressão : 101, 3250 kPa (14,6959 psi) umidade relativa: 0% Constante Universal: 8,3144 J/(g.mol.K) Há autores que assumem a temperatura padrão (standard) igual a 15.56 oC (60 oF). Para líquidos, a temperatura padrão base é também igual a 15,0 oC, na indústria; em laboratório é comum usar a temperatura de 20,0 oC. As condições de operação, de trabalho ou reais são aquelas efetivamente presentes no processo. Por exemplo, seja a vazão volumétrica de ar igual a 100 m3/h, nas condições reais de 30 oC e 2,0 kgf/cm2A. Esta vazão pode ser expressa como: 100 m3/h real, (30 oC e 2,0 kgf/cm2) 180 Nm3/h, (0 oC e 1,0 kgf/cm2 A) 190 Sm3/h, (15,0 oC e 1,0 kgf/cm2 Absoluta) Em inglês, as unidades e abreviações comuns são: ACFM (actual cubic foot/minute) e SCFM (standard cubic foot/minute). Propriedades do Ar nas Condições Padrão: Compressibilidade (Z) Densidade Peso molecular 0,999 582 4 1,225 42 kg/m3 28,962 4 5.3. Compensação da Temperatura de Líquidos As necessidades da precisão que requerem compensação para as variações de densidade causadas pelas variações da temperatura do liquido são poucas (por exemplo, amônia). Neste caso, deve-se medir a temperatura do liquido e compensar segundo a formula: Vf = Vn /T 5.4. Tomadas de Pressão e Temperatura As tomadas da pressão e da temperatura devem ser localizadas corretamente para cada tipo de medidor de vazão, para minimizar o erro na medida final. A tomada da pressão é mais critica que a da temperatura, pois há uma grande variação da pressão local no medidor de vazão. Na prática, há uma pequena diferença entre a pressão a montante (maior) e a jusante (menor) do medidor, quando o medidor provoca uma perda de carga. É comum se tomar a pressão a montante do medidor. Qualquer que seja a localização, a pressão deve corresponder a vazão não perturbada, em pontos sem flutuações ou pulsações. Alguns medidores de vazão já possuem a tomada de pressão no seu corpo. No sistema com placa de orifício, é comum se usar a mesma tomada a montante da placa usada medir a pressão diferencial. Nos programas de computador de cálculo de placa, o menu apresenta as opções de tomadas a montante ou a jusante da placa. A tomada de temperatura é menos critica, desde que há pouca variação da temperatura ao longo do medidor de vazão. As tomadas de temperatura estão tipicamente localizadas a cerca de 10 diâmetros depois do medidor, para não causar turbulência na entrada do medidor. Deve-se destacar que os sensores de vazão e de temperatura são tem necessidades opostas, quanto ao local de montagem: os sensores de vazão requerem local tranqüilo, sem distúrbios; os de temperatura devem ser usados em local com turbulência, para homogeneizar a temperatura. 112 Condicionadores de Sinal Na implementação da compensação da pressão e temperatura na medição de vazão, é interessante investigar se já existem medições da pressão e da temperatura do processo, a jusante ou a montante do medidor de vazão, pois se elas já existirem em locais corretos, estas medições podem ser usadas para a compensação, sem necessidade de instrumentos adicionais. unidades de engenharia. Este fator de multiplicação do totalizador depende da vazão máxima e da velocidade de contagem desejada pelo operador. O contador só pode ter mostrador digital. Em alguns contadores, os dígitos podem ser mostrados analogicamente, como os indicadores de consumo de energia elétrica caseiros. O totalizador pode receber sinais analógicos ou digitais. Quando o sinal de entrada é analógico, o totalizador o converte, internamente, em pulsos e os conta na saída. Quando o sinal de entrada já é em pulsos, o totalizador os escalona e os conta. Quando os pulsos já são escalonados, o totalizador os conta diretamente. Pulso escalonado é aquele que já possui uma relação definida com a unidade de engenharia de vazão, volume ou massa. Há uma certa confusão entre o integrador e o contador. O integrador pode receber sinais analógicos e os integra. Na operação de integração, o sinal analógico é convertido para pulsos que são finalmente contados. Todo integrador de vazão possui um contador; ou seja, o contador é o display do integrador. O contador é também chamado de acumulador. Os contadores podem ser eletromecânicos ou eletrônicos. Os contadores eletromecânicos custam mais caro e requerem maior energia de alimentação, porem, quando há falta da tensão de alimentação, o ultimo valor totalizado permanece indicado. Os contadores puramente eletrônicos são mais econômicos, requerem menor nível de tensão de alimentação e consomem muito menos energia. Porem, na falta da tensão de alimentação eles perdem a indicação. Para solucionar este problema, são utilizados contadores eletrônicos alimentados com bateria com vida útil de 5 a 10 anos. Deste modo, quando há perda da alimentação principal, o contador não zera o valor totalizado. multiplicador - divisor extrator raiz quadrada x/÷ PT FY si nal FT TT √ FY al controlador de vazão FIC sin FCV FE Fig. .3.3. Malha de compensação e linearização de medição de gás com placa de orifício 6. Totalização da Vazão O totalizador de vazão é um instrumento completo que detecta, totaliza e indica, através de um contador digital, a quantidade total do produto, que passa por um ponto, durante um determinado intervalo de tempo. O totalizador de vazão é também chamado de integrador, de FQ, de quantificador e, erradamente, de contador. O contador é apenas o display ou o readout do totalizador. Os totalizadores são calibrados para fornecer a leitura direta, em unidades de volume ou de massa do produto. Ele pode possuir uma constante de multiplicação, que é o numero que deve multiplicar pela indicação para se ter o valor totalizado em 113 Condicionadores de Sinal 7. Serviços associados O computador analógico é especificado, escalonado, montado e mantido para desempenhar a função desejada. A especificação do computador analógico é simples e envolve: 1. a escolha da função a ser executada, 2. a determinação dos sinais de entrada e de saída, 3. o fornecimento da alimentação compatível com os sinais manipulados, 4. a identificação na malha.. O escalonamento (scaling) do computador analógico é a adequação do instrumento à função matemática requerida. Escalonar o somador universal é ajustar os ganhos e polarizações dos sinais de entrada para ele fazer a soma especifica do processo. O escalonamento depende da função matemática, dos dados do processo, dos sinais manipulados e dos circuitos internos do instrumento. A partir da equação genérica do processo, desenvolve-se a equação normalizada e chega-se a equação da tensão. A partir da equação da tensão se constrói a tabela de ajuste, atribuindo valores notáveis para as entradas e determinando teoricamente os valores da saída. Fisicamente, ajustando-se os ganhos e as polarizações do computador, obtém-se as saídas teóricas. Os limitadores de sinais e de alarme possuem ajustes que possibilitam a determinação do valor de acionamento. A montagem dos computadores deve ser feita de conformidade com a literatura do fabricante e com os diagramas de ligação do projeto. As ligações da entrada podem determinar a função desempenhada pelo computador. Realimentações, curto circuitos e ligações adequadas do mesmo instrumento podem determinar funções totalmente diferentes do multiplicador/divisor. (a) Pneumático (b) Eletrônico Fig. 3..4. Totalizador de vazão FI FT FQ 0 1 3 5 0 FE Fig. 3..5. Indicação e totalização de vazão Há contador com predeterminador: há um contador normal e um contador onde se estabelece o valor determinado. Quando o contador atinge o valor pré-ajustado, ele para de contar e o processo é interrompido. Apostila\Instrumentação 23Condicionador. doc 11 DEZ 98 (Substitui 18 FEV 98) 114 2.4 Indicador 1. Conceito O indicador é o instrumento que sente a variável do processo e apresenta o seu valor instantâneo. É freqüentemente chamado de medidor, receptor, repetidor, gauge, mas estes termos são desaconselháveis por serem ambíguos e imprecisos. Indicador específico de pressão é chamado de manômetro; de temperatura é chamado de termômetro e o de vazão, rotâmetro. Estes nomes também não são recomendados, embora sejam muito usados. O recomendado é chamar respectivamente de indicador de pressão, de temperatura e de vazão. O indicador sente a variável a ser medida através do elemento primário e mostra o seu valor através do conjunto escala + ponteiro ou de dígitos. O tag de um indicador da variável X é XI; de um indicador selecionável XJI. O indicador pode ser estudado considerando os seguintes parâmetros 1. a variável medida 2. o local de montagem 3. o formato exterior 4. natureza do sinal 5. o tipo de indicação como PG (pressure gauge). O elemento sensor do indicador de pressão pode ser o tubo Bourdon, o helicoidal, o fole, a espiral, o strain gauge . As escalas possuem unidades de kgf/cm2, Pa (pascal) ou psig. O indicador de temperatura é também chamado de termômetro. Na prática, se chama de termômetro apenas o indicador local de temperatura. Em algumas convenções se simboliza o indicador local de temperatura como TG (temperature gauge). O elemento sensor do indicador de temperatura pode ser o bimetal, o enchimento termal, a resistência elétrica e o termopar. As escalas possuem unidades de oC e K. O indicador de vazão é também chamado de rotâmetro. Na prática, se chama de rotâmetro apenas o indicador de vazão de área variável. O símbolo FG significa visor de vazão (flow glass) e é usado em sistemas onde se quer verificar a presença da vazão e não necessariamente o seu valor, como na medição de nível com borbulhamento de gás inerte. O elemento sensor de vazão mais usado é a placa de orifício; quando a escala do indicador é raiz quadrática, pois a pressão diferencial gerada pela placa é proporcional ao quadrado da vazão. Os outros indicadores da vazão estão associados à turbina, ao tubo medidor magnético e ao medidor com deslocamento positivo . As escalas possuem unidades de volume/tempo ou massa/tempo. Adicionalmente, a vazão pode ser totalizada e o valor final é indicado através de dígitos do contador. Não existe contador analógico para a totalização da vazão. 2. Variável Medida Dependendo da variável a ser indicada, há diferenças básicas no elemento sensor, nas unidades da escala e pode haver nomes específicos para o indicador. O indicador de pressão é também chamado de manômetro. Na prática, se chama de manômetro apenas o indicador local de pressão. Em algumas convenções se simboliza o indicador local de pressão 115 Indicador miniaturizados e pequenos, para economia de espaço. Para ainda maior economia de espaço é comum se ter indicadores com 1, 2 ou 3 ponteiros, para indicar simultaneamente 2 ou 3 variáveis independentes. Para facilitar a leitura, neste caso de leituras múltiplas, cada ponteiro tem uma cor diferente. O indicador de painel possui geralmente escala vertical, percorrida por ponteiros horizontais. Fig. 4. 1. Manômetro ou indicador local de pressão (Foxboro) O indicador local de nível é chamado de visor e possui o tag LG (level glass). A maioria dos sistemas de medição de nível de líquidos se baseia na pressão diferencial. A escala típica para a medição de nível é de 0 a 100% , sem unidade. 4. Tipo da Indicação A indicação da leitura pode ser analógica, feita através de um posicionamento contínuo do ponteiro na escala ou digital, através da amostragem de um dígito. O instrumento analógico usa um fenômeno físico para indicar uma outra grandeza, por analogia. Ele mede um sinal que varia continuamente e como conseqüência, a posição do ponteiro varia continuamente assumindo todas as posições intermediários entre o 0 e 100%. Pode-se ter escala fixa e ponteiro móvel e mais raramente, escala móvel e ponteiro fixo. 3. Local de Montagem Os indicadores podem ser montados em dois lugares distintos no campo ou na sala de controle. Os indicadores de campo ou locais são montados próximos ao processo, muitas vezes diretamente na tabulação ou vaso do processo. Os indicadores de campo normalmente são formato grande, tipicamente circulares, que é o formato mais resistente. Quando usados ao relento devem ser a prova de tempo e quando montados em locais perigosos devem possuir classificação elétrica especial compatível com a classificação da área. Fig. 4. 3. Indicadores com escala vertical e horizontal (Foxboro) Quando a leitura é através de um número, o indicador é digital. Ele conta os pulsos do sinal digital e indica o valor através de dígitos que mudam discretamente. Para cada valor da variável medida, há um número indicado. Atualmente já existem instrumentos pneumáticos digitais, embora o mais difundido seja o indicador eletrônico digital. Fig. 4. 2. Indicador de painel (Foxboro) Os indicadores de painel geralmente são retangulares pois é mais fácil se fazer uma abertura retangular numa chapa de aço do que uma abertura circular. São tipicamente 116 Indicador Fig. 4. 4. Indicador digital de pressão (HBM) Atualmente, são disponíveis indicadores eletrônicos com barra de gráfico (bargraph), que possuem técnicas e circuitos digitais para a manipulação do sinal, porém, com a indicação final em forma de barra de LEDs (diodo emissor de luz) como se fosse analógica. Uma indicação digital, pelo fato apenas de ser digital não é necessariamente mais precisa ou confiável que uma indicação analógica. Decididamente é mais fácil fazer uma leitura digital do que uma com ponteiro-escala, se cansa menos e há menor probabilidade de cometer erros quando se fazem inúmeras leituras digitais. A precisão e a confiabilidade dependem ainda da qualidade dos componentes, do projeto, do mecanismo, da calibração e de vários outros fatores. Os indicadores de painel normalmente são montados em estantes apropriadas que já possuem conectores pneumáticos e eletrônicos de encaixe rápido para facilitar a substituição para a manutenção. Na eletrônica são comuns as indicações através de LEDs e quartzo liquido. Atualmente. há pesquisa e desenvolvimento com tecnologias baseadas na ionização de plasma e fluorescência no vácuo. O objetivo final de qualquer projeto é a obtenção de uma indicação visível à distância e de pequeno consumo de energia elétrica. Nos sistemas com computador digital, as indicações são feitas através de monitores de vídeo e as telas também simulam as escalas dos instrumentos, com leituras analógicas. Fig. 4. 5. Transmissor e indicador de pressão (Foxboro) 5. Rangeabilidade da Indicação Tão importante quanto à precisão e exatidão do instrumento, é sua rangeabilidade. Em inglês, há duas palavras, rangeability e turndown para expressar aproximadamente a extensão de faixa que um instrumento pode medir dentro de uma determinada especificação. Usamos o neologismo de rangeabilidade para expressar esta propriedade. Fig. 4. 6. Escalas de indicação Para expressar a faixa de medição adequada do instrumento define-se o parâmetro rangeabilidade. Rangeabilidade é a relação da máxima medição sobre a mínima medição, dentro uma determinada precisão. Na prática, a rangeabilidade estabelece a menor medição a ser feita, depois que a máxima é determinada. A rangeabilidade está ligada à relação matemática entre a saída do medidor e a variável medida. Instrumentos lineares 117 Indicador possuem maior rangeabilidade que os medidores quadráticos (saída do medidor proporcional ao quadrado da medição). Na medição de qualquer quantidade se escolhe um instrumento pensando que ele tem o mesmo desempenho em toda a faixa. Na prática, isso não acontece, pois o comportamento do instrumento depende do valor medido. A maioria dos instrumentos tem um desempenho pior na medição de pequenos valores. Sempre há um limite inferior da medição, abaixo do qual é possível se fazer a medição, porém, a precisão se degrada e aumenta muito. Por exemplo, o instrumento com precisão expressa em percentagem do fundo de escala tem o erro relativo aumentando quando se diminui o valor medido. Para estabelecer a faixa aceitável de medição, associa-se a precisão do instrumento com sua rangeabilidade. Por exemplo, a medição de vazão com placa de orifício, tem precisão de ±3% com rangeabilidade de 3:1. Ou seja, a precisão da medição é igual ao menor que 3% apenas nas medições acima de 30% e até 100% da medição. Pode-se medir valores abaixo de 30%, porém, o erro é maior que ±,3%. Por exemplo, o erro é de 10% quando se mede 10% do valor máximo; o erro é de 100% quando se mede 1% do valor máximo. valores. Um instrumento com pequena rangeabilidade é incapaz de fazer medições de pequenos valores da variável. A sua faixa útil de trabalho é acima de determinado valor; por exemplo, acima de 10% (rangeabilidade 10:1), ou de 33% (3:1). Em medição, a rangeabilidade se aplica principalmente a medidores de vazão. Sempre que se dimensiona um medidor de vazão e se determina a vazão máxima, automaticamente há um limite de vazão mínima medida, abaixo do qual é possível fazer medição, porém, com precisão degradada. Em controle de processo, o conceito de rangeabilidade é também muito usado em válvulas de controle. De modo análogo, define-se rangeabilidade da válvula de controle a relação matemática entre a máxima vazão controlada sobre a mínima vazão controlada, com o mesmo desempenho. A rangeabilidade da válvula está associada à sua característica inerente. Na válvula linear, cujo ganho é uniforme em toda a faixa de abertura da válvula, sua rangeabilidade é cerca de 10:1. Ou seja, a mesma dificuldade e precisão que se tem para medir e controlar 100% da vazão, tem se em 10%. A válvula de abertura rápida tem uma ganho muito grande em vazão pequena, logo é instável o controle para vazão baixa. Sua rangeabilidade vale 3:1. A válvula com igual percentagem, cujo ganho em vazão baixa é pequeno, tem rangeabilidade de 100:1. 6. Associação a Outra Função A indicação é uma função passiva e sua malha é aberta. A indicação pode estar associada com as outras funções, como a transmissão, o controle, o registro e a totalização. O transmissor a balanço de movimento é naturalmente um indicador local da variável transmitida. Há transmissores que possuem o indicador do sinal de saída e como conseqüência a indicação indireta da variável transmitida. Toda malha de controle a realimentação negativa requer a indicação da variável medida e do ponto de ajuste. Quando o controlador é disponível na Fig. 4.7. Precisão em percentagem do fundo de escala Não se pode medir em toda a faixa por que o instrumento é não linear e tem um comportamento diferenciado no início e no fim da faixa de medição. Geralmente, a dificuldade está na medição de pequenos 118 Indicador arquitetura modular, com a estação de leitura e separada do controlador cego, a indicação fica somente na estação de leitura. O registrador é naturalmente um indicador onde a escala é o gráfico e o ponteiro é a pena. Mesmo assim, o registrador possui também a escala auxiliar de indicação. A indicação correta do registrador é dada pela posição da pena em relação a escala do gráfico. O indicador pode possuir alarme, normalmente acionado pela posição do ponteiro. e periodicamente, depois que entra em operação. Os períodos de calibração são determinados principalmente pelos seguintes parâmetros: 1. recomendação do fabricante, 2. classe de precisão do indicador 3. agressividade do meio onde está montado 4. penalidade pela não conformidade da indicação A calibração do indicador pode também ser determinada e requerida pelo pessoal da operação, quando há desconfiança ou certeza de que a sua indicação não é confiável. Calibrar um indicador significa 1. simular a variável medida 2. medi-la com um padrão rastreado 3. comparar o valor do padrão com o indicado pelo instrumento Quando necessário, deve-se ajustar a posição do ponteiro na escala, de modo que a indicação fique conforme um padrão de referência, dentro dos limites de tolerância estabelecidos pela precisão do indicador. O ajuste do indicador consiste na atuação nos mecanismos de zero, largura de faixa, balanço ou linearidade (quando há interação entre zero e largura de faixa) e angularidade (se balanço de movimentos). Operar um indicador é fazer a sua leitura periodicamente. Quando o operador perceber alguma anormalidade no indicador, ele deve requerer um instrumentista para fazer a sua manutenção. O indicador é retirado pelo instrumentista e é feita a manutenção na oficina. 7. Serviços Associados O indicador deve ser especificado, montado, calibrado, operado e mantido de modo a apresentar as leituras corretas e com a precisão determinada pelo fabricante. Para a especificação do indicador, devem ser considerados os seguintes parâmetros: 1. a variável do processo associada, 2. o elemento sensor, que é função da variável, da faixa de medição, do fluido e das condições de operação e segurança do processo. 3. a faixa calibrada, importante para a definição do elemento sensor e da escala, 4. a escala, com os valores mínimo e máximo, o formato e a unidade da variável, 5. a plaqueta gravada, com a indicação útil para o operador, 6. a identificação da malha (tag), 7. o tipo de montagem campo, painel, superfície, tubo de 2" ou pedestal (yoke). 8. o local de montagem e como conseqüência, a classificação elétrica e mecânica do invólucro. 9. as opções extras, com alarme, acabamento especial, proteção contra sobrefaixa. A montagem do indicador deve ser feita conforme a literatura recomendada do fornecedor, dos diagramas do projeto e das normas existentes. Para que a leitura fornecida pelo indicador seja confiável, é necessário que ele seja calibrado, antes da montagem (mesmo que já venha calibrado de fábrica) 119 2.5 Registrador 1. Introdução O registrador é o instrumento que sente uma ou muitas variáveis do processo e imprime o seu valor no gráfico, de modo contínuo ou descontinuo, mas permanente. Ele fornece o comportamento histórico da variável. O registro é feito através de pena com tintas em gráfico móvel. O gráfico é também chamado de carta (influencia do inglês, chart). O tag de um registrador da variável X é XR; de um registrador multivariável UR e de um registrador selecionável XJR. O registrador é diferente do instrumento chamado impressora. A impressora imprime apenas os valores indicados, quando acionada ou programada. O registrador imprime os valores de modo automático e contínuo. Atualmente, há outros mecanismos mais eficientes e de maior capacidade para o armazenamento das informações, tais como os disquetes e as fitas magnéticas dos computadores digitais. O registrador pode ser estudado considerando os seguintes parâmetros: 1. a topografia 2. acionamento do gráfico 3. a pena e 4. o gráfico. é do formato circular. O registrador circular geralmente é montado no campo, próximo ao processo e ligado diretamente ao elementos primário, não necessitando do uso do transmissor. O gráfico possui o diâmetro externo típico de 12" e com rotação de 24 horas ou de 7 dias. Diariamente ou semanalmente o operador deve trocar o gráfico. O registrador montado no painel possui o gráfico em tira. Embora o tamanho físico do registrador de painel (largura de 4") seja menor que o circular de campo (12" de diâmetro) e ocupe um terço do espaço, a área útil de registro no gráfico de tira é a mesma que a do circular (4"). Normalmente o percurso da pena é no sentido horizontal, mas existe registrador cuja pena tem uma excursão vertical. O gráfico do registrador de painel pode ser do tipo rolo (duração de 30 dias) ou sanfonado (duração de 16 dias). Na parte superior do registrador está colocada a escala, que preferivelmente deve ser igual a do gráfico. Quando houver mais de um registro, o registrador continua com uma única escala e o gráfico possui várias escalas em gomos diferentes. A função da escala do registrador é a de dar a ordem de grandeza do registro e geralmente é de 0 a 100, linear, indicando percentagem. Para fins de leitura e de Calibração, o que deve ser lido é a posição da pena em relação ao gráfico. O registrador pode possuir as unidades de controle. Tem-se assim o instrumento registrador-controlador. Ele possui um único elemento receptor, que está acoplado mecanicamente ao sistema de 2. Topografia Por topografia deve-se entender a forma e o local de montagem do registrador. Em função do formato, os registradores são divididos em circulares e em tira. O registrador circular possui gráfico circular e sua caixa não necessariamente 120 Registrador registro (pena) e ao sistema de controle (conjunto bico-palheta). demonstrações didáticas e na sintonia do controlador é desejável uma velocidade maior. Tipicamente há durações de gráficos circulares desde 1 minuto até 30 dias. 4. Penas O registrador contínuo possui de 1 a 4 penas de registro. Quando o registrador possui mais de uma pena, os tamanhos e os modelos destas penas são diferentes, para que não haja interferência mútua dos registros. Isto deve ser considerado ao se especificar as penas de reposição especificar a posição da pena em questão externa, intermediária, interna, primeira, segunda. O registrador multiponto possui uma única pena ou dispositivo impressor associado a um sistema de seleção de entradas. Há um sistema de varredura das entradas, de modo que todas as leituras são lidas e registradas, uma de cada vez, consecutivamente e numa ordem bem estabelecida. Para identificar a entrada ou a variável registrada, usam-se cores de tintas diferentes ou então o próprio dispositivo impressor possui diferentes marcas de identificação. Fig. 5. 1. Registrador de vazão e pressão (Foxboro) 3. Acionamento do Gráfico A pena do registrador só se move numa direção e sua posição depende do valor da variável registrada. para haver um registro contínuo, o gráfico deve se mover em relação a pena. O acionamento do gráfico é conseguido por um motor que move engrenagens, que por sua vez movem o gráfico, desenrolando-o ou desdobrando-o de um lado e enrolando-o do outro lado. O motor de acionamento do gráfico pode ser elétrico, mecânico ou pneumático. No painel e em áreas seguras usam-se motores elétricos com tensão de alimentação de 24 V ca, 110 V ca ou 220 V ca. Quando o registrador é montado no campo, em área classificada ou em local sem energia elétrica, o acionamento do motor deve ser através de mola mecânica; a corda deste acionamento pode durar cerca de uma semana. Alternativamente o registrador com acionamento elétrico pode ser montado em área classificada, porém, deve ter a classificação elétrica compatível com o grau de perigo do local. O gráfico pode ser acionado e movido em diferentes velocidades. A velocidade mais comum para o registrador retangular de painel é de 20 mm/hora, considerada lenta. Em partida de unidades, em laboratórios, em plantas piloto, em Fig. 5. 2. Registrador de painel (Foxboro) Há ainda os registradores de tendência ou trend recorder. São registradores que possuem 4 penas registradoras e recebem na entrada até 20 sinais diferentes e independentes para serem registrados. Um sistema adequado de seleção escolhe 4 entradas particulares e as registra simultaneamente. Este tipo de registrador faz o registro contínuo de multipontos e é muito útil em partidas de unidades ou testes, quando se está interessado na 2.5.121 Registrador tendência e na variação das grandezas apenas durante o transiente. O registrador de painel geralmente é montado em estante apropriada e ocupa duas posições, quando o movimento da pena é horizontal; ele ocupa uma única posição quando a pena se movimenta verticalmente. A pena pode ter formato em V ou em caixa (box). A pena V requer a coloco freqüente da tinta. Na pena tipo caixa, o período de colocação de tinta é maior. Como isso não é muito pratico, atualmente a maioria dos registradores usa o sistema de tubo capilar. A tinta é acondicionada em pequeno reservatório e um sistema de tubo capilar a leva para a pena. Deve-se tomar cuidado especial com estes registradores durante seu transporte para manutenção. No inicio da operação é necessário se apertar o reservatório de tinta - com cuidado - de modo que se encha todo o capilar de tinta, expulse as bolhas de ar e a tinta chegue até a pena. É uma boa idéia colocar um pedaço de papel absorvente debaixo da pena quando se faz esta operação para prevenir borrões. O registrador de painel deve ser montado na posição horizontal, preferivelmente. Existem inclinações máximas permissíveis, além das quais não há registro. As cores das penas são iguais as cores da tinta de registro. As tintas não devem ser misturadas, pois a cor da mistura é totalmente diferente da cor dos componentes, e.g., o verde misturado com o vermelho dá o marrom. O movimento da pena é linear, no registrador de painel com gráfico de tira e é um arco de circulo, no registrador com gráfico circular. Fig. 5.3. Registrador microprocessado (Yokogawa) Opcionalmente o registrador de painel possui uma lâmpada piloto e contatos de alarme acionados fisicamente pela posição da pena. O conhecimento do alarme consiste em abrir a porta do registrador. 5. Gráficos O registro das variáveis, feito pela pena, é conservado no gráfico. O gráfico deve ser de papel absorvente, de boa qualidade, de modo que não estrague nem entupa a pena. O traçado deve ser contínuo, nítido e sem borrão. A analise do registro da variável pode indicar o horário dos distúrbios do processo. Para isso, assume-se que o gráfico esteja corretamente instalado, ajustado para o tempo real do dia e que o registrador esteja calibrado. A tinta deve fluir pela pena, de modo contínuo, conseguido pela pressão mecânica adequada entre a pena e o gráfico. Se a pressão da pena é excessiva pode haver rasgos no gráfico e desgaste excessivo da pena, se é insuficiente, pode haver deslizamentos e saltos da pena. O comprimento de um gráfico de tira varia de 30 a 70 metros de comprimento. Normalmente o de rolo tem o dobro do tamanho do gráfico sanfonado. O último meio metro do gráfico de tira, quando faltam cerca de 18 horas de registro, é marcado com uma faixa vermelha, para advertência da proximidade da troca do gráfico. O gráfico possui duas coordenadas o valor registrado da variável e o tempo. O movimento da pena é linear em uma direção, normalmente transversal. O 2.5.122 Registrador movimento mecânico do gráfico é regular e longitudinal. A maioria dos gráficos usa coordenadas cartesianas, geralmente retangulares com as linhas retas se cruzando perpendicularmente. Quando pelo menos uma das linhas de referência é um arco de circulo, as coordenadas são curvilíneas. De pouco uso, porém existentes, são as coordenadas polares uma distância e um ângulo. 6. Associação a Outra Função O registro é uma função passiva que armazena os valores históricos da variável do processo. A malha de registro é aberta, iniciada no elemento sensor, ligado ao processo e terminada no registrador. O registrador ligado diretamente ao processo pode alojar a unidade de controle automático. No painel, as funções de controle e de registro são sempre independentes e executadas por instrumentos separados. O registrador pode ter, opcionalmente, os contatos elétricos para alarme, que são acionados pela posição da pena e podem ser atuados pelo valor mínimo, máximo ou diferencial. Cada pena possui os seus contatos de alarme independentes. O gráfico do registro da vazão instantânea pode ser utilizado para a sua totalização. A partir do registro da pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão pode-se determinar a quantidade total da vazão, numa operação manual ou através do planímetro. Embora raro, é possível se associar a transmissão ao registrador local. (a) Rolo (b) Sanfonado Fig. 5.4. Enrolamento do gráfico Existe uma grande quantidade de gráficos diferentes. As diferenças estão no tamanho físico, no tamanho da área útil de registro, nas escalas, nos furos de fixação, no sistema de enrolamento. Para a especificação correta de um gráfico deve se fornecer nome do fabricante do registrador. Obviamente o fabricante do registrado fornece gráficos somente para uso em instrumentos de sua marca. Mesmo que a escala seja a mesma, as dimensões do gráfico e da área útil de registro sejam idênticas, pode haver diferenças na função lateral, no sistema de acionamento. Normalmente os fabricantes de registradores fornecem inicialmente uma quantidade de gráficos suficiente para 6 meses de operação. formato e tipo de acionamento. Há gráficos circulares de 10" e 12" de diâmetro e gráficos em carta tipo rolo ou sanfonado, de 4". faixa de medição. Deve-se informar a faixa ou as diferentes faixas e suas características matemáticas. Por exemplo, 0-100 uniforme ou linear, 0 a 10 raiz quadrática. Quando se trata do registro da temperatura, o tipo da curva, além da faixa de medição. Por exemplo, RTD de Pt, termopar tipo J, K. Fig. 5.5. Registrador com ações de controle (Foxboro) 2.5.123 Registrador 7. Serviços Associados O registrador deve ser especificado, montado, operado e mantido de modo correto, para que não se danifique e que registro os valores das variáveis com o mínimo erro especificado pelo fabricante. Na especificação do registrador, devem ser conhecidos os seguintes parâmetros: 1. a variável do processo P, T, F, L. 2. o elemento sensor desejado 3. a montagem tubo 2", painel, estante especial, ângulo de inclinação. 4. o número e o tipo das penas, de acordo com o número das variáveis registradas 1 a 4 penas continuas ou 6, 12 ou 24 pontos 5. o acionamento do gráfico elétrico (tensão e freqüência), e mecânico (duração da corda), 6. o enrolamento do gráfico, 7. a escala do registrador valor e tipo (faixa de medição, linear, raiz quadrática), 8. a escala do gráfico valor e tipo (faixa de medição, marcação do tempo, dupla, tripla, linear), 9. a plaqueta gravada dados úteis para o operador do processo, como a correspondência das penas com as variáveis registradas. 10. a identificação das malhas, como TR 2O4. 11. o suprimento de gráfico e de tinta, 12. as opções extras, como alarme, iluminação interna, acabamento especial, unidade de controle, contador-integrador. 13. a classificação mecânica do invólucro e classificação elétrica, se há alimentação elétrica e se a área é perigosa. A montagem do registrador deve seguir as instruções do fabricante, os diagramas de ligação do projeto detalhado e as normas existentes. O pessoal da operação é responsável pela leitura dos registros, pelo armazenamento organizado dos gráficos para consulta posterior, pelo enchimento ou troca dos recipientes de tinta e pela troca dos gráficos. Quando os gráficos são usados para a totalização, via planímetro, o pessoal da operação se responsabiliza por esta tarefa. A calibração do registrador deve ser feita pelo instrumentista. Calibrar um registrador é verificar se o sinal de entrada correspondente. Quando estiver fora, o registrador deve ser ajustado. Ajustar o registrador é posicionar pena em relação ao gráfico (e não em relação a escala do registrador) de conformidade com os sinais de entrada. 2.5.124 2.6 Computador de Vazão 1. Conceito O computador de vazão é projetado para a solução instantânea e contínua das equações de vazão dos elementos geradores de pressão diferencial (placa, venturi, bocal) e dos medidores lineares de vazão (turbina, medidor magnético, vortex). O computador de vazão recebe sinais analógicos proporcionais à pressão diferencial, temperatura, pressão estática, densidade, viscosidade e pulsos proporcionais à vazão e os utiliza para computar, totalizar e indicar a vazão volumétrica compensada ou nãocompensada e a vazão mássica. que pode ser montado em painel da sala de controle ou diretamente no campo, onde é alojado em caixa para uso industrial, com classificação mecânica do invólucro à prova de tempo e, quando requerido, com classificação elétrica da caixa à prova de explosão ou à prova de chama. O computador é programado e as constantes são entradas através de um teclado, colocado na frente ou no lado do instrumento. Os computadores de vazão sofreram uma grande evolução, desde o seu lançamento no mercado, no inicio dos anos 1960. Eles foram originalmente projetados para manipular as equações da AGA (American Gás Association) para vazão mássica de gás e foram construídos em torno de multiplicadores, divisores e extratores de raiz quadrada. Atualmente, os computadores são principalmente dispositivos digitais que podem ser classificados em dois tipos 1. programável, que faz quase qualquer cálculo desejado que está programado nele e 2. pré-programado ou dedicado, que manipula apenas uma aplicação selecionada. Fig. 6.1. Aplicação típica de computador de vazão A vazão instantânea e a sua totalização são indicadas nos painéis frontais do computador de vazão, na forma de indicadores digitais, contadores eletromecânicos ou eletrônicos. O computador provê ainda saídas analógicas e contatos de reles para fins de controle e monitoração da vazão. O computador de vazão é um instrumento a base de microprocessador 2. Programáveis As unidades programáveis são os computadores de vazão mais avançados do mercado. Eles custam mais, quando comparados com os computadores dedicados. Dependendo da programação, eles calculam a vazão de gases ou líquidos usando as equações da AGA, API (American Petroleum Institute e outras 125 Computador de Vazão relações. Eles também fazem cálculos de vazão volumétrica. A compensação, de massa , molar e media, energia, BTU, eficiência, trabalham com níveis de tanque, manipulam vazões em canais abertos, executam o algoritmo de controle PID, fazem cálculos de transferência de custódia e muitas outras coisas. 4. Aplicações Clássicas 4.1. Vazão de liquido Quando usado com a placa de orifício, o computador recebe o sinal analógico de 4 a 20 mA cc do transmissor de vazão d/p cell, proporcional ao quadrado da vazão medida, lineariza-o, extraindo a raiz quadrada e o escalona em unidade de engenharia. Como os líquidos com composição constante são considerados não compressíveis, não se é necessária a compensação da pressão e da temperatura e a vazão é proporcional à raiz quadrada da pressão diferencial, ∆P. Q=C ∆P Fig. 6. 2. Totalizador de vazão (Foxboro) 3. Dedicado Os computadores de vazão dedicados são relativamente mais simples, mais fáceis de usar, montados no campo e mais baratos que os programáveis. Como desvantagem, eles só fazem uma tarefa, manipulam apenas uma malha e sua capacidade gráfica é limitada. Tipicamente, eles computam as vazões de gases ou líquidos baseados nas várias equações AGA ou API. Alguns, porém, calculam vazões de vários estados de vapor e outros são dedicados a cálculos de vazão para canais abertos, vertedores e calhas. Muitos destes computadores são reprogramáveis . Porém, o programa pode ser modificado no campo pelo operador, que responde a perguntas do seu menu. Esta constante C é calculada dos dados relacionados com o tipo do fluido e dos parâmetros mecânicos da instalação do medidor, tais como beta da placa, faixa do transmissor, tipo de tomadas da pressão diferencial. Esta constante é colocado no computador como um fator do sistema digital e escalona a saída para a unidade de vazão desejada. Fig. 6.3. Computador, com bateria solar (Daniel) 126 Computador de Vazão 4.2. Vazão de gás com compensação Como os gases são compressíveis, é necessário fazer a compensação da pressão estática e da temperatura do processo. Nesta aplicação, o computador recebe três sinais analógicos o sinal de 4 a 20 mA cc do transmissor de vazão, proporcional ao quadrado da vazão medida, o sinal de 4 a 20 mA cc do transmissor de pressão, proporcional à pressão absoluta estática do processo. Mesmo que seja usado o valor da pressão absoluta, normalmente se usa um transmissor de pressão manométrica e acrescenta-se 1 kgf/cm2 de polarização. o sinal de 4 a 20 mA cc do transmissor de temperatura, proporcional à temperatura absoluta do processo. Opcionalmente, pode-se recebe o sinal de resistência de um RTD ou a militensão de um termopar. Também deve ser usado o valor da temperatura absoluta, em K; basta somar 273,2 à escala Celsius. opcionalmente, pode receber o sinal de 4 a 20 mA cc de um transmissor de densidade, para corrigir a densidade do gás. O computador executa a seguinte equação: Q=C ∆p × p T×G correta e aplica o fator de escalonamento certo. Quando a vazão sobe, o chaveamento para o transmissor de 200" ocorre em 98% da faixa do transmissor de 30"; quando a vazão desce, o chaveamento para o transmissor de 20" se dá em 96% desta faixa. Esta diferença de chaveamento é para evitar a oscilação contínua entre os dois transmissores, quando a vazão estiver marginalmente próxima do fundo de escala do transmissor de 20". FQI FY 2 FT11 FT21 FE PT TT TW+TE Fig. 6.4. Sistema com uma placa e dois transmissores de vazão 4.5. Vazão de massa de gás Qualquer gás pode ser medido em termos de sua massa ou peso, usando-se a entrada de um medidor de densidade do gás, corrigindo-se a compressibilidade e a composição do gás. Se a densidade relativa do gás é aproximadamente constante com o tempo, um fator médio 1/G pode entrar como parte da constante C 4.3. Sistema com 2 transmissores e uma placa Existem computadores de vazão duais que podem receber sinais de sistemas de medição de vazão com uma placa e dois transmissores ou com duas placas e dois transmissores. É comum se usar dois transmissores associados a uma única placa de orifício para aumentar a rangeabilidade da medição; por exemplo, um calibrado de 0 a 20" c.a. e o outro de 0 a 200" c.a. O computador de vazão seleciona automaticamente a pressão diferencial W = k ∆p 127 Computador de Vazão 5. Seleção do Computador Quando selecionando um computador de vazão, deve-se primeiro decidir o que o computador vai fazer, se é necessário um instrumento de precisão ou um sistema de controle, lembrando-se que o controle preciso começa com uma medição precisa e de alta resolução. A resolução do computador de vazão é dada pelo número de bits de seu conversor A/D, por exemplo um computador com conversor de 18 bits possui resolução de 0,01%. Porém, quando se considera a precisão, deve-se tomar o elo mais fraco do sistema, o elemento sensor de vazão. A precisão do sistema nunca ficará melhor que a do sensor do sistema, mesmo com conversor A/D de 18 bits. Também deve se considerar a necessidade da compensação de pressão, temperatura, densidade e/ou viscosidade e quais os sensores e transmissores usados para as medições destas variáveis. As questões que devem ser consideradas acerca do computador de vazão são Desempenho da medição resolução, capacidade de linearização, indicação da vazão instantânea, totalização, alarme, intertravamento, pré-determinação. Condições ambientais e local de montagem sala de controle, que é um ambiente excelente ou no campo, que requer caixa à prova de tempo e se for área classificada, requer uma classificação elétrica especial. Quantidade de malhas manipuladas possibilidade de se usar um computador de vazão com canal dual. Tipos de sinais de entrada e saída analógicos eletrônicos de 4 a 20 mA cc e pneumáticos de 3 a 15 psig, sinal de resistência elétrica (RTD) e militensão de termopar, militensão de tubo magnético de vazão, ou sinal de freqüência (turbina, vortex, deslocamento positivo, ultrasônico). Possibilidade de saída analógica para uso em outro equipamento. Comunicações definir a metodologia de contatos de entrada/saída, sinais analógicos, sinais de pulso, portas de comunicação, por exemplo serial RS 232 C, RS 422 . Interfaces de comunicação definir os tipos de interfaces para Controlador Lógico Programável, para Sistemas Digitais de Controle Distribuído, para impressoras . Aplicações definir as equações matemáticas a serem executadas como da AGA-3, AGA-5, AGA-7, ANSI/API 2530, ANSI/API 2540, NX-19, ISO 5167, NIST 1045 e equações de vapor ASME 9.2. Software entrada da configuração simples de somente alguns parâmetros. As modificações podem ser feitas pelo usuário ou apenas pelo fabricante. Serviço no campo partida do sistema, reparo no campo e disponibilidade de peças de reposição. 6. Planímetro Muitas indústrias armazenam os gráficos com os registros permanentes dos valores instantâneos da vazão para a observação visual das vazões instantâneas e das suas tendências, para fins de cobrança e para levantamento de balanços. A totalização da vazão pode ser obtida ou por cálculos manuais ou através do planímetro. 6.1. Histórico O planímetro é um instrumento de precisão usado para a avaliação rápida e exata de áreas planas de qualquer formato ou contorno. Na medição de vazão, o planímetro é usado especialmente para totalizar a vazão, a partir de registros da vazão instantânea, da pressão estática e da temperatura em gráficos circulares ou de tira. A integração pode ser feita por um planímetro de mesa operado manualmente, automaticamente ou por um sistema incluindo um computador pessoal. O primeiro planímetro foi desenvolvido pelo matemático suíço James Laffon, em 1854. Ele chamou-o de "Integrador Scheiben". Trabalhando de modo independente, o professor austríaco A. Miller Hauenfels inventou o planímetro polar, em 1855. Os fabricantes mais conhecidos são: LASICO (Los Angeles Scientific Instrument Co.), Flow Measurement (Tulsa, OK), UGC Industries e Ott. 128 Computador de Vazão Há três métodos básicos para medir as áreas planas de registros de vazões instantâneas: 1. cálculo matemático, 2. método do corte e peso e 3. método do planímetro. pedaço do mesmo material de tamanho conhecido. Este método é lento, destrutivo e impreciso. Pequenas variações na umidade do ar ambiente pode alterar significativamente o peso do material, provocando grandes erros. Uma balança de precisão é tão cara e difícil de ser obtida quanto um planímetro. 6.4. Método do planímetro O método do planímetro é o mais profissional, rápido, preciso, eficiente e consistente método para medir áreas planas. Não se requer nenhuma habilidade matemática para operar um planímetro, simplesmente deve-se seguir o contorno da área com um traçador e o resultado é diretamente indicado, por contadores digitais, mecânicos ou eletrônicos. Atualmente, os planímetros possuem várias funções, como as de: 1. computação automática da área na escala e unidade corretas, 2. processamento dos resultados através de calculadoras embutidas, 3. programação para qualquer relação de escala plausível, 4. acumulação de resultados na memória, para processamento posterior, 5. conversão rápida entre unidades de vários sistemas, 6. programação para medições em volume (m3, ft3) ou $/volume. A precisão típica do planímetro é de ± 0,1 a ±0,5% do fundo de escala. Fig. 6.5. Planímetro para gráfico circular (Lasico) 6.2. Cálculo matemático ou aritmético Embora lento, o cálculo aritmético funciona bem, quando são envolvidas áreas de formato regular, como o quadrado, retângulo, triângulo e círculo. Quando a figura é mais complicada, como o trapézio, ou composta de várias outras regulares, como o retângulo com extremidades circulares, demora-se mais, pois ela deve ser subdividida em figuras regulares e suas seções são avaliadas separadamente e somadas ao final. Quando a figura é completamente irregular, é necessário subdividir a área em quadrados de tamanho conhecido. Os quadrados devem ser contados e as seções dos quadrados estimados em tamanho e somadas. Neste caso, não é mais eficiente usar o método do cálculo matemático, pois o método seria muito lento e impreciso. 6.3. Método do corte e peso As áreas a serem calculadas devem ser cortadas com uma tesoura, colocadas em uma balança de precisão e pesadas. O peso total é dividido pelo peso de um 129 Computador de Vazão 6.5. Gráficos Circulares Uniformes Os gráficos uniformes são divididos em segmentos iguais, entre o raio interno e o externo. Ao longo de um arco sobre o qual a pena registrou, os gráficos podem ser marcados em percentagem do fundo de escala ou em unidades das variáveis medidas, como oC, psia, m3/h.) 6.6. Seleção e Especificação do Planímetro A seleção e especificação do planímetro incluem: 1. formato e tamanho do gráfico, circular de 10", circular de 12", tira de 4" tipo rolo, tira de 4" tipo sanfona. 2. relação matemática da saída com relação a vazão: linear, quadrática. 3. tipo do totalizador/contador, mecânico ou eletrônico, com ou sem escalonador. Fig. 6.6. Planímetro para gráfico de tira Para um planímetro que integra radialmente, deve-se usar um fator de correção, porque o planímetro radial considera as distancias radiais médias e os gráficos uniformes empregam incrementos iguais ao longo do arco. Este fator pode ser obtido de curvas disponíveis na literatura técnica. A não ser que as pressões diferencial e estática permaneçam constantes ou seja usado um extrator de raiz quadrada, os planímetros radiais não devem ser usados para achar a média dos registros das pressões diferencial e estática. Nos cálculos deve-se achar a média da raiz quadrada e não a raiz quadrada da média. Apostilas\Instrumetnacao Display.doc 11 DEZ 98 (Substitui 27 ABR 97) 130 2.7 Controlador 1. Conceito O principal componente da malha de controle é o controlador, que pode ser considerado um amplificador ou um computador. O controlador automático é o instrumento que recebe dois sinais a medição da variável e o ponto de ajuste, compara-os e gera automaticamente um sinal de saída para atuar a válvula, de modo a diminuir ou eliminar a diferença entre a medição e o ponto de ajuste. O controlador detecta os erros infinitésimas entre o valor da variável de processo e o ponto de ajuste e responde, instantaneamente, de acordo com os modos de controle e seus ajustes. O sinal de saída é a função matemática canônica do erro entre a medição e o valor ajustado, que inclui as três ações de controle proporcional, integral e derivativa. A combinação dessas três ações e os seus ajuste adequados são suficientes para o controle satisfatório e aceitável da maioria absoluta das aplicações práticas. 2.1. Medição No controlador a realimentação negativa, a variável controlada sempre deve ser medida. O controlador pode estar ligado diretamente ao processo, quando possui um elemento sensor determinado pela variável medida. O controlador de painel recebe o sinal padrão proporcional a medição do transmissor e deve possuir circuitos de entrada que condicionam o sinal de medição. O controlador pneumático possui o fole receptor de 3 a 15 psig e o controlador eletrônico possui o circuito receptor, que pode ser a ponte de Wheatstone, o galvanômetro, o circuito potenciométrico. A medição é indicada na escala principal do controlador. 2.2. Ponto de Ajuste Quanto ao ponto de ajuste, há três modelos de controladores 1. com o ponto de ajuste manual, 2. com o ponto de ajuste remoto, 3. com o ponto de ajuste manual ou remoto. O controlador com o ponto de ajuste manual possui um botão na parte frontal, facilmente acessível ao operador de processo, para que ele possa estabelecer manualmente o valor do ponto de referência. Quando o operador aciona o botão, ele posiciona o ponteiro do ponto de ajuste na escala e gera um sinal de mesma natureza que o sinal da medição. 2. Componentes Básicos Para executar estas tarefas, o controlador deve possuir os seguintes blocos funcionais 1. a medição, 2. o ponto de ajuste 2. a comparação 3. a geração do sinal de saída 4. a atuação manual opcional 5. a fonte de alimentação 6. as escalas de indicação 131 Controlador 2.3. Estação Manual Integral A maioria absoluta dos controladores possui a estação manual de controle integralizada ao seu circuito. Sob o ponto de vista do controle, as situações mais comuns que requerem a intervenção manual do operador de processo são 1. na partida do processo, quando a banda proporcional é menor que 100%. Neste caso, quando a medição está em 0% e o ponto de ajuste está acima de 50%, a variável controlada está fora da banda proporcional. 2. quando o processo entra em oscilação, ou seja, quando o ganho da malha fechada de controle fica igual a 1. Quando se coloca o controlador em manual, abre se a malha de controle e se pode estabilizar o processo. Assim, para as partidas e emergências, o controlador deve incluir um gerador de manual do sinal de saída acionado diretamente pelo operador do processo. Quando a saída vem do circuito PID, diz-se que o controlador está em automático; quando vem do gerador manual, o controlador está em manual. Fig. 7. 1. Controlador analógico de painel (Foxboro) O controlador com o ponto de ajuste remoto não possui nenhum botão na parte frontal. O sinal correspondente ao ponto de ajuste entra na parte traseira do controlador e é indicado na escala principal. O sinal pode ser proveniente da saída de outro controlador ou de uma estação manual. O controlador com os pontos de ajuste remoto e local possui um botão para o operador estabelecer manualmente o ponto de ajuste e recebe o ponto de ajuste remoto. Ambos os sinais são indicados na escala principal. O controlador possui também a chave seletora R/L (remotolocal) do ponto de ajuste. É fundamental que a medição e o ponto de ajuste sejam de mesma natureza, ambos pneumáticos, mecânicos, de corrente ou de tensão elétrica, para que seja possível a comparação entre eles. O ponto de ajuste e a medição são indicados na mesma escala principal do controlador e a posição relativa dos ponteiros fornece o valor do erro entre os dois sinais. 2.4. Unidade de Balanço Automático A maioria dos controladores com a estação manual possui a estação de balanço automático que permite a passagem de automático para manual e vice versa, de modo contínuo, sem provocar distúrbio no processo e sem a necessidade de se fazer o balanço manual da saída do controlador. Erradamente se pensa que esta transferência requer a igualdade entre a medição e o ponto de ajuste (?!). Quando o controlador não possui a estação de transferência automática, o operador deve garantir que o sinal inicial da saída manual seja igual ao sinal final da saída automática de modo que o processo não perceba esta mudança de automático para manual. No mínimo, o controlador possui um dispositivo de comparação que possibilita o balanço prévio entre os sinais de saída automático e manual. O fundamental é não provocar uma descontinuidade no sinal de saída Fig. 7. 2. Controladores e registrador (Foxboro) 132 Controlador quando da transferência de automático para manual ou manual para automático. 2.5. Malha Aberta ou Fechada Assim que o controlador é instalado em um processo e colocado em automático, cria-se uma malha fechada. A saída do controlador afeta a medição e vice-versa. Quando este efeito é quebrado em qualquer uma das direções, a malha é chamada de aberta e não mais existe o controle a realimentação negativa. Vários eventos podem abrir a malha fechada a realimentação negativa 1. a colocação do controlador em manual. Isto causa a saída se manter constante, mesmo que haja variação da medição, a não ser que o operador a modifique. 2. a falha do sensor ou do transmissor. Isto elimina a habilidade do controlador observar a variável controlada. 3. a saturação da saída do controlador em 0 ou 100% da escala. Isto elimina a habilidade do controlador atuar no processo. 4. a falha do atuador da válvula, por causa de atrito ou falha na válvula. Quando uma malha de controle não está operando corretamente, a primeira coisa a verificar é se a malha continua fechada. Muitas vezes, se perde muito tempo tentando sintonizar um controlador quando o problema está em outro local da malha de controle. Fig. 7. 3. Controlador pneumático de campo (Foxboro) A regra básica para a seleção das ações do controlador e da válvula é a seguinte: 1. a partir da segurança do processo, determina-se a ação da válvula de controle. 2. depois de definida a ação da válvula e partir da lógica do processo, determina-se a ação do controlador. Por, exemplo, seja o controle do nível de um tanque. As alternativas são a segurança do tanque cheio ou vazio, a ação do controlador direta ou inversa, a atuação da válvula ar-para-abrir ou arpara-fechar e a válvula de controle esta na entrada ou na saída do tanque. Combinando-se estas situações, chega-se a quatro configurações possíveis Tanque vazio seguro e válvula na saída. A partir da segurança, obtida com o tanque vazio, a válvula deve ser ar-parafechar na falta de ar, a válvula abre e o tanque se esvazia, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 100% com 3 psig e a 0% com 15 psig. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser inversa quando o nível aumenta, a válvula deve abrir mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve diminuir, abrindo mais a válvula. 2.6. Ação Direta ou Inversa O controlador possui a chave seletora para ação direta e ação inversa. A ação direta significa que o aumento da medição implica no aumento da saída do controlador. A ação inversa significa que o aumento da medição provoca a diminuição da saída do controlador. A escolha da ação do controlador depende da ação da válvula de controle e da lógica do processo. A atuação da válvula de controle pode ser ar-para-abrir ou ar-para-fechar deve ser escolhida em função da segurança do processo. 133 Controlador Tanque vazio seguro e válvula na entrada. A partir da segurança, obtida com o tanque vazio, a válvula deve ser ar-paraabrir na falta de ar, a válvula fecha e o tanque se esvazia, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 0% com 3 psig e a 100% com 15 psig. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser inversa quando o nível aumenta, a válvula deve fechar mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve diminuir, fechando mais a válvula. Tanque cheio seguro e válvula na saída. A partir da segurança, obtida com o tanque cheio, a válvula deve ser ar-paraabrir na falta de ar, a válvula fecha e o tanque se enche, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 0% com 3 psig e a 100% com 15 psig. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser direta quando o nível aumenta, a válvula deve abrir mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve aumentar, abrindo mais a válvula. Tanque cheio seguro e válvula na entrada. A partir da segurança, obtida com o tanque cheio, a válvula deve ser ar-parafechar na falta de ar, a válvula abre e o tanque se enche, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 100% com 3 psig e a 0% com 15 psig. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser direta quando o nível aumenta, a válvula deve fechar mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve aumentar, fechando mais a válvula. Um controlador que é retirado da malha para a manutenção e é reinstalado pode ter sua ação de controle invertida. Muitas vezes, o posicionador da válvula pode reverter a resposta da válvula. Enfim, a ação do controlador, a ação da válvula, a posição do atuador, a ação do posicionador, tudo deve ser considerado e coerente para se obter o controle desejado. LC 100% 0 3 ã saída 15 psi Fig. 7.4. Ação inversa do controlador Tanque Tanque vazio é seguro. Falta de ar, válvula abre, tanque fica vazio, que é a condição segura. Atuador da válvula (Falha Aberta) Ação do atuador: ar para fechar. Com 20 kPa (3 psi) válvula aberta; com 100 psi (15 psi), válvula fechada. Em caso de falha, válvula fica aberta. Controlador Ação inversa (inc/dec) Quando nível aumenta, controlador atua na válvula para abrir mais, fazendo nível diminuir Quando válvula abre mais, saída diminui. Ação inversa porque aumento do nível produz diminuição da saída do controlador. Esta configuração apresenta o inconveniente de demorar a esvaziar o tanque, quando ele estiver cheio e necessitar ir para a posição segura de vazio. Por isso, a configuração mais conveniente é: 1. Tanque vazio seguro 2. Ação do atuador: ar para abrir 3. Controlador atuando na válvula de entrada do tanque 4. Ação do controlador: direta. 134 Controlador 3. Especificação do Controlador As dificuldades de controle do processo variam muito e por isso são disponíveis controladores comerciais de vários tipos e modos de controle. Existem características padronizadas e existem aquelas especiais, fornecidas somente quando explicitamente solicitado. Não especificar todas as necessidades requeridas implica em se ter um controle de processo insatisfatório e até impossível. Especificar o equipamento com características extras que não terão utilidade é, no mínimo, um desperdício de dinheiro. Constitui também uma inutilidade a especificação do instrumento com características especiais, sem entende-las e sem ajusta-lo de modo apropriado. LC 100% 0 3 ã saída 15 psi Fig. 7. 5. Ação direta do controlador Tanque Tanque cheio é seguro. Falta de ar, válvula fecha, tanque fica cheio, que é a condição segura. Atuador da válvula (Falha Fechada) Ação do atuador: ar para abrir. Com 20 kPa (3 psi) válvula fechada; com 100 psi (15 psi), válvula aberta. Em caso de falha, válvula fica fechada. Controlador Ação direta (inc/inc) Quando nível aumenta, controlador atua na válvula para abrir mais, fazendo nível diminuir Quando válvula abre mais, saída aumenta. Ação direta porque aumento do nível produz aumento da saída do controlador. Esta é a configuração preferida para a condição de tanque cheio seguro. Outra configuração possível, mas que apresenta o inconveniente de demorar a encher o tanque, quando ele estiver vazio e necessitar ir para a posição segura de cheio, é: 1. Tanque cheio seguro 2. Ação do atuador: ar para fechar 3. Controlador atuando na válvula de entrada do tanque 4. Ação do controlador: inversa. 3.1. Controlador Liga-Desliga O controlador liga-desliga é instável, por construção, pois não possui o circuito de realimentação negativa para diminuir seu ganho, que é, infinito. A sua construção é a mais simples e o controlador pneumático consiste de 1. fole de medição 2. fole de ponto de ajuste 3. conjunto bico-palheta Como não se precisa estabilizar o sistema, não se usa o fole de realimentação negativa. O controlador ligadesliga pode ser obtido a partir do controlador proporcional, retirando-se o conjunto fole de realimentação proporcional e a mola. A saída do controlador pneumático ligadesliga é igual a 0 psig ou 20 psig, que é o valor da alimentação. O controlador liga-desliga pode sofrer pequenas modificações que melhoram o desempenho do circuito convencional. 3.2. Controlador de Intervalo Diferencial O controlador de intervalo diferencial é análogo ao liga-desliga, porém, em vez de ter um único ponto de referência, possui dois pontos de atuação um para ligar o 135 Controlador elemento e outro para desligar. Entre os dois pontos há um intervalo. O principal objetivo do controle de intervalo diferencial é evitar as operações freqüentes de partida e parada do operador final. A amplitude de oscilação é aumentada, porém, a freqüência de oscilação é melhorada e o elemento final de controle é acionado um menor número de vezes. A principal aplicação do controle de intervalo diferencial é em sistema de medição de nível, quando não se quer o controle exato do nível, mas se deseja apenas evitar que o tanque vaze ou fique vazio. O motor da bomba de enchimento é ligado no nível mínimo e desligado no nível máximo. Entre os dois níveis o motor permanece numa situação estável ligado quando estiver subindo e desligado quando estiver descendo. Deste modo, o motor da bomba de enchimento é ligado poucas vezes. sobre a Instrumentação Pneumática e sobre a Instrumentação Eletrônica. Porém, para fixar idéia e para se entender os princípios básicos, será visto aqui o circuito básico do controlador proporcional. Por simplicidade e por exigir menos prérequisítos, será mostrado o esquema simplificado do controlador pneumático. Será admitido que seja sabido o funcionamento do conjunto bico-palhetarelé pneumático. O conjunto bico-palheta gera um sinal pneumático padrão de 3 a 15 psig, proporcional a distância relativa entre o bico que sopra e a palheta que obstruí. O bico é alimentado pela alimentação pneumática de 20 psig. O relé serve para amplificar pneumaticamente a pressão e o volume de ar comprimido. Os foles pneumáticos exercem forças que são proporcionais aos sinais de pressão recebidos. Assim, quando se falar do fole de medição, pode se estar referindo indistintamente ao valor da medição, a pressão exercida no fole, ou na força exercida pelo fole. Foi considerado o sistema a balanço de forças, quando poderia ter sido escolhido o de balanço de movimentos. O circuito básico do controlador pneumático com ação proporcional é constituído dos seguintes elementos 1. fole de medição, que recebe o sinal da medição da variável do processo 2. fole de ponto de ajuste, estabelecido manualmente ou de modo remoto. Esse fole sempre está em oposição ao fole de medição, a fim de que seja detectado o erro ou o desvio entre ambos os valores. 3. conjunto bico-palheta-relé, para gerar o sinal de saída do controlador. 4. A alimentação pneumática de 20 psig é aplicada ao bico, através do relé pneumático. 5. fole proporcional ou fole de realimentação negativa, que recebe o sinal de saída do relé, que é a própria saída do controlador. A finalidade do fole proporcional é a de estabilizar o sistema em uma posição intermediária. A realimentação negativa é a saída 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0% Banda larga 100% Temperatura Banda estreita Fig. 7. 6. Banda proporcional 3.3. Controlador Proporcional A relação matemática da saída do controlador proporcional puro é a seguinte: s = s0 + 100% e BP Pelo enfoque do presente trabalho, não serão vistos os circuitos interiores dos instrumentos. Esse assunto será tratado com maior rigor e cuidado nos trabalhos 136 Controlador responsável pela estabilidade do sistema. 6. mola, usada para contrabalançar a força do fole proporcional. Normalmente a mola é ajustada para prover a polarização do controlador. Ela é ajustada para o controlador produzir uma saída de 9 psig, quando o erro for igual a zero. 7. o fulcro ou ponto em torno do qual as forças se equilibram. O deslocamento desse ponto em torno da barra de forças é que estabelece o valor da banda proporcional do controlador. Quanto mais próximo o ponto estiver dos foles medição-ponto de ajuste, mais larga é a banda proporcional, menor é o ganho e menos sensível é o controlador. Quanto mais próximo estiver o ponto de apoio do conjunto fole proporcional-mola, mais estreita é a banda proporcional, maior é o ganho e mais sensível é o controlador. No caso extremo do fulcro estar no ponto de contato dos foles de medição e de ponto de ajuste, o controlador não responde a nenhuma variação; não há controle. Quando o fulcro coincidir com o fole proporcional e a mola, não há realimentação negativa, o sistema é instável e o controlador é liga-desliga, a ser visto depois. proporcional dosa a correção do controlador, evitando uma correção exagerada para uma determinada variação do processo. Se houvesse apenas a realimentação externa, provida pela medição do processo, a correção seria muito demorada e sempre haveria sobrepico (overshoot) de correção. Enquanto houver erro entre a medição e o ponto de ajuste, os seus foles tem pressões diferentes e o fole de realimentação atua. Quando a medição fica igual ao ponto de ajuste, a saída do controlador se estabiliza. Quando aparece algum erro, a saída do controlador irá também variar, para corrigir o erro. Desse modo, como a saída do controlador está realimentada ao fole proporcional, o fole irá atuar até conseguir uma nova estabilização entre a medição o ponto de ajuste. Porém, desde que a medição se afastou do ponto de ajuste, ele volta a ficar igual a ele, porém, diferente do valor anterior ajustado. O controlador pneumático proporcional possui os três foles de medição, de ponto de ajuste e de realimentação negativa. Para completar o balanço das forças exercidas por estes foles é introduzida uma quarta força fixa, exercida por uma mola, geralmente ajustada para fornecer uma força equivalente a pressão de 9 psi (50% de 3 a 15 psi). Como a força da mola é fixa, só existe um ponto para a medição ser igual ao ponto de ajuste, que é exatamente o ponto correspondente a 9 psi. Em todos os outros pontos, o controlador consegue estabilizar o processo, porém com a medição diferente do ponto de ajuste. Este é o modo físico de mostrar porque o controlador proporcional não consegue eliminar o desvio permanente entre medição e ponto de ajuste, exceto quando ambos são iguais a 9 psi. Fig. 7. 7. Circuito pneumático com as ações de controle (Foxboro) O fole proporcional é um dispositivo que fornece a realimentação negativa ao controlador antes que a medição o faça através do processo. A realimentação interna do controlador é mais rápida que a realimentação externa do processo. O fole 3.4. Controlador Proporcional mais Integral A relação matemática da saída do controlador proporcional mais integral é a seguinte: s = s0 + 100% 1 e+ edt BP Ti ∫ 137 Controlador e a ação integral é a máxima possível. Na prática, o circuito pneumático completo da unidade integral possui o fole, o tanque integral e a restrição. Aqui, por simplicidade, supõe-se que o próprio fole integral possui uma capacidade suficiente. O controlador proporcional mais integral possui duas realimentações da sua saída 1. a realimentação negativa, aplicada diretamente ao fole proporcional, 2. a realimentação positiva, aplicada ao fole integral através de uma restrição pneumática ajustável. Com a restrição numa posição intermediária, as pressões do fole proporcional e do fole integral não podem ser simultâneas. A ação proporcional é imediata e a ação integral é atrasada; imediatamente após o aparecimento do erro há a realimentação negativa e depois de um intervalo ajustável, atrasada, há a realimentação positiva. Quando o processo se estabiliza, temse o circuito do controlador equilibrado a força da medição é igual a do ponto de ajuste e a força do fole proporcional é igual a do integral. Quando aparece um distúrbio no processo e a medição se afasta do ponto de ajuste, o controlador P + I faz uma correção proporcional ao erro, imediatamente. Esta atuação deixa um desvio entre a medição e o ponto de ajuste. Logo depois da ação proporcional e enquanto persistir alguma diferença entre a medição e o ponto de ajuste, a ação integral irá atuar, até que a medição fique novamente igual ao ponto de ajuste. A ação integral irá atuar no processo até que se tenha novamente outro equilíbrio entre a medição e o ponto de ajuste. Raramente se utiliza a ação integral isolada. Em compensação, o controlador com as duas ações, proporcional e integral, é utilizado em cerca de 70% das malhas de controle de processo. O controlador proporcional mais integral possui as duas ações independentes e com objetivos diferentes e complementares 1. a ação proporcional é estática e serve para estabilizar o processo. Porém, a ação isolada é insuficiente para manter a medição igual ao ponto de ajuste e deixa um desvio permanente. 2. ação integral é dinâmica e serve para eliminar o desvio permanente deixado pela ação proporcional. A ação integral é uma correção adicional e atua depois da ação proporcional. No controlador pneumático proporcional e integral, acrescenta-se um fole junto à mola. Em vez de se ter uma força fixa, tem se uma força variável, que pode equilibrar as forças proporcionais às pressões da a medição, do ponto de ajuste e da realimentação negativa. O controlador pneumático P + I possui os seguintes componentes circuito 1. fole de medição, 2. fole de ponto de ajuste, em oposição ao fole de medição, 3. fole de realimentação negativa ou fole proporcional, 4. fole integral, que se superpõe à mola e em oposição ao fole de realimentação. Ele também recebe a realimentação da saída do controlador, atrasada e em oposição ao fole proporcional. A realimentação positiva da saída do controlador ao fole integral é feita através de uma restrição pneumática. O objetivo desta restrição ajustável é o de atrasar o sinal realimentada determinando a ação integral. Ela pode ficar totalmente fechada, de modo que ela corta a realimentação e elimina a ação integral ou totalmente aberta, quando não produz nenhuma restrição, nenhum atraso 3.5. Controlador Proporcional mais Derivativo A relação matemática da saída do controlador proporcional mais derivativa é a seguinte: s = so + 100% de e + Td BP dt No controlador pneumático proporcional e derivativo, acrescenta se 138 Controlador uma restrição no circuito de realimentação negativa. Em vez de se ter uma realimentação instantânea, tem-se uma realimentação com um atraso ajustável. O controlador proporcional mais derivativo possui o seguinte desempenho a ação proporcional estabiliza estaticamente o processo corrigindo os erros proporcionalmente as suas amplitudes, a ação derivativa adiciona uma componente corretiva para cuidar principalmente dos erros com variação rápida. fole integral possui uma capacidade suficiente. O objetivo da restrição é o de atrasar a realimentação negativa. Como a realimentação negativa atrasa a resposta do controlador, atrasar o atraso equivale a adiantar a resposta, para os desvios rápidos do processo lento. Por esse motivo, a ação derivativa é também chamada de ação antecipatória O controlador proporcional mais derivativo possui o seguinte funcionamento: 1. imediatamente após a variação rápida do processo não há realimentação negativa, pois há uma restrição pneumática. O controlador se comporta como um controlador liga-desliga ou com uma banda proporcional muito estreita, 2. com o passar do tempo, a realimentação negativa vai se processando e pressurizando o fole proporcional e tornando o controlador estável. 3. quando a variação do processo é muito lenta, praticamente a ação derivativa não atua, pois lentamente também está havendo a realimentação negativa. 4. Desse modo, quanto mais brusca for a variação na medição, menor será a ação imediata da realimentação negativa e mais ação corretiva será transmitida a válvula, pela ação derivativa. 5. Quando se coloca o circuito derivativo no elo da realimentação negativa do fole proporcional há alguns inconvenientes 6. há a interação entre os modos proporcional e derivativo. Quando o controlador possui o modo integral, a ação derivativa interfere também no modo integral. 7. a ação derivativa segue a ação proporcional 8. a ação derivativa modifica a saída do controlador quando há variação do ponto de ajuste, provocado pelo operador. Se esta variação for muito rápida, e geralmente o é, a saída do controlador produz um pico, podendo fazer o processo oscilar. R R Ve R R + RI CI R + + RD R CD R R R + + Vo Fig. 7. 8. Circuito eletrônico esquemático do controlador PID Note se que o controlador P + D deixa o desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste. A ação derivativa é incapaz de corrigir o desvio permanente, pois ele é constante com o tempo. O circuito do controlador proporcional mais derivativo é constituído de 1. o fole de medição, 2. o fole de ponto de ajuste, em oposição ao fole de medição, 3. o fole proporcional, sendo realimentada negativamente da saída e através da 4. restrição derivativa. Na prática, o circuito pneumático completo da unidade derivativa possui o fole, o tanque derivativo e a restrição. Aqui, por simplicidade, supõe-se que o próprio 139 Controlador A solução prática para eliminar esses problemas é colocar o circuito derivativo antes das ações proporcional e integral e atuando apenas na medição. 3. a derivativa é uma ação adicional que apressa a correção, gerando uma ação proporcional à velocidade da variação do erro, antes da ação proporcional. O modo proporcional é o modo básico e é sempre utilizado nos controladores analógicos. Ele é o principal responsável pela estabilidade do processo. O modo integral deve ser usado para eliminar o desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste. Ele deve ser evitado quando há possibilidade de saturação. Ou, o que é mais inteligente, devem ser tomados cuidados especiais para se evitar que a ação integral leve o controlador para a saturação. O modo derivativo de ser usado em processos com grande inércia e que sofrem variações bruscas, que seriam vagarosamente corrigidas, em o modo derivativo. Porém, a ação derivativa deve ser em processos com muito ruído, que são pequenas e numerosas variações bruscas. A ação derivativa iria amplificar esses ruídos, tornando o desempenho do controle do processo prejudicado. O modo proporcional desempenha uma realimentação negativa no interior do controlador, tornando-o mais estável. A ação integral executa uma realimentação positiva, se opondo à ação proporcional. A ação derivativa, geralmente separada e anterior às outras duas ações, retarda a realimentação negativa, apressando a correção. Fig. 7. 9. Circuito pneumático do controlador PI 3.6. Proporcional + Integral + Derivativo A relação matemática da saída do controlador proporcional mais integral mais derivativa ou do controlador PID é a seguinte: s = s0 + 100% 1 de e + ∫ edt + Td BP Ti dt ou, no caso pratico onde a ação derivativa só atua na medição m da variável, s = s0 + 100% 1 dm e + ∫ edt + Td BP Ti dt 3.7. Controlador Tipo Batelada O processo batelada ou descontinuo é ciclicamente ligado, controlado e desligado. É sempre desejável que todo o controle seja feito em automático, sem o envolvimento direto e manual do operador. Quando se utiliza um controlador convencional, contendo modos proporcional e integral, para o controle de processo batelada, os períodos de tempo em que o processo fica desligado e o controlador continua ligado podem causar a saturação do modo integral e, portanto, do controlador. Quando o processo está desligado, o controlador continua integrando o desvio entre a medição e o ponto de ajuste e certamente fica saturado. O controlador proporcional mais integral mais derivativo possui as três ações de controle e é o mais completo possível. Repetindo os objetivos das ações 1. a ação proporcional estabiliza o processo, provocando uma correção proporcional ao valor do erro, instantaneamente, 2. a integral é uma ação auxiliar que elimina o desvio permanente, produzindo uma correção proporcional à duração do erro, depois da ação proporcional, 140 Controlador Também, a banda proporcional do controlador se desloca para o fim de escala superior. Quando o processo é restabelecido, a medição irá subir e o controlador ainda continua inoperante, pois a medição está totalmente fora da banda proporcional. O controlador só irá começar a atuar quando o desvio mudar de sentido. A medição precisará ultrapassar o ponto de ajuste para se começar o controle do processo. Basta haver uma pequena capacidade no processo, a maioria dos processos a tem, para haver uma ultrapassagem grande da medição em relação ao ponto de ajuste. Há um grande overshoot (é inevitável, outra vez, o uso da palavra em inglês). Para eliminar a saturação e a conseqüente ultrapassagem da medição usa-se a chave batelada, desenvolvida especificamente para essa aplicação. Na prática, usa-se controlador batelada, que é um controlador convencional com uma chave batelada incorporada a seu circuito. O controlador batelada, disponível com dois modos proporcional e integral e com três modos, proporcional, integral e derivativo, é linear, contínuo, com ajustes adicionais de batelada e de precária, feitos na chave batelada. A função exercida pela chave é a de pressurizar o fole integral do controlador pneumático. No controlador eletrônico, é a de carregar artificialmente a uma determinada tensão, o capacitor integral do circuito. Nessa nova condição, o controlador não satura em valor elevado e a banda proporcional não é deslocada para o limite superior da faixa de medição. Quando a saída do controlador alcançar um valor pré-determinado, ajustado na chave de batelada, o circuito integral fica grampeado em um valor artificial. Isso força a banda proporcional a mudar de sentido. Como resultado desse deslocamento, a medição entra mais cedo dentro da banda proporcional. Na partida automática do processo de batelada, a medição começa a subir e logo entra na banda proporcional, fazendo a saída do controlador atuar cedo no processo, bem antes da medição alcançar o ponto de ajuste. Essa aproximação suave da medição para o ponto de ajuste evita a ultrapassagem, melhorando a resposta do processo. Embora sejam fenômenos interligados e dependentes, há basicamente dois ajustes na chave batelada ajuste de batelada, que determina o valor da saída onde a chave atua, grampeando a saída. Esse é o ponto de atuação (trip). ajuste de precarga, que regula o valor da ação batelada, que é o valor do deslocamento da banda proporcional para baixo, após a atuação da chave. Esse é o valor de precarga (preload) Existem chaves bateladas para valor máximo e para valor mínimo. Tipicamente, para batelada de máximo, o ponto ajustado é 15,2 psig e o valor de precarga é ajustado em 3,0 psig. Mutatis mutandi, para batelada de mínimo, normalmente se ajusta o ponto de batelada em 2,8 psig e o ponto de precarga em 15,0 psig. Obviamente, outros valores podem ser reajustado e os fabricantes de instrumentos fornecem a literatura técnica explicativa para a adequada Calibração em bancada. Mas, normalmente, ambos os ajustes são feitos na fábrica e não se requer verificação ou mudança posteriores. A chave batelada atua na pressão de saída do controlador, cuja faixa é de 3 a 15 psig. O ajuste batelada, que determina o ponto de atuação, é estabelecido em, p. ex., 15,2 psig. O ajuste pode ser feito por uma mola ou pode ser o valor de um sinal pneumático remoto. Quando a saída do controlador está abaixo de 15 psig, a pressão exercida do lado da mola é maior e o sinal de saída do controlador passa livremente pela chave e vai realimentar o circuito integral do controlador. Isso permite que, em operação normal, o controlador atue sem interferência da chave de batelada. Quando a saída atingir o valor de batelada ajustado na chave, assumido de 15,2 psig, a força do diagrama da chave é menor no lado da mola. A chave batelada atua, cortando o sinal de saída que era realimentada ao controlador. A pressão do circuito integral do controlador é, então, aliviada para a atmosfera (quando não há ajuste de precarga) e cai, até atingir 0 psig. Quando utilizado o conceito de precarga, a pressão do circuito integral cai até esse valor, 141 Controlador previamente ajustado na chave batelada. Essa situação permanece, enquanto o sinal de saída do controlador continuar maior que o valor batelada ajustado. Como o sinal do modo integral diminui, a banda proporcional é deslocada para baixo do ponto de ajuste do controlador. O ajuste de precarga evita que a banda proporcional caia muito aquém do ponto de ajuste, tornando muito longo o período que o controlador permanece inativo na malha. Com o ajuste de precarga, durante a partida do processo, a medição entra logo na banda proporcional e o controlador começa a atuar mais cedo. Como conseqüência, a medição não ultrapassa o ponto de ajuste e a resposta dinâmica do processo é ideal. Na versão eletrônica, a filosofia de operação é a mesma, porém os equipamentos são diferentes. Não há chave batelada eletrônica. O controlador eletrônico batelada acrescenta à configuração convencional um circuito de realimentação contendo amplificadores operacionais e o circuito de polarização. Os ajustes de batelada e de precarga são feitos em potenciômetros e o acesso se dá pela parte frontal do controlador. Os limites de batelada e de precarga são atuantes mesmo em operação manual. Referente a saturação do modo integral do controlador devem ser tomadas as seguintes precauções 1. controladores de processo, especialmente os eletrônicos, que possuem limitadores do sinal de saída, podem ser usados sem nenhum cuidado extra em controle de malhas simples. Os limitadores da saída certamente impedirão a saturação do modo integral, que poderia ser provocada pela realimentação interna normal. 2. para os sistemas de controle que exijam apenas a realimentação externa, como no caso de controle em cascata e auto-seletor, especificam-se controladores padrão com a opção extra de realimentação externa. Normalmente, essa opção de realimentação externa do controlador implica também em pequenas modificações no conector, na estante e nos módulos de encaixe. Não é necessário especificar um controlador batelada que certamente custa mais caro e fica superdimensionado. 3. para controle de processo tipo batelada, deve-se especificar o controlador especial, também tipo batelada. Além de evitar a saturação do modo integral, ele torna possível a partida automática do processo, sem ultrapassagem da medição em relação ao ponto de ajuste. Nessa especificação é importante definir qual a lógica do sistema, se batelada máxima ou batelada mínima. E, também, consultando a literatura dos fabricantes disponível, determinar o valor dos ajustes de batelada e de precarga requeridos. 3.8. Controlador Analógico Historicamente, até a década de 1970 foi usado principalmente o controlador analógico pneumático, até a década de 1980, o controlador analógico eletrônico e a partir da década de 1980, o controlador digital eletrônico. O controlador analógico usa sinais contínuos para computar a saída do controlador. Testes feitos em controlador analógico industrial eletrônico revelaram os seguintes resultados 1. a banda proporcional medida era de 0 a 25% maior que a marcação do dial, 2. o tempo integral medido era cerca de 100% maior que a marcação do dial, 3. o tempo derivativo marcado era cerca de 40% a 70% menor que a marcação do dial, 4. o tempo integral medido não se alterava com a variação do ajuste do tempo derivativo. Teoricamente, para o controlador série, o tempo integral deveria aumentar com o aumento do tempo derivativo. 5. o tempo derivativo e a banda proporcional medidos obedeceram aproximadamente as equações teóricas, exceto que a variação 142 Controlador medida foi menor que a calculada para os ajustes grandes do dial. 6. a saída do controlador medida mostrou um pico sempre que um ajuste derivativo de qualquer valor era feito. O algoritmo teórico do controlador série fornece somente um pico se o tempo derivativo fosse ajustado em valores maiores que 1/4 Ti. 5. continua a mesma operação com a próxima variável controlada. O tempo requerido para conseguir um novo nível da variável manipulada é curto comparado com o tempo entre as amostragens. Pode-se assumir que a entrada para o processo é uma seqüência de valores constantes que variam instantaneamente no inicio de cada período de amostragem. Fig. 7. 10. Ajustes do controlador analógico (Foxboro) Fig. 7. 11. Painel de programação do single loop Deve-se ter um algoritmo de controle para o cálculo dos valores das variáveis manipuladas. O prosaico algoritmo PID é ainda utilizado. Esta operação discreta é repetitiva e o período é chamado de sample e hold. A grande desvantagem do controlador digital é a introdução de vários tipos de tempo morto devido ao tempo de amostragem, a computação matemática, a filtragem analógica das harmônicas da freqüência de amostragem e a caracterização do modo derivativo. Por causa deste tempo morto adicional, o controlador digital não pode ser usado indiscriminadamente em malha de controle de processo critico e rápido, como para o controle de surge de compressor ou controle de pressão de forno em faixa estreita. O controlador digital aumentou a capacidade de computação para o controle e para a caracterização das ações de controle, sendo adequado para estratégias de controle avançadas, como o controle preditivo antecipatório (feedforward). Tipicamente, o controlador digital é superior ao analógico na precisão e resolução dos ajustes dos modos de controle; na precisão da computação adicional, linearização e caracterização de sinal; na flexibilidade em função da 3.9. Controlador Digital Hoje se vive em um mundo analógico cercado por um universo de tecnologia digital. O computador digital é usado de modo intensivo e extensivo na instrumentação, no controle digital distribuído, no controle lógico programado de processos repetitivos, no controle a realimentação negativa de uma única malha (single loop), em computação analógica de medição de vazão, na transmissão . Embora o processo seja contínuo no tempo, o controlador digital existe em um mundo discreto porque ele tem conhecimento das saídas do processo somente em pontos discretos no tempo, quando são obtidos os valores de amostragem. Em geral, o controlador digital: 1. obtém um valor amostrado da saída do processo, 2. calcula o erro entre a medida e o ponto de referência armazenado no computador, 3. computa o valor apropriado para a entrada manipulada do processo, 4. gera um sinal de saída para o elemento final de controle, 143 Controlador programação e da comunicação. Porém, o aumento da flexibilidade resulta em um aumento da responsabilidade do instrumentista, desde que maior leque de escolha implica em maior probabilidade de cometer erros. O controlador digital usa sinais discretos para computar a saída do controlador. Geralmente, o controlador digital é baseado em microprocessador. O controlador digital emula o algoritmo analógico PID. 4.2. Características Tamanho Tem tamanho pequeno ou muito pequeno (menor que as dimensões DIN). Não necessariamente a mais importante, mas um das características mais notável da presente geração de controladores single loop é seu pequeno tamanho físico. A maioria dos controladores segue as dimensões européias DIN (Deutche Industrie Norm) para aberturas de painel. Funções de controle Muitos controladores chamados de single loop são dual loops. Através de microprocessadores no circuito, muitos controladores oferecem os formatos de liga-desliga e PID. Outros controladores incorporam funções matemáticas, ou no próprio circuito ou através de módulos funcionais opcionais incorporados na caixa. Estas funções matemáticas incluem: 1. Somador - subtrator 2. Ganho ajustável com polarização 3. Multiplicador - divisor 4. Compensador lead/lag (avanço/atraso) 5. Filtro dual 6. Limitador de rampa 7. Limitador de sinal 8. Rastreamento (tracking) analógico 9. Extrator de raiz quadrada 10. Seletor de sinal (alto/baixo) 11. Seletor de sinal (médio 12. Conversor de sinal (termopares, RTD) 13. Potenciômetro (não isolado e isolado) Auto-sintonia Esta propriedade é disponível na maioria dos controladores single loop, exceto nos de baixo custo. Seqüencial e programação de tempo A maioria dos controladores single loop possui capacidade de programação temporal e sequenciamento de operações. A programação envolve quaisquer duas variáveis, porém o mais comum é se ter o tempo e a temperatura. Em siderurgias, é comum a aplicação de programas de temperatura, onde se tem uma rampa de 4. Controlador Microprocessado 4.1. Conceito O controlador single loop é o instrumento microprocessado com todas as vantagens relacionadas acima inerentes à sua natureza que pode ser usado para controlar uma única malha (daí o nome, single loop). É também chamado de single station. O controlador single loop resolve o algoritmo de controle para produzir uma única saída controlada. O seu baixo custo permite que ele seja dedicado a uma única malha. Por questão de marketing e por causa de sua grande capacidade, um único invólucro pode ter dois e até quatro controladores, porém, com o aumento de dificuldade da operação. O microprocessador pode ter qualquer função configurável e por isso, um mesmo instrumento pode funcionar como controlador, controlador cascata, controlador auto-seletor ou como computador de vazão com compensação de pressão e temperatura. A configuração pode ser feita através de teclados acoplados ao instrumento ou através de programadores separados (stand alone). Como a tecnologia do single loop é moderna, o instrumento incorpora todos os avanços da tecnologia eletrônica, microprocessadores, displays novos e programas criativos. 144 Controlador aquecimento, a manutenção da temperatura em um patamar durante um determinado tempo e o abaixamento em vários degraus. Outras propriedades Os controladores single loop possuem ainda capacidade de auto/manual, ponto de ajuste múltiplo, autodiagnose e memória. São construídos de conformidade com normas para ser facilmente incorporado e acionado por sistemas SDCD. As aplicações típicas do single loop são em plantas pequenas e médias que não podem ou não querem operar, em futuro próximo, em ambiente com controle digital distribuído. Mesmo em sistemas de SDCD, há malhas críticas que, por motivo de segurança, são controladas por controladores single loop. Fig. 7. 12. Controladores single loop (Foxboro) Suas especificações funcionais são: 1. sinais de entrada proporcionais, qualquer combinação não excedendo 4 analógicas (4 a 20 mA, 1 a 5 V, voltagem de termopar ou resistência de RTD) e 2 entradas de freqüência. Todos os sinais de entrada são convertidos e podem ser caracterizados em uma variedade de cálculos. 2. cada controlador possui duas funções de controle independentes que podem ser configuradas como um único controladores, dois controladores em cascata ou em seleção automática. Os algoritmos padrão para cada controlador são P, I, PD, PI, PID e controle EXACT 3. duas saídas analógicas não isolados e duas saídas discretas 4. outras funções de controle como caracterização, linearizadores, portas lógicas, condicionadores de sinal 5. alarmes 6. computações matemáticas 7. alimentação do transmissor de campo 8. memória para armazenar todos os parâmetros de configuração e operação 9. filtros de entrada (Butterworth) 10. distribuição de sinais (até 30 sinais para roteamento interno) 4.3. Controladores comerciais Controlador Foxboro O controlador single station Foxboro inclui: 1. display analógico fluorescente para mostrar através de barra de gráfico o valor da variável, do ponto de ajuste e da saída do controlador 2. display digital para indicar através de dígitos os valores e unidades de engenharia 3. display alfanumérico para indicar tag da malha selecionada 4. painel da estação de trabalho, para indicar status de operação (computador ou local), status do ponto de ajuste (remoto, local ou relação), status da saída (automático ou manual) e status de alarme (ligado ou desligado) 5. teclado com 8 teclas para configuração e operação para selecionar, configurar e sintonizar o controlador 145 Controlador Controlador Yokogawa O controlador single loop da Yokogawa incorporam funções computacionais e de controle que podem ser combinadas do mesmo modo que uma calculadora de bolso. A função de auto-sintonia para otimizar o controle é útil principalmente em aplicações de batelada de multiprodutos, onde as características do processo podem variar de produto para produto. Suas características incluem: 1. controle feedforward, com computações de ganho e polarização, 2. processamento de sinais 3. entradas analógicas (4 pontos de 1 a 5 V cc) 4. saídas analógicas (3 pontos de 1 a 5 V cc, 1 ponto de 4 a 20 mA cc) 5. estação de computação programável com display de dados, processamento de sinal e sequenciamento 6. 10 pontos de status de entrada/saída definidos pelo usuário 7. quatro chaves funcionais no painel frontal para iniciar as seqüências de controle 8. quatro lâmpadas associadas para indicar o progresso da seqüência ou servir como cursor 9. 43 funções computacionais 4.1. Descrição e Funções A estação de controle automático fornece a interface para a interação normal do operador com a malha de controle, de modo automático ou manual. A estação indica os valores da medição (ponteiro vermelho) e ponto de ajuste (ponteiro preto e branco) em uma escala de 100 mm de altura, vertical, intercambiável com a escala do indicador ou estação manual. A precisão dessas indicações é de 0,5% da largura de faixa. Há indicação também do sinal de saída, em uma escala horizontal, com precisão de 2,5% da largura de faixa. Fig. 25. Estação de controle automático Na parte frontal, a estação de controle possui a chave de transferência de duas posições AUTOMÁTICO ou MANUAL, que fornece a transferência sem necessidade de balanço e sem provocar descontinuidade ao processo. Logo abaixo dessa chave há o botão de comando manual, que gera um sinal de 0 a 10 V cc, em duas velocidades distintas. Há uma seta indicando o sentido de abertura ou fechamento da válvula de controle, bem como dois índices de memória para indicar os limites de trabalho do operador final. Quando a estação é do modelo com ponto de ajuste manual, há um botão, na parte frontal da estação, para prover o seu ajuste. Quando a estação tem ponto de ajuste ou manual ou remoto, além desse botão de ajuste manual, há uma chave seletora com duas posiçÕes REMOTO/LOCAL. Opcionalmente, pode haver lâmpadas de alarmes, colocadas na parte superior da estação. Nesse caso há Fig. 7. 13. Controladores single loop (Yokogawa) 4. Controlador SPEC 200 146 Controlador um pequeno botão de reconhecimento e teste do alarme, entre os dois botões ajuste manual e seleção R/L. Quando não há alarme é possível se encontrar o furo, porém com uma tampinha plástica. A identificação da estação é feita no visor, na parte superior e frontal. controle, por um cabo padrão, de tamanho variável, 2AK. Normalmente a estação é ligado ao módulo padrão 2AC. Porém, quando há características especiais, p.ex., sistema auto-seletor, a estação de controle deve ser ligada também a um módulo especial, p.ex., 2AC-R3. Ainda, quando há opções extras para a estação de controle, p.ex., indicação do estado AUTO/MANUAL, ajuste externo do modo AUTO/MANUAL, as estações exigem também um módulo de distribuição de sinais com acesso à função de controle (2AX+DFA). Nesse caso, a estação de controle recebe alimentação das duas áreas painel de leitura e armário. Finalmente, em casos extremos pode se exigir o uso de módulo especial de controle, p.ex., 2AC+R3 e módulo de distribuição especial, p.ex., 2AX+DFC. Os fusíveis, disponíveis no módulo de controle protegem o sistema SPEC200 de curto circuito eventualmente provocados pela estação de controle e sua fiação. Geralmente a sintonia dos circuitos eletrônicos, ajustes de calibração são encontráveis e feitos no cartão de controle. A estação de controle é uma caixa vazia, apenas com o circuito de indicação e com as chaves de monitoração do operador. Nessa configuração o operador não tem aos circuitos de sintonia e ajustes de zero, faixa, limites de saída. Apenas estabelece o ponto de ajuste, aciona manualmente o elemento final de controle. Quando essa situação não é desejável, pode-se ter os circuitos eletrônicos e de alarme na própria estação de controle. Nesse caso, os cartões de controle são diferentes e não possuem nenhum ajuste em sua parte frontal. São os cartões 2AX+T. Fig. 26. Estação de controle ligada ao armário Fig. 27. Bloco terminal no módulo de controle Fig. 28. Estação com tomada para o cabo A estação de controle automático é montada na estante do painel de leitura. Cada estação ocupa um espaço de estante. É ligada à estante através de um cabo padrão, com 42 polegadas de comprimento, preso à estante por uma braçadeira e com a tomada fixa à parede da estante por 4 parafusos. Esse conjunto de ligação é igual, tanto para o indicador, registrador, estação manual ou estação automática. A estação de controle automático é ligada à área do armário ao módulo de 147 Controlador 5. Estação Manual de Controle A estação manual, chamada de HIC (hand indicator controller), de estação auxiliar ou de estação de carga manual (load station) é o instrumento que possibilita ao operador atuar diretamente no processo através da geração manual de sinais padrão eletrônicos ou pneumáticos. As aplicações típicas da estação manual incluem 1. a atuação direta e manual no processo, em substituição ao controle automático ou como única alternativa. 2. a geração do ponto de ajuste remoto do controlador 3. o aumento da capacidade, como adicionar polarização, fazer proporção, atuar em vários elementos finais. A estação auxiliar tem aparência externa idêntica à do controlador, com escala vertical; botões de atuação; chaves de transferência A/M, polarização e relação . As estações são disponíveis em vários modelos de complexidade crescente 1. a estação manual de carga 2. a estação com chaveamento A/M 3. a estação com chave A/M e com 100% de polarização ajustável 4. a estação de relação 5.1. Estação Manual A estação de atuação manual (Manual Loading) gera o sinal padrão, pneumático ou eletrônico, através da atuação manual do operador. A estação possui um medidor do sinal de saída gerado manualmente. Duas aplicações típicas da estação manual: 1. regular manualmente a posição da válvula de controle no campo. Esta ação manual pode substituir a atuação automática do controlador ou a atuação manual feita localmente através do volante da válvula. 2. estabelecer o ponto de ajuste de controlador individual ou mesmo ajustar simultaneamente os pontos de ajuste de vários controladores no mesmo nível. Nesta aplicação a saída da estação de ajuste manual alimenta diretamente o circuito do ponto de ajuste dos controladores. 5.2. Estação de Chaveamento A/M Normalmente o controlador possui uma estação manual auxiliar, que pode ser atuada manualmente pelo operador, desde que a chave seletora esteja na posição Manual. Esta estação manual, acoplada a unidade de controle automático, é de tamanho pequeno, com a resolução de leitura pior que as indicações da estação automática e com a arquitetura pouco flexível e limitada. Por isso, se desenvolveu comercialmente a estação manual com o chaveamento automático/manual. Fig. 7.14. Estação manual acoplada ao controlador Fig. 7.15. Estação manual (stand alone) 148 Controlador A estação auxiliar de chaveamento A/M é usada com outro controlador automático e permite as seguintes opções 1. Regulação manual da posição da válvula de controle, quando a chave de transferência estiver em Manual. 2. Passagem direta do sinal de um controlador automático para a válvula de controle, quando a chave de transferência estiver em Automático. Tipicamente há uma indicação da diferença entre os sinais automático e manual de modo a informar e auxiliar o operador nos procedimentos de transferência. Quando a malha de controle complexa requer um único controlador atuando em duas ou mais válvulas de controle, em paralelo, a saída do controlador automático passa através das várias estações manuais para atuar nas várias válvulas de controle. Esta montagem permite ao operador atuar manualmente uma ou mais válvulas de controle, enquanto as outras válvulas estão sendo controladas automaticamente. Isto é justificado quando 1. em postas em marcha, quando ainda as capacidades das válvulas estão excessivas. Há excesso de ganho, portanto instabilidade, quando ambas as válvulas estão operando muito próximos da posição de fechamento. 2. as válvulas estão superdimensionadas, para atender a capacidade de futuras ampliações. Também neste caso existem malhas com ganhos muito elevados, portanto instáveis. Uma outra solução para este problema seria utilizar, se disponíveis, válvulas com capacidades reduzidas. Nas ampliações, trocariam os internos das válvulas para capacidades totais. 3. há necessidade da manutenção de uma das válvulas, enquanto as outras válvulas permanecem no processo. 4. se fixa o ponto de operação de uma válvula manualmente enquanto as outras válvulas são controladas automaticamente. Fig. 7. 16. Estação manual A/M 5.3. Estação A/M e Polarização A estação com chaveamento A/M e polarização ajustável possui as seguintes características: 1. na posição automática, ela não atua no processo e o sinal automático proveniente do controlador automático, passa através dela sem alteração e é apenas indicado. 2. na posição manual, o sinal de saída da estação é dado pela relação 3. saída manual = sinal automático + polarização ajustável manual O operador de processo pode adicionar ou subtrair, de 0 a 100% do sinal de entrada, do sinal automático de entrada antes de retransmiti-lo a válvula de controle. Aplicação típica para o uso desta estação A/M com polarização é o sistema com dois ou mais elementos finais de controle regulados por um único controlador. Com esta estação, o operador de processo pode polarizar uma válvula com relação as outras. A polarização pode ser desejável e necessária por uma ou mais das seguintes razões 1. separar os níveis de operação de dois operadores finais idênticos, para impedir a interferência e interação entre ambos. 2. balancear dois operadores finais para prevenir que apenas um assuma toda a carga do processo. 3. balancear a saída de todos os operadores finais de modo que as entradas do processo fiquem uniformes. 149 Controlador Fig. 7. 17. Estação manual com polarização 5.4. Serviços Associados Na especificação da estação manual de controle separada do controlador automático, deve ser conhecidos e informados ao fabricante os seguintes parâmetros 1. a função a desempenhar geração do sinal, indicação, polarização, relação , 2. os sinais de entrada e de saída, 3. a faixa da escala de indicação, 4. a montagem, com a verificação previa da estante e dos cabos de engate rápido, 5. as opções extras. 6. A operação da estação manual envolve 7. a leitura do sinal gerado e opcionalmente dos sinais externos, 8. a atuação manual para gerar o sinal interno 9. a atuação manual para gerar a polarização desejada, se aplicável, 10. a atuação manual da chave seletora A/M. Apostilas\Instrumentação 25Controlador.doc 18 OUT 00 (Substitui 11 DEZ 98) 150 2.8 Válvula de Controle 1. Introdução Aproximadamente 5% dos custos totais de uma indústria de processo químico se referem a compra de válvulas. Em termos de número de unidades, as válvulas perdem apenas para as conexões de tubulação. As válvulas são usadas em tubulações, entradas e saídas de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; as principais são as seguintes 1. serviço de liga-desliga 2. serviço de controle proporcional 3. prevenção de vazão reversa 4. controle e alívio de pressão 5. especiais 6. controle de vazão direcional 7. serviço de amostragem 8. limitação de vazão 9. selagem de vaso ou de tanque De todas estas aplicações, a mais comum e importante se relaciona com o 2. Elemento Final de Controle A malha de controle a realimentação negativa possui um elemento sensor, um controlador e um elemento final de controle. O sensor ou o transmissor envia o sinal de medição para o controlador, que o recebe e o compara com um ponto de ajuste e gera um sinal de saída para atuar no elemento final de controle. O elemento final de controle manipula uma variável, que influi na variável controlada, levando-a para valor igual ou próximo do ponto de ajuste. O controle pode ser automático ou manual. O controle manual pode ser remoto ou local. A válvula de controle abre e fecha a passagem interna do fluido, de conformidade com um sinal de controle. Quando o sinal de controle é proveniente de um controlador, tem-se o controle automático da válvula. Quando o sinal de controle é gerado manualmente pelo operador de processo, através de uma estação manual de controle, tem-se o controle manual remoto. Na atual manual local, o operador atua diretamente no volante da válvula. Há vários modos de manipular as vazões de materiais e de energia que entram e saem do processo; por exemplo, por bombas com velocidade variável, bombas dosadoras, esteiras, motor de passo porém, o modo mais simples é por meio da válvula de controle. O controle pode ser feito de modo contínuo ou liga-desliga. Na filosofia continua ou analógica, a válvula pode assumir, de modo estável, as infinitas posições entre totalmente fechada e totalmente aberta. Na controle automático de processos. Fig. 8.1. Esquema típico de válvula de controle 151 Válvula de Controle filosofia digital ou liga-desliga, a válvula só fica em duas posições discretas ou totalmente fechada ou totalmente aberta. O resultado do controle é menos satisfatório que o obtido com o controle proporcional, porém, tal controle pode ser realizado através de chaves manuais, chaves comandadas por pressão (pressostato), temperatura (termostato), nível, vazão ou controladores mais simples. Neste caso, a válvula mais usada é a solenóide, atuada por uma bobina elétrica. 3. Válvula de Controle As funções da válvula de controle são: 1. Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das condições de operação. Como o fluido do processo passa dentro da válvula, ela deve ter características mecânicas e químicas para resistir à pressão, temperatura, corrosão, erosão, sujeira e contaminantes do fluido. 2. Responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão é aplicado ao atuador da válvula, que o converte em uma força, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior está o obturador, que varia a área de passagem do fluido pela válvula. 3. Variar a área de passagem do fluido manipulado. A válvula de controle manipula a vazão do meio de controle, pela alteração de sua abertura. 4. Absorver a queda variável da pressão da linha. Em todo o processo, a válvula é o único equipamento que pode fornecer ou absorver queda de pressão controlável. Fig. 8. 2. Válvula de controle O sinal de controle que chega ao atuador da válvula pode ser pneumático ou eletrônico. A válvula de controle com atuador pneumático é o elemento final de controle da maioria absoluta das malhas. Mesmo com o uso cada vez mais intensivo e extensivo da instrumentação eletrônica, analógica ou digital, a válvula com atuador pneumático ainda é o elemento final mais aplicado. Ainda não se projetou e construiu algo mais simples, confiável, econômico e eficiente que a válvula com atuador pneumático. Ela é mais usada que as bombas dosadoras, as alavancas, as hélices, os basculantes, os motores de passo e os atuadores eletromecânicos. Fig. 8. 3. Válvula de controle (Fisher) Depois de instalada na tubulação e para poder desempenhar todas as funções requeridas a válvula de controle deve ter corpo, atuador e castelo. Adicionalmente, ela pode ter acessórios opcionais que facilitam e otimizam o seu desempenho, como posicionador, booster, chaves, volantes, transdutores corrente elétrica para ar pneumático e relé de inversão. 152 Válvula de Controle 4. Corpo 4.1. Conceito O corpo da válvula de controle é essencialmente um vaso de pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o plug (obturador), que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador pneumático. A posição relativa entre o obturador e a sede, modulada pelo sinal que vem do controlador, determina o valor da vazão do fluido que passa pelo corpo da válvula, variando a queda de pressão através da válvula. No corpo estão incluídos a sede, obturador, haste, guia da haste, engaxetamento e selagem de vedação. O conjunto haste-plug-sede é chamado de trim. 4.3. Plug O plug ou obturador da válvula pode ter diferentes formatos e tamanhos, para fornecer vazamentos diferentes em função da abertura. Cada figura geométrica do obturador corresponde a uma quantidade de vazão em função da posição da haste. Os formatos típicos fornecem características linear, parabólica, exponencial, abertura rápida. Fig. 8. 5. Válvula com conexão rosqueada Materiais Como a válvula está em contato direto com o fluido do processo o seu material interior deve ser escolhido para ser compatível com as características de corrosão e abrasão do fluido. A parte externa do corpo da válvula é metálica, geralmente ferro fundido, aço carbono cadmiado, aço inoxidável AISI 316, ANSI 304, bronze, ligas especiais para alta temperatura, alta pressão e resistentes à corrosão química. As partes internas, justamente aquelas que estão em contato com o fluido, são o interior do corpo, sede, obturador, anéis de engaxetamento e de vedação e também devem ser de material adequado. Fig. 8. 4. Corpo da válvula contendo o fluido 4.2. Sede A válvula de duas vias pode ter sede simples ou dupla. A sede da válvula é onde se assenta o obturador. A posição relativa entre o obturador e a sede é que estabelece a abertura da válvula. Na válvula de sede simples há apenas um caminho para o fluido passar no interior da válvula. A válvula de sede simples é excelente para a vedação, porém requer maior força de fechamento/abertura. A válvula de sede dupla, no interior da qual há dois caminhos para o fluxo, geralmente apresenta grande vazamento, quando totalmente fechada. Porém, sua vantagem é na exigência de menor força para o fechamento e abertura. 153 Válvula de Controle Conexões Terminais A válvula é instalada na tubulação através de suas conexões. O tipo de conexões terminais a ser especificado para uma válvula é normalmente determinado pela natureza do sistema da tubulação em que a válvula vai ser inserida. As conexões mais comuns são flangeadas, rosqueadas, soldadas. Há ainda conexões especiais e proprietárias de determinados fabricantes. Os fatores determinantes das conexões terminais são tamanho da válvula, tipo do fluido, valores da pressão e temperatura e segurança do processo. As conexões rosqueadas são usadas para válvulas pequenas, com diâmetro menor que 2". A linha possui a rosca macho e o corpo da válvula a rosca fêmea. É econômico e simples. O corpo da válvula pode ser soldado diretamente à linha. Este método é pouco flexível, porém é utilizado para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido. Conectar o corpo da válvula à tubulação através do conjunto de flanges, parafusos e porcas é o método mais utilizado para válvulas maiores que 2". As flanges podem ser lisas ou de faces elevadas e sua classe de pressão ANSI deve ser compatível com a pressão do processo. Geralmente a válvula de controle possui uma entrada e uma saída; é chamada de duas vias. Porém, há aplicações de mistura ou divisão, que requerem válvulas com três vias duas entradas e uma saída (mistura) ou uma entrada e duas saídas (divisão). prover vedação, usam-se caixas de engaxetamento. Algumas caixas requerem lubrificação periódica. Os materiais típicos de engaxetamento incluem Teflon®, asbesto, grafite e a combinação deles (asbesto impregnado de Teflon e asbesto grafitado). Quando a aplicação envolve temperaturas extremas, muito baixas (criogênicas) ou muito elevadas, o castelo deve ter engaxetamento com materiais especiais (semimetálicos) e possuir aletas horizontais, que aumentem a área de troca de calor, facilitando a transferência de energia entre o processo e a atmosfera externa e protegendo o atuador da válvula contra temperaturas extremas. Em aplicações onde se quer vedação total ao longo da haste, pois o fluido do processo é tóxico, explosivo, pirofosfórico, muito caro, usam-se foles como selos. O fluido do processo pode ser selado interna ou externamente ao fole. 6. Atuador 6.1. Operação Manual ou Automática Os modos de operação da válvula dependem do seu tipo, localização no processo, função no sistema, tamanho, freqüência de operação e grau de controle desejado. Os modos possíveis são manual ou automático. 5. Castelo O castelo (bonnet) liga o corpo da válvula ao atuador. A haste da válvula se movimenta através do engaxetamento do castelo. Há três tipos básicos de castelo: aparafusado, união e flangeado. O engaxetamento no castelo para alojar e guiar a haste com o plug, deve ser de tal modo que não haja vazamento do interior da válvula para fora e nem muito atrito que dificulte o funcionamento ou provoque histerese. Para facilitar a lubrificação do movimento da haste e Fig. 8. 6. Atuador pneumático da válvula A atuação manual pode ser local ou remota. A atuação local pode ser feita diretamente por volante, engrenagem, corrente mecânica ou alavanca. A atuação manual remota pode ser feita pela geração 154 Válvula de Controle de um sinal elétrico ou pneumático, que acione o atuador da válvula. Para ser atuada automaticamente a válvula pode estar acoplada a mola, motor elétrico, solenóide, servo mecanismo, atuador pneumático ou hidráulico. Freqüentemente, é necessário ou desejável operar automaticamente a válvula, de modo contínuo ou através de liga-desliga. Isto pode ser conseguido pela adição à válvula padrão um dos seguintes acessórios 1. atuador pneumático ou hidráulico para operação continua ou de liga-desliga, 2. solenóide elétrica para operação de liga-desliga, 3. motor elétrico para operação continua ou de liga-desliga. Geralmente, um determinado tipo de válvula é limitado a um ou poucos tipos de atuadores; por exemplo, as válvulas de alívio e de segurança são atuadas por mola; as válvulas de retenção são atuadas por mola ou por gravidade e as válvulas globo de tamanho grande e com alta pressão de processo são atuadas por motores elétricos ou correntes mecânicas. As válvulas de controle contínuo são geralmente atuadas pneumaticamente e através de solenóides, quando se tem o controle liga-desliga. Geralmente estes mecanismos de operação da válvula são considerados acessórios da válvula. posição extrema, ou totalmente aberta ou totalmente fechada. Operacionalmente, a força da mola se opõe à força do diafragma; a força do diafragma deve vencer a força da mola e as forças do processo. Erradamente, se pensa que o atuador da válvula requer a alimentação de ar pneumático para sua operação; o atuador funciona apenas com o sinal padrão, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi). O atuador pneumático consiste simplesmente de um diafragma flexível colocado entre dois espaços. Uma das câmaras deve ser vedada à pressão e na outra câmara ha uma mola, que exerce uma força contraria. O sinal de ar da saída do controlador vai para a câmara vedada à pressão e sua variação produz uma força variável que é usada para superar a força exercida pela mola de faixa do atuador e as forças internas dentro do corpo da válvula e as exercidas pelo próprio processo. O atuador pneumático deve satisfazer basicamente as seguintes exigências 1. operar com o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), 2. operar sem posicionador, 3. ter uma ação falha-segura quando houver falha no sinal de atuação, 4. ter um mínimo de histerese, 5. ter potência suficiente para agir contra as forças desbalanceadas, 6. ser reversível. 6.2. Atuador Pneumático Este tipo de operador, disponível com um diafragma ou pistão, é o mais usado. Independente do tipo, o princípio de operação é o mesmo. O atuador pneumático, com diafragma e mola é o responsável pela conversão do sinal pneumático padrão do controlador em força-movimento-abertura da válvula. O atuador pneumático a diafragma recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte numa força que irá movimentar a haste da válvula, onde está acoplado o obturador que irá abrir continuamente a válvula de controle. A função do diafragma é a de converter o sinal de pressão em uma força e a função da mola é a de retornar o sistema à posição original. Na ausência do sinal de controle, a mola leva a válvula para uma 6.3. Ações do Atuador Basicamente, há duas lógicas de operação do atuador pneumático com o conjunto diafragma e mola 1. ar para abrir - mola para fechar, 2. ar para fechar - mola para abrir, Existe um terceiro tipo, menos usado, cuja lógica de operação é ar para abrir - ar para fechar. Outra nomenclatura para a ação da válvula é falha-aberta (fail-open), que equivale a ar-para-fechar e falha-fechada, igual a ar-para-abrir. 155 Válvula de Controle ausência de pressão, deve levar a válvula para o fechamento total. Uma válvula com atuação ar-parafechar opera de modo contrario. Na ausência de ar e com pressões menores que 20 kPa (3 psig), a válvula deve estar totalmente aberta. Com o aparecimento de pressões acima de 20 kPa (3 psig) e seu aumento, a válvula diminuirá sua abertura. Com a máxima pressão do controlador, de 100 kPa (15 psig), a válvula deve estar totalmente fechada. Na falha do sistema, quando a pressão cair o 0 kPa, a válvula deve estar na posição totalmente aberta. Certas aplicações exigem um válvula de controle com um diafragma especial, de modo que a falta do sinal de atuação faca a válvula se manter na ultima posição de abertura; tem-se a falha-última-posição. (a) Ar para abrir (b) Ar para fechar Fig. 8. 7. Atuador pneumático da válvula A operação de uma válvula com atuador pneumático com lógica de ar para abrir é a seguinte quando não há nenhuma pressão chegando ao atuador, a válvula está "desligada" e na posição fechada. Quando a pressão de controle, típica de 20 a 100 kPa (3 15 psig) começa a crescer, a válvula tende a abrir cada vez mais, assumindo as infinitas posições intermediárias entre totalmente fechada e totalmente aberta. Quando não houver sinal de controle, a válvula vai imediatamente para a posição fechada, independente da posição em que estiver no momento da falha. A posição de totalmente fechada é também conhecida como a de segura em caso de falha. Quem leva a válvula para esta posição segura é justamente a mola. Assim, o sinal pneumático de controle deve vencer a força da mola, a força apresentada pelo fluido do processo, os atritos existentes entre a haste e o engaxetamento. O atuador ar-para-abrir necessita de pressão para abrir a válvula. Para pressões menores que 20 kPa (3 psig) a válvula deve estar totalmente fechada. Com o aumento gradativo da pressão, a partir de 20 kPa (3 psig), a válvula abre continuamente. A maioria das válvulas é calibrada para estar totalmente aberta quando a pressão atingir exatamente 100 kPa (15 psig). Calibrar uma válvula é fazer a abertura da válvula seguir uma reta, passando pelos pontos 20 kPa x 0% (3 psi x 0%) e 100 kPa x 100% (15 psi x 100%) de abertura. A falha do sistema, ou seja, a 6.4. Escolha da Ação A primeira questão que o projetista deve responder, quando escolhendo uma válvula de controle é "o que a válvula deve fazer, quando faltar o suprimento da alimentação?" A questão esta relacionada com a "posição de falha" da válvula. A segurança do processo determina o tipo de ação da válvula falha-fechada (FC fail close), falha-aberta (FC - fail open), falha-indeterminada (FI - fail indetermined), falha-última-posição (FL - fail last position). A segurança também implica no conhecimento antecipado das conseqüências das falha de alimentação na mola, diafragma, pistão, controlador e transmissor. Quando ocorrer falha no atuador da válvula, a posição da válvula não é mais função do projeto do atuador, mas das forças do fluido do processo atuando no interior da válvula e da construção da válvula. As escolhas são vazão-para-abrir (FTO - flow to open), vazão-para-fechar (FTC - flow to close), ficar na ultima posição (FB - friction bound). A ação vazão-para-fechar é fornecida pela válvula globo; a ação vazãopara-abrir é dada das válvulas borboleta, globo e esfera convencional. As válvulas com plug rotatório, esfera flutuante são típicas para ficar na ultima posição. 156 Válvula de Controle 6.5. Mudança da Ação Porém há vários modos de se inverter a ação de controle do sistema constituído de controlador, atuador e válvula de controle 1. troca da posição do atuador, alternando a posição relativa diafragma e mola. 2. alguns atuadores possuem uma alimentação alternativa o sinal pode ser aplicado em dois pontos possíveis, cada um correspondendo a uma ação de controle. 3. alteração do obturador + sede da válvula. 4. alteração do modo de controle, no próprio controlador. A maioria dos controladores possui uma chave seletora para a ação de controle direta (aumenta medição, aumenta sinal de saída) e inversa (aumenta medição, diminui sinal de saída). Na aplicação prática, deve se consultar a literatura técnica disponível e referente a todos os equipamentos controlador, atuador e válvula, para se definir qual a solução mais simples, segura e flexível. são 40 a 200 kPa (6 a 30 psig) e 20 a 180 kPa (3 a 27 psig). Os fabricantes apresentam equações para dimensionar e escolher o atuador pneumático. 6.7. Atuador e outro Elemento Final O atuador de válvula pode, excepcionalmente, ser acoplado a outro equipamento que não seja a válvula de controle. Assim, é comum o uso do atuador pneumático associado a cilindro, basculante e bóia. Mesmo nas combinações que não envolvem a válvula, o atuador é ainda acionado pelo sinal pneumático padrão do controlador. E a função do atuador continua a de converter o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) em uma força, que pode provocar um movimento. Mesmo em sistema com instrumentação eletrônica, com controladores eletrônicos que geral 4 a 20 mA cc, o comum é se usar o atuador pneumático com diafragma e mola. Para compatibilizar seu uso, insere-se na malha de controle o transdutor corrente-parapneumático. O conjunto transdutor I/P + atuador pneumático é ainda mais simples, eficiente, rápido e econômico que o atuador eletromecânico disponível comercialmente. O atuador pneumático é o mais comumente usado, por causa de sua simplicidade, econômica, rapidez e garantia de funcionamento. Os atuadores pneumáticos são aplicados principalmente para a obtenção do controle proporcional contínuo. Para o controle liga-desliga é mais conveniente usar a válvula solenóide. 6.6. Dimensionamento do Atuador Há atuadores de diferentes tamanhos e seu dimensionamento depende dos seguintes parâmetros pressão estática do processo, curso da haste da válvula, deslocamento da mola do atuador e da sede da válvula. A força gerada para operar a válvula é função da área do diafragma, da pressão pneumática e da pressão do processo. Quanto maior a pressão do sinal pneumático, menor pode ser a área do diafragma. Como normalmente o sinal de atuação é padrão, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), geralmente o tamanho do diafragma depende da pressão do processo; quando maior a pressão do fluido do processo, maior deve ser a área do diafragma. O atuador pneumático da válvula funciona apenas com o sinal do controlador, padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig). Ele não necessita do suprimento de ar de 120 a 140 kPa (20 a 22 psig). O tamanho físico do atuador depende da pressão estática do processo e da pressão do sinal pneumático. A faixa de pressão mais comum é o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig); outras também usadas 7. Acessórios 7.1. Volante O volante manual é usado para o fechamento manual da válvula no local, em substituição ao fechamento automático ou manual, feito através do atuador pneumático, em casos de emergência, durante a partida ou na falta de ar. Eles não são muito freqüentes e só se justifica sua aplicação em serviços críticos ou quando não há válvulas de bloqueio ou de bypass. 157 Válvula de Controle Os principais acessórios incluem as hastes com extensão, operador com corrente, operador com engrenagens. subtrai ar do atuador da válvula, até se obter a posição correta. Há um elo mecânico através do qual o posicionador sente a posição da válvula e monitora o sinal que vai para o atuador. O posicionador pode ser considerado um controlador proporcional puro. As justificativas legitimas para o uso do posicionador são para 1. eliminar a histerese e banda morta da válvula, garantindo a excursão linear da haste da válvula, por causa de sua atuação direta na haste, 2. o posicionador alterar a faixa de sinal pneumático, por exemplo, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) para 100 a 20 kPa (15 a 3 psig) ou de 20 a 60 kPa (3 a 9 psig) para 20 a 100 kPa (3 a 15 psig). O uso do posicionador é obrigatório na malha de controle de faixa dividida (split range), onde o mesmo sinal de controle é enviado para várias válvulas em paralelo. São razões para o uso do posicionador, mas não muito legitimas 1. aumentar a velocidade de resposta da válvula, aumentando a pressão ou o volume do ar pneumático de atuação, para compensar atrasos de transmissão, capacidade do atuador pneumático. Deve-se usar um booster no lugar do posicionador. 2. escolher ou alterar a ação da válvula, falha-fechada (ar para abrir) ou falhaaberta (ar para fechar). Deve-se fazer isso com relé pneumático ou no próprio atuador da válvula. 3. modificar a característica inerente da válvula, através do uso de cam externa ou gerador de função. Isto também não é uma justificativa valida, pode-se usar relé externo que não degrade a qualidade do controle. Há porém, duas outras regras, talvez mais importantes, embora menos conhecidas, referentes ao não uso do posicionador. São as seguintes 1. não se deve usar posicionador quando o processo é mais rápido que a válvula. 2. ao se usar o posicionador, deve se aumentar a banda proporcional do controlador, de 3 a 5 vezes, em relação à sua banda proporcional sem posicionador. Quando isso é Fig. 8. 8. Válvula com volante 7.2. Posicionador O posicionador é um acessório opcional e não um componente obrigatório da válvula, mesmo que algumas plantas padronizem e tornem seu uso extensivo a todas as válvulas existentes. O posicionador é um dispositivo acoplado à haste da válvula de controle para otimizar o seu funcionamento. Ele recebe o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) e gera, na saída, também o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) e por isso é necessária a alimentação pneumática de 120 kPa (20 psig). (a) Posicionador montado (b) Posicionador fora Fig. 8. 9. Válvula com posicionador O objetivo do posicionador é o de comparar o sinal da saída do controlador com a posição da haste da válvula. Se a haste não esta onde o controlador quer que ela esteja, o posicionador soma ou 158 Válvula de Controle impossível, não se pode usar o posicionador. As regras para uso e não uso devem ser conceitualmente entendidas. O posicionador torna a malha mais sensível, mais rápida, com maior ganho. Se a malha original já é sensível ou rápida, a colocação do posicionador aumenta ainda mais a sensibilidade e rapidez, levando certamente a malha para uma condição instável, de oscilação. Quando se coloca um posicionador em uma malha de controle rápida, o desempenho do controle se degrada ou tem que se re-sintonizar o controlador, ajustando a banda proporcional em valor muito grande, às vezes, em valores não disponíveis no controlador comercial. Geralmente não se usa posicionador em malha de controle de vazão, pressão de líquido e pressão de gás em volume pequeno, que já estes processos são muito rápidos. Para processos rápidos, mas com linhas de transmissão muito grandes ou com atuadores de grandes volumes, a solução é acrescentar um amplificador pneumático (booster), em vez de usar o posicionador. O booster também melhora o tempo de resposta e aumenta o volume de ar do sinal pneumático e, como seu ganho é unitário, não introduz instabilidade ao sistema. O posicionador pode ser considerado como um controlador de posição, de alto ganho (banda estreita). Quando ele é colocado na válvula de controle, o posicionador é o controlador secundário de uma malha em cascata, recebendo o ponto de ajuste da saída do controlador primário. Esta analogia é útil, pois facilita a orientação de uso ou não-uso do posicionador. Como em qualquer de controle cascata, o sistema só é estável se a constante de tempo do secundário (posicionador) for muito menor que a do primário. controle de vazão de líquido ou de pressão de líquido. Fig. 8. 10. Booster O booster é usado no atuador da válvula para apressar a resposta da válvula, para uma variação do sinal de um controlador pneumático com baixa capacidade de saída, sem o inconveniente de provocar oscilações, por não ter realimentação com a haste da válvula. Eles reduzem o tempo de atraso resultante de longas linhas de transmissão ou quando a capacidade da saída do controlador é insuficiente para suprir a demanda de grandes atuadores pneumáticos. Os outros possíveis usos de booster são 1. amplificar ou reduzir o sinal pneumático, tipicamente de 1:1 e 1:3 ou 5:1, 2:1 e 3:1 2. reverter um sinal pneumático por exemplo, quando o sinal de entrada aumenta, a saída diminui. Quando a entrada é 20 kPa (3 psig) a saída é 100 kPa (15 psig), quando a entrada é 100 kPa (15 psig), a saída é 20 kPa (3 psig). 8. Característica da Válvula 8.1. Conceito A característica da válvula de controle é definida como a relação entre a vazão através dela e a posição da haste, variando ambas de 0 a 100%. A vazão na válvula depende do sinal de saída do controlador que vai para o atuador. Na definição da característica, admite-se que 1. o atuador da válvula é linear (o deslocamento da haste é proporcional à saída do controlador), 7.3. Booster O booster, também chamado relé de ar ou amplificador pneumático, tem a função aproximada do posicionador. A aplicação típica do booster é para substituir o posicionador, quando ele não é recomendado, como em malhas de 159 Válvula de Controle 2. a queda de pressão através da válvula é constante, 3. o fluido do processo não está em cavitação, flashing ou na vazão sônica (choked) São definidas duas características da válvula: inerente e instalada. A característica inerente se refere à observada com uma queda de pressão constante através da válvula; é a característica construída e fora do processo. A instalada se refere à característica quando a válvula está em operação real, com uma queda de pressão variável e interagindo com as influências do processo não consideradas no projeto. Fig. 8. 11. Características da válvula O objetivo da caracterização da vazão é o de fornecer um ganho do processo total relativamente constante para a maioria das condições de operação do processo. A característica da válvula depende do seu tipo. Tipicamente os formatos do contorno do plug e da sede definem a característica. As três características típicas são linear, igual percentagem e abertura rápida; outras menos usadas são hiperbólica, raiz quadrática e parabólica. Característica de Igual Percentagem Na válvula de igual percentagem, iguais percentagens de variação de abertura da válvula correspondem a iguais percentagens de variação da vazão. Matematicamente, a vazão é proporcional exponencialmente à abertura. O índice do expoente é a percentagem de abertura. O termo "igual percentagem" se aplica porque iguais incrementos da posição da válvula causam uma variação da vazão em igual percentagem. Quando se aumenta a abertura da válvula de 1%,, indo de 20 a 21%, a vazão ira aumentar de 1% de seu valor à posição de 20%. Se a posição da válvula é aumentada de 2%, indo de 60 a 61%, a vazão ira aumentar de 1% de seu valor à posição de 60%. A válvula é praticamente linear (e com grande inclinação) próximo à sua abertura máxima. A válvula de igual percentagem produz uma vazão muito pequena para grande variação da abertura, no inicio de sua abertura, mas quando está próxima de sua 8.2. Características da Válvula e do Processo Para se ter um controle eficiente e estável em todas as condições de operação do processo, a malha de controle deve ter um comportamento constante em toda a faixa. Isto significa que a malha completa do processo, definida como a combinação sensor-transmissorcontrolador-válvula-processo-etc. deve ter seu ganho e dinâmicas os mais constantes possível. Ter um comportamento constante significa ser linear. Na prática, a maioria dos processos é não-linear, fazendo a combinação sensortransmissor-controlador-processo não linear. Assim, deve-se ter o controlador não-linear para ter o sistema total linear. A outra alternativa é a de escolher o "comportamento da válvula" não-linear, para tornar linear a combinação sensortransmissor-controlador-processo. Se isso é feito corretamente, a nova combinação sensor-transmissor-processo-válvula se torna linear, ou com o ganho constante. O comportamento da válvula de controle é a sua "característica de vazão". 160 Válvula de Controle abertura total, pequenas variações da abertura produzem grandes variações de vazão. Ela exibe melhor controle nas pequenas vazões e um controle instável em altas vazões. Característica Linear Na válvula com característica linear a vazão é diretamente proporcional à abertura da válvula. A abertura é proporcional ao sinal padrão do controlador, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), se pneumático e de 4 a 20 mA cc, se eletrônico. A característica linear produz uma vazão diretamente proporcional ao valor do deslocamento da válvula ou de sua posição da haste. Quando a posição for de 50%, a vazão através da válvula é de 50% de sua vazão máxima. A válvula com característica linear possui ganho constante em todas as vazões. O desempenho do controle e uniforme e independente do ponto de operação. Característica de Abertura Rápida A característica de vazão de abertura rápida produz uma grande vazão com pequeno deslocamento da haste da válvula. A curva é basicamente linear para a primeira parte do deslocamento com uma inclinação acentuada. A válvula introduz uma grande variação na vazão quando há uma pequena variação na abertura da válvula, no inicio da faixa. A válvula de abertura rápida apresenta grande ganho em baixa vazão e um pequeno ganho em grande vazão. Ela não é adequada para controle contínuo, pois a vazão não é afetada para a maioria de seu percurso; geralmente usada em controle liga-desliga. Característica Instalada O dimensionamento da válvula se baseia na queda de pressão através de suas conexões, assumida como constante e relativa à abertura de 100% da válvula. Quando a válvula está instalada na tubulação do sistema, a queda de pressão através dela varia quando há variação de pressão no resto do sistema. A instalação afeta substancialmente a característica e a rangeabilidade da válvula. A característica instalada é real e diferente da característica inerente, que é teórica e de projeto. Na prática, uma válvula com característica inerente de igual percentagem se torna linear, quando instalada. A exceção, quando a característica inerente é igual à instalação, ocorre quando se tem um sistema com bombeamento com velocidade variável, onde é possível se manter uma queda de pressão constante através da válvula, pelo ajuste da velocidade da bomba. A característica instalada de qualquer válvula depende dos seguintes parâmetros 1. característica inerente, ou a característica para a válvula com queda de pressão constante e a 100% de abertura, 2. relação da queda de pressão através da válvula com a queda de pressão total do sistema, 3. fator de super dimensionamento da válvula. É difícil prever o comportamento da válvula instalada, principalmente porque a característica inerente se desvia muito da curva teórica, há não linearidades no atuador da válvula, nas curvas das bombas. 8.3. Escolha de Características A escolha da característica da válvula e seu efeito no dimensionamento é fundamental para se ter um bom controle, em larga faixa de operação do processo. A válvula com característica inerente linear parece ser a mais desejável, porém o objetivo do projetista é obter uma característica instalada linear. O que se deseja realmente é ter a vazão através da válvula e de todos os equipamentos em série com ela variando linearmente com o deslocamento de abertura da válvula. Como a queda de pressão na válvula varia com a vazão (grande vazão, pequena queda de pressão) uma válvula não-linear normalmente fornece uma relação de vazão linear após a instalação. A escolha da característica correta da válvula para qualquer processo requer uma analise dinâmica detalhada de todo o processo. Há numerosos casos onde a escolha da característica da válvula não resulta em conseqüências serias. Qualquer 161 Válvula de Controle característica de válvula é aceitável quando 1. a constante de tempo do processo é pequena (processo rápido), como vazão, pressão de líquido e temperatura com misturadores, 2. a banda proporcional ajustada do controlador é estreita (alto ganho), 3. as variações de carga do processo são pequenas; menos que 2:1. A válvula com característica linear é comumente usada em processo de nível de líquido e em outros processos onde a queda da pressão através da válvula é aproximadamente constante. A válvula com característica de igual percentagem é a mais usada; geralmente, em aplicações com grandes variações da queda de pressão ou onde uma pequena percentagem da queda de pressão do sistema total ocorre através da válvula. Quando se tem a medição da vazão com placa de orifício, cuja saída do transmissor é proporcional ao quadrado da vazão, deve-se usar uma válvula com característica de raiz quadrática (aproximadamente a de abertura rápida). A válvula com a característica de vazão de abertura rápida é, tipicamente, usada em serviço de controle liga-desliga, onde se deseja uma grande vazão, logo que a válvula comece a abrir. As recomendações (Driskell) resumidas para a escolha da característica da válvula são 1. Abertura rápida, para controle de vazão com medição através da placa de orifício e com variação da queda de pressão na válvula pequena (menor que 2:1). 2. Linear, para controle de vazão com medição através da placa de orifício e com variação da queda de pressão na válvula grande (maior que 2:1 e menor que 5:1). 3. Linear, para controle de vazão com sensor linear, nível e pressão de gás, com variação de queda de pressão através da válvula menor que 2:1. 4. Igual percentagem, para controle de vazão com sensor linear, nível e pressão de gás, com variação de queda de pressão através da válvula maior que 2:1 e menor que 5:1. 5. Igual percentagem, para controle de pressão de líquido, com qualquer variação da queda de pressão através da válvula. Como há diferenças grandes entre as características inerente e instalada das válvulas e por causa da imprevisibilidade da característica instalada, deve-se preferir 1. válvula cuja construção tenha uma propriedade intrínseca, como a borboleta e a de disco com abertura rápida, 2. válvula que seja caracterizada pelo projeto, como as com plugs linear e de igual percentagem, 3. válvula digital, que possa ser caracterizada por software, 4. característica que seja obtida através de equipamento auxiliar, como gerador de função, posicionador caracterizado, cam de formato especial. Estes instrumentos são principalmente úteis para a alteração da característica instalada errada. Em resumo, a característica da válvula de controle deve casar com a característica do processo. Este casamento significa que os ganhos do processo e da válvula combinados resultem em um ganho total linear. 9. Operação da Válvula 9.1. Aplicação da Válvula Antes de especificar e dimensionar uma válvula de controle, deve-se avaliar se a válvula é realmente necessária ou se existe um meio mais simples e mais econômico de executar o que se deseja. Por exemplo, pode-se usar uma válvula autocontrolada em vez da válvula de controle, quando se aceita um controle menos rigoroso, se quer um sistema econômico ou não se tem energia de alimentação disponível. Em outra aplicação, é possível e conveniente substituir toda a malha de controle de vazão por uma bomba de medição a deslocamento positivo ou por uma bomba centrífuga com velocidade variável. O custo benefício destas alternativas é usualmente obtido pelo custo muito menor do bombeamento, pois não se irá produzir energia para ser queimada na queda de pressão através da válvula de controle. Quando se decide usar a válvula de controle, deve-se selecionar o tipo correto 162 Válvula de Controle e dimensiona-se adequadamente. Para a seleção da válvula certa deve-se entender completamente o processo que a válvula controla. Conhecer completamente significa conhecer as condições normais de operação e as exigências que a válvula deve satisfazer durante as condições de partida, desligamento do processo e emergência. Todas os dados do processo devem ser conhecidos antecipadamente, como os valores da vazões (mínima, normal e máxima), pressão estática do processo, pressão de vapor do líquido, densidade, temperatura, viscosidade. É desejável identificar as fontes e natureza dos distúrbios potenciais e variações de carga do processo. Deve-se determinar ou conhecer as exigências de qualidade do processo, de modo a identificar as tolerâncias e erros aceitáveis no controle. Os dados do processo devem também estabelecer se a válvula necessita fornecer vedação total, quando fechada, qual deve ser o nível aceitável de ruído, se há possibilidade de martelo d'água, se a vazão é pulsante. rangeabilidade da válvula de controle é a relação matemática entre a máxima vazão sobre a mínima vazão controláveis com a mesma eficiência. É desejável se ter alta rangeabilidade, de modo que a válvula possa controlar vazões muito pequenas e muito grandes, com o mesmo desempenho. Na prática, é difícil definir com exatidão o que seja "controlável com mesma eficiência" e por isso os números especificados variam de 10 a 1.000%. O mais importante é ter bom senso e tratar o conceito de rangeabilidade sob um ponto de vista qualitativo. A rangeabilidade é importante porque 1. diz o ponto em que se espera que a válvula atue em liga-desliga ou perca completamente o controle, devido a vazamentos, 2. estabelece o ponto em que a característica começa a se desviar do esperado. 9.2. Desempenho O bom desempenho da válvula de controle significa que a válvula 1. é estável em toda a faixa de operação do processo, 2. não opera próxima de seu fechamento ou de sua abertura total, 3. é suficientemente rápida para corrigir os distúrbios e as variações de carga do processo, 4. não requer a modificação da sintonia do controlador depois de cada variação de carga do processo. Para se conseguir este bom desempenho da válvula, deve-se considerar os fatores que afetam seu desempenho, tais como característica, rangeabilidade inerente e instalada, ganho, queda de pressão provocada, vazamento quando fechada, características do fluido e resposta do atuador. Fig. 8. 12. Característica e rangeabilidade A rangeabilidade da válvula está associada diretamente à característica da válvula. A válvula com característica inerente de abertura rápida está praticamente aberta a 40%, pois ela só fornece controle estável entre 10 e 40% e sua rangeabilidade é de 4:1. A válvula de abertura rápida tem uma ganho variável, muito grande em vazão pequena e praticamente zero em vazão alta. Ela é instável em vazão baixa e inoperante em alta vazão. 9.3. Rangeabilidade Um fator de mérito muito importante no estudo da válvula de controle é a sua rangeabilidade. Por definição, a 163 Válvula de Controle A rangeabilidade da válvula com característica inerente linear é de 10:1 pois ela fornece controle entre 10 e 100%. A válvula linear possui ganho (sensibilidade) uniforme em toda a faixa de abertura da válvula, ou seja, a mesma dificuldade e precisão que se tem para medir e controlar 100% da vazão, tem se em 10%. A válvula com característica inerente de igual percentagem tem rangeabilidade de aproximadamente 401, pois ela controla desde 2,5 a 100%. A válvula com igual percentagem possui ganho variável, pequeno em vazão baixa e elevado em vazão alta. Ela possui um desempenho excelente em baixas vazões e é instável para vazões muito elevadas. Na consideração da rangeabilidade da válvula, é importante se considerar que a rangeabilidade da válvula instalada é diferente da rangeabilidade teórica, fora do processo. A rangeabilidade instalada é sempre menor que a teórica. Isso ocorre porque o Cv instalado é geralmente maior que o Cv teórico. Por exemplo, se o Cv real é cerca de 1,2 do Cv teórico, a máxima vazão controlada pela válvula é cerca de 80% da abertura da válvula. Se a válvula é de igual percentagem, 80% da abertura corresponde a cerca de 50% da vazão. Deste modo, a rangeabilidade é cerca de 50:1, em vez de 100:1. Lipták define "rangeabilidade intrínseca" como a relação do Cvmax para o Cvmin, entre os quais o ganho da válvula não varie mais que 50% do valor teórico. Por esta definição, a rangeabilidade da válvula linear é maior do que a da válvula de igual percentagem. Tab. 1. Classificação das Estanqueidades Classe I Classe II Classe III Classe IV Classe V Classe VI Não testadas nem garantidas para vazamentos. Especificadas para vazamento menor que 0.5% da vazão máxima. Especificadas para vazamento menor que 0.1% da vazão máxima, Especificadas para vazamento menor que 0.01% da vazão máxima. Especificadas para vazamento menor que 5 x 10-4 ml/min de vazão d'água por polegada do diâmetro da sede. Especificadas para válvulas com sede macia e o vazamento e expresso como vazão volumétrica de ar, com pressão diferencial nominal de até 345 kPa. Não se deve usar uma única válvula para fornecer simultaneamente as funções de controle e de vedação completa (tight shutoff). As melhores válvulas para bloqueio não são necessariamente as melhores escolhas para o controle. De acordo com a norma (ANSI B 16.104), as válvulas são categorizadas em seis classes, de acordo com seu vazamento permissível. Estes limites de estanqueidade são aplicáveis apenas à válvula nova, sem uso. 10.2. Fatores do Vazamento Alguns fabricantes listam em seus catálogos os coeficientes de vazão, Cv, aplicáveis para as válvulas totalmente abertas e os valores dos vazamentos, quando totalmente fechadas. Estes valores só valem para a válvula nova, limpa, operando nas condições ambientes. Após alguns anos de serviço, o vazamento da válvula varia drasticamente, em função da instalação, temperatura, pressão e características do fluido. A estanqueidade depende da viscosidade dos fluidos; fluidos com viscosidade muito baixa são muito difíceis de serem contidos; por exemplo, dowtherm®, freon®, hidrogênio. A temperatura afeta o vazamento, principalmente quando o corpo da válvula está a uma temperatura diferente da 10. Vedação e Estanqueidade 10.1. Classificação Qualquer vazão através da válvula totalmente fechada, quando exposta à pressão diferencial e à temperatura de operação é chamada de vazamento (leakage). O vazamento é expresso como uma quantidade acumulada durante um período de tempo específico, para aplicações de fechamento com vedação completa ou como percentagem da capacidade total, para as válvulas de controle convencionais. 164 Válvula de Controle temperatura do plug ou quando o coeficiente de dilatação termal do material do corpo é diferente do coeficiente do material do plug. Em algumas válvulas, por exemplo, nas borboletas, é prática usual deixar espaçamentos entre o disco e a sede, para acomodar a expansão do disco, quando se tem grandes variações de temperatura do processo. O vazamento será maior quando se estiver operando em temperaturas abaixo da temperatura de projeto da válvula. Tensões mecânicas na tubulação onde está instalada a válvula podem também provocar vazamentos na válvula. Por isso deve se tomar cuidados em sua instalação e principalmente no aperto dos parafusos. Deve-se isolar a válvula das forças externas da tubulação, através de suportes. Cv é bem aceito e foi introduzido pela Masoneilan, em 1944. Uma vez calculado o Cv da válvula e conhecido o tipo de válvula usada, o projetista pode obter o tamanho da válvula do catálogo do fabricante. O coeficiente Cv é definido como o número de galões por minuto (gpm) de água que flui através da válvula totalmente aberta, quando há uma queda de pressão de 1 psi através da válvula, a 60 oF. Desse modo, quando se diz que a válvula tem o Cv igual a 10, significa que, quando a válvula está totalmente aberta e com a pressão da entrada maior que a da saída em 1 psi e a temperatura ambiente é de 15,6 oC, sua abertura deixa passar uma vazão de 10 gpm. O Cv é basicamente um índice de capacidade, através do qual o engenheiro é capaz de estimar, de modo rápido e preciso, o tamanho de uma restrição necessária, em qualquer sistema de fluido. Mesmo que o método de Cv seja usado por todos os fabricantes, as equações para calcular o Cv difere um pouco de fabricante para fabricante. A melhor política é usar a recomendação do fabricante da válvula escolhida. O dimensionamento correto da válvula é feito através de formulas teóricas, baseadas na equação de Bernouille e nos dados de vazão, ou através de ábacos, curvas, réguas de cálculo específicas. Atualmente, a prática mais usada é o dimensionamento de válvula através de programas de computador pessoal. O dimensionamento correto da válvula, determinado por formulas, régua de cálculo ou programa de computador pessoal, sempre se baseia no conhecimento completo das condições reais da vazão. Freqüentemente, uma ou várias destas condições são assumidas arbitrárias; é a avaliação destes dados arbitrários que realmente determinam o tamanho final da válvula. Nenhuma formula - somente o bom senso combinado com a experiência pode resolver este problema. Nada substitui um bom julgamento de engenharia. A maioria dos erros no dimensionamento é devida a hipóteses incorretas relativas às condições reais da vazão. Na prática e por motivos psicológicos, a tendência é super dimensionar a válvula, 10.3. Válvulas de Bloqueio Quanto maior a força de assentamento na válvula, menor é a probabilidade de ocorrer vazamentos. Somente as válvulas pequenas podem suportar grandes forças em suas sedes. Por isso, os materiais da sede devem ser duros, para suportar estas grandes forças de fechamento. Os materiais mais apropriados para aplicações com fluidos não lubrificantes, abrasivos, com alta temperatura são aço Stellite® ou inoxidável endurecido Por outro lado, os materiais da sede devem ser macios (resilientes) para prover a vedação completa, durante longos períodos. Os materiais padrão são o Teflon e Buna-N®. O Teflon é superior na resistência à corrosão e na compatibilidade à alta temperatura (até 250 oC); o Buna-N é mais macio, mas é limitado a temperaturas menores que 100 oC. Estes materiais devem operar em pressões menores que 3,5 Mpa (500 psig) e com fluidos não abrasivos. 11. Dimensionamento 11.1. Filosofia O dimensionamento da válvula de controle é o procedimento de calcular o coeficiente de vazão ou o fator de capacidade da válvula, Cv. Este método do 165 Válvula de Controle ou seja, estar do lado mais "seguro". Uma combinação destes vários "fatores de segurança" pode resultar em uma válvula super dimensionada e incapaz de executar o controle desejado. Aqui serão apresentadas as equações de cálculo da Masoneilan e da Fisher Controls para mostrar as diferenças em suas equações e seus métodos. A maior diferença ocorre nas equações de dimensionamento de fluidos compressíveis (gás, vapor ou vapor d'água) vena contracta. Assim que o gás atinge a velocidade do som, na vazão crítica, a variação na pressão à jusante não afeta a vazão, somente variação na pressão a montante afeta a vazão. 11.4. Queda de Pressão na Válvula Deve-se entender que a válvula de controle manipula a vazão absorvendo uma queda de pressão do sistema. Esta queda de pressão é uma perda econômica para a operação do processo, desde que a pressão é fornecida por uma bomba ou compressor. Assim, a economia deve ditar o dimensionamento da válvula, com pequena perda de pressão. A queda de pressão projetada afeta o desempenho da válvula. Em um sistema de redução de pressão, é fácil conhecer precisamente a queda de pressão através da válvula. Isto também ocorre em um sistema de nível de um líquido, onde o líquido passando de um vaso para outro, em uma pressão constante e baixa. Porém, na maioria das aplicações de controle, a queda de pressão através da válvula deve ser escolhida arbitrariamente. O dimensionamento da válvula de controle é difícil, porque as recomendações publicadas são ambíguas, conflitantes ou não satisfazem os objetivos do sistema. Não há regra numérica específica para determinar a queda de pressão através da válvula de controle. Luyben recomenda que a válvula esteja a 50% de abertura, nas condições normais de operação; Moore recomenda que o Cv necessário não exceda 90% do Cv instalado e que a válvula provoque 33% da queda de pressão total, na condição nominal de operação. Outros autores sugerem 5 a 10%. Quanto menor a percentagem, maior é a válvula. Quanto maior a válvula, maior é o custo inicial da instalação mas menor é o custo do bombeamento. Uma boa regra de trabalho considera um terço da queda de pressão do sistema total (filtros, trocadores de calor, bocais, medidores de vazão, restrições de orifício, conexões e a tubulação com atrito) é absorvido pela válvula de controle. 11.2. Válvulas para Líquidos A equação básica para dimensionar uma válvula de controle para serviço em líquido é a mesma para todos os fabricantes. Q = C v f ( x) ∆P ρ onde Q = vazão volumétrica ∆P = queda de pressão através da válvula ou ∆P = P1 - P2 P1 = pressão a montante (antes da válvula) P2 = pressão a jusante (depois da válvula) ρ = densidade relativa do líquido Há outras considerações e correções devidas à viscosidade, flacheamento e cavitação, na escolha da válvula para serviço em líquido. 11.3. Válvulas para Gases O gás é mais difícil de ser manipulado que o líquido, por ser compressível. As diferenças entre os fabricantes são encontradas nas equações de dimensionamento para fluidos compressíveis. Estas diferenças são devidas ao modo que se expressa ou se considera o fenômeno da vazão crítica. A vazão crítica é a condição que existe quando a vazão não é mais função da raiz quadrada da diferença de pressão através da válvula, mas apenas função da pressão à montante. Este fenômeno ocorre quando o fluido atinge a velocidade do som na 166 Válvula de Controle A pressão diferencial absorvida pela válvula de controle, em operação real, é a diferença entre a coluna total disponível e a necessária para manter a vazão desejada através da válvula. Esta pressão diferencial é determinada pelas características do processo e não pelas hipóteses teóricas do projetista. Por causa da economia, a queda de pressão através da válvula deve ser a menor possível. Por causa do controle, a queda de pressão através da válvula deve ser a maior possível. Para poder fazer o controle correto, a válvula deve absorver do sistema e devolver para o sistema a queda de pressão. Quando a proporção da queda de pressão através da válvula é diminuída, a válvula de controle perde a habilidade de aumentar rapidamente a vazão. Também, a pequena perda de carga resulta em grande tamanho da válvula e, como conseqüência, maior custo inicial da válvula e uma diminuição da faixa de controle, pois a válvula está super dimensionada. A quantidade de vazão máxima da válvula deve ser de 15 a 50% acima da máxima vazão requerida pelo processo. As vazões normal e máxima usadas no dimensionamento devem ser baseadas nas condições reais de operação, sem aplicação de qualquer fator de segurança. 12. Instalação 12.1. Introdução A decisão mais importante na aplicação de uma válvula é a sua colocação certa para fazer o trabalho certo. Depois, mas de igual importância, é a sua localização e finalmente, a sua instalação. Todas as três etapas são igualmente importantes para se obter um serviço satisfatório e uma longa vida da válvula. 12.2. Localização da Válvula As válvulas devem ser localizadas em uma tubulação, de modo que elas sejam operadas com facilidade e segurança. Se não há operação remota, nem manual nem automática, as válvulas devem ser localizadas de modo que o operador possa ter acesso a elas. Quando a válvula é instalada muito alta, além do alcance do braço levantado do operador, ele terá dificuldade de alcança-la e não poderá fecha-la totalmente e eventualmente haverá vazamento, que poderá causar desgaste anormal nos seus internos. 12.3. Cuidados Antes da Instalação As válvulas são geralmente embrulhadas e protegidas de danos durante seu transporte, pelo fabricante. Esta embalagem deve ser deixada no lugar até que a válvula seja instalada. Se a válvula é deixada exposta, poeira, areia e outros materiais ásperos podem penetrar nas suas partes funcionais. Se estas sujeiras não forem eliminadas, certamente haverá problemas quando a válvula for instalada para operar. As válvulas devem ser armazenadas onde sejam protegidas de atmosferas corrosivas e de modo que elas não caiam ou onde outros materiais pesados não possam cair sobre elas. Antes da instalação, é conveniente ter todas as válvulas limpas, normalmente com ar comprimido limpo ou jatos d'água. A tubulação também deve ser limpa, com a remoção de todas as sujeiras e rebarbas metálicas deixadas durante a montagem. Fig. 8. 13. Quedas de pressão ao longo do sistema e na válvula de controle 167 Válvula de Controle 12.4. Tensões da Tabulação A tubulação que transporta fluidos em alta temperatura fica sujeita a tensões termais devidas a expansão térmica do sistema da tubulação. Por isso, deve se prover expansão para o comprimento de tubulação envolvido, para que estas tensões não sejam transmitidas às válvulas e às conexões. A expansão da tubulação pode ser acomodada pela instalação de uma curva em "U" ou de uma junta de expansão entre todos os pontos de apoio, sempre garantindo que há movimento suficiente para acomodar a expansão do comprimento de tubulação envolvido. Note que a mesma condição existe, mas em direção contraria, quando se tem temperaturas criogênicas (muito baixas). Neste caso, também de se deve prover compensação para a contração da linha. de vazão crítica corrigido, que relaciona o Cv da válvula, o Cf da válvula sem os redutores e os diâmetros da válvula e da tubulação. 12.6. Instalação da Válvula Há cuidados e procedimentos que se aplicam para todos os tipos de válvulas e há especificações especiais para determinados tipos de válvulas. Quando instalar a válvula, garantir que todas as tensões da tubulação não sejam transmitidas à válvula. A válvula não deve suportar o peso da linha. A distorção por esta causa resulta em operação ineficiente, obstrução e a necessidade de manutenção freqüente. Se a válvula possuir flanges, será difícil apertar os parafusos corretamente. A tubulação deve ser suportada próxima da válvula; válvula muito pesada deve ter suporte independente do suportes da tubulação, de modo a não induzir tensão no sistema da tubulação. Quando instalar válvula com haste móvel, garantir que há espaço suficiente para a operação da válvula e para a remoção da haste e do castelo, em caso de necessidade de manutenção local. É conveniente instalar a válvula com a haste na posição vertical e com movimento para cima; porém, muitas válvulas podem ser instaladas com a haste em qualquer ângulo. Quando instalar a válvula com a haste se movimentando para baixo, o castelo fica abaixo da linha de vazão, formando uma câmara para pegar e manter substancias estranhas. Estas sujeiras, se presas, podem eventualmente arruinar a haste interna ou os filetes de rosca. Fig. 8. 14. Instalação da válvula em local acessível 12.5. Redutores Por questão econômica e para facilitar a sua operação, é comum se ter o diâmetro da válvula menor do que o da tubulação. Para acomodar esta diferença de diâmetros, usa-se o redutor entre a tubulação e a válvula. O redutor aumenta as perdas e varia o Cv da válvula. O comum é usar um fator de correção, que é a relação dos Cv's, sem e com os redutores. Estes fatores de correção podem ser obtidos dos fabricantes ou levantados experimentalmente. O efeito dos redutores na vazão crítica é também sentido e deve-se usar o fator 168 Válvula de Controle 13. Parâmetros de Seleção Tão importante quanto a escolha do elemento sensor e do controlador do processo, é a seleção da válvula de controle. Os fatores que orientem e determinam a escolha da melhor válvula se referem principalmente à aplicação e à construção. Os parâmetros ligados à aplicação são fluido do processo, função da válvula, condições do processo, vedação da vazão, queda de pressão. Os fatores relacionados com a construção incluem o atuador, elemento de controle, conexões, materiais, engaxetamento, sede, internos . O primeiro passo na seleção da válvula é o de determinar exatamente o que é esperado da válvula, ou seja, qual a função a ser desempenhada pela válvula depois dela ter sido instalada. Esta avaliação correta da função estreita os tipos de válvulas convenientes para a aplicação. Em muitas aplicações, há vários tipos de válvulas que funcionarão igualmente bem e a escolha pode ser baseada somente em fatores como custo e disponibilidade. Para outras aplicações, pode ser que a melhor escolhe é uma válvula não disponível industrialmente; a solução é mandar construir uma válvula especial ou usar a disponível que apresente mais vantagens, embora não seja a ideal. Para a resposta rápida para a abertura para sobrepressão e grande vazão para a exaustão, deve-se usar as válvulas de alívio e de segurança. A válvula padrão é a poppet, acionada por mola. 13.2. Fluido do Processo O fluido do processo passa dentro do corpo da válvula. As propriedades do fluido manipulado devem ser conhecidas. Estas propriedades incluem densidade, viscosidade, corrosividade e abrasividade. Fluido é um termo genérico que pode significar gás, vapor, líquido puro ou líquido com sujeira (slurry). É importante analisar o sistema para ver se mais de um fluido passa através da válvula. Quando se manipulam fluidos que podem causar deposição de contaminantes, deve-se usar válvula com o mínimo de obstrução à vazão, como esfera, gaveta, globo ou diafragma. As válvulas esfera e globo são as recomendadas para a manipulação de vapor a alta pressão. 13.3. Perdas de Atrito do Fluido Os vários tipos de válvulas exibem quedas de pressão diferentes, quando totalmente abertas e por isso este fator deve ser considerado na seleção. Um sistema típico que requer uma perda de pressão limitada é a tubulação de sucção de uma bomba. No projeto de tal sistema, deve se considerar a altura total da sucção, que deve incluir perdas internas da bomba, lift estático de sucção, perdas de atrito, pressão de vapor e condições atmosféricas. É necessário diferenciar entre a altura necessária e a disponível. A altura necessária se refere as perdas internas da bomba e é determinada por teste de laboratório. A altura disponível é uma característica do sistema de sucção e pode ser calculada. A altura disponível sempre deve exceder a altura requerida pela bomba. 13.1. Função da Válvula Para o controle proporcional e contínuo do processo, variando o valor da abertura, a válvula mais padrão é a globo, que é a mais estável e previsível das válvulas. Para o controle liga-desliga, as melhoras escolhas são as válvulas globo, esfera, gaveta e com plug. As válvulas esfera e de plug normalmente executam abertura mais rápida que as válvulas gaveta e globo. Para o controle da direção da vazão do fluido, usa-se a válvula de retenção, que bloqueia a vazão em uma direção e permite a passagem normalmente na outra direção ou a válvula de restrição que permite a passagem de uma determinada vazão, em uma ou mais direções especificadas. As válvulas com portinhola (swing) são as preferidas. 13.4. Condições de Operação As pressões e temperaturas máximas e mínimas devem ser conhecidas. A resistência à corrosão do material de construção da válvula pode ser 169 Válvula de Controle influenciada por estes fatores, principalmente quando se tem corpos e revestimentos de plástico. O controle de vazão em alta pressão geralmente requer o uso de válvula esfera ou globo, eventualmente válvula gaveta. Em aplicações de alta temperatura, deve-se cuidar para que a expansão termal não cause deformação nas partes molhadas da válvula. Para serviço em alta pressão e/ou alta temperatura, deve-se considerar os vários tipos de aços, ligas de níquel, ligas de titânio e outros materiais de alta resistência. Para serviço em vapor d'água, considerar o aço carbono, bronze e metais similares. Em todos os casos de condições severas de uso, deve-se consultar a literatura dos fabricantes para determinar a conveniência de uma determinada válvula. 13.5. Vedação Quase todas as válvulas podem prover vedação total, quando totalmente fechadas, porém, muitas vezes, com alto custo e complexidade de construção. Assim, existem alguns tipos que fornecem vedação de modo natural e mais simples, como as válvulas esfera, gaveta, globo e de plug. A pior válvula para vedação é a borboleta. Geralmente a válvula de controle não é aplicada para prover vedação completa, mas para trabalhar com aberturas típicas e variáveis entre 25 e 85%, dependendo de sua característica de vazão. Quando se quer vedação total, quando não há controle, é boa prática usar uma válvula de bloqueio (stop) em série com a válvula de controle. 13.7. Elemento de Controle O tipo do elemento de controle ou de fechamento determina o tipo da válvula a ser usado. Inversamente, a escolha do tipo da válvula determina o tipo do elemento de fechamento. Os elementos mais comuns são a esfera, disco, cunha, plug e agulha. As peças da válvula que ficam em contato direto com o fluido do processo são chamadas de partes molhadas. Os formatos e variedades destas partes dependem do tipo da válvula; os mais comuns são a haste, plug, gaiola, sede ou assento . Em muitas válvulas, usa-se selos em torno da haste, para prover vedação para o exterior da válvula. Estes selos estão sujeitos a desgaste e por isso devem ser substituídos periodicamente. Há muitos estilos de sedes de válvula, com diferenças de geometria, material e rigidez . Os formatos determinam a característica da válvula (vazão x abertura da válvula) e sua capacidade de vedação, quando totalmente fechada. Efetivamente, há apenas quatro métodos básicos de controlar a vazão em uma tubulação, através de uma válvula 1. mover um disco ou um obturador (plug) em ou contra um orifício, como feito na válvula globo, ângulo, Y e agulha. 2. deslizar uma superfície plana, cilíndrica ou esférica através de um orifício, como feito na válvula gate, plug, esfera e de pistão. 3. rodar um disco ou elipse em torno de um eixo, através do diâmetro de uma caixa circular, como feito na válvula borboleta e no damper. 4. mover um material flexível na passagem da vazão, como feito na válvula diafragma e pinch. 13.6. Materiais de Construção O material de construção da válvula está relacionado diretamente com as propriedades de corrosividade e abrasividade do fluido que irá passar pela válvula. A escolha da válvula pode ficar limitada pela disponibilidade das válvulas em materiais específicos. Às vezes, por questão econômica, deve se considerar separadamente o material do corpo e dos internos (plug, haste, anel, disco .) da válvula. Para certos tipos de válvulas revestidas, como a diafragma, Saunders, o material do revestimento normalmente é diferente do diafragma elástico. A combinação da pressão, da temperatura de operação e das características do fluido determinam os materiais de construção permissíveis. Os líquidos e gases corrosivos normalmente requerem aços inoxidáveis, ligas de níquel, materiais cerâmicos e plásticos especiais. 170 Válvula de Controle Todas as válvulas atualmente disponíveis controlam a vazão por um ou mais de um dos métodos acima. Muitos refinamentos foram feitos e melhorias incorporadas nos projetos com as novas tecnologias e novos materiais. Cada tipo de válvula tem sua aplicação ótima. Cada tipo de válvula foi projetado para uma função específica e quando usada para desempenhar esta função, a válvula opera corretamente e tem longa vida. O movimento do elemento de controle da vazão é conseguido por meio de uma haste que é fixada ao elemento de controle e gira, move ou combina estes dois movimentos, de modo a estabelecer a sua posição. As exceções são as válvulas de retenção (check) e algumas válvulas de segurança e auto-reguladas, que são operadas pelas forças do fluido dentro da zona de pressão. uma variedade de modos manual, pneumático, elétrico . Elas podem responder de um modo previsível a sinais provenientes de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis do processo ou podem simplesmente abrir e fechar independentemente da potência do sinal de atuação. Aproximadamente todas as válvulas em uso hoje podem ser consideradas como modificações de alguns poucos tipos básicos. As válvulas podem ser classificadas de diferentes modos, tais como tamanho, função, material, tipo do fluido manipulado, classe de pressão, modo de atuação . Há válvulas com princípios de funcionamento já do domínio público, outras que ainda estão patenteadas e são propriedades e fabricadas por uma única firma. Um modo conveniente de classificar as válvulas é de acordo com a natureza do meio de operação empregado. Este modo é esquemático e simples, pois todas as válvulas caem em uma das oito categorias gaveta, globo, esfera, borboleta, plug, pinch, poppet, swing. Por exemplo, numa indústria petroquímica, 90% de todas as válvulas usadas são dos tipos gaveta, globo, retenção, esfera, borboleta e plug. A seguir serão vistos a descrição, uso, vantagens e desvantagens de cada um dos tipos acima. 14. Tipos de Válvulas Há muitos tipos de válvulas de controle no mercado. Quase todo mês aparece um válvula de controle "nova e melhorada", tornando difícil a sua classificação. O número de válvulas usadas para o controle de fluidos é elevado, com válvulas variando de simples dispositivos de ligadesliga até sistemas de servomecanismo complexos. Seus tamanhos variam de pequeníssimas válvulas medidoras usadas em aplicações aeroespaciais até válvulas industriais com diâmetros de vários metros e pesando centenas de quilos. As válvulas controlam a vazão de todos tipos de fluidos, variando de ar e água até produtos químicos corrosivos, sujos, metais líquidos e materiais radioativos. Elas podem operar em pressões na região do vácuo até pressões de 100 000 psig e temperaturas variando da faixa criogênica até as faixas de metais derretidos. Eles podem ter tempo de vida variando de apenas um ciclo até milhares de ciclos, sem a necessidade de reparo ou substituição. As válvulas podem ter exigência de vedação total, onde pequenos vazamentos podem ser catastróficos ou elas podem ser complacentes, permitindo a passagem de quantidades razoáveis de fluido quando totalmente fechadas, sem que isso seja grave. As válvulas podem ser operadas por 171 Válvula de Controle 14.1. Válvula Gaveta Descrição A válvula gaveta é caracterizada por um disco ou porta deslizante que é movida pelo atuador na direção perpendicular à vazão do fluido. Há muitas variações na sede, haste e castelo das válvulas gaveta. Elas são disponíveis em vários tamanhos e pesos. A norma API 600-1973 define e descreve as duas principais classificações para a válvula gaveta cunha (wedge) e com disco duplo; a mais popular na indústria petroquímica é tipo cunha. A válvula gaveta tipo cunha é disponível em três configurações diferentes cunha sólida plana, cunha sólida flexível e cunha partida. 2. 3. 4. 5. queda de pressão e pouca turbulência. Na posição totalmente fechada ela fornece uma excelente vedação. Sua geometria fica relativamente livre de acumulo de contaminantes. Sua construção possui a maior faixa de aceitação para a temperatura e pressão do fluido. Quase todo tipo de metal pode ser usado e trabalhado para seus componentes. Fig. 8. 16. Válvulas gaveta Desvantagens As numerosas vantagens da válvula gaveta não a tornam a válvula universal. Ela possui as seguintes limitações e inconvenientes 1. A abertura entre a gaveta e o corpo da válvula, durante a subida ou descida, provoca distúrbios na vazão do fluido, resultando em vibração indesejável e causando desgaste ou erosão da gaveta. 2. A turbulência do fluido pode também ser causada pelo movimento de subida ou descida da gaveta. A válvula gaveta é vulnerável à vibração, quando praticamente aberta e é sujeita ao desgaste da sede e do disco. 3. O ganho da válvula é muito grande, quando ela está próxima de sua abertura total. Isto significa que a operação da válvula é instável na operação próxima de sua abertura total. Fig. 8. 15. Válvula gaveta em angulo A válvula gaveta cunha sólida flexível se tornou mais popular que a sólida plana, dominando o mercado. Ela possui melhor desempenho de selagem, requer menor torque operacional e apresentar menor desgaste no material da sede. O único fator negativo é sua construção mecânica que não fornece alívio de pressão para o corpo da válvula. Recomenda-se especificar um furo de vent no lado a montante da cunha, para evitar pressão elevada na cavidade do corpo. Vantagens 1. Na posição totalmente aberta, a gaveta ou o disco fica fora da área de vazão do fluido, provocando pequena 172 Válvula de Controle 4. A lâmina percorre uma grande distancia entre as posições totalmente aberta e fechada; como conseqüência, válvula gaveta possui resposta lenta e requer grandes forças de atuação. Aplicações e Restrições A válvula gaveta é o tipo mais freqüentemente especificado e corresponde a cerca de 70 a 80% do total de válvulas da indústria petroquímica. A principal razão de sua popularidade é que a planta petroquímica necessita de válvulas de bloqueio e de válvulas ligadesliga. A válvula gaveta é ideal para aplicações de bloqueio (totalmente fechada) e de controle liga-desliga, onde ela opera ou totalmente aberta ou totalmente fechada e não necessitam ser operadas com grande freqüência. Ela é conveniente para aplicações com alta pressão e alta temperatura e para uma grande variedade de fluidos. Os fatores limitantes tornam a válvula gaveta inadequada para controle contínuo, para manipular fluidos em velocidades muito elevadas ou para serviço requerendo operação rápida e freqüente da válvula. Não se recomenda usar a válvula gaveta em serviço de vapor d'água. A válvula gaveta com disco duplo é projetada de modo que o ângulo da cunha siga flexivelmente os vários ângulos da sede da válvula. Esta construção única mantém um alto desempenho de selagem, mesmo que o corpo da válvula seja deformado. A válvula gaveta com disco duplo é usada em serviço criogênico ou em altíssima temperatura, onde o corpo da válvula pode se deformar com a variação da temperatura do processo. A válvula gaveta resistente a corrosão Classe 150 é descrita na norma API 6031977. O corpo da válvula é feito de aço inox tipo 304, 316 ou 347 ou Alloy 20, que apresenta resistência à corrosão da maioria dos produtos petroquímicos. A válvula gaveta de aço carbono compacta, descrita na norma API 6021974, é largamente usada em linhas de dreno, linhas de bypass ou com instrumentos na tubulação de processo. A válvula compacta pode ser disponível também na versão resistente à corrosão. A válvula gaveta de ferro fundido, descrita na norma API 593-1973, é usada em aplicações com água de utilidade, água do ar e vapor d'água à baixa pressão. 14.2. Válvula Esfera Descrição A válvula tipo esfera possui um obturador esférico, que se posiciona dentro de uma gaiola. Outro tipo de válvula esfera consiste em um obturador esférico, com uma abertura. Quando o eixo de abertura coincide com o eixo da vazão, tem-se a máxima vazão. Quando o eixo da abertura é perpendicular à tubulação, a válvula está fechada. A válvula esfera é basicamente uma esfera alojada em um invólucro. A rotação da esfera de 90o muda a posição de totalmente aberta para totalmente fechada. A esfera pode ser fixa ou flutuante, com porte reduzido ou total. As válvulas esfera são disponíveis em uma variedade de tamanhos e com vários mecanismos de atuação. A válvula esfera pode ser considerada um tipo modificado da válvula plug; em vez do plug tem-se a esfera polida com um furo que gira, para dar passagem ou bloquear a vazão. A válvula do tipo esfera flutuante suporta a esfera com dois assentos esféricos colocados no corpo da válvula, um no lado da entrada e outro no lado da saída. Ela construção mecânica simples torna esta válvula mais popular que as outras do tipo esfera. A pressão a montante empurra a esfera e a esfera comprime a sede da bola do lado a jusante, para bloquear a vazão do fluido. 173 Válvula de Controle Fig. 8.17. Esquema de válvula esfera Vantagens As características da válvula esfera são 1. mudança pequena na direção da vazão dentro do corpo da válvula, resultando em pequena queda de pressão. A resistência à vazão é semelhante à da válvula gaveta. 2. a rotação da esfera de 90 graus fornece uma operação completa da válvula. Diferente das válvulas globo e gaveta, que requerem espaço vertical para o deslocamento da haste, a operação é fácil e o tamanho da válvula pode ser muito pequeno. 3. A abertura da válvula e a quantidade da vazão podem ser determinadas muito precisamente, tornando-a adequada para controle proporcional, embora sua aplicação principal seja em operação de liga-desliga. 4. Ela prove boa vedação, quando totalmente fechada. 5. Elas são de operação rápida e relativamente insensíveis à contaminação. Aplicações e restrições A válvula esfera é usada em controle contínuo, quando de pequeno tamanho. Ela é mais adequada para serviço de desligamento (shutoff). Ela podem manipular fluidos corrosivos, líquidos criogênicos, fluidos muito viscosos e sujos. Elas podem ser usadas em alta pressões e medias temperaturas. Há limitação desfavorável da temperatura por causa do uso de elastômeros na sede da válvula. A válvula esfera não é recomendada para controle contínuo, pois quando ela estiver parcialmente aberta, o aumento da velocidade do fluido pode danificar os assentos da esfera expostos ao fluido. 14.3. Válvula Borboleta Descrição A válvula borboleta possui este nome por causa do formato da combinação disco-haste. É uma válvula totalmente diferente da convencional com sedeobturador-haste. A válvula borboleta consiste de um disco, com aproximadamente o mesmo diâmetro externo que o diâmetro interno do corpo da válvula, que gira em torno de um eixo horizontal ou vertical, perpendicular à direção da vazão. O disco atua como basculante na posição completamente paralela à direção da vazão, válvula está aberta; na posição perpendicular à direção da vazão, a válvula está fechada. Como ela não veda perfeitamente, pode haver pequeno vazamento. Fig. 8. 18. Válvula esfera flutuante Desvantagens As principais limitações da válvula são 1. A sede da válvula esfera pode ser sujeitas à distorção, sob a pressão de um selo, nos espaçamentos entre metais, quando a válvula é usada para controle. 2. O fluido entranhado na esfera na posição fechada pode causar problemas. 3. Por causa de sua abertura rápida, a válvula esfera pode causar os indesejáveis golpe de aríete ou pico de pressão no sistema. Fig. 8. 19. Válvula borboleta tipo flauta A válvula borboleta típica consiste de um disco que pode girar em torno de um eixo, em um corpo fechado. O disco fecha contra um anel selante, para fechar a vazão. Vários mecanismos de atuação, 174 Válvula de Controle como alavanca e cam podem ser usados para operar a válvula. A norma API 609-1973 Butterfly valves descreve e define os principais tipos de válvulas borboleta, embora não especifique a sua construção mecânica. limitadas a sistemas de baixa pressão. 3. Quando usam materiais elastômeros na sede, há limitação de temperatura (90 oC). aberta controlando fechada Fig. 8.22. Posições da válvula borboleta Fig. 8. 20. Elemento de controle da válvula borboleta Vantagens As vantagens da válvula borboleta são 1. Produzir uma queda de pressão muito pequena, quando totalmente aberta. 2. Ser barata, leve, de comprimento pequeno (raramente flangeada). O diâmetro da válvula pode ser do mesma dimensão que a tubulação. 3. Possuir construção e operação extremamente simples. 4. Fornecer controle liga-desliga e contínuo. 5. Manipular grandes vazões de água, líquidos contendo sólidos e gases sujos. Aplicações As válvulas borboleta são usadas geralmente em sistemas de baixa pressão, onde não se necessita de vedação completa. Elas são normalmente usadas em linhas de grandes diâmetros. Válvula Swing A válvula swing é semelhante à borboleta, exceto que elas giram em torno de um lado e não ao longo do diâmetro. Elas podem ser atuadas pela vazão, por molas de torsão, por alavancas . As válvulas swing são usadas principalmente como válvulas de retenção, para bloquear a vazão em uma direção. As válvulas swing possuem praticamente todas as vantagens das válvulas borboleta pequena queda de pressão, pequeno peso e custo relativamente pequeno. A vedação da válvula swing é muito alta, são sujeitas à deposição de contaminantes e introduz turbulência em baixas vazões. As superfícies de selagem sofrem erosão, quando o fluido está em alta velocidade. Fig. 8. 21. Válvula borboleta Desvantagens 1. A vedação da válvula borboleta é relativamente baixa, a não ser que seja usado selo especial. O selo é geralmente danificado pela vazão com alta velocidade. 2. Estas válvulas usualmente requerem grandes forças de atuação e são Fig. 8. 23. Válvula swing para retenção 175 Válvula de Controle válvula gaveta. As superfícies da sede são menos sujeitas a desgaste e a capacidade de provocar grandes quedas de pressão torna a válvula globo conveniente para controle. A válvula globo é favorita para aplicações de controle liga-desliga, quando há operação freqüente da válvula, por causa do deslocamento pequeno do disco. 14.4. Válvula Globo Descrição É uma válvula com o corpo esférico, com sede simples ou dupla, com obturador guiado pela haste ou pela gaiola e que pode apresentar várias características diferentes liga-desliga, linear, igual percentagem. Há três tipos principais de válvulas na família globo, ângulo e Y. Elas são caracterizadas por um elemento de fechamento, geralmente um disco ou plug, que é movido por uma haste atuadora, perpendicular à sede em forma de anel. A vazão passa da entrada para a saída, através da sede. Os três tipos diferem principalmente na orientação da sede em relação à direção da vazão através da válvula. A válvula tipo Y é uma versão modificada da válvula globo. O corpo da válvula é construído de modo que as mudanças na direção do fluido dentro do corpo são minimizadas; é também chamada de válvula globo de vazão reta. A válvula globo não é definida por nenhuma norma API. A indústria petroquímica usa a norma inglesa 18731975 Steel globe and globe stop and check valves for the petroleum, petrochemical and allied industries. Fig. 8. 25. Válvula globo guiada pela gaiola Desvantagens As válvulas globo provocam grande perda de pressão; isto pode ser indesejável em muitos sistemas. A direção da vazão é alterada repentinamente, quando o fluido atinge o disco, causando uma grande turbulência no corpo da válvula. Em grandes tamanhos, elas requerem muita potência para operar, necessitando de alavancas, engrenagens. As válvulas globo são normalmente mais pesadas do que outras válvulas de mesma especificação. A turbulência do fluido na passagem pela abertura da válvula globo causa vibração no disco, resultando em estrago da haste. Para evitar isso, deve se projetar um guia especial do disco, principalmente em serviço com alta velocidade do fluido. Fig. 8. 24. Válvula globo em ângulo Vantagens As válvulas globo são, geralmente, mais rápidas para abrir ou fechar que a Fig. 8. 26. Válvula globo Y 176 Válvula de Controle aplicações requerem válvulas maiores, a economia começa a tender para os sistemas completos. O regulador requer menor espaço e menor trecho da tubulação para a sua instalação e operação. A não necessidade de alimentação torna a válvula auto-operada mais conveniente para aplicações em lugares remotos e inacessíveis. O regulador não está sujeito a falta de alimentação e por isso o sistema é mais seguro, porém o funcionamento da válvula auto-operada em si não é mais seguro ou confiável que o funcionamento da válvula de controle convencional. Como o regulador não requer fonte externa de energia ele é inerentemente seguro e pode ser usado em qualquer local perigoso, pois sua presença não compromete a segurança. As válvulas com atuador eletrônico requerem classificação elétrica especial, como prova de explosão, segurança intrínseca. Aplicações As válvulas globo são usadas principalmente como válvulas de controle contínuo; elas podem ser consideradas como uma válvula de controle de vazão de uso geral. Neste aplicação, a válvula globo é projetada com a sede do corpo com material mais duro, já que o serviço severo pode causar desgaste e erosão. Para controle mais fino da vazão, usa-se a válvula agulha, que é uma versão modificada da válvula globo. A válvula Y é usada para controle contínuo e controle liga-desliga de líquidos sujos (slurry) e de alta viscosidade. A válvula globo pequena, feita de liga de cobre, é usada freqüentemente em linhas de gás domesticas ou em serviço de baixa pressão, com disco de plástico para garantir boa vedação. (a) sede simples (b) sede dupla Fig. 8. 27. Válvula globo 14.5. Válvula Auto-regulada Fig. 8. 28. Válvula auto-regulada de temperatura Conceito O regulador é uma válvula de controle com um controlador embutido. Ele é operado pela energia do próprio fluido sendo controlado e não necessita de fonte externa de energia. O regulador é chamado de válvula auto-operada, autoregulada, reguladora. Vantagens do Regulador A vantagem principal é o menor custo do regulador em relação ao custo total da malha convencional com o transmissor, o controlador e a válvula de controle. O regulador é mais barato no custo inicial, na instalação e na manutenção, principalmente quando as linhas de processo são pequenas. Quando as Desvantagens do Regulador O ponto de ajuste é provido manualmente e não é possível o ajuste remoto. A precisão e a resolução do ajuste do ponto de ajuste são precárias. O controle só pode ser proporcional, com banda proporcional fixa. Não é possível a combinação com os outros modos, integral e derivativo. É limitado a poucas aplicações, podendo ser usado para o controle de pressão, temperatura e nível, em determinadas faixas e sob condições muito restritivas. É pouco preciso e não possui indicações da variável medida. 177 Válvula de Controle É puramente mecânico e incompatível com os sinais elétricos de termopar, bulbo de resistência, contato . Há ainda a pequena flexibilidade com os acessórios, como o posicionador, a chave limite, o volante manual, a solenóide . Regulador de Pressão O regulador de pressão é o dispositivo para reduzir a pressão, para controlar o vácuo e a pressão diferencial. Ele pode ser aplicado a gases, líquidos e vapores. O diafragma é o componente básico responsável pela operação do regulador. O diafragma compara o ponto de ajuste, que é convertido em uma força pela compressão ajustável da mola com a pressão a ser regulada, que é convertida em outra força de diafragma em si e ajusta a abertura da válvula para reduzir o erro entre estas duas pressões. Assim o diafragma é, simultaneamente, o elemento de realimentação, o dispositivo de detecção de erro e o atuador. A ruptura do diafragma é a falha mais comum no regulador. A maioria dos reguladores falha na posição totalmente aberta quando o diafragma falha. Em aplicações críticas, uma solução seria o uso de dois reguladores em série, com o segundo regulador ajustado em um valor maior que o primeiro, por exemplo, 20%. Ele ficará totalmente aberto em operação normal e será o responsável pela regulação somente durante a falha do primeiro. O regulador de pressão deve ser instalado com filtro a montante, com purgador-separador de condensado, quando houver vapor. Deve haver trechos retos antes e depois do regulador. Regulador de Temperatura Um regulador de temperatura é um dispositivo controlador que inclui o elemento sensor termal, a entrada de referência e a válvula de controle. O sistema é auto-atuado a energia para a atuação da válvula é suprida pelo processo. Há basicamente dois tipos, conforme a atuação da válvula atuado diretamente e atuado por piloto. No tipo de atuação direta, a unidade de potência (diafragma, fole) do atuador termal está conectada diretamente a haste da válvula e desenvolve a força e o deslocamento necessários para abrirfechar a válvula. O regulador atuado diretamente é mais simples, mais econômico e tem um controle mais proporcional. No tipo atuado por piloto, o atuador termal move uma válvula piloto, que controla o valor da pressão do fluido que passa pela válvula através de um diafragma ou pistão, que estabelece a posição da haste da válvula principal. O regulador com piloto possui bulbo menor, resposta mais rápida, maior ganho e pode atuar em válvulas de alta pressão. A instalação adequada inclui a correta localização do bulbo, onde as variações de temperatura são prontamente sentidas e onde não ha perigo de dano. Fig. 8. 29. Reguladora com piloto Regulador de Nível O regulador de nível é um instrumento que é atuado pela variação de nível do líquido do processo. Ele não necessita de suprimento de energia e por isso é autoatuado. Os principais tipos são do tipo bóia direta e bóia piloto. O mais simples regulador de nível consiste de uma alavanca atuada por uma bóia flutuadora e que atua diretamente na válvula de controle. O regulador com bóia piloto é mais versátil e sensível. Neste sistema a alavanca da bóia atua um relé pneumático. A válvula de controle é assim operada por pressão pneumática. 178 Válvula de Controle Regulador de Vazão O regulador de vazão usa a energia do próprio líquido a ser medido, para sua operação. Ele normalmente possui uma restrição para provocar a pressão diferencial e utilizar esta mesma pressão diferencial para atuar em um pistão, que por sua vez, controla a vazão. O regulador contem em um único dispositivo os três elementos de controle primário-controlador-final. O ponto de ajuste é estabelecido externamente. Quando a vazão atinge o ponto de ajuste estabelecido, a válvula de controle integral impede qualquer acréscimo de vazão. O regulador é um dispositivo utilizado em sistemas onde a precisão não é crítica, como em sistemas de irrigação e distribuição de água. Conclusões Mesmo na época dos controladores a microprocessador, que serão a base do controle do próximo século, ainda há aplicações válidas para o regulador desenvolvido no século passado. O regulador ainda é usado para aplicações pouco exigentes e em locais onde não é disponível nenhuma fonte de energia. Ele justifica a sua aplicação, por causa de sua simplicidade e economia. 15. Válvulas Especiais 15.1. Válvula Retenção (Check Valve) As válvulas de retenção são projetadas unicamente para evitar a vazão no sentido inverso em uma tubulação, que perturba o processo seriamente e pode até causar acidente. A pressão do fluido vazante abre a válvula e o peso do mecanismo de retenção e qualquer reversão da vazão a fecha, automaticamente. Há diferentes tipos de válvulas de retenção portinhola (swing), com levantamento de disco ou esfera (lift), disco, retenção-bloqueio, tipo sanduíche (wafer). A seleção do tipo mais conveniente depende da temperatura, da queda de pressão disponível e da limpeza do fluido. Fig. 8. 30. Válvula de retenção com portinhola A válvula de retenção padrão é a com portinhola (swing), que abre com a pressão da linha, onde a vazão no sentido normal faz o disco se afastar do assento. Ela se fecha quando a pressão cai e fica totalmente fechada, quando o disco é mantido contra o anel do assento pelo seu peso ou por mecanismos externos ligados ao eixo estendido através do corpo da válvula. Elas podem operar na posição vertical (vazão para cima) ou horizontal. A válvula de retenção com portinhola é usada em velocidades baixas do fluido, onde a reversão da vazão é rara. As suas características são a baixa resistência à vazão, a baixa velocidade e a mudança de sentido da vazão pouco freqüente. Uma reversão repentina da vazão do fluido pode fazer o disco martelar a sede, danificandoa ou se danificando. 179 Válvula de Controle Uma vazão pulsante pode fazer a válvula de retenção com portinhola oscilar continuamente, danificando a sede, a portinhola ou ambas. Este problema pode ocorrer também quando a força da velocidade do fluido não é suficiente para manter a posição da portinhola estável. A válvula de retenção é geralmente fechada pela pressão da vazão reversa e o pelo peso do disco. Se o disco pode ser fechado logo antes do inicio da vazão reversa, o martelo d'água pode ser evitado. Porém, a maioria das válvulas de retenção precisa da ajuda da vazão reversa para fechar o disco. A massa e a velocidade do fluido da vazão reversa causam grande martelo d'água contra a sede do corpo da válvula. Podem ser usadas molas para proteger contra o martelo d'água, porém a adição da mola requer mais pressão para abrir o disco e aumenta a resistência do fluido e a queda de pressão. Semelhante às válvulas de controle, as de retenção são disponíveis em diferentes materiais, como bronze, ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável, aços especiais . As conexões podem ser rosqueadas, flangeadas, soldadas e tipo wafer. As modernas válvulas são disponíveis com corpo no estilo wafer; elas possuem extremidades planas e sem flanges e são instaladas entre flanges da tubulação. gravidade ou pela ação de uma mola e pela pressão da vazão. A válvula de retenção tipo levantamento pode ser usada em ambas as posições, horizontal e vertical. Ela possui alta resistência à vazão e é usada principalmente em tubulações de 1 1/2" ou menores. Em geral, a válvula de retenção lift requer queda de pressão relativamente alta. Elas possuem uma construção interna semelhante à da válvula globo. Suas características de operação são mudança freqüente do sentido da vazão e prevenção de vazão inversa. Elas são usadas com válvulas globo ou de ângulo. 15.3. Válvulas de Retenção Esfera Esta válvula de retenção é similar à válvula lift, exceto que o disco é substituído por uma esfera, que pode girar livremente. Elas são limitadas a serviço de fluidos viscosos e são disponíveis apenas em pequenos diâmetros. 15.4. Válvulas de Retenção Borboleta As válvulas de retenção tipo borboleta tem uma geometria similar à válvula de controle, de modo que elas podem ser usadas em conjunto. As características de operação da válvula de retenção borboleta são resistência mínima à vazão, mudança freqüente de sentido e uso em linhas equipadas com válvulas de controle borboleta. Elas podem ser usadas na posição vertical ou horizontal, com a vazão vertical subindo ou descendo. 15.5. Válvula de Retenção e Bloqueio Fig. 8. 31. Válvula de retenção tipo levantamento (lift) A válvula de retenção e bloqueio (stop check) combina as características de retenção (vazão em somente um sentido) e de bloqueio (vazão zero, quando totalmente fechada). Ela é composta de uma válvula de retenção com levantamento do disco e uma válvula globo. Quando a haste é levantada para a abertura total, a válvula opera como uma de retenção normal. Quando a haste move para baixo, para fazer o fechamento total, a válvula funciona como uma de bloqueio globo. 15.2. Válvulas de Retenção Tipo Levantamento Nas válvulas de retenção tipo levantamento (lift), um disco ou uma esfera é levantada da sede, dentro de guias, pela pressão de entrada da vazão. Quando a vazão para ou inverte de sentido, o disco volta para o assento, por causa da 180 Válvula de Controle A válvula de retenção-bloqueio é usada particularmente em casas de força, para serviço com vapor. Ela possui um disco flutuante que levanta sob condições de vazão, como a força da pressão da caldeira de vapor. Suas principais aplicações incluem 1. evitar a vazão reversa do vapor do header principal, 2. ajudar a colocar a caldeira em serviço, depois de ter sido desarmada (shutdown), 3. ajudar a desligar a caldeira, quando a queima parar, 4. agir como uma válvula de segurança imediata, evitando a vazão de vapor de volta para o header. A norma API Spec. 6D "Pipeline valves" descreve os tipos regulares de válvulas de retenção tipo portinhola. Fig. 8.32. Válvula de alívio 16.2. Definições e Conceitos Os termos válvula de segurança e válvula de alívio são usados com o mesmo sentido, para designar válvulas que protegem contra a pressão excessiva. Porém, há diferença entre elas. A válvula de segurança é projetada para ter uma ação de abertura total, provendo um alívio imediato. Ela está descrita no código ASME, que especifica capacidade, sobre-faixa de pressão e diferença entre pressão ajustada e de rearme. A válvula de alívio é projetada para abrir lentamente com aumento na pressão inicial. Estas válvulas não possuem um código de projeto. A válvula de alívio é normalmente usada para aliviar pressões excessivas desenvolvidas por fluidos não compressíveis, desde que uma pequena descarga deste fluido irá prover um alívio imediato. Sob estas condições não é necessário que a válvula de alívio abra total e imediatamente, mas que ela continua abrindo enquanto a pressão estiver subindo. Por causa destas diferenças na ação, as válvulas de segurança são usualmente empregadas para aliviar pressão excessiva causada por gases (fluidos compressíveis), enquanto as válvulas de alívio são usadas para aliviar a pressão excessiva causada por líquidos (fluidos não-compressíveis). A válvula de segurança-alívio (safetyrelief) tem um projeto de abertura total e pode ser usada em fluidos compressíveis e não-compressíveis. 16. Válvula de Alívio de Pressão 16.1. Função do Equipamento A função básica de um equipamento de alívio é a de aliviar uma condição de sobrepressão de um sistema de modo automático, econômico e eficiente. A função adicional é a de conter o sistema de pressão, durante o tempo em que a sobrepressão cai, voltando para a condição normal. Isto é conseguido por um sistema de balanço de forças agindo no fechamento da área de alívio. A área do orifício de alívio de pressão é selecionada para passar a vazão necessária, em condições específicas. Esta área é fechada por um disco, até que a pressão ajustada seja atingida. A pressão contida do sistema age em um lado do disco; do outro lado há uma força exercida diretamente por uma mola. Todo este conjunto é alojado dentro de um corpo, com conexões de entrada e de saída, um prendedor do disco e outros acessórios para prover a característica de desempenho especificada. 16.3. Sobrepressão Os sistemas de alívio de pressão fornecem os meios de proteção de pessoal e equipamento de operação anormal do 181 Válvula de Controle processo. Algumas das condições que causam aumento excessivo da pressão são 1. exposição ao fogo ou outras fontes externas de calor, 2. aquecimento ou resfriamento de líquido bloqueado entre válvulas ou em alguma outra seção fechada do sistema, resultando em expansão hidráulica, 3. falha mecânica de equipamentos normais de segurança, funcionamento inadequado dos instrumentos de controle, falha na operação manual, resultando em enchimento ou esvaziamento do equipamento, 4. produção de mais vapor do que o sistema pode manipular, seguindo um distúrbio operacional, 5. geração inesperada de vapor, resultando no desequilíbrio de energia do processo, 6. reação química exotérmica e produção excessiva de gás do sistema. Objetivos A partir destas situações e necessidades, os objetivos do sistema de alívio de pressão são 1. atender as normas e leis governamentais, incluindo o controle ambiental, 2. proteger o pessoal de operação contra perigos causados de sobrepressão de equipamentos, 3. minimizar as perdas de material durante e após um distúrbio operacional, causado por uma sobrepressão rápida, 4. evitar danos a equipamentos e propriedades vizinhos, 5. reduzir os prêmios de seguro da planta. Operação da Válvula de Alívio As válvulas de alívio tem discos pressionados por mola, que fecham a abertura de entrada da válvula contra a pressão da fonte. O levantamento do disco é diretamente proporcional à sobrepressão acima da pressão ajustada. Quando a pressão de entrada se iguala a pressão ajustada, o disco pode subir um pouco acima da sede e permitir a passagem de uma pequena vazão do fluido. Quando uma maior pressão se acumula na entrada, a mola é mais comprimida, fazendo o disco subir mais, aumentando a área de passagem, aumentando a vazão do fluido. O levantamento gradual do disco com o aumento da pressão de entrada, através de toda a faixa útil da válvula e a realização de sua capacidade de descarga total em 25% de sobrepressão são as principais características da válvula de alívio. Estas propriedades diferenciam a válvula de alívio da válvula de segurança, cujo disco obtém seu levantamento especificado com pequena sobrepressão. A válvula de alívio é usada principalmente para serviço de líquido. 16.4. Válvula de Segurança A válvula de segurança e a válvula de alívio de segurança são projetadas especificamente para dar uma abertura total com pequena sobrepressão. elas possuem discos pressionados por mola que fecham a abertura de entrada da válvula contra a pressão de entrada e são caracterizadas pela abertura rápida e completa, produzida por uma câmara que, a uma pressão predeterminada, aumenta a área entre o disco e a sede a um ponto onde a força da mola não mais supera a força de entrada. O fluido vazante é dirigido para reagir contra o disco e a força da mola. Esta ação utiliza a energia cinética (proporcional à massa e à velocidade) para manter a válvula na posição aberta. Quando a vazão for menor que 25% da capacidade da válvula, a energia cinética não é suficiente para manter a válvula totalmente aberta e a mola faz a válvula se fechar. Esta repetição de abertura e fechamento é característica da válvula de segurança. A freqüência de repetição muito alta (chattering) é indesejável e ocorre com válvula super dimensionada. É essencial o conhecimento da válvula de alívio. Por exemplo, o coeficiente de descarga é diferente para as várias válvulas dos fabricantes diferentes. A válvula pode ser instalada de modo que ela limita as condições nas quais foi feito o seu dimensionamento. As válvulas de alívio devem ser dimensionadas e instaladas de modo que elas controlem descarga do 182 Válvula de Controle fluido e não sejam vitimas da descarga do fluido. Quando dimensionada corretamente, a válvula de alívio continua a descarregar, até que a pressão de entrada caia de 4 a 5% abaixo do ponto de ajuste. A diferença entre a pressão em que a válvula de alívio abre a pressão de fechamento é chamada blowdown. A válvula de segurança possui um anel ajustável para controlar o blowdown. Válvula de Alívio e Segurança A válvula de alívio e segurança é usada como equipamento de alívio em refinarias de petróleo e indústrias químicas. Ela é descrita como uma válvula com um castelo fechado com todas as características da válvula de segurança. Como o nome implica, ela pode ser usada em dois tipos de serviço como uma válvula de alívio ou como válvula de segurança. Quando usada como válvula de alívio, o anel de blowdown é retirado, de modo que a câmara não produz nenhum efeito, evitando a abertura rápida e total da válvula e fazendo a válvula operar exatamente como uma válvula de alívio. Ela pode ser usada também como válvula de segurança, exceto quando a temperatura é muito elevada e altera a característica da mola. A vantagem da válvula de alívio e segurança é sua versatilidade, controlando rigorosamente ou evitando a emissão do fluido. Dimensionamento A válvula de alívio deve proteger equipamento sujeito a sobrepressão, provocada por várias causas distintas. Por exemplo, numa coluna de fracionamento, pode aparecer sobrepressão por causa de fogo externo, descarga bloqueada, perda de refluxo, falha de alimentação elétrica, falha de resfriamento, falha de instrumentos de controle . A válvula de alívio deve ser dimensionada para cada uma das condições em separado e o tamanho final deve ser suficientemente grande para manipular a maior capacidade. O primeiro passo é calcular a vazão necessária através da válvula de alívio de pressão para evitar acúmulo excessivo. Em reações exotérmicas, a válvula deve ser dimensionada para passar uma vazão capaz de aliviar a pressão na máxima pressão possível. Após a capacidade do fluido a ser aliviada é determinada, é necessário calcular a área do orifício necessário para aliviar a quantidade predeterminada de líquido ou vapor. Depois da determinação da área, pode-se fazer a seleção da válvula consultando tabelas de fabricantes, que listam várias válvulas com a área do orifício necessária. A seleção final será baseada na conformidade da área do orifício com a válvula que satisfaça a pressão, temperatura e materiais de construção. A ASME apresenta formulas para determinar a área efetiva do orifício que irá determinar a capacidade especificada do fluido. Construção da Válvula As válvulas de segurança e alívio são normalmente mantidas na posição fechada por meio de um disco pressionado por uma mola. A pressão da mola é ajustada de modo que uma pressão predeterminada agindo sobre o disco da válvula (sede) levantará o disco da sede permitindo a passagem do fluido através da abertura. Em válvulas de segurança, o disco se projeta sobre a sede, para fornecer uma área de passagem adicional após a abertura inicial e deste modo, levantando rapidamente o disco para a posição de totalmente aberta. A sede é usualmente cercada por um anel ajustável, de modo que, quando a válvula começa a abrir, a pressão é também aplicada a superfície exposta adicional e não apenas ao disco. Pelo ajuste deste disco, regula-se a pressão de blowdown, que é a diferença entre a pressão de alívio e uma pressão levemente menor em que a válvula fecha. Um blowdow pequeno é inconveniente, pois a válvula irá abrir-fechar periodicamente e não irá abrir rapidamente. As válvulas de alívio são projetadas de modo que a área exposta a sobrepressão é a mesma, com a válvula aberta ou fechada, fazendo com que o disco seja levantado da sede lentamente, quando a 183 Válvula de Controle pressão subir, até que a válvula atinja a abertura total. A maioria das válvulas de segura possuem mola. Uma minoria funciona com peso e alavanca externos. As válvulas de alívio de pressão com mola tem a pressão de alívio ajustada por meio de um parafuso no topo do castelo, que varia a compressão da mola. As válvulas de alívio são disponíveis para temperatura criogênicas até 750 oC e de alta pressão até 10 000 psig. A maioria das válvulas de segurança e algumas válvulas de alívio são equipadas com uma alavanca externa para verificação do alívio. As válvulas de alívio são disponíveis em uma grande variedade de materiais ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável, bronze, Hastelloy®, Monel, revestida de Teflon. Instalação e Manutenção A instalação da válvula de alívio de pressão é descrita no código ASME, que deve ser estudado e entendido, para o dimensionamento, seleção e instalação. Os pontos mais importantes são: 1. a válvula de alívio de pressão deve ser localizada e instalada de modo que ela seja facilmente acessível para reparo. 2. Se o projeto de uma válvula de alívio de pressão ou de segurança é tal que é acumulado líquido no lado de descarga do disco, a válvula deve ser equipada com um dreno no ponto mais baixo. 3. A mola em uma válvula de alívio de segurança em serviço para pressões até 140 kPa (20 psig), não pode ser resetada para qualquer pressão além de 10% acima ou abaixo do valor marcado na válvula. Para pressões acima de 140 kPa (20 psig), a mola não deve ser reajustada para qualquer pressão além de 5% abaixo ou acima da marcação da válvula. 4. nenhuma válvula de alívio de líquido não pode ser menor que 1/2". 5. as válvulas de segurança e alívio devem ser ligadas ao vaso no espaço com vapor, acima do líquido ou em uma tubulação ligada ao espaço do vapor no tanque a ser protegido. 6. a abertura através de toda a tubulação e conexões entre um vaso de pressão e sua válvula de alívio de pressão deve ter, no mínimo, a área da entrada da válvula. 7. as válvulas de alívio de líquido devem ser ligadas abaixo do nível normal do líquido. 8. todas as linhas de descarga devem ir diretamente para o ponto do alívio final. Para linhas mais longas, devese usar cotovelos com raio grande, quando for necessário mudar a direção. Deve-se evitar, no projeto da linha, conexões próximas e deve-se minimizar as tensões na linha , usando-se juntas de expansão. 9. é essencial fazer e seguir um programa de inspeção e manutenção preventiva para cada válvula de alívio de pressão. Toda e qualquer válvula de alívio de pressão em serviço limpo e não corrosivo deve ser inspecionada e testada, no mínimo, uma vez por ano. Válvula em serviço corrosivo ou severo deve ser inspecionada mais freqüentemente. Deve-se registrar e manter estes relatórios de teste e inspeção para saber quando e por quem cada válvula foi inspecionada e testada. 10.Os testes não devem envolver apenas o ponto de ajuste da pressão de alívio, mas também a capacidade de alívio da válvula, nas condições do processo. 11.A capacidade nominal de uma válvula de segurança ou de alívio deve ser conforme o que estiver gravado na plaqueta da válvula para as condições de projeto originais. 184 Válvula de Controle 17. Válvulas Solenóides 17.1. Solenóide Solenóide elétrica é uma bobina de fio energizada eletricamente para produzir um campo magnético no seu interior, que provoca um movimento mecânico em um núcleo ferromagnético, colocado no centro do campo. Quando a bobina é energizada, o núcleo está em uma posição, quando desenergizada, está em outra posição. A solenóide pode ser de operação analógica ou digital. Exemplos de excitação analógica de solenóide é a ativação da bobina de um alto falante de áudio ou o controle de freios mecânicos em carros elétricos. Porém, a solenóide é mais usada em sistemas de controle como um dispositivo digital, onde uma potência constante é aplicada ou retirada de sua bobina. acionado na solenóide, quando a bobina é energizada. As válvulas são disponíveis na construção normalmente fechada ou normalmente aberta. A válvula normalmente fechada abre, quando se aplica corrente (energiza) e fechada quando a corrente é cortada (desenergizada). A válvula normalmente aberta fecha quando a corrente é aplicada e abre quando a corrente é cortada. Os termos normalmente aberto ou normalmente fechado se referem à posição antes da aplicação da corrente. As válvulas solenóides são projetadas para operação liga-desliga (on-off) ou totalmente aberta ou totalmente fechada. Como as válvulas solenóides são de ação rápida, deve-se cuidar que não haja golpe de aríete nas tubulações do processo, o que poderia danificar tubulação, medidores de vazão, válvulas. Fig. 8. 33. Aplicação de válvula solenóide Fig. 8. 34. Solenóide na válvula de controle A solenóide pode estar acoplada a relé, para operar contatos elétricos. Os contatos são abertos ou fechados, conforme a energização-desenergização da bobina. Outra aplicação industrial importante é acoplar a solenóide ao corpo de uma válvula; tem-se a válvula solenóide. 17.3. Operação e Ação As solenóides são usualmente empregadas com válvulas globo ligadesliga com haste deslizante. Há basicamente quatro tipos de operação 1. ação direta, 2. operada por piloto interno 3. operada por piloto externo 4. com sede e disco semibalanceados Na válvula com ação direta o núcleo da solenóide (plunger) é mecanicamente ligado ao disco da válvula e abre ou fecha diretamente a válvula. Uma mola normalmente mantém o plug na posição 17.2. Válvula Solenóide A válvula solenóide é a combinação de duas unidades funcionais básicas a solenóide e a válvula. A válvula solenóide é usada para controlar a vazão de fluidos em tubulações, principalmente de modo digital (liga-desliga). Ela é aberta ou fechada pelo movimento do núcleo 185 Válvula de Controle aberta ou fechada e é contra esta força que a solenóide deve mover o plug para a posição oposta. A operação não depende da pressão ou vazão da linha. A válvula operada com piloto interno é equipada com um pequeno orifício piloto, utilizando a pressão da linha para sua operação. Quando a solenóide é energizada, ela abre o orifício piloto e alivia a pressão do tipo do diafragma ou plug da válvula para a saída da válvula. Isto resulta em um desequilibro de pressão através do plug ou diafragma, que abre o orifício principal. Quando a solenóide é desenergizada, o orifício piloto é fechado e toda a pressão da linha é aplicada ao topo do disco, fornecendo uma força de assento que fecha totalmente. Ambos os plugs são montados em uma única haste. A pressão da linha do lado da entrada da válvula é introduzida debaixo do plug inferior e acima do plug superior. A força para baixo no plug superior é maior do que a força para cima do plug inferior. Esta pequena diferença de força, mais a força exercida por uma mola, mantém os plugs inferior e superior em suas sedes. Quando a solenóide é energizada, os plugs são levantados, abrindo a válvula. Por causa da força que age para cima no plug inferior, a solenóide deve apenas superar estas pequenas diferenças e a força da mola. As válvulas solenóides são também disponíveis em configurações de várias vias. As válvulas com duas vias são as convencionais, tendo uma conexão de entrada e outra de saída. A válvula abre ou fecha, dependendo da solenóide energizada ou desenergizada. As válvulas solenóides de três vias tem três conexões com a tubulação e dois orifícios. Um orifício está sempre aberto e outro sempre fechado. Estas válvulas são usadas comumente para alternadamente aplicar pressão para e aliviar pressão de uma válvula. Elas servem também para convergir ou divergir a vazão nas conexões. As válvulas solenóides com quatro vias são usadas para operar cilindros de ação dupla. Estas válvulas possuem quatro conexões uma pressão, dois cilindros e uma exaustão. Em uma posição da válvula, a pressão é aplicada a um cilindro, a outra é ligada a exaustão. Na outra posição, a pressão e a exaustão estão invertidas. Fig. 8. 35. Operação da válvula solenóide A válvula com piloto externo é operada através de um diafragma ou cilindro. Esta válvula é equipada com um piloto solenóide de três vias, que alternadamente aplicada a pressão para ou aliviada a pressa do diafragma para a operação. A pressão da linha ou uma fonte separada de pressão é usada para operar a válvula piloto. A válvula com sede e disco semibalanceados é de dupla sede. O corpo contem duas sedes, uma acima da outra, com um espaço entre elas. O plug inferior é levemente menor do que o superior. 186 Válvula de Controle 18. Válvula Redutora de Pressão 18.1. Conceito A válvula redutora de pressão serve para diminuir a pressão a jusante para um nível determinado dentro dos limites impostos pelo tipo de válvula usado. Basicamente há dois tipos de redutoras: 1. operada diretamente, em que a válvula principal é operada pela ação combinada de uma mola e da pressão de saída, que é aplicada ao lado inferior do diafragma. É válvula redutora mais simples e pode operar apenas em variações limitadas de vazão. A pressão reduzida é dependente da pressão de entrada. 2. operada por piloto, em que a válvula principal é aberta por meio de um pistão, que é atuado pela pressão de uma válvula piloto. Esta válvula é internamente balanceada e controla a pressão reduzida de modo preciso, mesmo que haja variação na pressão de entrada. Ela manipula variações grandes de vazão. ser dimensionadas e selecionadas corretamente, instaladas e mantidas de acordo com as instruções do fabricante, de modo que suas peças internas se movam livremente. 18.4. Seleção da Válvula Redutora de Pressão A determinação da melhor válvula redutora depende da a aplicação. Devem ser conhecidas as respostas das seguintes perguntas 1. Quais são as pressões máxima e mínima a montante? A pressão a montante (upstream) é também referida como pressão de entrada ou suprimento. 2. Qual a pressão a jusante a ser mantida constante ou qual a faixa ajustável da pressão reduzida desejada? A pressão a jusante (downstream) é a pressão na saída da válvula, ou pressão de descarga ou pressão reduzida. O seu valor é determinado pelo processo. Quando a pressão regulada é fixa, o dimensionamento da válvula se baseia na pressão diferencial estabelecida pela mínima pressão de entrada. Se a pressão regulada é ajustável, a válvula é dimensionada de acordo com a mínima pressão diferencial disponível. 3. Quais as vazões mínima, máxima e media que passam pela válvula redutora? Não escolha o tamanho da válvula redutora apenas fazendo-o igual ao diâmetro da tubulação. Cada fabricante possui sua tabela de capacidade própria. 4. Deve haver vedação total? Uma válvula de vedação fecha totalmente, impedindo a vazão do fluido para a saída. Somente válvulas de sede simples podem prover vedação total. Nunca usar válvula de sede dupla para reduzir pressão e simultaneamente vedar. 5. Qual deve ser o tipo de conexão? Esta resposta é determinada pela boa prática de tubulação e as condições reais de instalação. Se a válvula é rosqueada, é recomendado o uso de uniões em ambas as extremidades da válvula. 18.2. Precisão da Regulação Há uma relação definida entre a precisão da regulação e a capacidade da válvula redutora ou reguladora. A válvula redutora com mola deve ser ajustada enquanto passa uma vazão mínima. A pressão reduzida obtida, quando se aumenta lentamente a vazão, até chegar à capacidade especificada, é uma medida da precisão da regulação. Uma válvula redutora ajustada para entregar 600 kPa (100 psig) de pressão, na vazão mínima, possui precisão de regulação de 99%, se ela entrega 598 kPa na capacidade especificada. 18.3. Sensibilidade A sensibilidade de uma válvula redutora de pressão usa a resposta das variações da pressão e a mantém constante a despeito das variações de carga. Sensibilidade é diferente de precisão de regulação. Para se obter a maior sensibilidade, as válvulas redutoras devem 187 Válvula de Controle 18.5. Instalação As regras gerais de instalação de válvulas também se aplicam às válvulas redutoras de pressão, além do seguinte: 1. Deve sempre incluir um bypass para permitir a manutenção de emergência, sem desligar a alimentação. 2. Não instalar uma válvula redutora em um local inacessível, o que tornaria difícil ou impossível a manutenção e serviço. 3. Instalar indicadores locais de pressão na entrada e saída da válvula, facilitando o ajuste e a verificação da válvula redutora. 4. Se a linha tiver sujeira em suspensão no fluido, instalar um filtro antes da redutora. 5. Instalar uma válvula de segurança depois da válvula redutora de pressão. paralelo pode ser a solução. Para grandes reduções de pressão, a operação de duas válvulas em série pode ser a solução. 18.6. Operação Quando colocar a válvula redutora em operação, verificar a posição (aberta ou fechada) de todas as válvulas de bloqueio (stop) ligadas na instalação. Eliminar o condensado, óleo e sujeiras que poderiam danificar a válvula redutora. Quando colocar uma válvula redutora em operação, é melhor abrir a válvula de bloqueio a jusante e gradualmente abrir a válvula de bloqueio a montante, antes de ajustar a válvula redutora. Enquanto esta operação estiver sendo feita, observar o indicador de pressão da saída, evitando pressão excessiva que poderia aquecer ou danificar o equipamento. Quando a pressão ficar muito alta, ela pode ser facilmente controlada com uma válvula de bloqueio a montante. Não resetar a válvula redutora enquanto estiver enchendo o sistema da tubulação. Quando um sistema de baixa pressão está frio, é necessário um razoável intervalo de tempo para pressurizá-lo; durante este tempo a válvula redutora estará totalmente aberta, até que seja atingida a pressão desejada. Fig. 8.36. Válvula reguladora de pressão com piloto Há vários conceitos errados acerca, da válvula redutora de pressão, nenhum sendo mais grave que fazer o tamanho da válvula igual ao diâmetro interno da tubulação. Invariavelmente, o tamanho correto da válvula redutora de pressão é menor que a tubulação. Se este procedimento não for adotado, a válvula redutora será sempre superdimensionada e haverá instabilidade em baixas vazões. Para grandes variações de capacidade, a operação de duas válvulas redutoras em Apostilas\Instrumentação 25Valvula.doc 11 DEZ 98 (Substitui 25 ABR 97) 188 2.9 Especificação de Instrumentos 1. Informação do Produto Os fabricantes de instrumentos geralmente possuem definições para as especificações de seus produtos e como elas devem ser apresentadas. Muita coisa está mudando nos anos 90, principalmente por causa das exigências e da certificação das normas da série ISO 9000. A informação do produto é um termo genérico para qualquer atributo usado para descrever um produto e suas capacidades. É o termo mais geral usado para discutir a propriedade de um produto. A informação inclui os dados que são registrados, publicados, organizados, relacionados ou interpretados dentro de um sistema de referência de modo que tenham significado. As informações de um instrumento possui a seguinte hierarquia de termos: 1. propriedades (features) 2. especificações 3. características estreita é um atributo com um parâmetro mensurável, que é a largura da faixa de passagem. As propriedades do instrumento são descritas com adjetivos e não com números. Os termos são vagos e promocionais, como 1. qualidade superior, 2. alta precisão, 3. instalação simples. 4. Cápsula possui pequeno volume 1.2. Especificação A especificação é uma descrição quantitativa das características requeridas de um equipamento, máquina, instrumento, estrutura, produto ou processo. Enquanto a propriedade diz que o instrumento tem alta precisão, a especificação diz que a precisão é de ±0,1% do valor medido, incluindo linearidade, repetitividade, reprodutibilidade e histerese. Em engenharia, as especificações são uma lista organizada de exigências básicas para materiais de construção, composições de produto, dimensões ou condições de teste ou um número de normas publicadas por organizações (como ASME, API, ISA, ISO, ASTM) e muitas companhias possuem suas próprias especificações. Em inglês, é chamada abreviadamente de specs. As especificações descrevem formalmente o desempenho do produto. Uma especificação é um valor numérico ou uma faixa de valores que limita o desempenho de um parâmetro do produto. A garantia do produto cobre o desempenho dos parâmetros descritos pelas especificações. Os produtos satisfazem 1.1. Propriedade (feature) Propriedade é um atributo do produto oferecida como uma atração especial. As propriedades descrevem ou melhoram a utilidade do produto para o usuário. Uma propriedade não é necessariamente mensurável, mas ela pode ter um parâmetro associado mensurável. Se uma propriedade com um parâmetro mensurável é de interesse do usuário, uma especificação do produto descreve e quantifica esta propriedade. Por exemplo, uma interface I/O de um medidor é uma propriedade e não é mensurável, mas o filtro de banda de passagem de resolução 189 Especificação de Instrumentos todas as especificações quando despachado da fábrica. Algumas especificações são somente válidas sobre um conjunto de condições externas limitado ou restrito mas em tais casos a especificação inclui uma descrição destas condições limitadas. As especificações ambientais também definem as condições que um produto pode ser submetido sem afetar permanentemente o seu desempenho ou causar estrago físico. Estas condições podem ser climáticas, eletromagnéticas (como susceptibilidade eletromagnética), mecânicas, elétricas ou precondições de operação, (como tempo para aquecimento, intervalo de calibração) Capacidade A capacidade do sistema depende do número e tamanhos dos elementos, estrutura do circuito, tamanho e estrutura do software. Operabilidade Operabilidade é o grau em que um sistema é fornecido com meios para observar e manipular a operação de um processo. A operabilidade inclui também a habilidade de observar e manipular a operação de um sistema. A operabilidade depende das ferramentas e procedimentos para dar comandos e chamar e representar os dados do processo e a velocidade de resposta para executar comandos e fornecer dados para um recipiente exigente. O termo velocidade de resposta está relacionado com a transmissão de informação de 1. processo (medição) para processo (atuador), como em uma malha de controle 2. um elemento do sistema para outro elemento do sistema 3. elemento do processo ou sistema para operador e vice-versa. Compatibilidade A compatibilidade é a habilidade de um equipamento poder ser usado em conjunto com outro. É também a habilidade de um computador aceitar dados manipulados por outro equipamento sem conversão de dados ou modificação do código. De um modo geral, é a habilidade de um novo sistema servir a usuários de um sistema velho. Em computação, é a característica de um computador ou sistema operacional que permite ele rodar programas escritos para outro sistema. Por exemplo, os programas que rodam no Windows 3.1 rodam no Windows 3.11 e Windows 95 e os programas que rodam no Pentium® (novo) são compatíveis com o processador 80486 (velho). Padronização A padronização é a redução dos instrumentos a um só tipo, unificado e simplificado, segundo um consenso preestabelecido e universal. Em instrumentação, a padronização se refere à mesma bitola e tipo de conexão 1.3. Característica As características descrevem o desempenho do produto que é útil na aplicação do produto mas não são cobertas pela garantia do produto. Elas descrevem o desempenho que é típico da maioria de um dado produto, mas não está sujeita ao mesmo rigor associado com as especificações. 2. Propriedades do Instrumento As propriedades do sistema são agrupadas juntas nas seguintes categorias: 1. Funcionalidade 2. Estabilidade 3. Precisão 4. Padronização 5. Operabilidade 6. Segurança 7. Não relacionada com a função 2.1. Funcionalidade Funcionalidade é a extensão na qual um sistema é fornecido com uma estrutura básica inerente de hardware e software com que estruturas funcionais especificas possam ser formadas para controlar processos. A funcionalidade compreende: 1. capacidade 2. operabilidade 3. compatibilidade 4. flexibilidade 5. configurabilidade 190 Especificação de Instrumentos com processo, mesmo sinal de transmissão de informação, mesmo nível de alimentação, mesmo tipo de montagem, mesma dimensões físicas, mesmas tomadas de encaixe. A instrumentação pneumática apareceu cerca de duas décadas antes da eletrônica. Este maior tempo de aplicação, aliado à maior simplicidade e menor obsolescência, certamente é o fator determinante da sua padronização universal. Essa padronização se refere a: 1. nível do sinal de informação e de transmissão único: 20 a 100 kPa. Não há diferença significativa entre este sinal e os equivalentes: 0,2 a 1,0kg/cm2 ou. 3 a 15 psi Há apenas um pequeno detalhe de calibração do mesmo instrumento. 2. nível de alimentação único: 20 psi de ar comprimido, seco, limpo e filtrado. Mesmo o consumo de ar, em SCF (standard cubic feet) é similar para qualquer instrumento pneumático. 3. número de conexões pneumáticas requeridas, com designação única: ENTRADA, SAÍDA, SUPRIMENTO. O tamanho mais utilizado é rosca fêmea 1/2" NPT. 4. procedimentos de teste e calibração. 5. técnicas de montagem e instalação, tanto no campo como no painel. Assim, a grande vantagem do sistema de instrumentação pneumática é sua padronização, existindo apenas um sinal inteligente, de 3 a 15 psig. A instrumentação eletrônica ainda atingiu esse grau de padronização, já alcançado pela pneumática, porém se percebe uma tendência para a padronização. As dificuldades da obtenção desta padronização são devidas aos seguintes fatores: 1. disponibilidade de duas configurações completamente distintas: à base de corrente e à base de tensão. 2. possibilidade de se usar fonte de alimentação regulada ou não comum a todo o sistema ou individual a cada instrumento. 3. possibilidade de transmissão com dois ou quatro fios. Atualmente, a maioria dos transmissores eletrônicos usa o sistema de apenas dois condutores. O mesmo condutor que leva o sinal de informação (4 a 20 mA cc) para o painel traz a alimentação (24 V cc). Os conceitos de fonte de tensão, fonte de corrente explicam facilmente esta possibilidade. 4. existência de sinais em corrente e tensão, contínua e alternados, analógicos ou digitais. Mesmo com essas alternativas e dificuldades, atualmente há uma tendência para se padronizar o sinal de transmissão em corrente no nível de 4 a 20 mA cc, a tensão de alimentação é de 24 V cc, o sinal padrão para manipulação interna em 0-10 V cc, tensão de alimentação dos circuitos internos em +15 V cc, tensão de alimentação do sistema digital em +5 V cc. Flexibilidade A flexibilidade é a qualidade de um equipamento ser levemente alterado ou modificado para desempenhar sua função. Sistema flexível é aquele que pode ser facilmente alterado, como colocação, retirada ou alteração dos componentes. Modularidade é a propriedade de montar uma flexibilidade funcionado em um sistema pela montagem de unidades discretas que podem ser facilmente ligadas, combinadas ou arranjadas com outras unidades. Um sistema com módulos independentes é mais flexível que aquele com as partes integralizadas em um único equipamento. Flexibilidade resulta em liberdade de escolha e de ligações de equipamentos. Um instrumento é considerado flexível quando pode ser interligado a uma grande variedade de outros instrumentos., mesmo de diferentes fabricantes ou de diferentes nacionalidades. Um sistema é considerado flexível quando as interligações podem ser modificadas, quando os componentes podem ser facilmente retirados ou acrescentados. Paradoxalmente, a flexibilidade é conseguida pela padronização. A padronização na fabricação e fornecimento de instrumentos possibilita uma grande flexibilidade na sua seleção e nas suas ligações com outros, pelo usuário final. Por exemplo, os instrumentos pneumáticos, por serem muito padronizados, podem ser interligados sem nenhuma restrição, mesmo sendo de origem diferentes, pois todos os sinais de saída e de entrada são iguais. Os únicos níveis de sinais são: 20 a 100 kPa para a informação, transmissão e 191 Especificação de Instrumentos controle e 140 kPa para a alimentação. Assim, um transmissor pneumático do fabricante F1 pode ser ligado à entrada do controlador do fabricante F2, cuja saída vai para a válvula do fabricante F3. hardware entre si para executar uma determinação função do circuito. Intercambiabilidade É a habilidade de substituir componentes, peças ou equipamentos de um fabricante por outros sem perder a função ou a adequação ao uso, sem necessidade de reconfiguração. Por exemplo, dois transmissores pneumáticos de mesma variável de processo, calibrados na mesma faixa, são intercambiáveis entre si, mesmo que sejam de fabricantes diferentes. Um transmissor digital inteligente da Rosemount, com protocolo de comunicação HART não é intercambiável com um transmissor inteligente que não suporte este protocolo. Também se entende efeito da intercambiabilidade como a variação na função do instrumento que aparece quando se troca o sensor do instrumento. Por exemplo, seja tolerância de um sensor é de ±1 oC em alguma temperatura, espera-se uma variação de 0 a 2 oC quando o sensor for substituído por outro tendo a mesma tolerância. Interoperabilidade Interoperabilidade é a habilidade de substituir componentes, peças ou equipamentos de um fabricante por outros sem perder a função ou a adequação ao uso, com necessidade de reconfiguração. Por exemplo, dois transmissores inteligentes de fabricantes diferentes, mas ambos com protocolo HART são interoperáveis, pois podem ser substituídos entre si, porém, há necessidade de pequenos ajustes na reconfiguração. Seletividade Seletividade é a habilidade de um medidor responder somente às alterações da variável que ele mede e ser imune às outras alterações e influências. Uma medição pode ser alterada por modificação ou por influência. Os erros sistemáticos de influência ou interferência são causados pelos efeitos externos ao instrumento, tais como as variações ambientais de temperatura, pressão barométrica e umidade. Os erros de influência são reversíveis e podem ser Fig. 1.4.1. Instrumento configurável (MTL) Configurabilidade A configurabilidade do sistema é a qualidade de se alterar o arranjo dos seus componentes, pela adição ou retirada de equipamentos auxiliares. Instrumento configurável é aquele cuja função é determinada pela configuração ou programação, que pode ser física (hardware) ou lógica (software). A configuração lógica pode também ser chamada de programação. A configuração física é feita através de mudanças de fiação (hardwire) entre instrumentos entre si, entre instrumentos e equipamentos de entrada e saída, ou alteração de posição de jumpers e chaves thumbwheel no circuito do instrumento ou em sua parte frontal. A configuração lógica ou por programação é feita através de computadores pessoais ou de terminais dedicados proprietários portáteis (hand held) ou de mesa. Os transmissores inteligentes podem ser configurados através de terminais portáteis ou microcomputadores e os controladores lógicos programáveis através de terminais de mesa ou microcomputadores. Para um sistema de computador, configurar é relacionar os elementos do 192 Especificação de Instrumentos de natureza mecânica, elétrica, física e química. Os erros mecânicos são devidos à posição, inclinação, vibração, choque e ação da gravidade. Os erros elétricos são devidos às variações da voltagem e freqüência da alimentação. As medições elétricas sofrem influência dos ruídos e do acoplamento eletromagnético de campos. Também o instrumento pneumático pode apresentar erros quando a pressão do ar de alimentação fica fora dos limites especificados. Sujeiras, umidade e óleo no ar de alimentação também podem provocar erros nos instrumentos pneumáticos. Os efeitos físicos são notados pela dilatação térmica e da alteração das propriedades do material. Os efeitos químicos influem na alteração da composição química, potencial eletroquímico, no pH. O sistema de medição também pode introduzir erro na medição, por causa do modelo, da configuração e da absorção da potência. Por exemplo, na medição da temperatura de um gás de exaustão de uma máquina, 1. a temperatura do gás pode ser não uniforme, produzindo erro por causa da posição do sensor, 2. a introdução do sensor, mesmo pequeno, pode alterar o perfil da velocidade da vazão, 3. o sensor pode absorver (RTD) ou emitir (termopar) potência, alterando a temperatura do gás. Os efeitos da influência podem ser de curta duração, observáveis durante uma medição ou são demorados, sendo observados durante todo o conjunto das medições. Os erros de influência podem ser eliminados ou diminuídos pela colocação de ar condicionado no ambiente, pela selagem de componentes críticos, pelo uso de reguladores de alimentação, pelo uso de blindagens elétricas e aterramento dos circuitos. Fig. 1.4.2. Sinal e ruído A diferença entre o erro de interferência e o de modificação, é que a interferência ocorre no instrumento de medição e o de modificação ocorre na variável sendo medida. O erro sistemático de modificação é devido à influência de parâmetros externos que estão associados a variável sob medição. Por exemplo, a pressão exercida por uma coluna de liquido em um tanque depende da altura, da densidade do liquido e da aceleração da gravidade. Quando se mede o nível do liquido no tanque através da medição da pressão diferencial, o erro devido a variação da densidade do liquido é um erro de modificação. Outro exemplo, é na medição de temperatura através de termopar. A militensão gerada pelo termopar depende da diferença de temperatura da medição e da junta de referência. As variações na temperatura da junta de referência provocam erros na medição. Finalmente, a medição da vazão volumétrica de gases é modificada pela pressão estática e temperatura. O modo de eliminar os erros de modificação é fazer a compensação da medição. Compensar uma medição é medir continuamente a variável que provoca modificação na variável medida e eliminar seu efeito, através de computação matemática. No exemplo da medição de nível com pressão diferencial, mede-se também a densidade variável do liquido e divide-se este sinal pelo sinal correspondente ao da pressão diferencial. Na medição de temperatura por termopar, a temperatura da junta de referência é continuamente medida e o sinal correspondente é somado ao sinal da junta 193 Especificação de Instrumentos de medição. Na medição de vazão compensada de gases, medem-se a vazão, pressão e temperatura. Os sinais são computados de modo que as modificações da vazão volumétrica provocadas pela pressão e temperatura são canceladas. 2.3. Integridade Conceitos Integridade é a propriedade de um instrumento se manter inteiro, individido, completo, resistente e firme no seu funcionamento. A integridade do instrumento é ameaçada pelo ambiente onde o instrumento está montado e por isso ela é garantida através da especificação correta da classificação mecânica do seu invólucro, de conformidade com normas existentes. Em computação de dados, é a propriedade dos dados que podem ser recuperados no caso de sua destruição através de falha do meio de registro, falta de cuidado do usuário, defeito do programa ou outro acidente. A integridade se relaciona com a garantia de funcionamento especificado do sistema. O sistema que não perde sua integridade é confiável. A ausência de distúrbio e falha crítica é um aspecto da confiabilidade. O distúrbio atrapalha o funcionamento da malha, porém sem interromper completamente a operação do sistema. A falha crítica causa o desligamento do sistema ou a perda de controle da malha. Como exemplos: a flutuação da tensão ou da freqüência da alimentação do sistema, dentro de uma determinada faixa, pode provocar leitura ou controle pouco precisos, porém, o sistema contínua com a medição e com o controle. O desligamento total da tensão de alimentação do sistema eletrônico que interrompe toda medição e todo controle é uma falha crítica. Pode haver falha crítica indireta: o desligamento da alimentação do compressor de ar comprimido do sistema pneumático pode, depois de um determinado tempo, causar o desligamento dos instrumentos pneumáticos. Sem energia elétrica não há ar comprimido, não há alimentação pneumática, não há medição e controle da instrumentação pneumática. Classificação Mecânica A operação de um instrumento pode ser afetada pela temperatura ambiente, umidade, interferência eletrônica, vibração mecânica e atmosfera circundante. 2.2. Estabilidade Há vários modos diferentes de conceituar estabilidade, tais como 1. Tendência de um sistema se manter operando, de modo previsível, preciso, exato e seguro. 2. Extensão na qual um sistema pode ser confiável de desempenhar as funções que lhe foram atribuídas, de modo exclusivo e correto. 3. Probabilidade que um componente, equipamento ou sistema desempenhe satisfatoriamente sua função planejada, sob dadas circunstâncias, tais como as condições ambientais, valor da alimentação e através da manutenção para um período de tempo especificado. Atualmente se usa o termo dependabilidade (dependability) como sinônimo de estabilidade. Alguns parâmetros da estabilidade podem ser quantificados por taxa de desvio (drift rate), por períodos de funcionamento, períodos de defeitos, duração de reparo. Como se vê, a estabilidade está diretamente ligada com o tempo e indiretamente com outros fatores externos, como temperatura e pressão ambientes, vibração, alimentação. Na falta de estabilidade, o desempenho do instrumento se degrada. Alguns dos aspectos da estabilidade são probabilísticos e outros são determinísticos, por natureza. A estabilidade pode é muito aumentada pela adição da redundância ao sistema. Pelas definições de estabilidade, devem ser incluídos os seguintes parâmetros: 1. integridade 2. disponibilidade 3. confiabilidade 4. robustez 5. calibração 6. mantenabilidade 7. segurança (safety e security) 194 Especificação de Instrumentos Tipicamente, os instrumentos de medição e controle de processo podem estar montados ou na sala de controle ou na área industrial. A sala de controle é um local fechado, onde a temperatura e umidade são geralmente controladas através de ar condicionado. O instrumento de campo pode estar totalmente desprotegido ou ter uma proteção rudimentar adicional contra o sol, a chuva ou o vento. De qualquer modo, quando usado no ar livre, a caixa do instrumento fica exposta aos efeitos da luz ultravioleta, da chuva, da umidade, do orvalho, das poeiras, dos respingos dos líquidos de processo e das sujeiras contaminantes que circulam no ar. Eles estão ainda submetidos a grande e rápidas variações de temperatura durante o dia, podendo haver um gradiente de temperatura entre o sol e a sombra do instrumento exposto. Por esses motivos, os invólucros dos instrumentos devem ser de alta qualidade, cuidadosamente testados e precisamente classificados de acordo com normas concernentes, de modo que possam prover proteção contra ambientes potencialmente adversos. Os invólucros dos instrumento, mesmo montados em ambientes nocivos, devem protege-los, de modo que durem o máximo e que o ambiente não interfira na sua operação. Fig. 1.4.3. Instrumento para uso externo Existem basicamente duas normas para a classificação mecânica dos invólucros dos instrumentos: IEC e NEMA. Fig. 1.4.4. Instrumento para uso interno . 195 Especificação de Instrumentos Tab. 5.1. Proteção do equipamento contra ingresso de corpos sólidos e líquidos, IEC IP 1o Teste PRIMEIRO DÍGITO Grau de Proteção Sem proteção de pessoas contra contato com peças vivas ou móveis dentro do invólucro. Nenhuma proteção do equipamento contra ingresso de corpos sólidos estranhos Proteção contra contato acidental ou involuntário com pecas móveis ou vivas dentro do invólucro por uma grande superfície do corpo humano, p. ex., uma mão mas sem proteção contra acesso deliberado de tais partes. Proteção contra ingresso de corpos sólidos estranhos de tamanho grande Proteção contra contato com pecas móveis ou vivas dentro do invólucro pelos dedos. Proteção contra ingresso de corpos sólidos estranhos de tamanho médio Proteção contra contato com pecas móveis ou vivas dentro do invólucro por ferramentas, fios ou outros objetos de espessura maior que 2,5 mm Proteção contra ingresso de corpos sólidos estranhos de tamanho pequeno Proteção contra contato com pecas móveis ou vivas dentro do invólucro por ferramentas, fios ou outros objetos de espessura maior que 1 mm Proteção contra ingresso de corpos sólidos estranhos de tamanho pequeno Proteção completa contra contato com pecas móveis ou vivas dentro do invólucro. Proteção contra depósitos nocivos de pó. O ingresso de pó não é totalmente evitado, mas o pó não pode entrar em quantidade suficiente para interferir com a operação satisfatória do equipamento envolvido. Proteção completa contra contato com pecas móveis ou vivas dentro do invólucro. Proteção contra ingresso de pó. 2o Teste SEGUNDO DÍGITO Grau de Proteção Sem proteção 0 0 1 1 Proteção contra gotas de água condensada. Gotas de água condensada caindo no invólucro não tem nenhum efeito nocivo 2 2 3 3 Proteção contra gotas de líquido. Gotas de líquido caindo no invólucro não tem nenhum efeito nocivo, quando o invólucro está deslocado de um ângulo de até 15o da vertical Proteção contra chuva. A água caindo da chuva em um ângulo igual ou menor que 60o com relação à vertical não terá nenhum efeito nocivo. 4 4 Proteção contra borrifo. A liquido borrifado de qualquer direção não terá nenhum efeito nocivo. 5 5 Proteção contra jatos d'água. A água projetada por um bocal de qualquer direção sob condições determinadas não terá nenhum efeito nocivo. 6 6 7 8 Proteção contra condições de deck de navio (equipamento vedado a água). A água de mar profundo não entra no invólucro sob condições determinadas Proteção contra imersão em água. Não deve ser possível a entrada de água no invólucro sob condições determinadas de pressão e tempo. Proteção contra imersão indefinida em água, sob condições determinadas de pressão. Não deve ser possível a entrada d'água no invólucro. 196 Especificação de Instrumentos Norma NBR-IEC No Brasil, o órgão credenciado pelo INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia e Qualidade Industrial) para emitir a maioria das normas técnicas é a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), empresa não governamental sem fins lucrativos. A maioria das normas elétricas brasileiras se baseia nas normas do IEC (International Electrotechnical Comission). A norma válida que fixa as condições exigíveis aos graus de proteção dos invólucros de equipamentos elétricos de baixa voltagem é a NBR 6146, DEZ 90 Invólucros de equipamentos elétricos Proteção: Especificação, baseada na norma IEC 529/76. Ela substitui e cancela as NBR 5374, 5408 e 5423/77. Estas normas fornecem os métodos de classificar os instrumentos com relação aos ambientes em que eles podem ser usados e os procedimentos de teste para verificar se tal classificação é conveniente. Os tipos de proteção cobertos pela norma são os seguintes: 1. contra o contato ou aproximação de pessoas às partes vivas, contra o contato às partes moveis no interior do invólucro e contra a penetração de corpos sólidos estranhos ao equipamento e 2. contra a penetração prejudicial de água no interior do invólucro onde está o equipamento A norma não trata dos graus de proteção contra danos mecânicos, risco de explosão ou condições como umidade, vapores corrosivos, fungos, vermes ou animais daninhos. A designação da norma começa com as letras IP (Ingress Protection - proteção de ingresso) e inclui um sufixo com dois números. Opcionalmente, tem-se as letras suplementar: S, M ou W, que significam: S teste com equipamento em repouso, M teste com equipamento em operação mecânica (A ausência das letras S e M significa que o grau de proteção vale para todas as condições normais de serviço). A letra W após as letras IP significa que o equipamento é apropriado para uso em condições de tempo especificadas e possui características adicionais de proteção, estabelecidas entre o fabricante e usuário. Por exemplo, um instrumento que a prova de pó e a prova de jato fraco d'água tem a designação de IEC IP 55. A colocação de respiradouro para dreno pode alterar a classificação mecânica do invólucro, por exemplo, de IEC IP 65 para IEC IP 55. É possível haver uma codificação com a omissão de um dos dois dígitos (substituído por X). Por exemplo, IEC IP X5 significa que o instrumento é protegido apenas de jato d'água. Outro exemplo, IEC IP 5X é uma proteção apenas contra pó. Norma NEMA A norma NEMA (National Electrical Manufacturers Association) fornece outro método de classificação do invólucro do instrumento para indicar os vários ambientes para os quais o instrumento é adequado. A norma cobre os detalhes de construção e os procedimentos de teste para verificação se o instrumento está conveniente com a classificação recebida. Todas as designações NEMA requerem invólucros resistentes à ferrugem. Basicamente, há dois locais de uso: interno ou externo. Os dígitos que designam a classe NEMA variam de 1 a 13. Há três termos básicos NEMA: 1. prova de - significa que o ambiente não atrapalha o funcionamento ou operação do instrumento. Por exemplo, instrumento à prova de tempo funciona normalmente mesmo quando submetido aos rigores do tempo: vento, umidade, orvalho. Ele não é necessariamente vedado ao tempo, porém, se garante que, mesmo que o ambiente entre no seu interior, ele continua funcionando normalmente. 2. resistente a - significa que o instrumento não se danifica quando na presença do determinado ambiente. O equipamento resistente a é mais frágil que o a prova de. O equipamento resistente a geralmente possui uma restrição, por exemplo, de pressão máxima. Por exemplo, um relógio resistente a água para 100 metros significa que funciona quando usado dentro 5.197 Especificação de Instrumentos d'água, sem se danificar, mas até uma profundidade de 100 metros. Além deste limite, ele pode se danificar e deixa de funcionar. 3. vedado a - significa que o instrumento é hermeticamente selado para aquele determinado ambiente. Por exemplo, instrumento vedado a pó evita a entrada de pó no seu interior. Tab.5.2. Resumo da denominação NEMA NEMA 1 NEMA 2 NEMA 3 NEMA 4 NEMA 5 NEMA 6 NEMA 7 NEMA 8 NEMA 9 NEMA 10 NEMA 11 NEMA 12 NEMA 13 NEMA uso geral a prova de respingos a prova de tempo vedado a jatos d'água vedado a poeira uso imerso a prova de explosão, Classe I prova de explosão, contato em óleo a prova de explosão, Classe II a prova de explosão, minas resistente a ácidos resistente a choque mecânico leve a prova de poeira, não vedado. IEC classificada não garante que o instrumento possa ser montado em áreas externa. NEMA 1 NEMA 4 NEMA 7 Fig. 1.4.5. Invólucros com classe NEMA 2.4. Robustez A robustez é a característica de um equipamento funcionar conforme esperado, mesmo quando submetido a condições adversas, pois ele é imune às agressões do meio onde ele está colocado. Instrumento robusto é aquele que funciona conforme previsto em ambiente hostil. A robustez de um instrumento é garantida por sua classificação mecânica de invólucro. Controle robusto é aquele insensível à incerteza do modelo e ao comportamento dinâmico do processo. Programa robusto é aquele que funciona bem mesmo sob condições anormais. Tab.5.3. Conversão de Números NEMA para IEC IP 10 1 IP 11 2 IP 54 3 IP 14 3R IP 54 3S IP 56 4 e 4X IP 52 5 IP 67 6 e 6P IP 52 12 e 12K IP 54 13 Observação: não pode ser usado para converter classificação IEC em NEMA. Embora o NEC tenha algumas classificações de invólucro que incluem a classificação elétrica, a classificação mecânica não pode ser confundida com a classificação elétrica. Elas são independentes. Por exemplo, o uso do instrumento em local externo nem sempre é necessário para um local de Zona 1. Assim como a classificação mecânica de uso externo não assegura que o instrumento possa ser montado em local perigoso, a classificação para uso em área 5.198 Especificação de Instrumentos 2.5. Confiabilidade Conceitos Confiabilidade é a habilidade ou probabilidade de um instrumento se manter em operação, em um nível especificado de desempenho, sob condições ambientais determinadas, durante um determinado período de tempo e com um mínimo de atenção. A confiabilidade de um instrumento ou de uma malha de instrumentos é a consistência com que ele mede ou controla quando se supõe que hajam condições adequadas e de acordo com seu programa e ajuste. A confiabilidade de um instrumento depende do cuidado com que ele é instalado. Para um instrumento ser bem sucedido na sua operação, ele deve ser bem selecionado, montado no lugar apropriado e ser usado corretamente. As condições típicas que precisam ser consideradas incluem: 1. variações na tensão de alimentação e tamanho dos transientes de voltagem; 2. com alimentação de corrente alternada, as variações na freqüência e conteúdo harmônico; 3. o nível de energia de rádio freqüência indesejável radiada pelo equipamento não deve causar interferência nas comunicações de rádio; 4. o equipamento deve ser capaz de tolerar alguma radiação de rádio freqüência se é previsto seu uso próximo de fontes de alta potência de rádio ou radar; 5. valores máximo e mínimo da temperatura ambiente; 6. valores máximo e mínimo da umidade; 7. níveis de vibração e choque mecânico; 8. condições externas, como exposição a pó, areia, chuva, radiação solar, respingo de água salgada ou outros líquidos 9. variações de carga, quando aplicável. Confiabilidade e aceitação A confiabilidade é importante por que um instrumento que necessita de manutenção ou calibração freqüentes para se manter em funcionamento preciso e exato, se torna mais caro do que um instrumento melhor que tem um maior custo inicial e um menor custo de manutenção. O modo correto de usar qualquer instrumento deve ser aprendido. Por isso, o pessoal de manutenção prefere usar uma mesma marca de instrumento. Marca que seja desconhecida geralmente é menos confiável, durante um determinado período de tempo. Quando algo funciona bem para a gente antes, é apenas natural dar preferência para ele quando se tem ocorre a mesma aplicação. Mudar para um sistema ou método novo requer boa justificativa. O desempenho passado conhecido não está necessariamente limitado à própria experiência em casa. Também inclui a experiência de outros que tenham tido de eliminar problemas similares em aplicações iguais à sua própria planta e que tenha aprendido a duras penas com a instrumentação ou sistema que esteja sendo considerado. O que se deveria fazer para conseguir os resultados esperados quando se decidiu comprar isto? A Fig. 1.4.6. mostra um padrão de aceitação que ocorre muito freqüentemente em plantas, especialmente na operação. A escala horizontal é o tempo e a vertical mostra os diferentes níveis de aceitação para novos equipamentos em operação. Quando o pessoal de operação primeiro escuta as novidades, usualmente do projeto, que se está adquirindo um equipamento novo que nunca foi usado na planta antes, a reação à idéia provavelmente fica entre a dúvida e a indiferença. Esta atitude prevalece até a época da partida, quando o operador se familiariza com o novo equipamento e os problemas usuais são eliminados, justo acerca de tudo que pode dar errado acontece. Há uma queda no nível de aceitação. Este descontentamento continua, enquanto durarem os problemas de produção com o novo equipamento, até que numa reunião, o gerente da planta declara: algo tem que ser feito! Neste ponto, reclama-se do fabricante dos instrumentos e um especialista que realmente entende do equipamento, vem, corrige os problemas e fornece as respostas que os manuais de instrução não dão ou que os manuais fornecem mas 5.199 Especificação de Instrumentos que nunca foram lidos e o novo equipamento começa a operar exatamente como era o esperado. O nível de aceitação se eleva às alturas e permanece lá por muito tempo. Eventualmente, porém, o processo natural de desgaste ocorre e aparecem alguns pequenos problemas que requerem manutenção. Estes problemas são facilmente corrigidos de modo que a aceitação do novo equipamento permanece em nível satisfatório. equipamentos, interrompendo totalmente o processo. Quando é inevitável a perda do controle, deve se interromper o processo, evitando-se a perda inútil de material fora da especificação, protegendo-se o pessoal e o equipamento da operação. Sob o aspecto da confiabilidade, o sistema que requer o uso freqüente do controle manual pelo operador é pouco confiável. Um outro aspecto da confiabilidade do controle de processo se refere a ausência de falhas dos instrumentos. Como regra, a confiabilidade do instrumento mecânico e pneumático é total quando o equipamento é novo e decresce com a idade. O instrumento pneumático requer manutenção periódica e ciclicamente ha picos de falta de confiabilidade. A manutenção preventiva pode evitar essas crises de confiabilidade. Confiabilidade e tipo de instrumentos Os instrumentos eletrônicos possuem um comportamento diferente. A instrumentação eletrônica pode operar, sem problemas, durante vários anos, desde que esteja instalada corretamente, alimentada por tensão regulada e operada adequadamente. Como o instrumento eletrônico possui raras peças moveis, pois mesmo as chaves liga-desliga podem ser estáticas, a sua confiabilidade independe da idade. O componente menos confiável do sistema eletrônico é o contato. O capacitor eletrônico é um componente que pode apresentar problema, porém só é usado na fonte de alimentação. Como segunda regra, ou como continuação da regra do instrumento pneumático, tem-se: o instrumento eletrônico pode apresentar problema assim que é ligado e nas primeiras horas de funcionamento. Depois que o instrumento entra em regime permanente, dificilmente apresentará defeito, com o uso e a aplicação correta. Em eletrônica, se define como drift o afastamento gradual das características de um componente ou de um equipamento das especificadas originalmente. Atualmente, os componentes eletrônicos para uso industrial são submetidos a Fig. 1.4.6. Curva de aceitação de novos instrumentos Por isso, quando se pergunta a alguém acerca de sua opinião sobre o desempenho de um novo equipamento, é importante saber em que época ou ponto da curva que se está, pois a resposta depende deste ponto. Confiabilidade e falhas Mesmo as falhas críticas podem ser evitadas ou se pode eliminar os efeitos nocivos provocados por elas. Nos exemplos anteriores, a colocação de uma alimentação elétrica alternativa através de década de bateria pode suprir a energia ao sistema de instrumentação eletrônica durante um tempo limitado e determinado pela capacidade da bateria. No caso do sistema pneumático, o uso de compressor reserva ou de cilindro de pressão aumenta a integridade, portanto a confiabilidade do sistema. Ao lado da preocupação de tornar o funcionamento do sistema mais confiável, há a colocação de dispositivos de alarme e de intertravamento, que podem desligar os 5.200 Especificação de Instrumentos tratamento especial para minimizar os seus desvios, como o burn in. Este tratamento consiste em submeter o componente e o instrumento inteiro a temperaturas artificialmente elevadas, durante longo tempo (p. ex., 72 horas) de modo que eles ficam envelhecidos precocemente e não se alteram com a idade e com as condições ambientais. Confiabilidade e condições ambientais A maioria dos problemas de funcionamento dos instrumentos é causada pelas variações das condições de contorno e do ambiente, tais como a temperatura, a umidade, a pressão, a poeira, a atmosfera corrosiva, a maresia, o vento, a vibração e os choques mecânicos. Quando as especificações recomendadas pelo fabricante são excedidas pelas condições reais da operação, certamente aparecerão falhas no instrumento. No aspecto de ter o desempenho modificado pelas condições ambientais, o instrumento pneumático é menos sensível que o eletrônico. O instrumento eletrônico teme a alta temperatura e deixam de funcionar quando submetidos a temperaturas acima de 90 oC, por causa de seus circuitos que incorporam semicondutores. É recomendável o uso de ar condicionado, onde a temperatura e a umidade são controladas dentro de níveis satisfatórios nas salas de controle com instrumentação eletrônica. É mandatório o uso de ar condicionado no ambiente com computadores digitais. Temperaturas muito baixas (criogênicas), também podem causar problemas aos circuitos eletrônicos, pela redução do ganho dos circuitos semicondutores e pelo fenômeno da supercondutividade. Por isso, a não ser que o sistema eletrônica tenho sido projetado e previsto para estas condições especiais, o seu uso deve ser evitado. Quando há vibrações, os instrumentos mecânicos são mais afetados, por possuírem peças moveis. As vibrações podem causar problemas de contato ou de ruptura dos condutores em equipamentos eletrônicos. Quantificação da confiabilidade A confiabilidade pode ser quantificada com números relacionados com os tempos envolvidos. Tem-se: 1. MTBF, que significa Mean Time Between Fails (Tempo Médio Entre Falhas). O MTBF de um dado tipo de instrumento ou sistema é determinado por teste, experiência ou ambos. Um grande MTBF é bom e depende de o fabricante do instrumento usar materiais de alta qualidade, projeto correto e cuidado na fabricação e de o usuário aplicar o instrumento para o tipo de serviço para o qual ele foi fabricado e fazer a manutenção de rotina recomendada. 2. MTTR, que significa Mean Time To Repair (Tempo Médio Para Reparar). O MTTR é determinado pela experiência. Um pequeno MTTR é bom e depende de o fabricante projetar um instrumento de fácil manutenção e de o usuário ter estocado ou conseguir rapidamente peças de reposição e ter uma equipe de manutenção bem treinada e capacitada com facilidade de acesso ao equipamento que precisa ser reparado. 3. MTFF (Mean Time First Fail - Tempo Médio Primeira Falha). Quando o instrumento é descartável, pois não pode ser reparado, a confiabilidade é dada pelo tempo para haver a primeira falha. Depois desta falha o instrumento é jogado fora e substituído por outro. 5.201 Especificação de Instrumentos Número de componentes da malha A confiabilidade é melhorada pela redução de número de elos na corrente de instrumentos. Quanto menos instrumentos tiver a malha, mais confiável ela é, pois cada instrumento individual tem algum risco de falha e contribui para o risco da falha da malha. A precisão da malha de instrumentos também depende da quantidade de instrumentos componentes. Quanto mais instrumentos tiver a malha, maior é o erro total resultante, qualquer que seja o algoritmo de cálculo. O melhor projeto de malha de instrumentos é aquele que usa o mínimo número de instrumentos para executar a tarefa requerida. Seja o mais simples possível (em inglês: KISS: Keep it simple, stupid!) Confiabilidade e redundância Deve-se ter redundância quando a falha da instrumentação na planta resulta em um risco inaceitável de perigo físico ou perda momentânea. Redundância significa fornecer um segundo elemento alternativo para executar uma função, quando o primeiro falha. A redundância pode ser aplicada a qualquer tipo de equipamento: sensor, controlador, computador, fonte de alimentação, trocador de calor, sistema completo, tubulação, cabos de comunicação. Para uma redundância ser totalmente efetiva, cada canal deve operar totalmente independente do outro. Isto significa que nenhuma simples má operação, como abertura ou fechamento incorreto de uma chave e nenhuma simples falha, como a falha de uma fonte de alimentação, possa derrubar os dois canais. Quando dois controladores são alimentados por uma única linha elétrica, eles não são totalmente independentes pois a falta de energia desliga os dois controladores. A falha de uma fonte de alimentação comum é um exemplo de falha de modo comum. A falha de modo comum pode também ser causada pela queda de um único objeto em cima de dois controladores redundantes, que desliga os dois canais. Para evitar este tipo de falha, os dois canais devem ser separados um do outro. LSH 66 LIC 66 Trip da bomba LT 66 Tanque Bomba (a) Menos LSH 67 LC 67 Trip da bomba LT 67 Tanque Bomba (b) Mais Fig. 1.4.7 Evitando transbordamento do tanque Outro modo de aumentar a confiabilidade da planta é pela diversidade. Diversidade é quando se tem dois canais fazendo a mesma coisa, mas de modos diferentes. É improvável que os diferentes canais sofram o mesmo tipo de falha. Por exemplo, a medição redundante de nível através de deslocador e de dispositivo a pressão diferencial: os dois sistemas são construídos diferentemente e tem princípios de funcionamento fisicamente diferentes. Um bom princípio de projeto para seguir em todas as plantas é separar a função normal de controle da função de segurança. Separar significa ter diferentes sensores e transmissores. A Fig.4.7(a) mostra como devem ser o sistema de controle e segurança de nível de um tanque. O controle é conseguido através de um transmissor de nível, controlador e válvula de controle. A segurança é conseguida através de uma chave de nível, que desliga o motor da bomba que enche o tanque. O controlador regula normalmente o nível do tanque e normalmente o tanque 5.202 Especificação de Instrumentos não derrama. No caso de haver alto nível por causa de um grande distúrbio, a chave de nível alto desliga a bomba e a vazão de entrada do tanque fica zero, evitando que o nível do fique excessivamente alto. O tanque não derrama. Todas as partes de um esquema provavelmente operam como o esperado. Porém, o esquema da Fig. 1.4.7 (a) tem uma fraqueza que pode potencialmente causar falha: tanto o controlador como a chave de nível dependem de um único transmissor e por isso ambos estão sujeitos a uma falha de modo comum. Na Fig. 1.4.7(b) tem-se um sistema mais confiável para evitar que o tanque derrame. Quase tudo é a mesma coisa, exceto que agora a chave de nível sente o nível diretamente e independente do controlador. Agora, se a malha de controle falhar, a chave não é afetada. Quando a chave falhar, a malha de controle não é afetada. Um bom exemplo de redundância é o homem que usa cinto e suspensório para seguras suas calças. Se o cinto falha, o suspensório segura; se o suspensório falha, o cinto segura. Tem-se um sistema de segurança com redundância, diversidade e separação. Em sistemas de medição críticos, como na indústria nuclear, os sensores são redundantes. Tem-se três sensores separados e um sistema de votação. O sistema de alarme é inicializado pelo sistema de votação um-dos-três e o desligamento é feito pelo sistema dois-dostrês. Se qualquer um dos três sensores é alto, o sistema de alarme toca para chamar a atenção do operador, que pode investigar e julgar qual ação deve ter tomada. Quando dois canais estirem altos, então o sistema é desligado automaticamente. A idéia deste sistema é que um único sinal alto pode ser aberração e falso e não deve ser considerado para se desligar o processo. Mas se a leitura alta é confirmada por uma segunda leitura, então ambas as leituras altas são consideradas válidas e o sistema é desligado automaticamente. Em sistemas mais conservativos pode-se usar um sistema de votação de dois-dos-quatro, que possuem quatro medições em vez de três. Há sistema que mede disparidades entre dois ou mais instrumentos de processo que deveriam dar a mesma indicação. Se a disparidade se torna excessiva, é atuado um alarme de disparidade, mesmo que não se detecte nenhuma falha no processo. Medições para aumentar a confiabilidade podem ser aplicadas a qualquer sistema de processo com grande perigo potencial, embora elas sejam mais usadas na indústria de energia nuclear. Há um movimento no mundo da eletrônica, incluindo instrumentos, no desenvolvimento de equipamento tolerante a falha, que possui componentes ou circuitos internos redundantes. O efeito é possibilitar o instrumento ou sistema envolvido continuar funcionando corretamente mesmo se alguma peça do instrumento ou sistema falhar. Esta técnica é usada extensivamente em alguns sistemas de controle distribuído e controle lógico programado. Para sistemas de processo importantes, pode-se fazer uma análise de falha. Análise de falha é um estudo detalhado do que pode acontecer ao processo se as várias partes do sistema de equipamento e instrumento do processo falhar. O estudo pode revelar uma necessidade de equipamento reserva (backup), uma mudança na ação de falhasegura ou outras mudanças ou pode simplesmente confirmar a adequação do sistema existente. 2.6. Disponibilidade Disponibilidade é o tempo disponível do instrumento em operação normal. É o tempo em que o instrumento está ligado, não está sob manutenção e é sabido ou acreditado que está operando corretamente. Relação de disponibilidade é relação da quantidade de tempo que um sistema está realmente disponível para uso para a quantidade de tempo que é suposto que ele esteja. Disponibilidade de dados, canais de dados e equipamentos I/O de computadores, é a condição de estar pronto para uso e não imediatamente colocado para fazer outras tarefas. A disponibilidade ou disponibilidade no tempo pode ser determinada dos 5.203 Especificação de Instrumentos parâmetros MTBF e MTTR. Disponibilidade é a fração de tempo que o instrumento ou sistema pode estar pronto para usar e para funcionar corretamente. Costuma-se definir a Disponibilidade, D, como a relação matemática: D= MTBF MTBF + MTTR A disponibilidade de um instrumento aumenta quando o MTBF aumenta e o MTTR diminui. Um instrumento muito disponível é aquele que demora em falhar e quando falha, é rapidamente consertado. Às vezes, um fabricante não pode fornecer dados para o MTBF e MTTR para calcular a disponibilidade do instrumento, principalmente para equipamentos não eletrônicos. Porém, sempre pode-se tentar estimar a disponibilidade ou julgar a qualidade aparente dos equipamentos. Quando se considera a confiabilidade na escolha de um instrumento ou projeto de um sistema, obtém-se uma planta que tende a ter pequeno custo de manutenção e poucas paradas de produção por causa de falhas de instrumentos. Estes fatores devem ser considerados na escolha de determinado tipo de instrumento em favor daquele mais confiável e disponível, mesmo que seja o de mais custo inicial. Por definição do INMETRO (Portaria 029, 10 MAR 95), calibrar e aferir são a mesma coisa e são diferentes de ajustar. Ajustar é atuar no instrumento, depois de verificado que ele está fora, durante a calibração, de modo a torná-lo exato. Ou seja, a calibração garante a exatidão do instrumento ao longo do tempo. Como o ambiente e a idade dos componentes do instrumento alteram seu desempenho, periodicamente o instrumento deve ser calibrado, para voltar a ter o desempenho metrológico desejado. Fig. 1.4.8. Calibração de instrumento pneumático A calibração confiável e válida requer: padrões rastreados procedimentos claros e escritos ambiente conhecido pessoal treinado registros documentados período de validade O intervalo entre duas calibrações sucessivas é estabelecido pelo usuário e é função de: 1. tipo de instrumento 2. recomendação do fabricante 3. severidade do ambiente 4. precisão requerida pelo processo 5. penalidade resultante da medição inexata do instrumento 6. disponibilidade do instrumento pela operação 7. exigência contratual 8. exigência legal O intervalo é dinâmico e deve ser aumentado, diminuído ou mantido em função do resultado das calibrações anteriores. Há regras de bolo (Schumacher, Grasmann) para administrar os períodos de calibração dos instrumentos. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 2.7. Calibração Calibração é a verificação, por medição e comparação com um padrão rastreado, do valor exato de cada leitura da escala de um instrumento ou do valor de sua saída ou do atributo de um elemento sensor ou de um instrumento que não possui ajuste. Curva de calibração é um registro dos dados de calibração, dando o valor correto para cada leitura indicada de um instrumento. Um ponto de calibração é aquele em que se faz uma verificação ou ajuste. Um material de referência certificado é um padrão que indica se um instrumento ou procedimento analítico está trabalhando dentro de limites prescritos ou uma solução com concentração conhecida (solução padrão) usada em instrumentação analítica. 5.204 Especificação de Instrumentos 2.8. Manutenção Manutenção é a ação e o custo de manter algo em boa condição e trabalhando em ordem. Tempo de manutenção é o tempo requerido para a manutenção corretiva e preventiva do equipamento. A manutenção correta do instrumento garante que sua precisão não piore ao longo do tempo. Mantenabilidade é a habilidade do equipamento satisfazer os objetivos operacionais com um mínimo esforço de manutenção sob condições ambientais operacionais em que a manutenção programada e não programada seja feita. Quantitativamente, a probabilidade que um item seja restaurado para condições específicas dentro de um dado período de tempo quando a ação de manutenção é feita de acordo com procedimentos e fontes prédeterminadas. A questão de se fazer o serviço na própria planta ou enviar o instrumento para o fabricante deve ser decidida pelo usuário, considerando os aspectos de custo, tempo de entrega, qualidade do produto, materiais, técnicas e know-how. Há usuários que fazem seus próprios termopares. O instrumentista corta dois comprimentos de fio termopar, por exemplo, um de ferro e outros de constantant (tipo J), enrola-os juntos com um alicate e depois solda a junta com um maçarico. O instrumentista então declara que o termopar é realmente um sensor de temperatura, ligando-o a um medidor que lê militensão. O que foi esquecido é que um termopar é realmente uma pequena bateria cuja força eletromotriz (fem) da saída varia com a temperatura. O medidor lê uma fem e não a temperatura por si. A fem medida tem de ser convertida para temperatura usando uma tabela de correlação que é levantada por laboratórios nacionais, como o NIST americano e PTB alemão. As tabelas do NIST foram levantadas experimentalmente a partir de métodos rigorosamente controlados. Um fabricante comercial tem método para montar um termopar muito mais cuidadoso que o do instrumentista. A pureza e a qualidade metalúrgica dos fios é cuidadosamente protegida para que a tabela de correlação seja válida, através de uso de alicate especial e método especial, evitando oxidação, stress termal e mudança na estrutura cristalina. Certamente o método usado pelo instrumentista em sua oficina de manutenção de instrumentos duma planta petroquímica ou siderúrgica não é tão rigoroso. Quando se compra um termopar de um fabricante conceituado, ele fornece junto do termopar a sua especificação técnica, onde é declarada sua precisão. Por exemplo, para o termopar tipo J, a precisão é de ±2,2 oC ou ±0,75% do valor medido, o que for maior. Esta precisão é garantida pelos materiais e métodos empregados pelo fabricante. Qual seria a precisão do termopar construído pelo instrumentista? Para isto ser respondido, deve-se aferir o termopar, comparando-o com um padrão certificado. Como conclusão, atualmente é raro se fazer um Fig. 1.4.9. Medições e teste em instrumento eletrônico Os gostos e desgostos do pessoal de manutenção de instrumentos também são fatores de seleção de instrumentos. Geralmente, o pessoal da manutenção de instrumentação quer instrumentos que 1. tenham suas leituras facilmente verificadas 2. possam ser calibrados no zero sem remoção do processo 3. mantenham sua calibração por longos períodos de tempo 4. possam ser instalados em locais de fácil acesso 5. sejam mantidos pelos próprios instrumentistas, sem a necessidade de enviá-los para o fabricante para reparo ou calibração. O que o pessoal da instrumentação não quer é ser pioneiro no uso de uma nova instrumentação, especialmente se eles acreditam que o trabalho possa ser feito com instrumentos que eles já conhecem. 5.205 Especificação de Instrumentos termopar, quando se quer uma medição com incerteza conhecida. O comum é comprar o termopar de fabricante conhecido e especialista e em aplicações onde há auditorias de qualidade para verificar a evidência da calibração, comprase o termopar já rastreado e certificado e com o preço muito maior. Quando a instalação de um novo sistema de medição ou controle é completada, a questão que se coloca é: quem vai fazer isto operar? A partida de um novo sistema geralmente é feita por especialista da companhia que vendeu o sistema. Porém, um dia ele vai embora e deixa a manutenção e o cuidado do sistema para o grupo de instrumentação da planta. Se este grupo não tem o know-how para fazer o trabalho ou se simplesmente ele não tem o tempo suficiente para manter o sistema operando conforme o esperado, depois de algum tempo o desempenho do sistema se deteriora até ficar totalmente inútil. O problema se complica mais ainda quando a produção depende da disponibilidade do sistema. Neste caso há chamadas freqüentes e caras do pessoal do fabricante. A capacidade de manutenção é constituída de conhecimento, tempo e aceitação de responsabilidade. Se o pessoal de manutenção não tem estes três fatores, com relação à nova instrumentação, ou não está preparado para adquiri-los, então deve-se escolher algo bem simples para fazer o trabalho. velocidade do som; tipicamente há um atraso de 0,25 segundos para cada 30 metros de tubulação de cobre de 1/4" diâmetro externo. Fig. 1.4.10. Tempo de atraso Não há limitação prática para a distancia quando o sinal transmitido é eletrônico. Por questões praticas de tamanho de industria, as distancias envolvidas na transmissão eletrônica vão até cerca de alguns kilômetros. Quando as distancias envolvidas são maiores usam-se técnicas de transmissão sem fio, através de ondas de rádio-freqüência: é o campo da telemetria, que é outro departamento da instrumentação. Por causa dos atrasos envolvidos, as distancias para a transmissão pneumática são limitadas a algumas centenas de metros, tipicamente 300 metros. As soluções, imperfeitas, para se aumentar as distancia ou diminuir os atrasos na transmissão pneumática, envolvem o uso de tubulações de cobre em vez de plástico, tubulações com maiores diâmetros, uso de 4 tubos em vez de 2, uso de posicionadores na válvula de controle e uso de amplificadores pneumáticos (booster). A característica dinâmica dos equipamentos e atualmente a base da aplicação de microprocessadores no controle de processo. As constantes de tempo dos processos industriais são tão maiores que as constantes de tempo dos equipamentos eletrônicos, que um único controlador analógico pode controlar simultaneamente todas as malhas da planta, desde que haja um conveniente 2.9. Resposta dinâmica A resposta dinâmica se refere aos tempos de atraso, às freqüência de corte e ganhos do sinal de saída em função do sinal de entrada, ambos referidos ao tempo. De modo absoluto, a resposta do instrumento eletrônico é melhor (mais rápida) que a do instrumento pneumático. Tipicamente, a ordem de grandeza dos atrasos dos instrumentos eletrônicos é de micro segundos (10-6 s) e de décimos de segundo para os instrumentos pneumáticos (10-1 s) Praticamente não há atraso na transmissão eletrônica, pois a transmissão se processa à velocidade da luz. A transmissão pneumática se processa à 5.206 Especificação de Instrumentos sistema de interface processo-controlador. Na prática, essa interface existe e consiste num sistema de multiplexagem e conversões analógico-digital e digitalanalógico. Embora a resposta dinâmica dos instrumentos eletrônicos seja rápida que a dos pneumáticos, a dinâmica do processo a ser controlado é determinante. Quando as constantes de tempo da maioria das malhas do processo são grandes (processos lentos), é compatível e aceitável o uso de instrumentos pneumáticos, principalmente, para aplicações de montagem local. Em processos que envolvem grandes distancias, o atraso da transmissão pode ser um fator decisivo e a escolha deve recair na instrumentação eletrônica. As curvas de resposta em freqüência são equivalente para ambos os sistemas, talvez com pequena vantagem para o pneumático. Tipicamente, ambos os sistemas respondem até a freqüência de 10 Hz. A vantagem do sistema eletrônico é a facilidade de variação e ajuste dessa freqüência de corte, através da substituição de capacitores, que já são componentes naturais dos seus circuitos. O ruído é um problema presente nos dois sistemas, pneumáticos e eletrônico. O ruído é uma interferência, de origem externa ou interna, que aparece misturado ao sinal de informação. O ruído é de mesma natureza física do sinal - por isso que ele interfere no sinal - e pode alterar sua informação. Em sistema pneumáticos, os ruídos são vibrações de estruturas mecânicas, vibrações ou pulsações de fluidos, tais como ar comprimido, água, vapor, líquido de processo. Essas turbulências dos fluidos podem ocorrer quando há restrições nas linhas, provocadas por válvulas de controle, placas de orifício para medição de vazão, reduções de pressão, curvas, cotovelos ou conexões de tubulações. Para se eliminar essas turbulências e ruídos, são usados o amortecimento mecânico, conseguido pelo uso de fluidos de enchimentos de diafragmas mais viscosos e os retificadores de vazão. A colocação de suportes e a melhor ancoragem das tubulações também elimina ou diminui os ruídos e perturbações. Finalmente, o dimensionamento correto de válvulas de controle, reduções e placas de orifício evita o aparecimento de cavitações, 'flacheamento" de gases e vibrações. Em sistema eletrônico, os ruídos são captados das linhas de energia, motores e transformadores, que criam campos eletromagnéticos intensos. É o chamado ruído de 60 Hz. Esse ruído é facilmente evitado pela separação física das linhas de energia das linhas de instrumentação. Quando isso não é suficiente, usam-se fios blindados e trançados e bandejas metálicas. E, de qualquer modo, os ruídos remanescentes são filtrados nas entradas dos instrumentos receptores de sinais. 5.207 Especificação de Instrumentos 3. Especificações do instrumento As especificações do instrumento incluem as 1. especificações de desempenho 2. condições de operação 3. especificações funcionais 4. especificações físicas 5. especificações de segurança 6. características opcionais 7. dimensões nominais 8. instruções para pedido A Tab. 5.5 mostra valores típicos de condições de transporte, armazenagem e operação de um transmissor eletrônico microprocessado. Tab. 1. Características desejáveis pelos usuários Característica 1 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10 11 12 Alta exatidão Alta confiabilidade (qualidade) Durabilidade – robustez Pouca e fácil manutenção Alta precisão (repetitividade) Facilidade de limpeza Suportar poeira Facilidade de instalação Facilidade de configuração Facilidade de uso Saída de 4 a 20 mA cc Resistência à intempérie 3.1. Especificações de Operação As especificações de operação consideram 1. as influências do fluido do processo 2. condições de operação de referência 3. condições de operação normal 4. limites de operação onde são estabelecidos os valores de temperatura do processo, temperatura ambiente, umidade relativa, valor da alimentação, impedância da malha para sinal analógico e digital. As condições de operação de referência são aquelas com que o instrumento foi testado e calibrado. As especificações de desempenho do instrumento são válidas para estas condições de referência. Estas faixas de operação são as mais estreitas e raramente são iguais às condições reais de processo. Os limites de operação são mais alargados que os de referência e devem ser respeitados pelo usuário. Operar o instrumento fora destes limites de operação danifica irremediavelmente o instrumento. Embora seja esquecidos pelo instrumento, os limites de transporte e armazenagem também devem ser considerados. Muitos instrumentos já chegam danificados ao usuário porque estes limites não foram respeitados pela empresa transportadora e não foram tomados os devidos cuidados pelo despachante do instrumento. A temperatura ambiente de transporte tem uma faixa pouco mais larga que a relativa à operação, a umidade relativa do ar tem os mesmos limites que os de operação. (Fonte: ISA Intech, Abr 1997) 3.2. Especificação de desempenho Introdução Desempenho é o ato de funcionamento do instrumento, de modo previsível, estável, exato, preciso e seguro. É um termo muito amplo, que inclui operabilidade, previsibilidade, precisão, exatidão, estabilidade e segurança. A operabilidade ou funcionamento inclui os parâmetros de capacidade, flexibilidade, configurabilidade, robustez, compatibilidade, intercambiabilidade e interoperabilidade. Por sua vez, a precisão inclui os parâmetros de repetitividade, reprodutibilidade, linearidade, sensibilidade, rangeabilidade, resolução, banda morta, histerese. A precisão do instrumento é mantida por sua manutenção. A estabilidade da operação inclui os parâmetros de confiabilidade, falibilidade, integridade e disponibilidade. 5.208 Especificação de Instrumentos Tab. 5.5. Condições de Transporte, Armazenamento e Operação Influência Temperatura do sensor com silicone Temperatura do sensor com fluorinert Temperatura do circuito eletrônico Opção com LCD Umidade relativa Tensão de alimentação Carga de saída com saída de mA Vibração Posição de montagem Horizontal ou para cima Condições de Operação de Referência 24 ± 2 oC 24 ± 2 oC 24 ± 2 oC 24 ± 2 oC 50 ± 10% 30 ± 0,5 V cc 650 Ω 1 m/s2 (0,1 "g") Condições de Operação Normal -29 a +82 oC -29 a +82 oC -29 a +82 oC -20 a +82 oC 0 a 100% 12,5 a 42 V cc Ver Fig. 1.4.11 0 e 1450 Ω Ver figura 0 a 30 m/s2 (0 a 3 "g") de 5 a 500 Hz Horizontal ou para cima Limites de Operação -46 e +121 oC -29 e +121 oC -40 e +85 oC -29 a +85 oC 0 e 100% 12,5 a 42 V cc Ver Fig. 1.4.11 0 e 1450 Ω Ver figura 30 m/s2 (3 "g") de 5 a 500 Hz Sem limite Limites de Armazenagem e transporte Não aplicável Não aplicável -54 e +85 oC -54 e +85 oC 0 e 100% não condensante Não aplicável Não aplicável 11 m/s2 (1,1 "g") (Na embalagem) Não aplicável Notas: 1. Embora o LCD (display de cristal líquido) não seja danificado em qualquer temperatura dentro dos Limites 2. 3. 4. 5. de Armazenagem e Transporte, as atualizações ficam mais lentas e a facilidade de leitura piora em temperaturas fora das Condições Normais de Operação Com a tampa superior colocada e as entradas dos conduítes seladas. Carga mínima de 200 é necessária para a comunicação apropriada (Ver figura). Parte molhada do diafragma sensor em um plano vertical. Ver exigências de fonte de alimentação e limites de carga (Cfr. Foxboro, PSS 2A-1A1 C, p. 3) Fig. 1.4.11. Tensão de alimentação e impedância da malha de transmissão 5.209 Especificação de Instrumentos O desempenho do instrumento é influenciado por vários fatores, como temperatura do processo e ambiente, pressão do processo e ambiente, propriedade do fluido do processo (densidade, viscosidade, condutividade elétrica, calor específico), posição do instrumento, vibração da estrutura de suporte, alimentação e ruídos externos. Nas especificações do instrumento, os parâmetros de desempenho geralmente são expressos de modo quantitativo. Exatidão Exatidão é o grau de conformidade do valor indicado para um valor verdadeiro ou ideal. Como o valor verdadeiro é desconhecido, usa se o valor verdadeiro convencional, dado por padrão reconhecidamente confiável. Para que o valor dado pelo padrão seja confiável, é necessário que o padrão seja rastreado, ou seja, comparado contra outro padrão superior também confiável. A exatidão medida é expressa pelo desvio máximo observado no teste de um instrumento sob determinadas condições e através de um procedimento especifico. É usualmente medida como uma inexatidão e expressa como exatidão. A exatidão do instrumento está relacionada com os erros sistemáticos. A exatidão do medidor é conseguida através da sua calibração periódica. Precisão Precisão (precision) é o grau de concordância mútua e consistente entre várias medições individuais replicadas. A precisão é uma medida do grau de liberdade dos erros aleatórios do instrumento. A precisão é a qualidade que caracteriza um instrumento de medição dar indicações equivalentes ao valor verdadeiro da quantidade medida. A precisão está relacionada com a qualidade do instrumento. Quando o instrumento deteriora a sua precisão, alargando a dispersão de suas medidas do mesmo valor, ele necessita de manutenção. A manutenção criteriosa do instrumento, utilizando peças originais e conservando o projeto original não melhora a precisão nominal do instrumento, fornecida pelo fabricante quando novo mas evita que ela se degrade e ultrapasse os limites originais. Geralmente, quanto mais preciso o instrumento, mais elevado é o seu custo. Um instrumento com grande precisão serve de padrão para calibração de um instrumento com menor precisão, ambos da mesma espécie. O mesmo tipo de medidor pode ter diferentes precisões em função do fabricante, projeto de construção e materiais empregados. Por exemplo, um medidor de vazão tipo turbina pode ter diferentes precisões em função de seu fabricante (Foxboro ou Hoffer), princípio de funcionamento (mecânica, detecção magnética ou de RF), geometria (axial, tangencial ou de inserção), fluido medido (gás ou líquido). Grande precisão Pequena exatidão Pequena precisão Grande exatidão Pequena precisão Pequena exatidão Grande precisão Grande exatidão Fig. 1.4.12. Precisão e exatidão Exatidão e Precisão É tentador dizer que se uma medição é conhecida com precisão, então ela é também conhecida com exatidão. Isto é perigoso e errado. Precisão e exatidão são conceitos diferentes. A precisão é uma condição necessária para a exatidão, porém, não é suficiente. 4.210 Especificação de Instrumentos Pode-se ter um instrumento muito preciso, mas descalibrado, de modo que sua medição não é exata. Mas um instrumento com pequena precisão, mesmo que ele forneça uma medição exata, logo depois de calibrado, com o tempo ele se desvia e não mais fornece medições exatas. Para o instrumento ser sempre exato, é necessário ser preciso e estar calibrado. No tiro ao alvo, quando se tem 1. todos os tiros agrupados, porém fora do centro, tem-se boa precisão e ruim exatidão, 2. todos os tiros com grande espalhamento, mas com a média no centro, tem-se ruim precisão e boa exatidão, 3. todos os tiros com grande espalhamento e com a média fora do centro, tem-se ruim precisão e ruim exatidão 4. todos os tiros agrupados e com a média coincidindo com o centro, tem-se boa precisão e boa exatidão. Outro exemplo, um relógio de boa qualidade é preciso. Para ele estar exato, ele precisa ter sido acertado (calibrado) corretamente. Desde que o relógio preciso esteja exato, ele marcará as horas, agora e no futuro com um pequeno erro. Seja agora um relógio de má qualidade e impreciso. Logo depois de calibrado, ele marcará a hora com exatidão, porém, com o passar do tempo, a sua imprecisão fará com ele marque o tempo com grandes erros. Um instrumento impreciso é também inexato. Mesmo que ele esteja exato, com o tempo ele se afasta do valor verdadeiro e dará grande erro. Precisão estática e dinâmica A precisão de uma medição existe em duas formas: estática e dinâmica. Ambos os tipos da precisão são importantes no controle e medição do processo, embora de modos diferentes. A precisão estática é geralmente requerida em situações de balanço, como em custódia, balanço de materiais e otimização de processo. A precisão dinâmica é importante em controle automático, desde que o desempenho do controle depende da velocidade com que os componentes reagem. A precisão estática é o status de como as indicações se agrupam em torno do valor verdadeiro da variável de processo senso medida sob condições estáticas ou de regime permanente. A precisão estática é uma característica saída versus entrada, a entrada sendo o valor verdadeiro da variável medida e a saída sendo a leitura do medidor. O tempo não entra na determinação da precisão estática. Quando o valor de uma variável medida se altera, o medidor tem todo o tempo que ele precisa para assumir sua nova leitura. A precisão estática é usualmente expressa em ternos do erro que se pode esperar. O erro potencial pode ser estabelecido em unidades de engenharia da variável do processo sendo medida ou em percentagem da largura de faixa medida. Especificação da precisão A precisão pode ser especificada para toda a faixa de operação, para uma faixa limitada de operação ou para um ponto especifico de trabalho. O comum é especificar a precisão associada com a rangeabilidade do instrumento. Por exemplo, a precisão do instrumento é de ±1% do valor medido para rangeabilidade de 10:1 e ±0,5% do valor medido para a rangeabilidade de 5:1. Basicamente, a precisão dos instrumentos é expressa de dois modos diferentes, como: 1. percentagem do fundo de escala 2. percentagem do valor medido As expressões em percentagem da largura de faixa ou em unidade de engenharia são equivalentes à expressão de percentagem do fundo de escala. Instrumentos com precisão expressa em percentagem do fundo de escala possuem erro absoluto constante (igual ao produto da precisão pelo valor do fundo de escala) e o erro relativo aumento com a diminuição do valor medido. Instrumentos com precisão expressa em percentagem do valor medido possuem erro relativo constante (igual ao valor nominal) e o erro absoluto diminui com a diminuição do valor medido. Instrumento com precisão expressa em percentagem do valor medido é melhor que o 4.211 Especificação de Instrumentos instrumento com precisão expressa em percentagem do fundo de escala. Erro de zero ocorre quando a curva de calibração está levemente fora do zero e faz toda a curva se afastar de igual valor. Há instrumentos que possuem a condição de zero definida e portanto não apresentam erro de zero. Erro de largura de faixa (span) ocorre quando a curva de calibração está com inclinação levemente diferente da teórica, e faz a curva se afastar de pouco no inicio e mais no fim da curva, ou seja, o erro é proporcional ao valor medido. Todo instrumento possui erro de largura de faixa ou de sensitividade. Instrumento que possui apenas erro de largura de faixa (não tem erro de zero), tem imprecisão expressa em % do valor medido. Instrumento que possui os dois tipos de erro, de zero e de largura de faixa, deve ter imprecisão expressa em % do fim de escala. A precisão expressa pelo fabricante nos catálogos do instrumento é válida apenas para o instrumento novo e nas condições de calibração. Especificação do catálogo do fabricante A especificação da precisão do instrumento publicada nos catálogos dos fabricantes, geralmente, é feita de modo ambíguo, incompleto ou confuso. Por exemplo, a precisão da medição de vazão com placa de orifício é de ± 3%. Há várias coisas erradas nesta especificação; por exemplo: 1. precisão de ±3% tecnicamente significa que o erro é de ±3% e a precisão é de ±97%. 2. independe do valor da medição, o erro é de ±3%. O correto é dizer que o erro é, no máximo, igual a ±3% ou a incerteza está dentro dos limites de ±3%. 3. a percentagem do erro deve estar relacionada com o valor medido ou com a largura de faixa. É incompleto e inútil somente escrever ±3%; o correto é dizer ±3% do fundo de escala. Quando se conhece a faixa calibrada, imediatamente se tem o erro em unidade de engenharia. Comparação da precisão Em algumas organizações, o estabelecimento da precisão do instrumento é feito em uma base específica. Para ser capaz de interpretar qualquer especificação de precisão feita é necessário entender a base. Um sistema muito usado envolve o cálculo de um número estatístico chamado de desvio padrão. A confiabilidade dos valores da precisão determinados por este método melhora quando o número de pontos de calibração aumenta. Assim, quanto maior o número de medições mais confiável é o valor do desvio padrão obtido. Quando se tem o desvio padrão de um instrumento de medição, então se espera que 99% do tempo as leituras do instrumento caem dentro de três vezes o desvio padrão do valor verdadeiro, 95% do tempo delas estão dentro de duas vezes o desvio padrão do valor verdadeiro e 68% do tempo elas estão dentro de um desvio padrão do valor verdadeiro. Sempre existe um nível de confiança ou de probabilidade para as medições caírem dentro de um determinado intervalo de medição ou de tempo. Os fabricantes de instrumento que fornecem as suas especificações, incluindo sua precisão e os laboratórios de calibração que usam padrões e especificam as incertezas da calibração devem informar claramente quais o nível de confiança e o número de desvios padrão usados. Parâmetros da precisão Os parâmetros constituintes da precisão são os seguintes: 1. linearidade 2. repetitividade 3. reprodutibilidade 4. sensitividade 5. banda morta 6. resolução 7. banda morta 8. histerese 9. quantização (se digital) 10. rangeabilidade O fabricante pode quantificar individualmente cada um destes parâmetros ou simplesmente expressar o valor final da precisão e declarar que inclui todos estes parâmetros. 4.212 Especificação de Instrumentos Linearidade A linearidade do instrumento é sua conformidade com a linha reta de calibração. Ela é usualmente medida em não linearidade e expressa como linearidade. Quando a medição é não linear aparecem desvios da linha reta de calibração. As formas mais comuns são: desvio de zero, desvio da largura de faixa e desvio intermediário, geralmente provocado pela angularidade ou pela histerese. Quando a medição é uma linha reta não passando pela origem, o instrumento necessita de ajuste de zero. Em um sistema mecânico, o desvio de zero é usualmente devido ao deslize de um elo no mecanismo. Ele pode ser corrigido pelo reajuste do zero do instrumento. Em um instrumento eletrônico, o desvio de zero é causado por variações no circuito devidas ao envelhecimento dos componentes, mudanças nas condições de contorno, como temperatura, umidade, campos eletromagnéticos. Em um instrumento eletrônico, o desvio de largura de faixa pode ser provocado, como no desvio do zero, por uma variação da característica de algum componente. Quando a medição se afasta da linha reta e os valores da medição aumentando são diferentes dos valores tomados com a medição decrescendo, o instrumento apresenta erro de histerese. Tais erros podem ser provocados por folgas e desgastes de peças ou por erros de angularidade do circuito mecânico do instrumento. O desvio intermediário envolve um componente do instrumento, alterando sua calibração. Isto pode ocorrer quando uma parte mecânica é super forçada ou pela alteração da característica de um componente eletrônico. O desvio no instrumento eletrônico ou pneumático mecânico pode ser compensado e eliminado pela inspeção periódica e calibração do instrumento. A vantagem de se ter uma curva linear de calibração é que a leitura do instrumento se baseia somente um fator de conversão. Quando a curva é não linear: 1. usa se uma escala não-linear, com a função matemática inversa (impossível em indicadores digitais), 2. incorpora-se um circuito linearizador antes do fator de conversão, 3. usa se uma lógica para avaliar a relação não linear e gravam-se os pontos na memória digital (ROM, PROM) do instrumento, fazendo-se a linearização por segmentos de reta ou por polinômios. repetitividade A repetitividade de um instrumento é a sua habilidade de reproduzir a mesma saída, quando a entrada é repetida. A repetitividade de uma malha de controle é a habilidade de toda a malha (transmissor, controlador, transdutor, atuador) reproduzir o sinal de controle, quando são repetidas as condições do processo. Quando o instrumento é não repetitivo sua curva de resposta para valores crescentes é diferente da curva para valores decrescentes. Saída Linha reta nominal % f. s. % v. m. Faixa de tolerância Ponto onde % f. s. = % v. Entrada Fig. 1.4.13. Expressão da linearidade Quando a medição é uma linha reta, passando pelo zero porém com inclinação diferente da ideal, o instrumento necessita de ajuste de largura de faixa ou de ganho. Um desvio de largura de faixa envolve uma variação gradual na calibração, quando a medição se move do zero para o fim da escala. Pode ser causada, em um sistema mecânico, pela variação na constante da mola de uma das partes do instrumento. 4.213 Especificação de Instrumentos durante um longo período de tempo. A reprodutibilidade inclui repetitividade, histerese, banda morta e drift. Sensitividade A sensitividade do medidor é a menor alteração na variável de processo para a qual o medidor irá responder alterando sua saída. A sensitividade é usualmente expressa como uma percentagem da largura de faixa. Nenhum medidor industrial possui sensitividade infinita. Quando a alteração da variável do processo sendo medida se torna cada vez menor, atinge-se um ponto onde o medidor se recusa a responder. Grande sensitividade não garante grande precisão, mas uma grande sensitividade reduz as demandas do sistema do display e aumenta a probabilidade de se conseguir alta precisão total do sistema. Uma sensitividade de 1 mV/oC é melhor que uma de 1 µV/ oC, pois é mais fácil manipular 1 mV do que 1 µV, como amplificar ou filtrar ruídos. A maioria dos medidores industriais possuem uma sensitividade da ordem de 0,2% da largura de faixa. Assim, para um medidor cuja faixa é de 100 a 300 oC, a sensitividade seria de 0,2% de 200 oC, que vale 0,4 oC. Isto significa que se a variação da temperatura medida for menor que 0,4 oC, o medidor não irá responder. Se a faixa acima pudesse ser diminuída para 150 a 250 oC, a sensitividade da medição seria melhorada para 0,2 oC (0,2% x 100 oC = 0,2 oC). A sensitividade da medição é importante para o controle automático. Se o sistema de medição do controlador não reage às alterações na variável controlada, então o controlador não gerará nenhuma ação de controle. Fig. 1.4.14. Curva de repetitividade Reprodutibilidade Reprodutibilidade tem vários sentidos: 1. American Society for Testing and Materials (ASTM), a reprodutibilidade mede a habilidade de um segundo instrumento obter a mesma indicação de um termômetro usando o mesmo sensor e o mesmo método mas com equipamentos de teste diferentes. 2. Usuário: reprodutibilidade é a capacidade do sistema de medição indicar a mesma condição termal repetidamente e com a substituição de um novo sensor, sem olhar a precisão da temperatura absoluta. 3. Como parâmetro da precisão, reprodutibilidade é a habilidade de um instrumento dar a mesma medida toda vez que ele medir o mesmo valor. A reprodutibilidade é uma expressão do agrupamento da medição do mesmo valor da mesma variável sob condições diferentes (método diferente, instrumento diferente, local diferente, observação diferente), durante um longo período de tempo. A perfeita reprodutibilidade significa que o instrumento não apresenta desvio, com o decorrer do tempo, ou seja, a calibração do instrumento não se desvia gradualmente, depois de uma semana, um mês ou até um ano. Pode-se também entender a reprodutibilidade como a repetitividade 4.214 Especificação de Instrumentos Saída qo ∆qo ∆qi sensitividade = a resolução de cinco vezes, de 5 para 1 oC. Esta melhoria é devida parcialmente a uma largura de faixa menor e parcialmente ao fato de se usar divisão de 1 oC em vez de divisão de 5 oC. ∆qo ∆qi (a) Menor resolução, menor precisão Entrada qi Fig. 1.4.15. Expressão da sensitividade Em muitos casos, a alta sensitividade dos instrumentos eletrônicos pode aumentar a chance de haver interferências e captação de ruídos. Por exemplo, sistema de medição de pH que manipulam níveis de tensão de microvolts são muito susceptíveis a ruídos. A sensitividade é também a relação da variação do valor de saída para a variação do valor de entrada que a provoca, após se atingir o estado de regime permanente. É expressa como a relação das unidades das duas quantidades envolvidas. A relação é constante na faixa, se o instrumento for linear. Para um instrumento não-linear, deve-se estabelecer o valor da entrada. O inverso da sensitividade é o fator de deflexão do instrumento. Resolução Quando o ponteiro está entre duas graduações, qual é o valor correto? Sempre há um limite prático de número de graduações que podem ser marcadas em uma dada escala ou gráfico, por exemplo, 100. Um medidor com uma faixa de 0 a 300 oC normalmente tem uma escala com 100 divisões, com cada divisão representando 3 oC. Os valores aceitáveis para as divisões da escala são 1, 2 e 5 unidades ou algum fator de 10 destes valores. Deste modo, um indicador com faixa de 0-300 oC provavelmente tem 60 divisões na escala, com cada divisão representando 5 oC. Se a faixa pudesse ser diminuída para 100 a 200 oC, seriam usadas 100 divisões e cada divisão seria de 1 oC, que melhora (b) Maior resolução, maior precisão Fig. 1.4.16. Réguas com resoluções diferentes Sejam duas réguas, de mesmo tamanho, porém a régua (b) tem mais divisões entre os números. Assim, enquanto se lê 6,2 na régua (a) pode-se ler 6,25 na régua (b). Na primeira régua, o dígito 2 é duvidoso e na segunda, o dígito 2 é garantido e o duvidoso é o 5. Não se deve pensar que há uma função entre a resolução e precisão. Qualquer instrumento pode ser feito com maior resolução, simplesmente expandindo sua escala e colocando mais graduações ou mais dígitos. Isto não melhora sua precisão. Um medidor honesto é aquele em que a resolução é comparável com a precisão. O indicador de nível de combustível de um automóvel é usualmente graduado em pontos de 25%. Como tal, ele é um bom exemplo de um instrumento honesto, desde que sua precisão provável é também de cerca de ±25%. Seja um indicador compartilhado de temperatura, com um indicador compartilhado por dezenas de termopares. Este indicador tem uma longa escala circular com um grande número de graduações, gerando uma grande confiança na precisão do instrumento. Esta confiança é justificada? Os sensores que estão ligados ao indicador multiponto de temperatura são termopares. Assim, o indicador não mede 4.215 Especificação de Instrumentos temperatura mas pequenas forças eletromotrizes ou militensões. Cada militensão deve ser convertida para uma leitura de temperatura usando uma correlação entre a saída do termopar e a temperatura. (Nos EUA, esta correlação é produzida pelo National Institute of Standards and Technoogy - NIST). Um indicador de temperatura multiponto numa siderúrgica tem uma faixa de 0 a 1200 oC, com divisões de escala de 2 oC. Isto significa que o indicador pode ler 1 oC, que é a maior resolução sobre uma faixa de 1200 oC. A precisão da medição da temperatura é tão boa assim? Como um instrumento para medir militensão, a precisão do indicador de temperatura é boa; o erro é provavelmente melhor do que 0,2 % da largura de faixa ou dentro de 2,4 oC. Porém, ainda fica a dúvida acerca do comportamento do termopar e a correlação temperatura x militensão do NIST. Os fabricantes que fazem termopares do modo cuidadoso e sob condições controladas, publicam as especificações de seus termopares como tendo uma precisão ±2,2 oC ou ±0,75 do valor medido (tipo J). Assim, o indicador de temperatura tem um erro de ±7 oC em qualquer temperatura medida. Quando se consideram também os erros devidos aos fios de extensão de termopar e à junta de compensação, o erro total da malha chega até a 20 oC e por isso não tem nenhum sentido prático usar uma escala com resolução de ±2 oC. Quando o indicador multiponto de temperatura é substituído por um display de console de computador a precisão não melhora, por que os sensores continuam sendo os termopares, a correlação continua sendo a da NIST, os fios de extensão continuam sendo usados. Como conclusão, sempre deve se considerar a incerteza de toda a malha. É inútil e desperdício de dinheiro, usar um instrumento de display de painel com grande resolução (alto custo) quando se tem associado a ele uma malha com sensor e condicionador de sinal com incerteza muito maior que a do indicador. E quem faz a leitura do display deve saber o que está gerando e trazendo esta informação para o display. Quantização O tratamento digital dos sinais analógicos provenientes das medições do processo sempre resulta em um erro, chamado de erro de quantização. Por isso a precisão de um instrumento digital é expressa em % do valor medido (ou % do fundo de escala) ± n dígitos. Este ±n dígitos que é o erro de quantização. O erro de quantização se refere a leitura digital e resulta do fato de tornar discreto o valor de saída da medida. O melhor modo de entender o erro de quantização, inerente a todo instrumento digital que sempre possui uma incerteza de ±n dígitos em sua leitura é o erro da idade de uma pessoa. Assim que uma criança nasce, sua idade é expressa em dias. A idade expressa em dias tem erro em horas. No primeiro ano, a idade passa a ser expressa em meses. A idade expressa em meses em erro de quantização de semanas ou dias. Depois de uns 4 ou 5 anos, a idade da criança passa a ser expressa em anos e o erro de quantização passa a ser de meses. No dia do seu aniversário, a pessoa tem idade exata em anos, meses e dias. Logo depois do aniversário, por exemplo de 40 anos, a pessoa tem 40 anos. Um mês depois do aniversário, a idade continua de 40 anos, mas o erro de quantização é de um mês. Um mês antes de fazer 41 anos, a pessoa ainda tem 40 anos, mas o erro da idade já é de 11 meses. Então, a idade da pessoa sempre tem um erro, pois sua expressão é discreta; aumentando de 1 em 1 ano, passando de 40 para 41 anos. Banda Morta O efeito da banda ou zona morta aparece quando a medição cai nas extremidades das escalas. Quando se mede 100 volts, começando de 0 volt, o indicador mostra um pouco menos de 100 volts. Quando se mede 100 volts, partindo de 200 volts, o ponteiro marca um pouco mais de 100 volts. A diferença das indicações obtidas quando se aproxima por baixo e por cima é a zona morta. O erro de zona morta é devido a atritos, campos magnéticos assimétricos e folgas mecânicas. Rigorosamente zona morta é diferente de histerese, porém, a maioria 4.216 Especificação de Instrumentos das pessoas consideram zona morta e histerese o mesmo fenômeno. Na prática, a aplicação repentina de uma grande voltagem pode causar um erro de leitura, pois o ponteiro produz uma ultrapassagem (overshoot), oscila e estabiliza em um valor. Se a última oscilação ocorreu acima do valor, a indicação pode ser maior que o valor verdadeiro; se ocorreu abaixo do valor, a indicação pode ser menor que o valor verdadeiro. O bom projeto do instrumento e o uso de materiais especiais para suportes, magnetos e molas, pode reduzir a zona morta. Um modo efetivo para diminuir o efeito da zona morta é tomar várias medições e fazer a média delas. Rangeabilidade Tão importante quanto à precisão e exatidão do instrumento, é sua rangeabilidade. Em inglês, há duas palavras, rangeability e turndown para expressar aproximadamente a extensão de faixa que um instrumento pode medir dentro de uma determinada especificação. Usamos o neologismo de rangeabilidade para expressar esta propriedade. Para expressar a faixa de medição adequada do instrumento define-se o parâmetro rangeabilidade. Rangeabilidade é a relação da máxima medição sobre a mínima medição, dentro uma determinada precisão. Na prática, a rangeabilidade estabelece a menor medição a ser feita, depois que a máxima é determinada. A rangeabilidade está ligada à relação matemática entre a saída do medidor e a variável medida. Instrumentos lineares possuem maior rangeabilidade que os medidores quadráticos (saída do medidor proporcional ao quadrado da medição). Fig. 1.4.17. Escala raiz quadrática, rangeabilidade 3:1 Na medição de qualquer quantidade se escolhe um instrumento pensando que ele tem o mesmo desempenho em toda a faixa. Na prática, isso não acontece, pois o comportamento do instrumento depende do valor medido. A maioria dos instrumentos tem um desempenho pior na medição de pequenos valores. Sempre há um limite inferior da medição, abaixo do qual é possível se fazer a medição, porém, a precisão se degrada e aumenta muito. Por exemplo, o instrumento com precisão expressa em percentagem do fundo de escala tem o erro relativo aumentando quando se diminui o valor medido. Para estabelecer a faixa aceitável de medição, associa-se a precisão do instrumento com sua rangeabilidade. Por exemplo, a medição de vazão com placa de orifício, tem precisão de ±3% com rangeabilidade de 3:1. Ou seja, a precisão da medição é igual ao menor que 3% apenas nas medições acima de 30% e até 100% da medição. Pode-se medir valores abaixo de 30%, porém, o erro é maior que ±,3%. Por exemplo, o erro é de 10% quando se mede 10% do valor máximo; o erro é de 100% quando se mede 1% do valor máximo. 4.217 Especificação de Instrumentos baixa é pequeno, tem rangeabilidade de 100:1. Histerese A histerese ocorre quando a saída de um sistema de medição depende do valor prévio indicado pelo sistema. Tal dependência pode ser provocada por alguma limitação realística do sistema, como atrito e amortecimento viscoso em partes móveis ou carga residual em componentes elétricos. Alguma histerese é normal em algum sistema e afeta a precisão do sistema. A histerese afeta a repetitividade, quando há histerese não se tem repetitividade. Fig. 1.4.18. Precisão em percentagem do fundo de escala, rangeabilidade de 3:1 Não se pode medir em toda a faixa por que o instrumento é não linear e tem um comportamento diferenciado no início e no fim da faixa de medição. Geralmente, a dificuldade está na medição de pequenos valores. Um instrumento com pequena rangeabilidade é incapaz de fazer medições de pequenos valores da variável. A sua faixa útil de trabalho é acima de determinado valor; por exemplo, acima de 10% (rangeabilidade 10:1), ou de 33% (3:1). Em medição, a rangeabilidade se aplica principalmente a medidores de vazão. Sempre que se dimensiona um medidor de vazão e se determina a vazão máxima, automaticamente há um limite de vazão mínima medida, abaixo do qual é possível fazer medição, porém, com precisão degradada. Em controle de processo, o conceito de rangeabilidade é também muito usado em válvulas de controle. De modo análogo, define-se rangeabilidade da válvula de controle a relação matemática entre a máxima vazão controlada sobre a mínima vazão controlada, com o mesmo desempenho. A rangeabilidade da válvula está associada à sua característica inerente. Na válvula linear, cujo ganho é uniforme em toda a faixa de abertura da válvula, sua rangeabilidade é cerca de 10:1. Ou seja, a mesma dificuldade e precisão que se tem para medir e controlar 100% da vazão, tem se em 10%. A válvula de abertura rápida tem uma ganho muito grande em vazão pequena, logo é instável o controle para vazão baixa. Sua rangeabilidade vale 3:1. A válvula com igual percentagem, cujo ganho em vazão Fig. 1.4.19. Histerese 3.3. Especificações funcionais As especificações funcionais consideram 1. tipo do sinal de saída, se analógico ou digital 2. ação da saída, se direta ou inversa 3. tipos de ajuste de supressão ou elevação de zero 4. tipos e modos de amortecimento dos sinais manipulados 5. limites de faixa largura de faixa e sobrefaixa aceitável sem danificar o instrumento 6. limites da pressão estática do instrumento, para os diferentes sensores 7. pressão de prova (proof pressure), que é aplicada em teste do instrumento conforme norma SAMA 27.1. O instrumento pode ficar sem funcionar logo depois deste teste. 8. tempo de resposta do instrumento, depois de ligado. Atualmente, poucos instrumentos eletrônicos requerem 4.218 Especificação de Instrumentos tempo de aquecimento (warm up) para operar em regime permanente. 9. posição de montagem. Instrumentos mecânicos ou cujo princípio de funcionamento envolve a aceleração da gravidade devem ter definida a posição de uso. A calibração do instrumento deve ser feita na mesma posição que ele irá operar no processo, quando a posição afeta seu desempenho. 10. fiação de alimentação e de sinal, definindo suas trajetórias, terminais, separação, tipos de tampas e modos de acesso. 11. exigências e limitações da alimentação do instrumento. Os transmissores eletrônicos podem operar com uma larga faixa de tensões de alimentação, em função da impedância da malha, do valor do sinal de saída e do uso do terminal de programação portátil. Geralmente, estes valores são mostrados em um gráfico com saída (mA) versus tensão de alimentação (V cc). Pelo gráfico, para uma determinada impedância da malha, a tensão pode variar em uma faixa ou para uma determinada tensão, a impedância pode variar em uma faixa. Por exemplo, para 24 V cc e sinal de saída de 4 a 20 mA, a impedância da malha pode variar de 200 a 565 Ω. 12. Comunicações remotas. Com o advento dos transmissores inteligentes, o sinal de saída pode ter vários formatos (protocolos). 13. proteção contra alta voltagem e transientes 14. faixa de freqüência do sinal de entrada Sensor Limites de faixa B C D E Sensor kPa -50 e +50 -210 e +210 MPa -0,21 e +0,21 -0,21 e +0,21 inH20 -200 e +200 -840 e +840 psi mbar -500 e + 500 -2100 e +2100 -2,1 e +2,1 -2,1 e +2,1 bar -30 e +30 -30 e +30 Nota 1. O sinal (-) significa que há uma pressão maior no lado de Baixa do que no lado de Alta. Nota 2. O sinal (+) significa que há uma pressão maior no lado de Alta do que no lado de Baixa. 3.4. Especificações físicas As especificações físicas definem as dimensões, peso, cor e materiais das peças secas e molhadas do instrumento. Plaqueta de identificação A plaqueta de identificação, chamada de tag pelo instrumentista, é de aço inoxidável, afixadas de modo permanente e difícil de ser tirada, com dados do processo e do instrumento escritos indelevelmente. Ele tem um tamanho padronizado pelo fabricante que pode ser alterado a pedido do usuário, a um custo extra. Aliás, tudo que não seja padrão do fabricante deve ser pago adicionalmente pelo usuário. Geralmente há uma limitação de caracteres por linha da etiqueta e cuidado, que espaço também tem tamanho. Nesta plaqueta deve ter: 1. nome e logotipo do fabricante 2. número de série do instrumento (serial) 3. modelo completo do instrumento, em um código alfanumérico compreensível apenas pelo pessoal envolvido 4. dados do processo, como temperatura, pressão, propriedades do fluido 5. dados do instrumento, como sinal de saída, alimentação, faixa calibrada, URL do sensor (limites físicos de calibração) Proteção contra o ambiente A classificação mecânica do invólucro, segundo normas IEC IP ou NEMA. Por exemplo, instrumento a prova de tempo, vedado a pó, resistente à corrosão como definido por IEC IP 65 e NEMA tipo 4X. Esta proteção ambiental não tem nada a Especificações funcionais Tab. 5.6. Limites de largura de faixa Sensor Limites de largura de faixa B C Sensor kPa 0,87 e 50 7 e 210 MPa inH20 3,5 e 200 28 e 840 psi mbar 8,7 e 500 70 e 2100 0,7 e 21 7 e 210 bar ou kgf/cm2 D E 0,07 e 2,1 0,7 e 21 10 e 300 100 e 3000 Tab. 5.7. Limites de faixa 4.219 Especificação de Instrumentos ver com a classificação elétrica do instrumento, que evita que a presença do instrumento cause uma explosão ou incêndio no local. Materiais 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 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. 3.5. Especificação de segurança Segurança Segurança é a extensão em que um sistema é provido com facilidade que excluem perigos a pessoas, equipamentos da planta e ambiente. A segurança depende da exclusão de e proteção contra choques elétricos, temperaturas excepcionalmente elevadas, radiação, emissão de gases perigosos ou venenosos, explosão e implosão e fogo. Os aspectos de segurança são em geral sujeitos a regras bem definidas e rigorosas para aprovação. Seguridade (security) é a existência e causa de técnicas que restringem acesso a dados e a condições sob as quais os dados podem ser obtidos. É a habilidade de um sistema de potência elétrica responder adequadamente a distúrbios que aparecem dentro do sistema. Segurança e saúde Nos Estados Unidos da América, o assunto que envolve segurança e saúde ocupacionais é de lei. Em 29/12/70 foi promulgada pelo Congresso a lei publica 91-596 do OSHA (Occupational Safety and 4.220 Especificação de Instrumentos Health Act). Este ato define o local seguro para todos os americanos trabalharem nele. O OSHA afeta todos profissionais envolvidos em projeto. Os engenheiros, arquitetos e construtores de equipamentos e prédios devem incluir em seus planos e projetos tudo que deva satisfazer as normas de segurança e saúde, a fim de evitar as penalidades pelo seu não cumprimento. As penalidades podem ser as de refazer os projetos, alterar prédios e equipamentos já acabados, pagar pesadas multas financeiras e até fechar plantas. O OSHA compreende sete grandes áreas: local do trabalho, maquina e equipamentos, materiais, empregados, fontes de energia, processos e regras administrativas. O OSHA incorpora as normas existentes elaboradas por outras organizações privadas ou governamentais, como NFPA (National Fire Protection Association), ANSI (American National Standards Institute) API (American Petroleum Institute), ASME (American Society of Mechanical Engineers), ASTM (American Society for Testing and Materials), NEMA (National Electrical Manufacturers Association), AEC (Atomic Energy Commission) e outras. De um modo simplificado, o instrumento é construído por um fabricante, especificado por uma firma de engenharia e aplicado pelo usuário final. Quando se considera essa cadeia de eventos: fabricação, especificação e uso do instrumento, há cuidados que devem ser considerados para garantir a integridade e funcionamento do instrumento. Deve ser entendido e aceito que um instrumento, antes de desempenhar sua função desejada, deve sobreviver. Nenhum amontoado de sofisticação na sua fabricação ou especificação compensa a incapacidade do instrumento viver em um ambiente hostil. Há duas razões fundamentais para justificar a harmonia de cooperação na fabricação, especificação e uso do instrumento: segurança e economia. A segurança de um local pode ser comprometida com a simples presença de um instrumento. É o caso do uso de um instrumento elétrico de uso geral, em um local onde existe um gás flamável ou explosivo. Em casos menos aparentes, um processo pode falhar ou se romper, por causa de um instrumento mal especificado. Essa ruptura pode desprender alguma coisa indesejável às pessoas ou aos equipamentos que estejam próximos, tais como pressão, vapor, gás tóxico, liquido corrosivo ou pó explosivo. Isso pode provocar mortes, danos físicos, perda de materiais e de equipamentos. O instrumento, em virtude de sua natureza funcional, pode ser o elo mais frágil em uma linha de processo, com relação à capacidade de conter o processo rigoroso e resistir à corrosão. A economia, embora menos visível, é também fundamental. É quase impossível colocar em números o quanto custa a corrosão do instrumento. Porem, é fácil entender que ela custa a todos. A corrosão custa ao fabricante, em termos de vantagem de competição, ela custa ao usuário final em termos de manutenção, paradas forçadas, mau funcionamento do instrumento e pobre eficiência do processo e finalmente, ela custa ao consumidor por causa do maior custo final do produto. Classificação de Área De um modo geral, diz-se que uma área industrial é perigosa quando nesse local é processado, armazenado, transportado e manuseado material que possua vapor, gás ou pó flamável ou explosivo. Como isso é vago e pouco operacional, classifica-se uma área perigosa considerando todos os parâmetros relacionados com o grau de perigo, atribuindo-lhe números e letras relacionados com Classe, Grupo e Zona (Divisão). A Classe da área se relaciona com o estado físico da substância: gás (I), pó (II) e fibras (III). O Grupo é uma subdivisão da Classe. Ele é mais especifico e agrupa os produtos de mesma Classe, levando em consideração as propriedades químicas relacionadas com a segurança: temperatura de auto-ignição, nível de energia necessário para a combustão, mínima corrente e tensão elétricas de ignição, velocidade de queima de chama, facilidade de vazamento entre 4.221 Especificação de Instrumentos espaçamentos, estrutura química, pressão final de explosão. Zona expressa a probabilidade relativa do material perigoso estar presente no ar ambiente, formando uma mistura em concentração perigosa. As normas européias e a brasileira se referem a três zonas: Zonas 0, 1 e 2. As normas americanas se referem à Divisão e definem apenas duas áreas: Divisão 1 (Zonas 0 + 1) e Divisão 2 (Zona 2). Zona 0 é um local onde a presença do gás perigoso é praticamente constante ou 100%. Tipicamente, é o interior de um tanque ou de uma vaso. Zona 1 é um local de alta probabilidade relativa de haver gás. É um local onde pode existir o gás, mesmo em condição normal de operação do processo. Zona 2 é um local de pequena probabilidade relativa da presença do gás. É um local onde a existência do gás só ocorre em condição anormal do processo, como ruptura de flange, falha de bomba. Mesmo que a probabilidade da presença do gás seja pequena, Zona 2 é ainda uma área perigosa. O local que não é nem Zona 0, 1 ou 2 é por exclusão e definição, área segura. Exemplo clássico de área segura é a sala de controle. Porem, há normas relacionadas com as condições interiores da sala de controle para garantir sua segurança. Essas normas estabelecem e exigem a pressurização da sala, vedação das portas e janelas, selos nos cabos que se comunicam com as áreas classificadas, ventilação e temperatura adequadas. A classificação de área é de responsabilidade exclusiva do usuário final, pois apenas ele pode garantir a observância de normas de operação, manutenção, bem como de fazer inspeções periódicas no local. O conhecimento da classificação da área é fundamental e é o ponto de partida para a especificação correta dos instrumentos. A especificação do instrumento, encaminhada do fabricante pela firma de engenharia ou pelo pessoal do processo da planta, deve determinar claramente qual a classificação do local onde será montado o instrumento: Classe, Grupo e Zona. Instrumento Elétrico Na pratica e no presente trabalho, instrumento elétrico e eletrônico possuem o mesmo significado. Instrumento elétrico é todo aquele que, por algum motivo, recebe uma alimentação elétrica. Geralmente são alimentados com 110 V, ca ou 24 V, cc. O sinal padrão de transmissão em corrente é de 4-20 mA cc. Em instrumentação, há ainda circuitos que envolvem termopares, resistência para determinação de temperatura, células de carga, eletrodos de pH. São circuitos que geram sinais de militensão continua e que são polarizados com tensões de alguns volts. Para efeito de classificação elétrica, o enfoque é mais amplo. Por exemplo, um registrador pneumático ou mecânico, com acionamento elétrico do gráfico é considerado como instrumento elétrico. Quando se incorporam alarmes acionados eletricamente por microchaves a instrumentos mecânicos ou pneumáticos, também se muda sua classificação para elétrica. Finalmente, a opção extra de aquecimento elétrico, quando se tem, o risco de congelamento ou quando se quer reduzir a viscosidade do fluido de enchimento, torna-se o instrumento envolvido em elétrico. Como conclusão, instrumento elétrico é todo aquele que incorpora um circuito funcional ou auxiliar de natureza elétrica. Classificação de Temperatura A eletricidade, por causa do efeito Joule, pode provocar aquecimento. A alta temperatura, por sua vez, pode se constituir em fonte de energia, capaz de inflamar ou provocar explosão de determinada mistura ar + gás perigoso. Em vista desses fatos, todo instrumento elétrico deve também possuir uma classificação de temperatura. A classificação de temperatura está relacionada com a máxima temperatura que a superfície ou qualquer componente interno do instrumento pode atingir, em funcionamento normal, quando a temperatura ambiente é de 40oC. Foram estabelecidas e definidas seis classes de temperatura, mostradas na Tab. 5.8. 4.222 Especificação de Instrumentos Tab.5.8. Classificação de Temperatura Classe T1 T2 T3 T4 T5 T6 Temperatura (oC) 450 300 200 135 100 80 seguro. Por isso os principais laboratórios de teste e certificação, Factory Mutual e Underwriters, são suportados por companhias de seguro, particulares. No Canadá, porém, o governo federal está envolvido. É contra a lei canadense energizar qualquer equipamento operado eletricamente a não ser que ele tenha sido certificado para uso por um laboratório governamental, que é o CSA (Canadian Standards Association). O CSA é um laboratório suportado pelo governo, cuja diretiva é garantir que os equipamentos oferecidos para venda ao público são realmente seguros para serem usados. Embora a maior parte do trabalho do laboratório pareça considerar os equipamento elétricos, também são considerados materiais de construção, conexões e outros produtos. O CSA funciona testando produtos em seus laboratórios, enviando inspetores qualificados para examinar produtos e publicando normas. O CSA não tem autoridade para escrever leis, porém, é possível e muito provável que qualquer estado canadense (província) requeira que produtos ou trabalhos estejam de conformidade com uma determinada norma CSA, que, em efeito, torna esta norma uma lei. Muitos inspetores estaduais não se sentem qualificados para avaliar a segurança de instrumentos de processo construídos por cartões de circuito integrados, chips de microprocessadores e por isso eles requerem que os instrumentos tenham certificação CSA. Se um produto tem um selo CSA, ele passa. Se ele não tem o selo CSA, ele é devolvido. A obtenção de um certificado CSA não é muito fácil. Antes de tudo, o CSA tem muitos instrumentos para certificar. Um instrumento do modelo a ser certificado deve ser submetido a teste de laboratório para verificar sua segurança causada por falha elétrica. O instrumento pode ser destruído durante o processo do teste. Finalmente, o CSA tem tanto trabalho, que um teste e sua certificação podem levar mais de um ano para serem realizados. A situação brasileira é teoricamente igual à do Canadá. Aqui há o Labex, no Cepel. A classe de temperatura do instrumento deve ser marcada na sua plaqueta de identificação. Equipamentos cujas superfícies ou componentes não excedem a 100 oC não necessitam de marcação explícita (Classes T5 e T6). Para se usar um instrumento elétrico em área perigosa é importante se comparar sua classe de temperatura com a mínima temperatura de auto-ignição do gás presente. É obvio que a máxima temperatura alcançada pelo instrumento deve estar abaixo da mínima temperatura de auto-ignição do gás presente. A norma brasileira (ABNT EB 239) estabelece que a temperatura máxima que o instrumento pode alcançar deve ser igual ou menor que 70% da mínima temperatura de ignição do gás flamável. Certificação da Classificação Elétrica Todo instrumento que tenha alguma alimentação elétrica deve ter uma classificação elétrica associada com sua segurança. A presença de um instrumento elétrico em um local não pode aumentar o risco de haver explosão ou incêndio no local. Em outras palavras, a presença do instrumento em um local não pode aumentar o perigo deste local. Este problema de segurança está envolvido, principalmente em plantas que processam produtos flamáveis. Quando há vapores, gases, pós e fibras em um local, em condição normal ou devido a um vazamento anormal, o instrumento elétrico pode fornecer a fonte de ignição necessária para criar uma explosão ou um incêndio. Isto já aconteceu. Há diferenças filosóficas nos enfoques tomados com este problema em função do país. Nos Estados Unidos da América, a questão da segurança do equipamento alimentado eletricamente é uma questão entre o usuário e sua companhia de 4.223 Especificação de Instrumentos Classes de proteção O instrumento elétrico, mesmo de uso geral em área segura, deve prover proteção pessoal contra choque elétrico, contra efeito de temperatura excessiva, contra propagação de fogo, contra os efeitos de explosão ou implosão, contra os efeitos de ionização e radiação de microondas, pressão de ultra-som. Um instrumento elétrico para uso em área perigosa deve prover todas as proteções dos instrumentos de uso geral mais a proteção contra a ignição da atmosfera externa. Qual a classificação da área, quais as normas aplicáveis e qual a aprovação da agência de teste: tudo isso deve ser definido e informado para a compra de um instrumento elétrico. Há vários tipos de proteção para evitar que um instrumento elétrico provoque ignição ou explosão de misturas gasosas perigosas. Qualquer proteção é aceitável, desde que o instrumento seja adequadamente instalado e todas as instruções mencionadas nos certificados e relatórios sejam seguidas. Deve ser levado em conta que a classificação elétrica do instrumento deve garantir que a sua simples presença não compromete a segurança do local. As normas de segurança nada dizem, nem poderiam dizer, acerca do funcionamento operacional do instrumento de controle. Fundamentalmente, há duas grandes categorias de proteção: 1) Há explosão, porem a explosão é confinada ou controlada no interior do instrumento, de modo que não se propaga para o seu exterior. Por exemplo, prova de explosão (ou prova de chama). 2) Não há explosão. Nesse caso, pode se evitar a explosão ou cuidando-se da mistura gasosa (purga/pressurização) ou cuidando-se da fonte de energia (segurança intrínseca e não acendível). Prova de explosão ou prova de chama Prova de explosão (linguagem norte americana) ou prova de chama (linguagem européia) é uma técnica de proteção alternativa que permite a ocorrência de uma explosão no interior do instrumento. Porem, o invólucro do instrumento é tão resistente que a explosão fica confinada no seu interior. De outro modo, o instrumento à prova de chama possui aberturas de escape de modo que, quando houver um incêndio no seu interior, a chama é resfriada quando vai para fora. Embora os enfoques sejam diferentes, o resultado final é o mesmo: a explosão ou a chama no interior do instrumento não se propaga para a área externa. Em qualquer situação há segurança, o instrumento continua operando normalmente, sem interrupção, mesmo com a ocorrência de explosão ou chama no seu interior. O instrumento não é, não pode e nem precisa ser, totalmente vedado e contem em seu interior um circuito elétrico perigoso. As superfícies do instrumento que estão em contato direto com a atmosfera flamável exterior devem ter a máxima temperatura abaixo da temperatura de ignição da mistura gasosa especifica. A prova de explosão é uma técnica geralmente aplicada a instrumentos ou equipamentos de pequeno volume físico. Extensivamente, pode ser aplicada a motores, luminárias, conexões. O instrumento deve ter uma marcação que o identifique como tal. Deve ainda haver advertências relacionadas com a operação e manutenção do instrumento. O instrumento à prova de explosão só pode ser aberto ou desligado eletricamente ou quando se garante, por analisadores locais, que não há a presença do gás perigoso no local de montagem do instrumento. Fig. 1.4.20. Invólucro á prova de explosão Um instrumento à prova de explosão pode ser usado normalmente em Zona 2 em todas as Classes e Grupos e em Zona 1, com algumas restrições de Grupos. Não se pode usar instrumento à prova de explosão em Zona 0. Purga ou pressurização Na pratica e para efeito de proteção, purga (vazão) e pressurização (pressão) possuem o mesmo significado. A proteção é conseguida pela aplicação de uma pressão positiva em relação à pressão 4.224 Especificação de Instrumentos externa, através da vazão de um gás inerte ou ar puro, no interior da caixa do instrumento. Esta pressão interna positiva impede a entrada dos gases perigosos existentes na atmosfera circundante. A pressurização impede o contato da mistura perigosa com a fonte de ignição. A pressão aplicada é da ordem de 5 a 10 mm de coluna d’água. Um instrumento com purga pode ser usado em Zona 1 ou Zona 2, dependendo do tipo do circuito interior, se de uso geral ou não acendível. Dependendo da Zona do local e do tipo do circuito interno, são necessárias salvaguardas adicionais ao sistema de pressurização, tais como, chaves de desligamento com abertura da porta, temporizadores, portas trancada, fusíveis, pressostatos. A técnica de purga/pressurização pode ser aplicada a instrumentos de grande volume, onde a técnica de prova de explosão é impraticável. Segurança intrínseca Um sistema intrinsecamente seguro é constituído pelo equipamento e sua respectiva fiação, onde a energia elétrica ou térmica é insuficiente para provocar a ignição ou explosão de uma mistura gasosa especifica, em condições normais e anormais determinadas. A segurança intrínseca inclui considerações combinadas de limitação de tensão (diodos Zener), limitações de corrente (resistores e fusíveis) e máxima indutância e capacitância reais e parasitas da carga e da fiação. O sistema se baseia na colocação de barreira de energia elétrica entre o local seguro e o local perigoso. Desse modo, o sistema inclui equipamentos montados na área perigosa e alguns equipamentos (geralmente a barreira de energia) montados na área segura. No sistema podem ser combinados instrumentos de fabricantes diferentes, porem, todos os equipamentos com aprovação devem ter certificados do mesmo laboratório de teste. Pelo próprio principio, o conceito de segurança intrínseca só se aplica a sistema de instrumentação de controle de processo e de comunicação, que naturalmente podem operar com baixo nível de energia. Os instrumentos intrinsecamente seguros podem ser montados em Zona 2, 1 e até Zona 0. Fig. 1.4.21. Sistema com segurança intrínseca Os instrumentos com classificação de segurança intrínseca devem ter marcação que os identifique como tais. Na plaqueta de aprovação deve haver a recomendação de que a segurança pode ser perdida com a substituição não criteriosa de alguns componentes críticos. Não acendível e outros Um circuito não acendível pode conter componentes que produzam faísca em condições normal, porem, a energia entregue por tais componentes é limitada a valores incapazes de provocar ignição na mistura perigosa especifica. O circuito não acendível só é seguro em condição normal de operação. O instrumento não acendível só pode ser usado em Zona 2, sem restrições. Quando usado em Zona 1, deve ser pressurizado com gás inerte. Circuito não-faiscadores contem componentes que não produzem faísca em operação normal. Isso é conseguido através de encapsulamento de componentes, imersão em óleo. Circuito com segurança aumentada envolvem componentes de equipamento com selagem, encapsulamento, dupla isolação, espaçamentos maiores que os normais, resistência à corrosão e controle de qualidade mais severo e individual. Critérios da classificação elétrica A classificação elétrica do instrumentos deve ser compatível com a classificação do local perigoso. Um principio básico comum a todos os tipos de proteção e aceito por todos é o de que há segurança quando e somente quando são providos dois eventos independentes, cada um de baixa probabilidade, entre a probabilidade de haver a presença do gás perigoso com a 4.225 Especificação de Instrumentos probabilidade de falha do equipamento elétrico. Desse modo, há segurança nos seguintes casos combinatórios: 1) Local seguro (probabilidade zero de haver gás perigoso) com um instrumento de uso geral (probabilidade 1 de haver fonte perigosa). 2) Local de Zona 2 (pequena probabilidade de haver gás) com um instrumento não incenditivo (pequena probabilidade de falhar). 3) Local de Zona 1 (grande probabilidade de haver gás) com um instrumento intrinsecamente seguro (só se torna inseguro quando houver duas falhas independentes e de pequena probabilidade individual). 4) Local de Zona 1 (grande probabilidade de haver gás) com um instrumento não incenditivo (pequena probabilidade de falha) com pressurização (pequena probabilidade de falha no sistema de pressão). 5) Local de Zona 1 (grande probabilidade de haver gás) com um instrumento de uso geral (grande probabilidade de perigo) com pressurização (pequena probabilidade de falha) e com salvaguarda adicional, tal como colocação de pressostato (pequena probabilidade de falha). De qualquer modo, em um local com determinada classificação só pode ser montado um instrumento elétrico que possua uma classificação elétrica e de temperatura, marcada em sua etiqueta e compatível com a do local. Obviamente, um instrumento para Zona 1 pode ser usado em Zona 2, assim como um instrumento para Grupo B pode ser usado em Grupo C e D. Porem, qualquer exagero de classificação do instrumento é inconveniente. Só se deve usar um instrumento com classificação elétrica especial quando exigido, pois a classificação elétrica especial pode custar mais e principalmente, exige cuidados de operação e manutenção mais rigorosos e restritivos. Há vários aspectos relacionados com a segurança do controle do processo e a instrumentação: 1. projeto incorreto do sistema, 2. mau funcionamento dos equipamentos e 3. presença dos instrumentos no local. Quando o sistema é mal projetado, ele não funcionará, quer seja pneumático, quer seja eletrônico. E o mau projeto pode levar o sistema para uma condição insegura. A probabilidade de um instrumento pneumático levar o sistema bem projetado para uma situação perigosa, por causa de seu mau funcionamento é equivalente à do instrumento eletrônico. A probabilidade da presença do instrumento pneumático provocar um incêndio ou uma explosão num local perigoso é praticamente zero e por isso não há nenhuma restrição de uso de instrumentos pneumáticos em áreas classificadas, onde há a presença de gases, pós e fibras inflamáveis e explosivas. O instrumento eletrônico pode constituir a fonte de energia suficiente para provocar o incêndio ou a explosão de atmosferas perigosas. Deste modo, a não ser que o instrumento eletrônico tenha uma classificação elétrica e de temperatura de conformidade com a classificação do local onde ele é instalado, é vedado o seu uso em locais perigosos. Para tornar permitido e seguro o uso de instrumentos eletrônicos em áreas perigosas foram desenvolvidas técnicas especiais e alternativas de proteção, incorporadas aos seus circuitos e aos seus invólucros. As técnicas de proteção mais conhecidas e usadas são: à prova de explosão ou de chama, a purga ou a pressurização e a segurança intrínseca. 4.226 Especificação de Instrumentos Tab. 5.9. Tipos de Proteção para Equipamentos Elétricos Tipo de Proteção Uso geral Prova de explosão ou de Chama Segurança aumentada Segurança intrínseca Hermeticamente selado Encapsulamento (potting) Não incenditivo (no-sparking) Imersão em óleo Pressurização ou Purga Enchimento de areia Especial Placa protegida Respiração restrita Instalação Ex d e i h m n o p q s IEC 79-0 79-1 79-7 79-11 3-36 79-5 31-49 79-6 79-2 e 79-13 79-5 Suíça BS 4137 79-14 NBR 9518 5363 9883 8446/8447 Não aceita 8601 169 EUA NEC UL 698/886 Não aceita NFPA 493/UL 913 FM 3610 EN 50017 UL 698 NFPA 496 e ISA 12.4 Não aceita 158 NFPA 70 e ISA RP 12.6 IGNIÇÃO EVITADA Sem fonte de energia Segurança intrínseca Segurança aumentada Controle da atmosfera flamável Controle da concentração Isolação da fonte Encapsulamento Não incenditivo Seleção do local Imersão em óleo Purga ou pressurização Enchimento de areia Controle da composição Respiração restrita Fig. 1.4.21. Classes de proteção 227 Especificação de Instrumentos Tab. 5.10. Especificações de Segurança do Produto Laboratório de Teste, Tipo de Proteção e Classificação de Área CENELEC, Segurança intrínseca, Gás Grupo IIC, Zona 0 CENELEC, Prova de chama, Gás Grupo IIC, Zona 1 Europa, não faiscador, Zona 2 CSA, Segurança intrínseca, Classe I, Divisão 1, Grupos A, B, C e D, Classe II, Divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 1 CSA, Prova de explosão para Classe I, Divisão 1, Grupos B, C e D e a prova de ignição de pó para Classe II, Div. 1, Grupos E, F e G e Classe III, Div. 1 CSA, Não incenditivo para Classe I, Divisão 2, Grupos B, C e D e a prova de ignição de pó para Classe II, Div. 1, Grupos E, F e G e Classe III, Div. 2 FM, Segurança intrínseca, Classe I, Divisão 1, Grupos A, B, C e D, Classe II, divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 1 FM, Prova de explosão para Classe I, Divisão 1, Grupos B, C e D e a prova de ignição de pó para Classe II, Div. 1, Grupos E, F e G e Classe III, Div. 1 FM, Não incenditivo para Classe I, Divisão 2, Grupos B, C e D e a prova de ignição de pó para Classe II, Divisão 1, Grupos E, F e G e Classe III, Divisão 2 Condições de Aplicação Classe de Temperatura T4-T6 Classe de Temperatura T6 Classe de Temperatura T4-T6 Classe de Temperatura T6 em ambiente máximo de 40 oC e T4 em ambiente máximo de 85 oC Código E D N C Ligar a fonte não excedendo 42,4 V. Classe de Temperatura T6 em ambiente máximo de 40 oC e T4 em ambiente máximo de 85 oC Classe de Temperatura T6 em ambiente máximo de 40 oC e T4 em ambiente máximo de 85 oC Classe de Temperatura T6 Ligar a fonte não excedendo 42,4 V. Classe de Temperatura T6 em ambiente máximo de 40 oC e T4 em ambiente máximo de 85 oC F 228 Especificação de Instrumentos 4. Corrosão dos Instrumentos 4.1. Tipos de Corrosão De um modo simplificado, a corrosão é o ataque destrutivo sofrido por um material e causado por um produto químico. Os engenheiros de corrosão conhecem de 50 a 60 tipos diferentes de corrosão, embora as diferenças entre alguns tipos sejam mais técnicas do que praticas. Sob o ponto de vista de instrumentação3 são importantes e mais encontradas três modalidades de corrosão: química, galvânica e ruptura por tensão (stress cracking). A corrosão química é, muito simplesmente, o que o nome implica: o produto químico de ataque dissolve ou reage com o material com o qual ele está em contato direto. Essa é a corrosão que ocorre com as partes molhadas que estão em contato com o processo industrial. A corrosão galvânica ocorre quando dois metais diferentes são colocados em contato e expostos a uma solução condutora. O efeito final é a destruição do metal mais reativo e proteção do metal menos reativo. Essa propriedade pode ser usada, beneficamente, para proteção contra corrosão. A corrosão galvânica pode ocorrer em tubulações com isolação térmica , simplesmente se forem usados dois metais levemente diferentes, por exemplo, aço carbono e aço inoxidável, um para o tubo interno e outro para o externo. A corrosão galvânica pode ainda acontecer entre diferentes partes de um mesmo metal. Ou seja, quando se tem um mesmo material, porem, com diferentes níveis de tensão mecânica, com efeitos térmicos de solda ou de tratamento, com impurezas, pode se ter a corrosão galvânica entre suas partes. A corrosão galvânica é mais importante para as partes do instrumento expostas à atmosfera. A corrosão por ruptura de tensão é a falha do metal devida à combinação da tensão mecânica e um ambiente corrosivo especifico. Ela é a causa de muitas falhas em ligas metálicas. A corrosão por ruptura de tensão ocorre comumente em materiais metálicos que entram em contato com produtos de exploração de petróleo, óleo ou gás, que possuam enxofre ou acido sulfídrico como impurezas. 4.2. Corrosão nos instrumentos Os resultados da corrosão de um instrumento dependem tanto do tipo da corrosão como do tipo ou função do instrumento. Para efeitos didáticos pode-se dividir em duas grandes categorias as falhas resultantes da corrosão: contenção do processo e funcionais do instrumento. A válvula de controle e alguns medidores de vazão contem em seu interior o próprio processo a ser controlado,. com todos os seus rigores. Quando tais instrumentos sofrem corrosão, de modo a perder sua integridade física, a linha onde o instrumento está montado certamente vaza produto para o exterior. Os resultados desse tipo de falha podem variar desde um pequeno inconveniente, facilmente reparável, até um prejuízo pessoal, envolvendo fogo e explosão, com perda de vidas e destruição de equipamentos. As falhas funcionais podem, ainda, ser de dois tipos distintos: 1) perda total da função, exigindo reparo ou substituição do instrumento completo ou 2) perda parcial da função, que pode resultar na queda da eficiência do processo. A falha funcional parcial pode, inclusive, ficar totalmente desconhecida durante grandes períodos de tempo ou degradar continua e vagarosamente a eficiência do processo. Os fatores que estimulam e aumentam a corrosão são: não homogeneidade dos metais, solda imprópria, acabamento rugoso, tensão mecânica, impureza, maior concentração na solução eletrolítica, solução gasosa na fase liquida, turbulência, uso de metais muito diferentes, presença de oxigênio, maior umidade e mofo. Os fatores que inibem a corrosão são: melhor acabamento, alivio de tensões mecânicas, passivação de metais e revestimento de superfícies e proteção catódica. Alias, a proteção catódica é feita por métodos envolvendo 229 Especificação de Instrumentos eletricidade e portanto há restrições de aplicação, quando aplicada em área perigosas classificadas. lugar, há diferenças de composição da matéria prima, há diferentes fornecedores de materiais, há variações não controladas de pressão e temperatura. O material para um simples tanque é selecionado considerando-se a corrosão tolerável durante toda sua vida útil. As coisas se complicam quando se seleciona material das partes de um instrumento. Os materiais devem ser resistentes à corrosão e paralelamente devem satisfazer as necessidades funcionais, tais como resistência mecânica, constante de mola, flexibilidade, ductilidade e elasticidade. Muitas vezes, se reconhece que determinado material é o mais indicado para uma aplicação corrosiva, porem, ou ele não é processável ou suas propriedades inerentes não satisfazem a tarefa a que seria destinado. Depois de escolhido o material mais adequado, os procedimentos de fabricação envolvem tratamentos térmicos, manipulação física das peças, com cortes, usinagem e acabamento que podem estimular ou inibir a corrosão. 4.3. Partes molhadas As partes molhadas pelo processo são geralmente os elementos sensores, selos, poços de temperatura, bulbos, internos das válvulas e o interior de alguns medidores de vazão. As partes molhadas devem suportar temperatura e pressão extremas e devem resistir ao ataque corrosivo dos produtos químicos manipulados. O principal problema é que os produtos de processo aparecem em uma variedade infinita e os materiais de construção não. Para piorar a situação, a corrosão das partes molhadas geralmente provoca falha do tipo contenção do processo, cuja conseqüência é a pior possível. Para evitar ou limitar a ocorrência da corrosão, quatro áreas devem ser consideradas: seleção de materiais, procedimento de fabricação, projeto do sistema e inspeção de campo. As partes envolvidas continuam sendo as três já mencionadas: fabricantes, engenheiro de especificação e usuário. A seleção do material é a mais complexa das áreas a serem definidas, tanto por causa da atribuição da responsabilidade como pelo problema em si. Pela lei de Paretto, 10% das aplicações envolvem cerca de 90% dos problemas. Mesmo que isso possa ser considerado uma pequena percentagem, é necessária e suficiente uma única má aplicação para causar um número elevado de problemas e grandes prejuízos. O problema da seleção do material poderia parecer de fácil solução, pois todo técnico tem conhecimento de tabelas de corrosão4, que mostram como se comporta um determinado material na presença de certo produto químico. Seria apenas uma fácil e simples questão de casamento do processo com o material do instrumento. Infelizmente as coisas não ocorrem de modo tão simples., É difícil o próprio conhecimento do processo real. Certamente se conhece o principal produto, porem, há subprodutos, contaminantes variáveis com o tempo e o Fig. 1.4.23. Corrosão em conexão metálica A responsabilidade da escolha do material, porem, é do usuário final. O fabricante não tem nenhum controle sobre o que acontece aos instrumentos depois que eles são entregues ao usuário. Apenas o usuário final tem condições de fazer as sucessivas inspeções aos equipamentos, essenciais à garantia da integridade dos instrumentos. 4.4. Materiais de revestimento Alem do material de fabricação, é interessante a aplicação de materiais de 230 Especificação de Instrumentos revestimento. É uma pratica comum o revestimento de cápsula de transmissor, por causa de um dos seguintes motivos: 1) proteção contra corrosão provocada pelo fluido do processo ou 2) proteção contra aderência e deposição dos produtos sólidos, também provocada pelo fluido do processo. Um produto típico para revestimento de superfícies de contato é o Ryton (Phillips Petroleum Co) porque apresenta uma boa resistência à corrosão e tem a habilidade de formar uma película fina, não porosa. Em algumas aplicações que envolvam fortemente oxidantes, tais como flúor, cloro, acido nítrico, o Ryton não é recomendado. A alternativa ideal é o uso de Kel-F ( Kellogg) para finas de corrosão. Kel-F é um polímero de trifluoretileno. O revestimento de teflon (E.I. Du Pont de Nemours) é excelente para aplicações onde se quer evitar a deposição de materiais lodosos. Embora o teflon seja inerte à maioria dos produtos corrosivos, o seu revestimento não é adequado para proteção da corrosão da cápsula, por causa da dificuldade de se conseguir uma camada fina e não porosa. instrumento não estejam submetidas às condições desfavoráveis do ambiente externo e do processo, elas possuem uma função muito mais importante. Assim, a corrosão da tampa ou mesmo do corpo de um transmissor provavelmente não afetará sua operação, enquanto que uma leve deposição de material orgânico na sua cápsula ou no seu conjunto bico-palheta, pode introduzir erros grosseiros de medição ou transmissão. Geralmente, não se pode usar revestimento de proteção nas partes internas do instrumento. Barras de força, elos de ligação, foles, conjuntos bicopalheta, molas, flexores, fulcros de apoio, todas essas peças não podem ter nenhum tipo de revestimento que lhes daria maior resistência à corrosão, por causa de suas funções associadas ao principio de funcionamento. A resistência dessas peças é provida apenas pelo material e seu acabamento. 4.6. Instrumentos pneumáticos Do ponto de vista de corrosão, os instrumentos pneumáticos levam vantagem nítida sobre os correspondentes instrumentos eletrônicos. A razão é simples: há sempre um suprimento de ar puro ao instrumento, geralmente suficiente para manter a sua caixa purgada dos materiais contaminados externos. Mesmo assim, quando aplicável, é necessária a seleção de materiais especiais, principalmente dos elementos sensores. Algo que deve ser considerado é a tubulação de interligação do sistema pneumático. Os instrumentos pneumáticos são alimentados e interligados por tubos, tipicamente de cobre (caro, porem mais fácil de ser trabalhado) aço inoxidável, aço carbono ou plástico. A presença de um instrumento pneumático não compromete a segurança, quando usado em locais perigosos. Não faz sentido, por exemplo, associar o instrumento pneumático puro com o conceito de prova de explosão. 4.5. Partes expostas ao ambiente O invólucro do instrumento deve ser de um material que resista à corrosão ambiental e também deve prover as necessidades estruturais. O invólucro é sempre protegido pelo seu próprio acabamento. Superfícies polidas resistem melhor à corrosão que as rugosas. A tendência atual para materiais de caixa de instrumentos é na direção dos plásticos. O plástico tem demonstrado um desempenho satisfatório em vários ambientes nocivos. Muitos técnicos ainda pensam, erradamente, que os invólucros à prova de explosão devam ser metálicos. Também é muito comum a associação das vantagens do metal com as do plástico: tem-se uma caixa metálica, excelente para fins estruturais, revestida com produto plástico, adequado para resistir à corrosão química. As partes internas do instrumento apresentam problemas diferentes daqueles das partes em contato com o processo e da caixa do instrumento. Embora as peças internas do 4.7. Instrumentos eletrônicos A corrosão ocorre em muitas áreas da instrumentação eletrônica. Ela pode ocorrer na isolação dos cabos, nos 231 Especificação de Instrumentos contatos elétricos, nos conectores e chaves. Os componentes passivos e ativos podem se deteriorar, por causa da corrosão através de seus encapsulamentos ou terminais. Os circuitos impressos, usados para suportar e interligar os componentes, podem ser corroídos, principalmente por respingos e ataque de produtos químicos. A corrosão do circuito impresso pode provocar, inclusive, a pior falha possível: a falha intermitente. Esta falha é aquela prevista pela lei de Murphy: ela não aparece na hora do teste e manutenção mas somente quando o instrumento está em operação e provoca prejuízo ao processo. Os primeiros instrumentos eletrônicos apresentam uma proteção inerente à sua natureza: fonte de calor no seu interior. Essa fonte de calor natural tornava baixíssima a umidade relativa do ar dentro do instrumento. Infelizmente, o progresso do uso de circuitos integrados a semicondutores reduziu tremendamente a potência dos circuitos, aumentou sua versatilidade e eficiência, porem tirou a maior proteção à corrosão do circuito, que era o calor. A proteção dos circuitos eletrônicos, componentes, circuitos integrados, circuitos impressos e contatos, nas condições do processo é um grande desafio. Há soluções mecânicas: uso de ouro em contatos de precisão e há soluções eletrônicas: uso de chaves estáticas a semicondutores e sem contatos moveis. O encapsulamento dos componentes críticos torna o modulo encapsulado inerte a muitas atmosferas nocivas, alem de diminuir a influência da umidade e da temperatura ambientes. É uma boa pratica de proteção o revestimento de todo o circuito eletrônico da placa5. Há vários materiais apropriados para tal revestimento: silicone, epoxy e poliuretano. Quando seco e curado, tal revestimento é transparente, estável e resistente à abrasão e à corrosão de vários produtos. A escolha do produto, a espessura e o número de camadas protetoras são funções do tipo do ambiente, da umidade relativa e da temperatura. Em locais de alta temperatura ambiente e elevada umidade relativa, como nos trópicos, fala-se da tropicalização do circuito eletrônico. Este termo nunca foi claramente definido e historicamente, foi primeiro usado em equipamentos militares. Na tropicalização, nenhum componente é modificado ou protegido individualmente, mas a placa do circuito é totalmente revestida por uma resina de poliuretano. Tal resina é transparente, inerte à umidade e principalmente, não nutriente para fungos. A principal desvantagem de todos esses revestimentos de proteção e tropicalização aparece quando se faz manutenção. Geralmente, é necessário destruir parte do revestimento durante a manutenção. Obviamente, deve se ter cuidado na remoção da proteção, para não se danificar o circuito impresso, principalmente quando se usa ferro de solda de grande potência. Depois da manutenção, é necessária nova aplicação do revestimento para recuperar a proteção ou tropicalização do circuito. Às vezes se usa ventilador externo para a dissipação de calor de alguns equipamentos, como a fonte de alimentação. Nessas aplicações, deve se anular a possibilidade do ventilador ser um agente concentrador de impurezas e causador de corrosão aos componentes do circuito. É recomendado o uso de um sistema de alarme, para indicar a falha do ventilador. Outra pratica para diminuir os efeitos do ambiente industrial é a fabricação de duas caixas de ligação nos transmissores eletrônicos. Uma caixa aloja o circuito eletrônico e raramente é aberta no campo. Na outra, separada da primeira caixa, há o bloco terminal de ligações, onde se requer maior número de aberturas para a manutenção. Ambas as caixas são seladas e vedadas à entrada de umidade e de atmosferas corrosivas. Deve ser entendido que uma caixa vedada à entrada de umidade, o é também para a saída de condensados. Se por algum motivo houve entrada de água no interior da caixa, essa água ficará retida no instrumento e certamente interferirá no seu funcionamento. A solução é proteger a entrada de água, através de selos nos 232 Especificação de Instrumentos conduítes de ligação e da tampa. Quando a entrada da água é causada pela remoção da tampa do instrumento, a recomendação é o uso de sílica gel no interior da caixa, que deve ser renovada periodicamente. Outra alternativa é a de se fazer a manutenção do instrumento em horários com menor umidade relativa, tipicamente no começo e no fim do dia. aplicação com pressão acima de 20 kg/cm2, o hidrogênio pode vazar diretamente através da parede do diafragma de aço inoxidável de um transmissor. Quando se remove ou se reduz a pressão estática do processo, o hidrogênio difuso no interior da cápsula danifica-a. O método de proteção é revestir a superfície do diafragma da cápsula com uma finíssima camada de ouro. A nova superfície criada prove um potencial eletroquímico suficiente para aumentar a dissociação e adicionalmente, oferece uma estrutura mais densa que dificulta a difusão do íon H+. Estatisticamente, uma cápsula de aço inoxidável normal, submetida à pressão de 20 kg/cm2, em atmosfera de hidrogênio dura cerca de 1 a 5 semanas. Quando, nas mesmas condições, usa se uma cápsula de aço inoxidável revestida de ouro, a duração da cápsula passa para vários anos. O revestimento de ouro representa a melhor solução disponível para a aplicação de hidrogênio. Porem, sempre deve se ter bem claro tal revestimento não é por questão de corrosão, mas apenas impedir ou diminuir grandemente a penetração do hidrogênio no interior da cápsula. Serviço com Cloro O cloro, nas condições ambientais de temperatura e pressão, é um gás pesado, de cheiro pungente, verde-amarelo (patriota?), altamente tóxico aos animais de sangue quente. É um forte agente oxidante. Para efeito de manipulação e corrosão, o cloro seco é bem comportado. Tipicamente, o cloro seco é armazenado em tanque de aço carbono. Quando o cloro é úmido, poucos materiais comerciais podem lhe resistir satisfatoriamente. Em instrumentação, os materiais de interesse são: prata, tungstênio, tântalo e Hastelloy C (Haynes Stellite). O instrumento para trabalho com cloro deve ser limpo, montado, calibrado e embalado em sala limpa. O eventual liquido de enchimento é também isento de hidrogênio e tipicamente se usa o fluorolube ou fluorinert. 4.8. Processos Marginais Serviço com Oxigênio O oxigênio puro, quando na presença de traços de óleo e poeira, pode provocar incêndio. Por isso, qualquer equipamento que possa entrar em contato direto com o oxigênio deve ser manipulado em sala especial de limpeza. O instrumento é limpo, montado, calibrado e embalado em condições de limpeza especiais. Suas peças de reposição são empacotadas individualmente em sacos de polietileno e são manuseadas sempre com luvas de polietileno. O material de limpeza usado normalmente é o tricloroetileno. Adicionalmente, alem da ausência de lubrificação, quando a cápsula do transmissor possui liquido de enchimento, deve se cuidar da natureza desse liquido. O fluido normal de enchimento é o silicone DC 200 (Dow Corning). Quando há a possibilidade de vazamento ou entrada de contato do silicone com um meio oxidante (oxigênio, cloro, acido nítrico, e.g.) deve se usar um fluido especial, totalmente livre de hidrogênio. Recomenda-se o uso de fluorlube ( Hooker Chemical), que é um polímero de cloreto de trifluorvinil. Esse novo liquido de enchimento, embora apresente segurança, sob o ponto de vista de medição apresenta uma grande variação da viscosidade com relação à variação da temperatura do processo e ambiente. Assim, seu uso é recomendado para faixas de temperatura de -20 oC a +10 oC e em condições aceitáveis entre +10 oC e +45 oC. Serviço com Hidrogênio O gás hidrogênio puro, em alta pressão estática, é uma aplicação difícil, pois ele é capaz de vazar através de diminutos buracos e através de pares finíssimos. Em 233 Especificação de Instrumentos A seleção da válvula que manipula cloro é controversa. A filosofia da pratica de proteção, porem, é comum a vários processos corrosivos. Ou se usam equipamentos baratos com materiais pouco resistentes e tem-se manutenção e substituição freqüentes ou se usam equipamentos caríssimos com materiais resistentes, com manutenção e substituição de peças pouco freqüentes. Aplicando-se tal filosofia na manipulação de cloro, pode-se ter: válvula barata de corpo de ferro fundido, com haste de aço inoxidável, com planejamento de substituição em curtos períodos ou válvula de Hastelloy com selo de teflon para evitar a entrada do cloro no seu interior, sem necessidade de troca de peças ou equipamentos. Serviço com traços de enxofre Quando um material metálico, principalmente o aço, entra em contato com carboidratos com traços de enxofre, é possível o aparecimento do acido sulfídrico (H2S). Tal produto se torna agudamente tóxico acima de 100 ppm e considerado o segundo gás comercial mais perigoso (o campeão é o acido cianídrico, HCN). Desde que 85% do petróleo do mundo, inclusive o do Brasil, possuem traços ou alta percentagem de enxofre, a manipulação segura desses materiais interessa tanto ao fabricante como ao usuário final. Nos Estados Unidos há uma norma6 de NACE, que é um guia completo para a seleção de materiais para resistir à corrosão. Seu objetivo é o de limitar os materiais metálicos que estão diretamente expostos aos produtos de petróleo que contenham enxofre ou já o acido sulfídrico. A NACE não certifica o material, mas apenas define as especificações de alguns materiais. Embora seja custoso e demorado, novos materiais podem ser analisados. Os materiais comumente envolvidos são: aço carbono, aço inoxidável de várias classes, monel Hastelloy e Havar. A norma se refere à construção de elementos sensores, selos, parafusos, poço termal, conjuntos distribuidores de contorno e equalização de vazão. Os tratamentos especiais que os materiais são submetidos podem comprometer a sua resistência original. Ou seja, um parafuso construído de conformidade com a norma NACE MR-0175, Classe I e Classe II (expostos diretamente à atmosfera nociva) tem uma menor resistência que o normal. O projetista e usuário do equipamento devem conhecer a menor resistência do parafuso e aplicá-lo adequadamente. A norma NACE MR-01-75 deve ser aplicada a todo equipamento exposto a produtos com enxofre e que fica sujeito à corrosão do tipo ruptura por tensão pelo enxofre. A ruptura do material seria extremamente perniciosa, pois impediria o equipamento de ser reparado sob pressão, tornaria perigoso qualquer sistema sob pressão e comprometeria o funcionamento básico do instrumento. A observância da norma evita o aparecimento da corrosão tipo ruptura por tensão do enxofre. O equipamento construído com material de conformidade com a norma deverá ser marcado com NACE MR-01-75. Apostila\Instrumentação Especifica.DOC 10 DEZ 98 (Substitui 15 ABR 95) 234 3 Variáveis 0. Introdução 1. Pressão 2. Temperatura 3. Vazão 4. Nível 235 3.0 Variáveis do Processo Objetivos de Ensino 1. Conceituar quantidades físicas de quantidade, energia, propriedades, intensivas, extensivas, variáveis, constantes, contínuas, discretas, mecânicas, elétricas, dependentes e independentes. 2. Apresentar os conceitos e notação da função e da correlação. Mostrar a função linear. 3. Apresentar os conceitos básicos e as unidades das principais variáveis de processo, como pressão, temperatura, vazão e nível. 4. Listar e descrever os principais mecanismos de medição, de natureza mecânica e eletrônica, mostrando as vantagens e desvantagens para fins de seleção. 5. Descrever os cuidados para a instalação, interpretação dos dados coletados e a necessidade de uso de acessórios. Fig. 3.1.1. Elementos sensores e medidores das variáveis de processo (Foxboro) 236 Variáveis de Processo 1. Variáveis de Processo 1.1. Introdução A variável de processo é uma grandeza física que altera seu valor em função de outras variáveis e principalmente em relação ao tempo. O objetivo do controle de processo é o de manter uma variável constante ou, no mínimo, variando dentro de certos limites estabelecidos. Antes de ser controlada, uma variável deve ser medida, dentro de uma classe de precisão requerida pelo pessoal do processo. A partir da medição da variável, o operador de processo pode efetuar o controle manual, como aumentar uma pressão, diminuir uma temperatura, encher um tanque (nível) ou fechar uma válvula (vazão). Em sistema de controle automático, o sinal medido é contínua e automaticamente comparado com um valor de referência e este erro é usado como função de controle, sem a interferência do operador humano. Em um processo industrial típico, mais de 90% das medições envolvem apenas quatro variáveis: pressão, temperatura, vazão e nível. As outras variáveis menos comuns incluem: posição, condutividade, densidade, análise, pH e vibração. qualitativo foram recentemente transferidas para a classe de quantidade, como eficiência, informação e probabilidade. 1.3. Dimensões Dimensão é uma característica da quantidade que pode ser definida quantitativamente. Para descrever satisfatoriamente uma quantidade para um determinado objetivo, as dimensões de interesse devem ser identificadas e representadas numericamente. Cada dimensão é medida em unidades. A unidade tem um tamanho relativo e subdivisões que são diferentes entre os diversos sistemas de medição. Pode-se somar ou subtrair somente quantidades de mesma dimensão, sendo a dimensão do resultado igual à dimensão das parcelas. Pode-se multiplicar ou dividir quantidades de quaisquer dimensões e a dimensão do resultado é o produto ou divisão das parcelas envolvidas. É possível se ter quantidades adimensionais, definidas como a divisão ou relação de duas quantidades com mesma dimensão; o resultado é sem dimensão ou adimensional. Uma quantidade adimensional é caracterizada por seu valor numérico. Exemplo de quantidade adimensional é a densidade relativa, definida como a divisão da densidade de um fluido pela densidade da água (líquidos) ou do ar (gases). O valor numérico da quantidade, associado à unidade é também adimensional. Em matemática as quantidades geralmente são tomadas sem dimensão. 1.2. Conceito Quantidade é qualquer coisa que possa ser expressa por um valor numérico e uma unidade de engenharia. Por exemplo, massa é uma quantidade física expressa em kilogramas; velocidade é uma quantidade expressa em metros por segundo e densidade relativa é uma quantidade física adimensional. O círculo não é uma quantidade física, pois é caracterizado por uma certa forma geométrica que não pode ser expressa por números. O círculo é uma figura geométrica. Porém, a sua área é uma quantidade física que pode ser expressa por um valor numérico (p. ex., π, 5) e uma unidade (p. ex., metro quadrado). Muitas noções que antes eram consideradas somente sob o aspecto 237 Variáveis de Processo 2. Tipos das Quantidades As quantidades possuem características comuns que permitem agrupá-las em diferentes classes, sob diferentes aspectos. Quanto aos valores assumidos, as quantidades podem ser variáveis ou constantes, contínuas ou discretas. Sob o ponto de vista termodinâmico, as variáveis podem ser intensivas ou extensivas. ou podem ser variáveis de quantidade ou de qualidade. Com relação ao fluxo de energia manipulada, as variáveis podem ser pervariáveis ou transvariáveis. Sob o ponto de vista de função, as variáveis podem ser independentes ou dependentes. Obviamente, estas classificações se superpõem; por exemplo, 1. a temperatura é uma quantidade variável contínua de energia intensiva, transvariável; 2. a corrente elétrica é uma variável contínua de quantidade, extensiva e pervariável. Para se medir corretamente uma quantidade é fundamental conhecer todas as suas características. A colocação e a ligação incorretas do medidor podem provocar grandes erros de medição e até danificar perigosamente o medidor. Na elaboração de listas de quantidades do processo que impactam a qualidade do produto final é também necessário o conhecimento total das características da quantidade. finais do produto e podem estar relacionadas com a qualidade do produto. Elas deixam de ser importantes assim que os produtos são feitos. Elas independem da quantidade do produto e por isso são intensivas. As variáveis de energia incluem temperatura e pressão. As variáveis das propriedades das substâncias são específicas e características das substâncias. Todas as grandezas específicas são intensivas. Por definição, o valor específico é o valor da variável por unidade de massa. Por exemplo, energia específica, calor específico e peso específico. As principais variáveis de propriedade são: a densidade, viscosidade, pH, condutividade elétrica ou térmica, calor específico, umidade absoluta ou relativa, conteúdo de água, composição química, explosividade, flamabilidade, cor, opacidade e turbidez. 2.2. Extensivas e Intensivas O valor da variável extensiva depende da quantidade da substância. Quanto maior a quantidade da substância, maior é o valor da variável extensiva. Exemplos de variáveis extensivas: peso, massa, volume, área, energia. O valor da variável intensiva independe da quantidade da substância. Em um sistema com volume finito, os valores intensivos podem variar de ponto a ponto. As variáveis de energia e das propriedades das substâncias são intensivas, porque independem da quantidade da substância. Exemplos de variáveis intensivas: pressão, temperatura, viscosidade e densidade. 2.1. Energia e Propriedade As variáveis de quantidade e de taxa de variação se relacionam diretamente com as massas e os volumes dos materiais armazenados ou transferidos no processo. As variáveis extensivas independem das propriedades das substâncias. Elas determinam a eficiência e a operação em si do processo. As variáveis de quantidade incluem volume, energia, vazão, nível, peso e velocidade de maquinas de processamento. As variáveis de energia se relacionam com a energia contida no fluido ou no equipamento do processo. Elas podem determinar indiretamente as propriedades 2.3. Pervariáveis e Transvariáveis Uma pervariável ou variável através (through) é aquela que percorre o elemento de um lado a outro. Uma pervariável pode ser medida ou especificada em um ponto no espaço. Exemplos: força, momento, corrente elétrica e carga elétrica. Uma transvariável ou variável entre dois pontos (across) é aquela que existe entre dois pontos do elemento. Para medir ou especificar uma transvariável são necessários dois pontos no espaço, 238 Variáveis de Processo usualmente um ponto é a referência. Exemplos: deslocamento, velocidade, temperatura e tensão elétrica. Todos os objetos em um sistema dinâmico envolvem uma relação definida entre uma transvariável e uma pervariável. Por exemplo, o capacitor, resistor e indutor elétricos podem ser definidos em termos da relação entre a transvariável tensão e a pervariável corrente. continuamente, porém, quando há alteração de montagem, o novo valor da altura é considerado na calibração do instrumento. O objetivo do controle de processo é o de manter constante uma variável ou deixá-la variar dentro de certos limites. Parâmetro é uma quantidade constante em cada etapa da experiência, mas que assume valores diferentes em outras etapas. Deve-se escolher os parâmetros mais significativos entre as várias características do processo. Por exemplo, quando se faz uma experiência para estudar o comportamento da pressão de líquidos em um tanque, usando-se líquidos com densidades diferentes entre si, a densidade, constante para cada liquido e diferente entre os líquidos, é chamada de parâmetro. 2.4. Variáveis e Constantes A variável de processo é uma grandeza que altera seu valor em função de outras variáveis, sob observação ao longo de um tempo. Constante é aquela cujos valores permanecem inalterados durante o tempo de observação e dentro de certos limites de precisão. Por exemplo, seja um tanque cheio de água. A pressão que a coluna de água exerce em diferentes pontos verticais é variável e depende da altura. Porém, ao mesmo tempo, a densidade da água pode ser considerada constante, com um determinado grau de precisão, em qualquer ponto do tanque. Diz-se, então, que a pressão da água é uma quantidade variável em função da altura liquida e a densidade da água é uma quantidade constante em função da altura liquida e do tempo. Pode-se considerar incoerente chamar uma variável de constante. Porém, uma quantidade constante é um caso especial de uma quantidade variável. A constante é a variável que assume somente um valor fixo durante todo o tempo. Como, na prática, sempre há uma variabilidade natural em qualquer grandeza, deve-se estabelecer os limites de tolerância, dentro dos quais a grandeza se mantém constante. Em instrumentação, raramente se mede continuamente uma constante. Como ela é constante, basta medi-la uma única vez e considerar este valor em cálculos ou compensações. Por exemplo, a diferença de altura do elemento sensor e do instrumento receptor influi na pressão exercida pela coluna líquida do tubo capilar. Esta altura é definida pelo projeto, mantida na instalação e considerada na calibração. Ela não é medida 2.5. Contínuas e Discretas Variável contínua é aquela que assume todos os infinitos valores numéricos entre os seus valores mínimo e máximo. Na natureza, a maioria absoluta das variáveis é contínua; a natureza não dá saltos. Uma variável contínua é medida. Exemplo de uma variável contínua: a temperatura de um processo que varia continuamente entre 80 e 125 o C. Variável discreta é aquela que assume somente certos valores separados. Na prática, as variáveis discretas estão associadas a eventos ou condições. Uma variável discreta é contada. Por exemplo, uma chave só pode estar ligada ou desligada. O número de peças fabricadas é um exemplo de variável discreta. 2.6. Mecânicas e Elétricas As quantidades mecânicas são as derivadas do comprimento, massa, tempo e temperatura. São exemplos de quantidades mecânicas: 1. área e volume que dependem apenas do comprimento. 2. velocidade e aceleração que envolvem comprimento e tempo. 3. força, energia e potência que envolvem massa, comprimento e tempo 239 Variáveis de Processo 4. freqüência que depende apenas do tempo. A produção contínua de eletricidade se tornou realidade com a invenção da pilha por Volta, em 1800. A análise dos circuitos elétricos começou em 1827, quando George Simon Ohm descobriu a relação entre tensão, corrente e resistência. Nesta época as unidades destas grandezas ainda não eram estabelecidas. Os valores de corrente eram medidos com um arranjo de agulha, compasso e bobina. Os valores da tensão elétrica eram estabelecidos em termos de potencial de uma pilha voltaica específica. Os valores de resistência eram estabelecidos em termos da resistência de um comprimento particular de fio de ferro com um diâmetro específico. Era evidente a necessidade de unidades no campo elétrico, relacionadas com as unidades mecânicas já estabelecidas, como comprimento massa e tempo. Em 1832, Karl Friedrich Gauss mediu a intensidade do campo magnético da terra em termos de comprimento, massa e tempo. Em 1849, Wilhelm Kohlraush mediu a resistência em termos destas unidades. Wilhelm Weber, em 1851, introduziu um sistema completo de unidades elétricas baseado em unidades mecânicas. Estes princípios de Weber formam a base do sistema atual de medições elétricas. Em 1861, a Associação Britânica para o Avanço da Ciência introduziu o ohm padrão, baseado no fio de liga platina e prata. As unidades elétricas SI derivadas podem ser definidas em função de quantidades mecânicas. O volt (V), unidade de diferença de potencial e força eletromotriz, é a diferença de potencial entre dois pontos de um fio condutor conduzindo uma corrente constante de 1 A, quando a potência dissipada entre estes pontos é igual a 1 W. O ohm (Ω), unidade de resistência elétrica, é a resistência elétrica entre dois pontos de um condutor quando uma diferença de potencial constante de 1 V, aplicada a estes pontos, produz no condutor uma corrente de 1 A, o condutor não sendo fonte de qualquer força eletromotriz. O coulomb (C), unidade de quantidade de eletricidade, é a quantidade de eletricidade transportada em 1 s por uma corrente de 1 A. O farad (F), unidade de capacitância, é a capacitância entre as placas do capacitor onde aparece uma diferença de potencial de 1 V quando é carregado por uma quantidade de eletricidade de 1 C. O henry (H), unidade de indutância elétrica, é a indutância de um circuito fechado em que uma força eletromotriz de 1 V é produzida quando a corrente elétrica varia uniformemente à taxa de 1 A/s. O weber (Wb), unidade de fluxo magnético, é o fluxo que, ligando um circuito de uma volta produz nele uma força eletromotriz de 1 V se for reduzido a zero em uma taxa uniforme de 1 s. O tesla (T) é a densidade de fluxo de 1 Wb/m2. As principais variáveis envolvidas na indústria de processo são quatro: temperatura (grandeza de base), pressão (mecânica), vazão volumétrica ou mássica (mecânica) e nível (mecânica). Em menor freqüência, são também medidas a densidade (mecânica), viscosidade (mecânica) e composição (química). Porém, na instrumentação, são manipulados os sinais pneumático (mecânico) e eletrônico. Por causa da instrumentação eletrônica, as quantidades elétricas como tensão, resistência, capacitância e indutância se tornaram muito importantes, pois elas estão ligadas aos instrumentos eletrônicos de medição e controle de processo. 240 Variáveis de Processo 3. Faixa das Variáveis 3.1. Faixa e Amplitude de Faixa O conjunto de todos os valores que podem ser assumidos pela variável é chamado de faixa da variável (range). A faixa da variável é expressa por dois números: limite inferior (0%) e limite superior (100%). O intervalo finito, dado pela diferença algébrica dos dois limites, é chamado de amplitude de faixa da variável (span). A amplitude de faixa é expressa por um único número positivo. Por exemplo, a faixa de temperatura de 15 a 30 oC tem amplitude de faixa de 15 oC; (30 - 15 oC = 15 oC). A faixa de -15 a 30 oC tem amplitude de faixa de 45 oC; [30 - (-15) oC = 45 oC]. A faixa de medição sempre vai de 0 a 100%, porém o 0% pode ser igual ou diferente de zero. A terminologia das faixas é a seguinte: 0 a 100 oC - faixa normal 10 a 100 oC - faixa com zero suprimido -10 a 100 oC - faixa com zero elevado O conceito de faixa com zero elevado ou suprimido é particularmente importante na calibração de transmissores de nível. down). Quando a variável atinge os valores de desligamento, todo o processo é desligado, para proteger o operador ou os equipamentos envolvidos. Há variáveis que podem assumir valores negativos e positivos, em função do processo e da unidade usada. Por exemplo, a pressão manométrica pode ter valores positivos e negativos (vácuo). Porém, a pressão absoluta só pode assumir valores positivos. A temperatura na escala Celsius pode assumir valores negativos ou positivos; porém, a temperatura absoluta ou termodinâmica só pode assumir valores positivos, em kelvin. 3.3. Faixa e Desempenho do Instrumento Em Metrologia, é fundamental se conhecer a faixa calibrada do instrumento e o seu ponto de trabalho, pois tipicamente, a precisão do instrumento é expressa ou em percentagem do fundo de escala ou em percentagem do valor medido. O instrumento com erro de zero e de amplitude de faixa possui precisão expressa em percentagem do fundo de escala. Por exemplo, a medição de vazão com placa de orifício tem incerteza expressa em percentagem da vazão máxima medida ou do fundo de escala. Instrumento com erro devido apenas à amplitude de faixa possui precisão expressa em percentagem do valor medido. Por exemplo, transmissor inteligente de pressão diferencial, turbina medidora de vazão. 3.2. Limites de Faixa Na prática, uma variável pode ter limites de operação normal e limites de operação anormal. Os limites de operação normal são aqueles assumidos pela variável quando não há problemas no controle automático do processo. Quando há falhas no controle automático e estes limites são atingidos, geralmente existem alarmes que chamam a atenção do operador para assumir o controle manual do processo. O operador deve levar os valores da variável novamente para dentro dos limites de operação normal, atuando manualmente nos instrumentos e equipamentos do processo. Quando, por motivos de falha em algum equipamento ou instrumento da malha de controle automático, a variável contínua se afastando dos limites de operação normal, geralmente são estabelecidos outros limites de desligamento (trip ou shut 241 Variáveis de Processo 4. Função Matemática 4.1. Conceito A função é uma regra de acordo com a qual os valores da variável independente correspondem aos valores da variável dependente. A função é a lei de correspondência entre os valores das variáveis. A função é uma relação causal. Podem existir regras para determinar o valor da variável dependente para cada valor do argumento sem relação matemática conhecida. Por exemplo, a temperatura ambiente varia ao longo de um dia ou de um ano, de modo aleatório e imprevisível. As variáveis podem ser independentes ou dependentes de outras variáveis. As variáveis independentes podem se alterar arbitrariamente e são também chamadas de argumentos. Variáveis dependentes tem valores determinados pelos valores de outras variáveis independentes e são também chamadas de funções. Por exemplo, a área A do círculo S = π r2 S é a variável dependente ou função r é a variável independente As funções podem depender de um único argumento (área do círculo em função do raio) ou de dois ou mais argumentos. Por exemplo, a pressão de gás com massa constante, p onde a e b são constantes arbitrárias. Uma função matemática pode ser representada por: 1. fórmula analítica 2. tabela de valores 3. gráfico. Domínio ou definição da função é a totalidade dos valores que a variável independente pode assumir. A função pode ser contínua ou discreta. A função é contínua quando a variação gradual do argumento resulta em variação gradual da função, sem pulos. A função é discreta quando ela possui pontos de descontinuidade. A função pode ser periódica, quando se repete em intervalos definidos. A função pode ser constante, quando assume um único valor. A função pode assumir valores múltiplos e ser sempre crescente ou decrescente. 4.3. Função Linear A função linear é muito interessante e comum. A sua forma geral é: y = ax + b onde y é a função x é o argumento a e b são parâmetros constantes. A representação gráfica de uma função linear é uma linha reta, onde a é a inclinação da reta b é o ponto onde a reta corta o eixo y -b/a é o ponto onde a reta corta o eixo x A linearidade é um dos parâmetros da precisão do instrumento. Ser linear é conveniente pois, 1. dois pontos são suficientes para determinar uma reta e por isso, basta calibrar apenas dois pontos de uma faixa de calibração, 2. é fácil se fazer interpolação e extrapolação de pontos. Quando se tem uma relação não-linear é comum e conveniente linearizá-la, através da função matemática inversa. Por exemplo, na medição da vazão com placa de orifício, onde a pressão diferencial gerada pela placa é proporcional ao quadrado da vazão, usa-se o extrator de raiz quadrada para tornar linear a relação entre a pressão diferencial e a vazão. p= RT V depende da temperatura (T) e do volume do gás (V) e R é uma constante física. 4.2. Notação Quando y é função genérica de x, temse: y = f(x) onde x pode assumir certos valores particulares. Quando a função é conhecida, tem-se: y = ax + b (linear) 242 Variáveis de Processo pelo valor zero intermediário. Quando o coeficiente é zero, não há correlação entre as duas variáveis e elas são totalmente independentes. O coeficiente de correlação +1 indica uma correlação positiva perfeita, quando uma variável é linear e diretamente proporcional a outra; quando uma aumenta a outra também aumenta. O coeficiente de correlação -1 indica uma correlação negativa perfeita, onde uma variável é inversamente proporcional a outra; quando uma aumenta a outra diminui linearmente. Deve-se distinguir claramente entre a relação determinística (função matemática), onde não há exceção alguma e a dependência correlativa (correlação), onde há muitas exceções que contradizem a relação, mas que não afetam a validade geral da inferência de probabilidade. y y2 y1 a 0 b x1 x2 x Fig. 3. Função linear y = ax + b 4.4. Correlação Correlação é a relação entre duas variáveis aleatórias que não é função determinística. Por exemplo, a relação entre o peso e a altura das pessoas é uma correlação. O peso não depende unicamente da altura da pessoa. Se o peso fosse função apenas da altura, todas as pessoas mais altas seriam mais pesadas que as mais baixas. Mas, na realidade, pessoas de mesma altura tem pesos diferentes e pessoas com alturas diferentes podem ter pesos iguais. Mesmo com tantas exceções, há uma correlação entre a altura e o peso das pessoas, e de um modo geral, as pessoas mais altas pesam mais que as pessoas mais baixas. Outro exemplo, é a correlação entre o ato de fumar e a duração da vida das pessoas. Quando se diz que o fumo reduz a duração da vida de uma pessoa, também há um correlação ou dependência correlativa, porque, embora haja muitas exceções, experimentalmente se verifica que a vida média dos não-fumantes é maior do que a dos fumantes, quando se considera a distribuição da probabilidade da duração da vida. Define-se como coeficiente de correlação a medida da interdependência entre duas variáveis. O coeficiente varia continuamente entre +1 e -1, passando Apostilas\Instrumentação 30Variáveis.doc 14 DEZ 98 (Substitui 10 FEV 94) 243 3.1 Pressão 1. Conceitos Básicos 1.1. Definição Pressão é força por unidade de área. A pressão é uma quantidade derivada da força (massa vezes comprimento por tempo ao quadrado) e da área (comprimento ao quadrado). 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 A pressão do fluido é transmitida com igual intensidade em todas as direções e age perpendicular a qualquer plano. P (N/m2) 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 (m2) F (N) (a) Pressão em tanque F (N) A (m2) 1.2. 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 P (N/m2) (b) Pressão em tubulação Fig. 1.1. Conceito de pressão 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, 244 Pressão kgf/cm2 e mm H2O dependem da aceleração da gravidade do local. O pascal é também usado para expressar a tensão mecânica e o módulo de elasticidade dos materiais. Porém, os altos valores de tensão mecânica são dados em megapascals (MPa) e os valores de módulo de elasticidade em gigapascals (GPa). Em Instrumentação, também se usam o bar e o milibar (mbar). É também 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 mm H2O 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 psig e psia, 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. Tab. 7. Unidades de Pressão Unidade não SI Unidade SI 1 atmosfera normal 1,013 25 x 105 Pa 9,806 65 x 104 Pa 1 atmosfera técnica 1 bar 1,000 00 x 105 Pa 2 1 kgf/cm 9,806 65 x 104 Pa 1 mm H2O 9,806 65 Pa 1 mm Hg 133,322 Pa 1 psi 6,894 76 x 103 Pa 1 torricelli 1,333 22 x 102 Pa 1.3. Tipos As medições de vazão são geralmente classificadas como pressão manométrica, pressão absoluta ou pressão diferencial. Para evitar confusão, é conveniente colocar o sufixo na unidade, para cada tipo de medição: manométrica (g), absoluta (a) ou diferencial (d). Pressão manométrica A pressão manométrica (gauge) é referida a pressão atmosférica. Ela pode assumir valores positivos (maiores que o da pressão atmosférica) e negativos, também chamado de vácuo. A maioria dos instrumentos industriais mede a pressão manométrica. Pressão absoluta A pressão absoluta é a pressão total, incluindo a pressão atmosférica e referida ao zero absoluto. Ela só pode assumir valores positivos. Mesmo quando se necessita do valor da pressão absoluta, usa-se o medidor de pressão manométrica que é mais simples e barato, bastando acrescentar o valor da pressão atmosférica ao valor lido ou transmitido. Só se deve usar o medidor com elemento sensor absoluto para faixas próximas a pressão atmosférica; por exemplo, abaixo de 100 kPa. Pressão medida Pressão manométrica Pressão Atmosférica Vácuo ou pressão manométrica negativa Pressão absoluta Pressão medida Pressão absoluta Pressão atmosférica Zero Absoluto Fig. 1.2. Conceitos e tipos de pressão 245 Pressão Pressão atmosférica A pressão atmosférica é a pressão exercida pelos gases da atmosfera terrestre e foi a primeira pressão a ser realmente medida. Pressão faixa composta É aquela que tem pressões de vácuo e pressões positivas em sua faixa de medição. Por exemplo, a faixa de -200 a 200 mm H2O. Pressão diferencial A pressão diferencial é a diferença entre duas pressões, exceto a pressão atmosférica. O transmissor de pressão diferencial para a medição de vazão e de nível é simultaneamente sensível e robusto, pois deve ser capaz de detectar faixas de pressão diferencial da ordem de centímetros de coluna d'água e suportar pressão estática de até 400 kgf/cm2. Pressão dinâmica A pressão dinâmica da tubulação é a pressão devida a velocidade do fluido ( 1/2 p v2). Chamada de pressão de impacto. Pressão estagnação A pressão de estagnação é obtida quando um fluido em movimento é desacelerado para a velocidade zero, em um processo sem atrito e sem compressão. Matematicamente, ela é igual a soma da pressão estática e da pressão dinâmica. Tem-se a pressão de estagnação na parte central do medidor tipo pitot. Pressão estática A pressão estática do processo é a pressão transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou do vaso. Ela não varia na direção perpendicular a tubulação, quando a vazão é laminar. Pressão hidrostática Pressão hidrostática é a pressão exercida por líquidos no interior de vasos e tanques. Neste caso, a pressão é normal à superfície que contem o líquido. No mesmo plano horizontal, as pressões em um líquido são iguais Pressão de vapor Quando há evaporação dentro de um espaço fechado, a pressão parcial criada pelas moléculas do vapor é chamada de pressão de vapor. A pressão de vapor de um liquido ou sólido é a pressão em que há equilíbrio vapor-líquido ou vapor-sólido. A pressão de vapor depende da temperatura e aumenta quando a temperatura aumenta. Esta função entre a pressão de vapor e a temperatura é a base da medição da temperatura através da medição da pressão de vapor de liquido volátil (classe SAMA II) 2. Medição da Pressão 2.1. Objetivos da medição A medição e o controle da pressão servem para atender algum ou vários dos seguintes objetivos 1. a proteção de equipamento, 2. a proteção de pessoal, 3. a medição de outra variável, por inferência, 4. o controle do processo, para a obtenção do produto dentro das especificações exigidas. São disponíveis comercialmente vários elementos sensores de pressão. Os critérios de escolha devem considerar os aspectos econômicos e técnicos do processo. Sob o ponto de vista de custos, devem ser considerados os custos da instalação, da manutenção, da energia, além do custo inicial do instrumento. Como critérios técnicos, devem ser considerados a faixa da medição, a aplicação do sistema e as condições do processo O primeiro ponto a esclarecer é qual o tipo da pressão a ser medida, se absoluta, manométrica ou relativa. Depois os valores máximo e mínimo da faixa, a largura da faixa e finalmente o grau de preciso, a repetitividade, a rangeabilidade e outros parâmetros associados ao desempenho. A escolha do mecanismo básico de medição da pressão depende da aplicação do sistema indicação local, indicação remota, controle, alarme, proteção. Existem elementos sensores que são 246 Pressão limitados quanto ao torque mecânico, ao movimento, ao espaço e não podem ser usados em sistemas que requerem transmissão remota. Como o elemento sensor da pressão fica em contato direto com o processo ou a pressão entra dentro do elemento sensor, é importante considerar o grau de corrosão, toxidez e sujeira do fluido do processo, para a escolha adequada do material de construção do elemento. As vezes, deve-se usar o selo de pressão para isolar o fluido do processo do elemento sensor. 1. os sensores mecânicos sentem a variável de processo e geram na saída uma força ou um deslocamento mecânico; 2. os sensores eletrônicos sentem a variável de processo e geram na saída uma militensão ou alteram o valor de um parâmetro passivo, como resistência elétrica, capacidade, indutância. 2.2. Padrões de calibração Os padrões industriais para calibração de pressão dependem da faixa medida, desde vácuo médio (10-1 mm Hg) até 103 MPa. Para pressões na faixa de 10-1 a 10-3 mm Hg, o indicador de vácuo McLeod é o padrão. Para pressões menores que 10-3, usam-se técnicas especiais envolvendo vazão através de sucessivos orifícios precisos e o manômetro McLeod. Bomba padrão de peso morto O manômetro ou bomba de tempo morto opera sob o princípio de se suportar um peso (força) conhecido por meio de uma pressão agindo sobre uma área conhecida. Isso satisfaz a definição de um padrão primário baseado em massa, comprimento e tempo. Os pesos para um dado instrumento de teste são normalmente identificados em termos de pressão, em vez de peso. Fig. 1.6. Transmissor de pressão diferencial e sensor Em muitos processos as variáveis pressão e temperatura são dependentes, e por isso deve-se conhecer a faixa da temperatura na medição da pressão. Quando a temperatura é elevada, exige-se que o instrumento fique afastado do processo, principalmente quando o instrumento é eletrônico. Para resolver este problema, usa-se um tubo capilar de ligação e selagem. Ainda com relação ao processo, é importante definir a exigência de proteção de sobre faixa (over range). Há elementos sensores que naturalmente apresentam proteção para sobre faixa; eles são especificados para operar em uma faixa normal de trabalho e podem ser submetidos a pressões mais elevadas, durante curtos períodos de tempo de situações anormais. Os sensores podem ser divididos em duas grandes categorias mecânicos e eletrônicos Fig. 1.3. Bomba de peso morto O manômetro a pistão ou peso morto é usado como padrão para a calibração de manômetros industriais. O instrumento a ser calibrado é ligado a uma câmara cheia de fluido cuja pressão pode ser ajustada por uma bomba ou válvula. A câmara também se liga com um pistão vertical em 247 Pressão que vários pesos padrão são aplicados. A pressão é lentamente aumentada até que o pistão e os pesos pareçam flutuar, no ponto em que a pressão manométrica do fluido é igual ao peso morto suportado pelo pistão, dividido por sua área. Para maiores precisões, tomam-se cuidados especiais, como a diminuição do atrito entre o pistão e o cilindro, diminuição da área entre o cilindro e pistão, correção dos efeitos da temperatura, correção dos efeitos de deslocamento (buoyancy) do ar e do meio da pressão, condições da gravidade local, diferenças das alturas. O método do peso morto só poderia medir pressões acima da pressão correspondente ao peso morto colocado (pressão de tara). Esta dificuldade é superada através de um arranjo físico especial. A bomba de peso morto depende da aceleração da gravidade. Para um trabalho preciso, a gravidade sob a qual a bomba está sendo usada como padrão deve ser considerada. Se uma bomba de peso morto e a massa padrão de 1 kilograma são transportados ao redor do mundo, a pressão gerada em cada ponto da terra variará com a variação da aceleração da gravidade. O mesmo se aplica a unidades como altura de coluna líquida. A força no fundo de cada coluna é proporcional à altura, densidade e aceleração da gravidade. A variação da aceleração da gravidade em redor do mundo é aproximadamente de ±0,1%. Isto pode ser desprezível em muitas aplicações práticas, porém, quando se tem transmissores com precisão especificada de ±0,25%, deve-se considerar os efeitos da diferença da gravidade induzida. A bomba de peso morto permite calibrações na faixa de 104 a 5 x 106 Pa (0,1 a 50 bar) até 2 x 105 a 108 Pa (2,0 a 1000 bar), com incertezas da ordem de ± 0,03% da pressão indicada com dados certificados fornecidos e rastreáveis com o laboratório nacional. Com cuidado, ela pode manter sua precisão durante longo período de tempo. Coluna líquida em U Para padrão de pressão pequena, principalmente para calibração de instrumentos de medição de vazão e nível, usa-se o manômetro da coluna em U. O uso da coluna líquida para a medição de pressão se baseia no princípio que uma pressão aplicada suporta uma coluna líquida contra a atração gravitacional. Quanto maior a pressão, maior a coluna líquida suportada. A unidade de pressão da coluna líquida é o comprimento. Mesmo que o comprimento não seja reconhecido pelas normas ISO como unidade de pressão, por uma questão de conveniência e tradição, ele ainda é muito usado para medir pequenas pressões. A área da seção transversal do tubo não afeta a medição e por isso pode ser não-uniforme. Em um determinado local, com g constante e conhecido, a sensitividade depende somente da densidade do fluido. Água e mercúrio são os líquidos mais usados; a água por ser o mais disponível e o mercúrio por ter uma altíssima densidade e como conseqüência, implicar em pequenas alturas de coluna. Fig. 1.4. Colunas e manômetro digital de precisão Para melhorar a precisão devem ser considerados os seguintes parâmetros: 1. a expansão da escala graduada 2. valor exato do g local 3. não verticalidade do tubo 4. dificuldade da leitura do menisco do liquido formado pela capilaridade. 5. densidade do fluido cuja pressão está sendo medida. Isto ainda depende da temperatura e da pressão. No caso de gases, depende também do conteúdo da umidade. 248 Pressão Para trabalho de alta precisão, todos estes fatores devem ser considerados. Tipicamente, para uma coluna d'água: 1. uma diferença de temperatura de 16 oC varia o fator de conversão para pascal de 0,18%. 2. diferenças devidas a gravidade são cerca de 0,1%. 3. o fator devido à densidade do ar é de 0,12%. Com tais cuidados, pode-se ter precisão de até 0,01 mm Hg. Quando se usa coluna d'água para medir pressões diferenciais em altas pressões estáticas (ordem de 100 atmosferas), o erro devido ao desprezo da densidade do ar é da ordem de 10%. O manômetro da coluna U pode ter várias formas, para aumentar sua precisão, como manômetro com poço, com escala inclinada e com micrômetro. Manômetro de precisão Em instrumentação, é também comum usar manômetros para calibrar outros manômetros. A ANSI, por exemplo, classifica os manômetros em sete classes de precisão. O manômetro mais preciso (classe ANSI 4A) tem precisão de ±0,1% do fundo de escala. Eles tem diâmetro de 12 ou 16". Eles necessariamente devem ter grande tamanho físico, para possibilitar a leitura de 0,1%. Estes manômetros tem compensação de temperatura. Eles devem ser manuseados com cuidado para preservar a precisão. Quando usando manômetros de faixa pequena com líquido como meio de pressão, o efeito da altura líquida entre a fonte de pressão e o dentro do manômetro deve ser considerado. É chamado de Manômetro de Precisão de Laboratório. O manômetro com classe 3A é calibrado para uma precisão de ±0,25% do fundo de escala. Ele tem diâmetro de 6". Geralmente não tem compensação de temperatura e deve ser usado em temperaturas próximas de 23 oC. É chamado de Manômetro de Teste. O manômetro com classe 2A, com precisão de ±0,5% do fundo de escala, também com diâmetro de 4 1/2" e sem compensação de temperatura, é chamado de Manômetro de Processo. É usado para a medição contínua do processo. Outros manômetros, com classes A, B, C e D, tem precisões respectivas de ±1%, ±2%, 3-4% e 5% do fundo de escala. Fig. 1.4. Manômetro padrão (Wallace & Tierner) Quanto maior a precisão do manômetro, maior é o seu custo, mais cuidado se requer em seu manuseio e maior freqüência de recalibração é necessária para manter sua precisão. Os manômetros de pior precisão geralmente são substituídos, quando quebrados, em vez de serem consertados. O uso de manômetro de alta precisão com bourdon como padrão secundário ou de teste é conveniente e prático. Ele deve ter um certificado indicando o erro real, de modo que se possa aplicar a correção adequada. Porem, ele é sujeito a desgaste e requer calibrações freqüentes. 2.3. Sensores Mecânicos A pressão é determinada pelo balanço de um sensor contra uma força desconhecida. Isto pode ser feito por outra pressão (balanço de pressão) ou força (balanço de força). Os sensores a balanço de força mais usados são aqueles que requerem deformação elástica, como bourdon, espiral, helicoidais, foles e diafragmas. Os sensores a balanço de pressão mais conhecidos são o manômetro de coluna líquida e o detector de peso morto. 249 Pressão Tubo bourdon C O tubo Bourdon é o mais comum e antigo elemento sensor de pressão, que sofre deformação elástica proporcional à pressão. Este elemento não é adequado para baixas pressões, vácuo ou medições compostas (pressões negativa e positiva), porque o gradiente da mola do tubo Bourdon é muito pequeno para medições de pressões menores que 200 kPa (30 psig) . Os materiais usados para a confecção dos tubos Bourdon incluem Ni-Span C, bronze, monel, ligas (Be-Cu) e aços inoxidáveis (316 e 304) e sua escolha depende da faixa de pressão a ser medida. Usam-se materiais de Teflon® ou nylon® A precisão dos dispositivos é uma função do diâmetro do tubo Bourdon, da qualidade do projeto e dos procedimentos de calibração. Ela varia de ± 0,1% a ± 5% da amplitude de faixa, com a maioria caindo na faixa de ± 1%. (a) Simples (b) Dupla Fig. 1.8. Sensor de pressão tipo espiral Os tubos Bourdon podem ser secos ou cheios de algum líquido (e. g., glicerina). O tubo Bourdon-C pode também ser em um transmissor de balanço de força. A pressão aplicada ao tubo tende a "retificalo". O tubo transmite a força resultante para a extremidade inferior da barra de força do transmissor. O mecanismo do transmissor de balanço de força pode incorporar um mecanismo de proteção de sobre faixa (overrange). Basta colocar um limitador do movimento da barra de força. Há proteção de 150% de sobre faixa. O formato do tubo Bourdon é também variável e dependente da faixa de pressão medida tipo C, espiral, helicoidal e a hélice de quartzo fundido. Diafragma Os sensores de pressão cujo funcionamento depende da deflexão de um diafragma são usados, há mais de um século. Nos últimos anos, os efeitos da histerese elástica, atrito e desvio foram reduzidos, conseguindo-se precisões de até ± 0,1% da amplitude de faixa. Novos materiais com melhores qualidades elásticas tem sido usados, como ligas de Berílio-Cobre e com pequenos coeficientes térmicos tais como ligas de Niquel-Span C. Quando se tem duras condições de trabalho, temperaturas extremas e atmosferas corrosivas, os materiais usados são Incomel e aço inoxidável 304 e 316. para minimizar os desgastes e as folgas. Fig. 1.7. Bourdon C e mecanismos associados A pressão de processo a ser medida é ligada na extremidade do tubo através de um soquete enquanto que a outra extremidade é selada hermeticamente. Por causa da diferença entre os raios interno e externo, o tubo Bourdon-C apresenta áreas diferentes para a pressão, logo, as forças exercidas são diferentes e tendem a tornar reto o tubo C. Obviamente, a faixa de pressão medida deve ser conveniente de modo a provocar deformações elásticas reversíveis. Quando se aplica uma pressão excessiva, o tubo se deforma definitivamente e pode haver até ruptura do tubo. O movimento do tubo-C é não linear e deve-se projetar um sistema de acoplamento mecânico para linearizar este movimento com a pressão medida. Isto é conseguido através do sistema do ângulo caminhante, do pinhão, do pivô e de engrenagens ou setores de engrenagens (cams). 250 Pressão (a) tomada convencional (b) tomada com flange Fig. 1.9. Transmissor de pressão com espiral O diafragma é flexível, liso ou com corrugações concêntricas, feito de uma lâmina metálica com dimensões exatas. As vezes, usam-se dois diafragmas, soldados juntos pelas extremidades, constituindo uma cápsula. Fazendo-se o vácuo destas cápsulas, consegue-se a detecção da pressão absoluta. A sensibilidade da cápsula ou do diafragma aumenta proporcionalmente ao seu diâmetro. Quanto maior a cápsula ou o diafragma, menores faixas e diferenças de faixa de pressão podem ser medidas. Os diafragmas podem ser usados em unidades de transmissão e controle a base de balanço de movimento e de força. Fig. 1.11. Transmissores de pressão (a) Diafragma duplo Fig. 1.10. Sensores de pressão (b) Fole Fole Em geral, o fole transmite maior força e pode detectar pressões levemente maiores que a cápsula de diafragma. As desvantagens do fole são sua dependência das variações da temperatura ambiente e sua fragilidade em ambientes pesados de trabalho. Como a cápsula de diafragma, o fole pode ser usado para medir pressões absolutas e relativas e em sistemas de balanço de movimentos ou de forças. Coluna Líquida O sistema de balanço de pressão mais simples é o manômetro ou indicador de pressão com coluna líquida. O princípio de funcionamento é simples a pressão criada pela coluna do líquido é usada para balancear a pressão a ser medida. A leitura da coluna líquida dá o valor da pressão desconhecida medida. A pressão exercida num ponto do líquido é igual à densidade do líquido multiplicada pela altura da coluna de líquido acima do ponto. O líquido mais usado no enchimento da coluna é o mercúrio por ter alta densidade e portanto exigir colunas pequenas. As características desejáveis do líquido são 1. ser quimicamente inerte e compatível com o meio do processo, 2. ter interface visível e clara, sem revestir a superfície do vidro, 3. ter tensão superficial pequena para minimizar efeitos capilares, 4. ser fisicamente estável, não volátil sob as condições de temperatura e vácuo de trabalho, 5. não congelar em baixas temperaturas, 6. ter densidade constante com temperatura e pressão. Os fluidos normalmente usados possuem faixa de densidade relativa entre 0,8 (álcool) e 13,6 (mercúrio). Dentro da categoria dos manômetros visuais há uma grande variedade de barômetros: tubo-U e tubo inclinado. 251 Pressão .5. Seleção do Sensor Para selecionar um sistema de pressão, deve-se 1. determinar a função desejada indicação local ou remota, registro, controle, proteção, alarme, 2. determinar a faixa de pressão de trabalho, valor máximo, amplitude de faixa composta, pressão absoluta ou relativa, 3. consultar tabela de elementos, selecionando o tipo e material tecnicamente adequado e economicamente vantajoso, 4. considerar a natureza do fluido do processo e comparar o que é mais vantajoso usar elemento sensor de material especial não corrosivo (obviamente mais caro) ou usar elemento sensor padronizado e selo especial. Considerar, neste caso, os custos da instalação do selo, a segurança e a manutenção. Fig. 1.12. Diferentes colunas líquidas 2.4. Sensores Elétricos Os sensores de pressão eletrônicos podem ser de todos tipos distintos ativos e passivos. O sensor ativo é aquele que gera uma militensão sem necessitar de nenhuma polarização ou alimentação. O sensor eletrônico passivo é aquele que varia a resistência, capacitância ou indutância em função da pressão aplicada. Ele necessita de uma tensão de alimentação para funcionar. Cristal piezoelétrico O cristal piezoelétrico é um elemento sensor de pressão eletrônico que gera uma militensão em função da pressão mecânica aplicada. Na prática, ele é pouco usado em medições industriais, por causa de seu alto custo. Ele é tipicamente usado em agulhas de toca-discos. Strain gauge O strain gauge é elemento sensor de pressão eletrônico mais usado. Ele varia sua resistência elétrica quando submetido à pressão positiva (compressão) ou negativa (descompressão). O strain gauge pode ser usado para medir torque, peso, velocidade, aceleração, além da pressão. O strain gauge é ligado ao circuito detector clássico da Ponte de Wheatstone, que requer a tensão de polarização em corrente contínua ou alternada. 3. Acessórios 3.1. Selo Químico As funções principais de um selo são as de 1. proteger o fluido de processo de congelamento e endurecimento devidos às variações da temperatura. 2. isolar materiais de processo venenoso, tóxico, corrosivo, mal cheiroso do sensor de pressão que é de material de construção padrão, não compatível com o fluido do processo. 3. evitar que fluidos viscosos e sujos entrem e entupam o elemento detector de pressão. As características do líquido de selagem devem ser 1. líquido não-compressível, para transmitir a pressão. 2. pequeno coeficiente de temperatura 3. baixa viscosidade para operar mesmo em baixas temperaturas 4. quimicamente estável, mesmo em altas temperaturas (a) Esquema simplificado Fig.2.13. Strain gauge (b) Montagem 252 Pressão 3.2. Pressostato O pressostato é uma chave elétrica acionada pela pressão, usado para energizar ou desenergizar circuitos elétricos, como uma função da relação entre a pressão de processo e um valor ajustado pré-determinado. Fig. 1.14. Selos de pressão As três partes principais de um selo padrão são as seguintes 1. recipiente superior, em contato com o líquido de selagem e colocado na atmosfera não corrosiva, de material padrão, não especial. As vezes, possui um parafuso para enchimento do selo. 2. cápsula de diafragma, cheia com líquido de selagem. Está em contato com o fluido corrosivo do processo e por isso deve ser de metal resistente a corrosão ou revestido de Teflon® ou KEL-F®. A parte superior e a cápsula podem ser removidas sem desconectar a parte inferior, possibilitando ao operador limpar o conjunto sem reencher a unidade. 3. recipiente inferior, em contato direto com o fluido do processo, deve ser de metal ou plástico resistente à corrosão. Pode haver uma conexão para permitir a purga contínua ou intermitente do fluido. Os selos podem ser soldados, aparafusados ou flangeados nas linhas de processo. Fig. 1.15. Pressostato Os pressostatos são disponíveis para detectar pressão absoluta, composta, manométrica ou diferencial, com precisões típicas de ±0,5% da amplitude de faixa e mudar o estado de um contato (geralmente elétrico), na saída. O conjunto de chaveamento elétrico pode ser chave a mercúrio ou microswitch mecânica liga-desliga. A chave de mercúrio não contém partes mecânicas móveis e deve ser usada em lugares livres de vibrações e montada em nível. A faixa ajustável é a faixa de pressão dentro da qual o ponto de ajuste pode ser referido. O ponto de ajuste é a pressão que atua a chave para abrir ou fechar um circuito elétrico. O pressostato pode atuar em seu ponto de ajuste pelo aumento da pressão (PSH) ou pela sua diminuição (PSL). As características elétricas de um pressostato típico são: 115 V, com correntes de 0,3 a 10A em corrente continua ou alternada. Apostila\Instrumentação Pressão.doc 26 ABR 97 (Substitui 16 ABR 95) 253 3.2 Temperatura 1. Conceitos Básicos 1.1. Definições 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 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, colocandose 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 254 Temperatura 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. kelvin, porem as escalas estão defasadas de 273,15. A temperatura Celsius (Tc) está relacionada com a temperatura kelvin (Tk) pela equação: Tc = Tk - 273,15 A constante numérica na equação (273,15) representa o ponto tríplice da água 273,16 menos 0,01. O ponto de 0 oC tem um desvio de 0,01 da escala Kelvin, ou seja, o ponto tríplice da água ocorre a 0,01 oC ou a 0,00 K. Os intervalos de temperatura das duas escalas são iguais, isto é, 1 oC é exatamente igual a 1 K. O símbolo do grau Celsius é oC. 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. 1.2. 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 (oC), 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. 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 1.3. 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. 255 Temperatura 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. escalas oC (K) oF (oR) 100 (373) 212 oF (672 oR) 1.4. 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 oC. 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. O 100 oC – 100 K C = (oF - 32)/1,8 180 oF (492 oR ) F=1,8C+32 0 oC (273 K) sensor 32 oF (492 oR) 0 oF (460 oR) Fig. 2.1. – Escalas Celsius, Kelvin, Fahrenheit e Rankine 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. 256 Temperatura Tab. 3.1 - Pontos Fixos da Escala Prática Internacional de Temperatura (1990) 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. # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 a Material He e-H2a e-H2 e-H2 Ne O2 Ar Hg H20 Ga In Sn Zn Al Ag Au Cu Notas: Estado Vapor Ponto triplob Vapor Vapor Ponto triplo Ponto triplo Ponto triplo Ponto triplo Ponto triplo Fusão Fusão Fusão Fusão Fusão Fusão Fusão Fusão Temperatura C -270,15 a -268,15 -259,346 7 ~-256,16 ~-252,85 -248,593 9 -218,791 6 -189,344 2 -38,834 4 0,01 27,764 6 156,598 5 231,928 419,527 660,323 961,78 1064,18 1084,62 O - eH2 hidrogênio em concentração de equilíbrio das formas ortomolecular e paramolecular, b - Ponto triplo: temperatura em que as fases sólida, líquida e gasosa estão em equilíbrio. 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 Fig. 2.2. Indicador de temperatura com enchimento termal 257 Temperatura 2. Medição da Temperatura 2.1. Introdução A medição pode ser medida por sensores mecânicos e elétricos. Os principais sensores mecânicos são o bimetal e o sistema de enchimento termal. Os principais sensores elétricos são o termopar e o detector de temperatura e resistência (RTD). O sensor bimetal funciona baseandose na dilatação diferente para metais diferentes. A variação da temperatura medida causa variação no comprimento e no formato da barra bimetal, que pode ser usada para posicionar o ponteiro na escala de indicação de temperatura. O sistema de enchimento termal é formado por um bulbo sensível, um sensor de pressão, um tubo capilar de interligação e um fluido de enchimento. O fluido pode ser gás (tipicamente nitrogênio), fluido não volátil (glicerina ou óleo de silicone) ou um fluido volátil (éter etílico). A temperatura é medida através da variação da pressão do gás ou da pressão de dilatação do fluido não volátil ou da pressão de vapor do fluido volátil. A medição de temperatura por termopar se baseia na militensão gerada pela diferença de temperatura entre as duas junções de dois metais diferentes. A medição de temperatura por resistência elétrica se baseia na variação da resistência elétrica de metais ou termistores depender da variação da temperatura medida. 3 000 oC. Há ainda pirômetros com detectores de infravermelho e com padrões de referência objetivos. Em laboratórios, é comum o uso de termômetros de hastes de vidro. São tubos de vidro transparente, contendo um fluido no seu interior capilar. A dilatação do fluido é proporcional à temperatura sentida no bulbo. São simples e baratos, porém são frágeis e fornecem apenas leitura local. São aplicados em laboratórios, oficina de instrumentação e para medição clínica da temperatura do corpo humano. Os sensores de temperatura podem ser classificados, de um modo geral, em mecânicos e eletrônicos. Os sensores mecânicos mais usados são os seguintes: 1. bimetal 2. enchimento termal 3. haste de vidro Os sensores elétricos mais usados são: 1. termopar 2. resistência metálica 3. termistores ou resistência a semicondutor Há ainda os pirômetros ópticos e de radiação, para medição de temperatura sem contato direto. Tab. 3.2 - Faixas e métodos de medição Método Faixa de Medição oC Termopares -200 a 1700 Enchimento -195 a 760 Resistência -250 a 650 Detectora Termistores -195 a 450 Pirômetros -40 a 3000 Radiação A seleção do elemento sensor de temperatura mais adequada é parecida com a escolha dos elementos de pressão. É uma tarefa mais simples pois não envolve necessariamente as características do fluido do processo, como ocorre na do medição de nível e vazão. Um método de medição de vazão ou nível pode não funcionar, o que também é diferente do meio de medição de temperatura. Geralmente, o meio de 2.2. Sensores Existem vários modos de se determinar a temperatura, incluindo o termômetro a gás, o termômetro paramagnético, o termômetro de radiação de Planck. Porém, são métodos para a determinação termodinâmica da temperatura e só possuem interesse científico e teórico e por isso, são restritos a laboratórios de pesquisa. Em siderurgia e metalurgia, quando se tem altas temperaturas, são utilizados medidores de temperatura tipo radiação de energia. Alguns que utilizam o olho humano como detector e todos servem para medir temperaturas entre 1 200 e 258 100% medição de temperatura escolhido funciona e, na escolha, deve-se preocupar mais com os aspectos de custo, precisão, tempo de resposta, faixa de medição, preferência e vantagens de manutenção. Os parâmetros da escolha são 1. função requerida indicação, registro ou controle. 2. local de montagem e display 3. a faixa de medição, com os valores de trabalho, máximo e mínimo da faixa. As medições de temperaturas muito baixas (< -50 o C) e elevadas (>150 oC), requerem cuidados especiais. Temperatura escala graduada Faixa de medição fluido restrição opcional 0% bulbo sensor 2.3. Termômetros de vidro Em um termômetro com haste de vidro, a variação volumétrica resultante da expansão termal é interpretada como temperatura. Este termômetro foi o primeiro sistema de expansão termal fechado e foi conhecido desde o século XVIII, quando Gabriel Daniel fahrenheit investigava a expansão do mercúrio. O termômetro de vidro é constituído de: 1. bulbo sensor 2. haste de vidro com escala graduada e com um tubo capilar interno 3. fluido de enchimento O bulbo sensor é a parte sensível do termômetro e deve ser colocado no local onde se quer medir a temperatura. A maioria do fluido fica no bulbo. A haste de vidro possui um tubo capilar interno, onde o fluido irá se expandir. Embora o bulbo e o tubo capilar possam ser do mesmo material, é mais conveniente usar um vidro para o bulbo com um bom fator de estabilidade e para o capilar usa-se um vidro fácil de ser trabalhado. Para garantir a precisão do termômetro de vidro, o tubo capilar deve ter uma área anelar uniforme ou então, o termômetro deve ser calibrado em muitos pontos. Fig. 2.3. Termômetro de haste de vidro O termômetro de haste de vidro pode medir faixas estreitas de temperatura. Por exemplo, o termômetro clínico tem 1. comprimento útil de 100 mm, 2. faixa de medição de 35,0 e 42,0 oC 3. volume do bulbo de 0,5 cm3 4. diâmetro do capilar de 0,025 mm A haste é freqüentemente projetada e construída com uma escala amplificadora, para melhorar a leitura. O fluido de enchimento pode ser líquido ou gás. Os líquidos mais usados são: 1. mercúrio, cujo fator de expansão é de 0,005%/oC e é linear. Assim, o volume do bulbo deve ser cerca de 10 000 vezes o volume do capilar entre duas marcações separadas por 0,5 oC. 2. álcool 3. pentano 4. éter O termômetro de mercúrio pode ser usado entre –39 oC (ponto de solidificação) e 538 oC (ponto de ebulição). A desvantagem do mercúrio é sua toxidez. Os termômetros com álcool e éter são usados em temperaturas mais baixas. Geralmente adiciona-se tinta colorida (azul, verde, vermelha) para aumentar a visibilidade. 259 Temperatura O espaço acima da coluna de mercúrio até o topo selado da escala é evacuado, mas pode ser preenchido com gás inerte seco, como nitrogênio, para aumentar a faixa de medição de temperatura. Outra característica importante do termômetro de haste, principalmente do clínico, é uma restrição colocada no tubo capilar, que evita a volta do fluido para o bulbo, quando a temperatura baixa. Esta restrição torna o termômetro um indicador de máximo. Assim, para possibilitar a leitura de qualquer temperatura, deve-se zerar ou resetar o termômetro, sacudindoo antes do uso. Para minimizar a quebra acidental do bulbo de vidro, é comum se usar um poço termal metálico para proteger o bulbo. As vantagens do termômetro de vidro são: 1. baixo custo 2. simplicidade 3. grande duração, se manipulado corretamente As desvantagens são: 1. leitura difícil 2. confinamento ao local de medição 3. não adaptável para transmissão, registro ou controle automático 4. susceptível de quebra, pois é de vidro frágil Mesmo um termômetro de haste de vidro deve ser calibrado periodicamente, onde se inspecionam visualmente e verificam as dimensões, permanência do pigmento, estabilidade do bulbo e precisão da escala. Depois da calibração, podem ser feitas correções, aplicados fatores de correção ou o termômetro pode ser descartado. Norma de referência: ASTM E 77 – 92: Standard Test Method for Inspection and Verification of Thermometers. Várias normas ASTM cobrem os termômetros clínicos. formando uma única haste. à uma determinada temperatura, a haste dos dois metais está numa posição; quando a temperatura varia, a haste modifica a sua posição produzindo uma força ou um movimento. As partes do termômetro a bimetal são 1. o sensor, em contato direto com a temperatura 2. os elos mecânicos, para amplificar mecanicamente os movimentos gerados pela variação da temperatura, detectada pelo bimetal. 3. a escala acoplada diretamente aos elos mecânicos, para a indicação da temperatura medida. 4. opcionalmente, pode-se usar o sistema de transmissão. As vantagens do bimetal são: 1. baixo custo, 2. simplicidade do funcionamento 3. facilidade de instalação e de manutenção 4. largas faixas de medição 5. possibilidade de ser usado com os mecanismos de transmissão. Fig. 2.4. Bimetal As desvantagens são 1. precisão ruim 2. não linearidade de indicação 3. grande histerese 4. presença de peças moveis que se desgastam 5. facilidade de perder calibração A principal aplicação para o termômetro a bimetal é em indicação local de temperaturas de processo industrial. É muito usado para controle comercial e residencial de temperatura associado a ar condicionado e refrigeração. 2.4. Bimetal O termômetro a bimetal possui todos os componentes de medição – sensor, condicionador e indicador – em um único invólucro. O princípio de funcionamento é simples dois metais com coeficientes de dilatação térmica diferentes são soldados 260 Temperatura O sensor a bimetal integral ao instrumento não pode ser calibrado isoladamente mas somente pode ser inspecionado visualmente, para verificar corrosão ou danos físicos evidentes. O que se faz é calibrar o sistema de indicação, colocando-se o termômetro em um banho de temperatura e comparando as indicações do termômetro com as indicações de um termômetro padrão colocado junto. O termômetro a bimetal pode ser calibrado e, se necessário, ajustado nos pontos de zero e de amplitude de faixa. A Classe I usa como enchimento líquido não volátil geralmente a glicerina. O princípio de funcionamento é a dilatação do líquido. A variação da temperatura medida faz o fluido se dilatar, variando a pressão interna do sistema. A pressão e suas variações são sentidas pelo elemento receptor de pressão. 2.5. Enchimento Termal O sistema termal de enchimento mecânico foi um dos métodos mais usados no início da instrumentação, para a medição de temperatura. O método foi e ainda é, um meio satisfatório de medição da temperatura para a indicação, o registro e o controle locais. Seu uso não é limitado a leitura local ou controle, mas é utilizado para a transmissão pneumática para leitura ou controle remoto. Os componentes básicos do sistema termal de enchimento mecânico são 1. o bulbo sensor, em contato com o processo. 2. o elemento de pressão, montado no interior do instrumento receptor, que pode ser um transmissor pneumático, um indicador, um registrador ou um controlador, todos montados próximos ao processo . 3. o tubo capilar, ligando o bulbo ao elemento de pressão do instrumento. 4. opcionalmente pode haver o sistema de compensação da temperatura ambiente. O sistema termal é ligado a um dispositivo de display, para apresentação do valor da temperatura. O conjunto bulbo + capilar + elemento receptor é cheio de um fluido. O tipo do fluido determina a classe ou o grupo do sistema termal. A classificação estabelecida pela Scientific Apparatus Manufacturer Association (SAMA) é a seguinte: (a) Esquema simplificado do sistema termal (b) Elemento e compensação da temperatura ambiente Fig. 2.5. Sistema de enchimento termal A classe II é cheia de um líquido volátil, como o álcool ou o éter. Seu princípio de funcionamento é a característica temperatura x pressão de vapor da fase líquido-vapor. Como não há dilatação, não há influência da temperatura ambiente e portanto não há necessidade de compensação da temperatura ambiente. Porém, são definidas quatro subclasses Classe IIa - assumindo que o capilar e a caixa do instrumento estejam à temperatura ambiente, a temperatura do bulbo está sempre acima da temperatura ambiente. 261 Temperatura Classe IIb - a temperatura do bulbo sensor é sempre menor que a temperatura ambiente. Classe IIc - a temperatura do bulbo e a medida podem assumir valores acima e abaixo da pressão ambiente. Classe IId - introduz-se no sistema um líquido não-volátil, para ser tampão do líquido volátil, com a finalidade de eliminar a descontinuidade no ponto da temperatura ambiente. 2. falha no bulbo requer a substituição do elemento completo, constituído de bulbo + capilar + elemento sensor de pressão. O sistema termal de enchimento é usado para a indicação, registro e controle local. É também usado como sensor do transmissor pneumático. É o método de medição de temperatura de natureza mecânica mais utilizado. Atualmente, por causa do alto custo é substituído por elementos sensores elétricos. 2.6. Termopar Princípio de funcionamento Os termopares transformam calor em eletricidade. As duas extremidades de dois fios de metais diferentes (e.g., ferro e constantant), são trançadas juntas para formar duas junções: uma de medição e outra de referência. Um voltímetro ligado em paralelo irá mostrar uma tensão termelétrica gerada pelo calor. Esta tensão é função da 1. diferença de temperatura entre a junção de medição e a junção de referência, que é o princípio da medição da temperatura. 2. tipo do termopar usado. Pesquisas são desenvolvidas para se encontrar pares de metais que tenham a capacidade de gerar a máxima militensão quando submetidos a temperaturas diferentes. 3. homogeneidade dos metais. As instalações de termopar requerem calibrações e inspeções periódicas para verificação do estado dos fios termopares. A degradação do termopar introduz erros na medição. Circuito de medição O circuito de medição completo deve possuir os seguintes componentes básicos 1. o termopar, que está em contato com o processo. O ponto de junção dos dois metais distintos é chamado de junta quente ou junta de medição. 2. a junta de referência ou junta fria ou junta de compensação, Fig. 2.6. Transmissor com sensor de enchimento termal (Foxboro) O enchimento da classe III é com gás, geralmente o Nitrogênio. Baseia-se também na dilatação volumétrica do gás de enchimento e portanto requer compensação das variações da temperatura ambiente. Porém, na prática, basta a compensação parcial da caixa raramente se usa a compensação total. Os sistemas de enchimento termal possuem as seguintes vantagens 1. é um método simples e de uso comprovado, 2. não requer nenhuma fonte de alimentação, a não ser que haja transmissão, 3. possuem construção robusta e insensível às vibrações e aos choques mecânicos 4. há uma boa seleção de faixas calibradas e larguras de faixas de medição estreitas, 5. são mecânicos, portanto seguros em qualquer atmosfera perigosa As desvantagens são 1. tempo de resposta lento 262 Temperatura localizada no instrumento receptor. Como a militensão é proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções, a junta de referência deve ser constante. Como nos primeiros circuitos havia um recipiente com água + gelo, para manter a junta de referência em 0 oC, a junta de referência é também chamada de junta fria. Mesmo quando se mede temperatura abaixo de 0 oC, portanto quando a junta quente é mais fria que a junta fria, os nomes permanecem, por questões históricas. Atualmente, em vez de se colocar um pouco prático balde com água + gelo, utiliza-se o circuito de compensação com termistores e resistências. 3. circuito de detecção do sinal de militensão, geralmente a clássica ponte de Wheatstone, com as quatro resistências de balanço. Na prática o circuito é mais complexo, colocando-se potenciômetros ajustáveis no lugar de resistências fixas. Os ajustes correspondem aos ajustes de zero e de largura de faixa. 4. a fonte de alimentação elétrica, de corrente contínua, para a polarização dos circuitos elétricos de detecção, amplificação e condicionamento do sinais. Configurações As configurações de ligações podem ser de três tipos básicos 1. o termopar é ligado diretamente do processo para o instrumento receptor remoto. Os fios de ligação devem ser de termopar, do mesmo tipo que a junta de medição, a fim de não introduzir erros de medição. Atualmente, são desenvolvidos fios de extensão feitas de ligas com características termelétricas iguais as do termopar e de menor custo. 2. o termopar é ligado ao transmissor eletrônico de temperatura. A entrada do transmissor é o termopar, ligado ao processo e a saída é o sinal padrão de corrente, de 4 a 20 mA cc. A vantagem dessa ligação é que o fio de transmissão é de cobre comum mais econômico que o fio de termopar. 3. O termopar é ligado ao transmissor pneumático de temperatura. A entrada do transmissor é o termopar, em contato com o processo e a saída do transmissor é o sinal pneumático padrão, de 20 a 100 kPa. Essa configuração é adequada quando se tem o instrumento receptor de natureza pneumática. Fig. 2.7. Transmissor inteligente de temperatura (Rosemount) Tipos de termopares Existem vários tipos de termopares, designados por letras; cada tipo apresentando maior linearidade em determinada faixa de medição. Essa variedade de tipos facilita a escolha, principalmente porque há muita superposição de faixa, havendo uma mesma faixa possível de ser medida por vários termopares. (a) Sistema completo: bulbo, sensor e poço 263 Temperatura (b) Sensor termopar Fig. 2.8. Conjunto do termopar A militensão gerada é de corrente contínua. O termopar é polarizado e cada metal corresponde a uma polaridade. Convenciona-se que o primeiro nome do termo corresponde ao pólo (+). Os tipos mais utilizados são 1. tipo J, de Ferro (+) e Constantant (), com faixa de medição até 900 oC. Para a identificação, o Fe é o fio magnético. 2. tipo K, de Cromel (+) e Alume1 (-), para a faixa de medição até 1.200 oC, sendo o Cromel levemente magnético. 3. tipo T, de Cobre (+) e Constantant (-), para faixa até 300 oC. É fácil a identificação do cobre por causa de sua cor característica. 4. tipo S, com a liga (+) de Platina (90%) + Ródio (10%) e Platina pura (-). Atinge até medição de 1.500 oC e para identificação, platina pura é a mais maleável. 5. tipo R, também liga (+) de Platina (87%) + Ródio (13%) e Platina (-), com a mesma faixa de medição até 1.500 oC e identificando-se a platina pura pela maior maleabilidade. Cada curva de termopar é diferente entre si e todas possuem regiões nãolineares. As curvas são necessárias e úteis para a calibração do receptor de termopar. Quando se quer calibrar um instrumento indicador-registrador de temperatura a termopar, em vez de se ter um banho de temperatura, simula-se diretamente um sinal de militensão substituindo-se o termopar. Fig. 2.9. Curvas dos vários tipos de termopar Vantagens e limitações O termopar apresenta todas as vantagens inerentes ao sistema elétrico. Por isso, quando comparado ao sistema mecânico de enchimento termal tem-se 1. menor tempo de atraso, 2. maiores distâncias de transmissão, 3. maior flexibilidade para alterar as faixas de medição, 4. maior facilidade para reposição do elemento sensor, quando danificado 5. maior precisão. Quando comparado com a resistência detectora de temperatura, tem-se 1. o custo do elemento termopar é menor, 2. o tamanho do elemento sensor é menor, portanto com tempo de resposta menor e mais conveniente para montagem. 3. os meios de calibração são mais fáceis 4. verificações de calibração mais fáceis. Aliás, a medição de temperatura com termopar é autoverificável, quando se tem o dispositivo de proteção de queima (burnout) do termopar. Incorpora-se no circuito de medição, um sistema para levar a indicação da leitura para o fim ou para o início da escala, quando ocorrer o rompimento da junta de medição. 5. flexibilidade para modificação do circuito, para medição de soma ou subtração de temperaturas. 6. as larguras de faixas medidas são maiores que as conseguidas no 264 Temperatura sistema mecânico e com o bulbo de resistência. Fig. 2.10. Termopares dentro do bulbo protetor Porém, ele apresenta desvantagens, com relação ao sistema de enchimento mecânico e com relação ao bulbo de resistência elétrica 1. a característica temperatura x militensão não é linear totalmente. 2. o sinal de militensão pode captar ruídos na linha de transmissão. 3. o circuito de medição é polarizado, quando o da resistência não o é. 4. requer circuito de compensação das variações da temperatura ambiente. 5. a junta de medição pode se deteriorar, se oxidar e envelhecer com o tempo. Os termopares são aplicados em medições de temperaturas em um ponto e não em uma região média) onde se requer pequenos atrasos. Ele é conveniente em sistemas que envolvem muitos pontos de medição, sendo selecionado instantaneamente um único ponto para indicação ou registro. Fig. 2.11. Esquema de ligação do termopar ao registrador de temperatura Fig. 2.12. Registrador multiponto de temperatura Calibração do termopar Como a homogeneidade dos fios componentes do termopar pode se modificar, o termopar e os fios de extensão de termopar devem ser periodicamente calibrados. A calibração consiste em verificar se as suas características se afastaram dentro da tolerância (termopar bom) ou além da tolerância (termopar deve ser descartado). As técnicas de calibração do termopar tem sido melhoradas constantemente em velocidade e confiabilidade, por causa do uso do microprocessador. A técnica antiga consistia em ligar o instrumento receptor do termopar aos terminais de um potenciômetro portátil de militensão, medir a temperatura destes terminais com um termômetro padrão, ajustar a saída do potenciômetro para dar a indicação teórica no receptor e anotar o ajuste do potenciômetro. Finalmente, se procurava a temperatura correspondente em tabelas 265 Temperatura padrão. Este processo consumia muito tempo e era susceptível a erros potenciais. A medição de temperatura nos terminais é necessária porque um termopar contem inerentemente duas junções de metais diferentes e não apenas uma. A saída de tensão deste sistema de termopar é afetada pelas temperaturas de ambas as junções. A medição da temperatura da junção de medição, deste modo, requer o conhecimento da temperatura da junção de referência. Em muitos instrumentos, a junção de referência ocorre nos terminais de ligação neste instrumento receptor. O microprocessador simplificou muito a calibração do termopar. Sua memória pode conter as curvas de temperatura (tensão x temperatura) para os diferentes termopares. Estas curvas são geradas usando-se equações publicadas pelo National Institute of Standards and Technology. Um instrumento a microprocessador também faz a medição da temperatura da junção de referência, incorporando-a em um resultado compensado corretamente. Quando a calibração do instrumento baseado em microprocessador recebe uma tensão, ele imediatamente translada para a unidade de temperatura (oC), de acordo com tabelas contidas na sua memória e indica digitalmente estes valores. Para calibrar instrumentos com termopar, a técnica básica é fornecer um sinal conhecido para o instrumento receptor para garantir que ele está dando uma indicação precisa e exata. O calibrador fornece este sinal de uma fonte estável e monitora, ao mesmo tempo, o sinal com o sistema de medição do próprio calibrador. A curva temperatura versus tensão armazenada no sistema do microprocessador do calibrador é o ponto de referência para gerar uma saída correta. Assim, o calibrador simula o termopar, gerando uma tensão correspondente à temperatura e indicando temperatura (e não tensão). Além de calibrar e ajustar o instrumento receptor (registrador, indicador, controlador), deve-se calibrar o sensor em si. O sensor pode ser substituído por um sensor novo calibrado ou pode ser removido e calibrado em um laboratório de temperatura. Ele também pode ser calibrado no local se um sensor padrão de referência puder ser instalado temporariamente próximo do termopar de trabalho. Este caso nem sempre é possível, mas quando possível, ele deve ser preferido. Sua vantagem é que o sensor instalado é aferido em sua condição real de operação. Um calibrador tendo dois canais de entrada torna este método prático. Tab.3.3. Características dos Termopares Padrão ISA Tipo T J K E R S B Material +/Cobre/Constantant Ferro/Constantant Cromel/Alumel Cromel/Constantant Pt + 10% Rh/Pt Pt + 13%Rh/Pt Pt + 30%Rh/Pt + 6%Rh Sensitividade mV/K 0,05 0,05 0,04 0,08 0,01 0,01 Temperatura K 3 a 675 63 a 1475 3 a 1645 3 a 1275 224 a 2035 224 a 2035 273 a 2000 Incerteza % v.m. 0,5 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 F.e.m. (mV) -6,258 a 20,869 -8,096 a 42,922 -6,458 a 54,875 -9,835 a 76,358 -0,226 a 21,108 -0,236 a 18,698 0 a 13,814 Notas: 1. Conforme Norma ISA MC 96.1, Temperature Measurement Thermocouples, 1975. 2. Cromel® e Alumel® são marcas registradas de Hoskins Co. 3. A militensão se refere à junção de referência a 0 oC. 266 Temperatura 2.7. Resistência detectora de temperatura (RTD) Princípio de funcionamento A resistência elétrica dos metais depende da temperatura; este é o princípio de operação do sensor de temperatura a resistência elétrica (RTD Resistance Temperature Detector). Quando se conhece a característica temperatura x resistência e se quer a medição da temperatura, basta medir a resistência elétrica. Essa medição é fácil e prática. Normalmente, a resistência metálica possui o coeficiente térmico positivo, ou seja, o aumento da temperatura implica no aumento da resistência elétrica. A resistência de material semicondutor (Si e Ge) e as soluções eletrolíticas possuem coeficientes térmicos negativos, onde o aumento da temperatura provoca a diminuição da resistência. A resistência elétrica a semicondutor, com coeficientes negativos, é chamada de termistor e é usada também como sensor de apenas aqueles que apresentam propriedades convenientes, tais como: 1. linearidade entre variação da resistência termal e temperatura 2. estabilidade termal 3. ductilidade (propriedade de ser transformado em fio fino) 4. disponibilidade comercial 5. preço acessível Os metais mais usados são: platina, níquel e cobre. Também é usado material semicondutor (termistor). Platina A platina (Pt) é usada para medição de faixas entre 0 e 650 oC. A característica resistência x temperatura é linear nesta faixa e apresenta grande coeficiente de temperatura. O sensor Pt 100 tem resistência de 100 Ω à 0 oC e de aproximadamente 139 Ω à 100 oC. Embora a mais cara, a platina possui as seguintes vantagens 1. é disponível em elevado grau de pureza, 2. é resistente à oxidação, mesmo à alta temperatura, 3. é capaz de se transformar em fio (dúctil). Níquel O níquel (Ni) é o segundo metal mais utilizado para a medição de temperatura. É também encontrado em forma quase pura, entre 0 oC a 100 oC apresenta um grande coeficiente termal. Porém, a sua sensibilidade decresce bruscamente em temperaturas acima de 300 oC. A sua curva resistência x temperatura é não linear. temperatura e nos circuitos de compensação de temperatura ambiente das juntas de referência do termopar. Os tipos mais comuns de resistência metálica são a platina, níquel e cobre. Fig. 2.13. Curvas de resistência x temperatura . Materiais da RTD Teoricamente, qualquer metal pode ser usado como sensor de temperatura, porém, na prática industrial, são usados Cobre O cobre (Cu) é outra resistência utilizada, porém em menor freqüência que as resistências de Platina e de Níquel. Quando comparada com o termopar, a resistência detectora de temperatura de platina apresenta as seguintes vantagens 1. altíssima precisão. Provavelmente a medição de temperatura através da platina é a mais precisa em todo o campo da instrumentação. 2. não apresenta polaridade (+) e (-). 3. apropriada para medição de temperatura média enquanto o 267 Temperatura termopar é adequado para medição de temperaturas em um ponto. 4. capaz de medir largura de faixa estreita; de até 5 oC 5. mantém-se estável, precisa e calibrada durante muitos anos. As desvantagens são 1. o alto custo, 2. os bulbos maiores, 3. o tempo de resposta é mais demorado, 4. o auto-aquecimento da resistência constitui um problema 5. a exigência de fiação com 3 ou 4 fios para a compensação da temperatura ambiente. A resistência detectora de temperatura é aplicado quando se quer uma medição com altíssima precisão e estabilidade e quando a largura de faixa de medição é estreita. Configurações O RTD pode ser ligado diretamente ao receptor. A ligação pode ser feita através de 2, 3 ou 4 fios. O terceiro e o quarto fio são usados para compensar as variações da resistência dos fios de transmissão do sinal provocadas pela temperatura ambiente variável. O RTD é elemento sensor do transmissor eletrônico de temperatura. A entrada do transmissor é a resistência e sua saída é o sinal padronizado de corrente, entre 4 a 20 mA cc. A vantagem dessa fiação é que o fio de transmissão é comum e não requer compensação. O RTD é também o elemento sensor do transmissor pneumático de temperatura. A entrada do transmissor é a resistência e a saída é o sinal pneumático padrão de 20 a 100 kPa. Esta instalação é típica para instrumentação pneumática de painel e medição de temperatura com detector de temperatura a resistência. Fig. 2.14. Resistências dentro de bulbos, com os cabeçotes de acesso Termistor O termistor é considerado um detector de temperatura a resistência (RTD). As diferenças básicas entre o termistor e uma resistência convencional são as seguintes 1. o coeficiente de temperatura é negativo, 2. sua resposta é mais rápida e seu tamanho é menor, 3. seu custo é muito menor que o da resistência de Pt ou Ni, As suas desvantagem são a limitação das faixas de medição (-50 a 300 oC) e a menor precisão. A maior aplicação do termistor é em circuitos de compensação de temperatura ambiente na junta de termopar. Fig. 2.16. Transmissor descartável de temperatura Fig. 2.17. Transmissores com termopar ou resistência detectora de temperatura (Foxboro) 268 Temperatura 3. Acessórios 3.1. Bulbo O bulbo termal serve para encerrar o fluido de enchimento do sistema termal mecânico. Nessa configuração, o elemento de temperatura é formado pelo conjunto bulbo + capilar + elemento sensor de pressão. O sistema é totalmente selado, sem vazamento e sem bolhas de ar, proteger o termopar ou o fio de resistência detectora de temperatura dos rigores do processo. Em qualquer situação o bulbo está em contato direto com o processo, quando não há poço. Os seus materiais de construção são o aço inoxidável AISI 316 e ligas especiais, como Monel®, Hastelloy® e metais nobres como Ti, Pt, Ta. parte sensível. A extensão pode ser rígida ou dobrável. inserção (U) é a soma da extensão e da parte sensível; é toda a parte que fica mergulhada ou no interior do processo. Tem-se U = X + J. diâmetro (Y) do bulbo, ou mais precisamente, o diâmetro da parte sensível, que é função do tamanho do bulbo e da largura de faixa de temperatura medida, quando de enchimento termal. união, que é opcional. Quando há união, ela pode ser fixa ou ajustável. A união é uma rosca macho e sua finalidade é a de fixar o bulbo na parede do processo ou no poço. Fig. 2.28. Bulbo e suas dimensões Os bulbos são usados nas seguintes configurações bulbo plano, o mais simples possível. É usado em recipiente raso, em tanques abertos, onde nenhum suporte é disponível. Não existe em Classe III de enchimento termal. bulbo plano com extensão dobrável, também usado sem união, em aplicações que sejam necessárias curvaturas da porção sensível do bulbo para melhor resultado. bulbo de união, fixa ou ajustável, com extensão dobrável, para uso em vasos fechados e pressurizados, sem proteção, com pressões até 70 MPa. bulbo de união, fixa ou ajustável, com extensão rígida, para uso com bulbo sem proteção, onde há forças provocadas por agitações no tanque. bulbo capilar, para aplicação em medição de temperaturas médias, no interior de dutos, fornos, secadores, estufas. Fig. 2.27. Bulbos de temperatura A geometria do bulbo de temperatura varia com o fabricante e com as exigências do processo. Há recomendações da Scientific Apparatus Manufacturer Association (SAMA) para normalizar os nomes das partes notáveis do bulbo: parte sensível (X), é a parte que envolve o elemento sensor (termopar ou resistência) ou a parte que sente a temperatura, ficando em contato com o ponto que se quer medir a temperatura. A parte sensível pode ser ajustável (50 a 450 mm). extensão (J) é a distância que vai do ponto onde é fixado o bulbo até o início da 269 Temperatura 3.2. Capilar O capilar é um tubo com pequeno diâmetro interno, geralmente cheio de fluido, que liga o bulbo ao elemento receptor ou que liga um selo ao elemento de pressão do instrumento. Os capilares são disponíveis em vários materiais e várias configurações, para atender aos requisitos das aplicações especificas. 1. capilar de 1/8" de diâmetro externo, feito de aço inoxidável AISI 316, próprio para suportar pressões elevadas, é o mais usado na prática. Para o capilar da classe IA, com compensação do capilar e da caixa, o capilar é duplo. Para essa configuração tem-se os dois capilares juntos, protegidos por um único revestimento, também de aço inoxidável AISI 316. Ou então, para prover mais flexibilidade, o revestimento externo pode ser de aço inoxidável AISI 304. 2. o capilar de cobre, com revestimento de bronze flexível, coberto com plástico de vinil extrudado. Embora a máxima temperatura de operação seja de 100 oC, o revestimento plástico exterior melhora a resistência química do conjunto. O revestimento de aço cuida da resistência mecânica do capilar e o plástico, da corrosão química. 3.3. Poço de temperatura O poço de temperatura é um receptáculo metálico, rosqueado, soldado ou flangeado ao equipamento do processo, que recebe o bulbo de medição. Os objetivos do poço são os de 1. proteger o bulbo de medição da corrosão química e do impacto mecânico; 2. possibilitar a remoção do bulbo de medição sem interrupção do processo; 3. diminuir a probabilidade de vazamento nas tomadas de temperatura, aumentando também sua resistência mecânica; 4. tornar praticável a medição de fluidos de alta temperatura, corrosivos, sujos e tóxicos e submetidos à pressão elevada. A principal desvantagem do poço de temperatura é o aumento do tempo morto da resposta do sistema, pois o poço introduz uma camada de ar entre o bulbo, além de introduzir a resistência de sua parede. Para diminuir essa influência deve se minimizar a distância entre o bulbo e o poço, ou então se colocar uma substância condutora para substituir o ar, que é um mau condutor térmico. Existem poços de temperatura feitos de vários materiais aço inoxidável, ligas especiais de Monel, Hastelloy, Tântalo, bronze e outros. Quando se utiliza o poço, ele funciona como um selo, podendo-se usar bulbos de materiais padronizados. O poço de temperatura evita que o bulbo entre diretamente em contato com o processo. Fig. 2.29. Transmissor pneumático com bulbo e capilar (Foxboro) Fig. 2.30. Poços de temperatura Há algumas diferenças de montagem do poço 270 Temperatura 1. Montado em tubulações, podendo ser montado rosqueado diretamente ao tubo, recebendo o bulbo, que é aparafusado no seu interior. O poço possui uma rosca externa para a ligação com a tabulação e possui no interior outra rosca, onde fica conectado o bulbo de medição. Quando a parede do tubo é grande, o poço deve possuir uma extensão de atraso. Quando em tabulação, o bulbo pode ser ligado ao processo através de uma conexão tipo T; 2. Montado em vasos, através de roscas ou de flanges, nas paredes laterais ou no topo. Fig. 2.31. Poço em tubulação Quanto ao formato, o poço pode ser dividido em 1. poço padrão, rosqueado, de formato cilíndrico, com comprimentos acima de 150 mm e rosca externa de 1/2" a 1" NPT; 2. poço padrão, com rosca externa afastada da rosca interna, apresentando um "atraso", apropriado para superfícies com revestimento de isolação; 3. poço cônico, usado em tubulações com fluidos em alta velocidade, serviços abrasivos, linhas de vapor ou qualquer outra instalação que requeira alta resistência lateral; 4. poço flangeado, mais prático que o rosqueado, usado quando a tomada do processo é feita em flange. Apostilas\Instrumentação 32Temperatura.DOC 15 DEZ 98(Substitui 27 ABR 97) 271 3.3 Vazão 1. Fundamentos 1.1. Conceito de vazão Vazão ou fluxo é o deslocamento de volume, ou massa, de um fluido, por unidade de tempo. Assim, matematicamente tem-se: Q = Cd 2 2gh onde C é o coeficiente de descarga d é o diâmetro da tubulação h é a pressão diferencial resultante da passagem do fluido g é a constante gravitacional. Todas essas relações matemática são importantes pois raramente se tem a medição direta da vazão. A medição da vazão é indireta, normalmente é feita por inferência. Ou seja, mede-se outra variável mais detectável e, por dedução, se chega ao valor da vazão. Pelas relações matemáticas anteriores, se conclui que se pode medir a vazão de um fluido pela medição de volume conhecido (deslocamento positivo), velocidade (medidor magnético), pressão diferencial (placa de orifício), força de impacto (tipo alvo), rotação provocada pelo impacto (turbina), e outros princípios. Q= ou V t M t W= onde Q é a vazão volumétrica instantânea, W é a vazão mássica instantânea, V é o volume do fluido deslocado t é o intervalo de tempo A vazão é instantânea quando o intervalo de tempo tende para zero. Outra relação matemática importante envolvendo o conceito de vazão é aquela que mostra que a vazão instantânea é proporcional à velocidade do fluido e à área da seção reta da tubulação, onde o fluido se desloca: Q= v×A v é a velocidade do fluido A é a área da seção da tubulação A vazão na tubulação é sempre a mesma, qualquer que seja a obstrução ou o acidente na tubulação. Há também uma relação matemática importante em vazão de fluido, que é equação da continuidade de Bernouille: Fig. 3.1. Vazão e pressão em uma restrição 1.2. Unidades As unidades no Sistema Internacional são, 272 Vazão 3 1. vazão volumétrica: m s 2. vazão mássica: kg s Também são usadas outras unidades não recomendadas pelo SI, como 1. LPM (litro por minuto), para se referir a vazão volumétrica de líquidos, 2. ton/h, para a vazão mássica de vapor, 3. m3/h (metro cúbico por hora) para gases As unidades inglesas mais usadas são GPM (galões por minuto) e SCFM (pé cúbico padrão por minuto), referentes à vazão volumétrica. Usam-se fórmulas matemáticas e tabelas para a conversão entre as unidades diferentes. A analise dimensional é usada para verificação do acerto da conversão. A transformação de vazão volumétrica em vazão de massa, quando necessária, é facilmente conseguida, desde que se conheça a densidade do fluido. (massa = volume/densidade) ou a pressão, temperatura e composição para gases. fluido aquecedor (ou de resfriamento), controla-se a pressão de um gás em um tanque de volume constante pelo controle da vazão de entrada (ou de saída) do gás no interior do tanque e pode se controlar o nível de líquido em tanque pelo controle da vazão do líquido, na entrada ou na saída. Fig. 3.2. Vazão através de tubulação A importância da vazão cresce porque ela está associada ao balanço de materiais na entrada e na saída do processo e principalmente, está associada à quantidade de materiais para compra e venda (transferência de custódia). Nessa aplicações, o que importa é a totalização da vazão, em volume ou em massa. Há ainda a aplicação do controle de relação ou proporção entre duas ou mais vazões de fluidos diferentes, para a obtenção de misturas com proporções controláveis. É o controle de relação ou de proporção de vazões. Caso particular desse controle é a mistura digital (blending), que utiliza equipamentos eletrônicos a microprocessadores para a obtenção de misturas em quantidades e proporções de mistura controláveis e preestabelecidas. Exatamente, por causa de todos esses aspectos tão abrangentes, a vazão é certamente a variável de processo que foi mais pesquisada e analisada e seus mecanismos básicos de medição alcançaram elevado grau de precisão, confiabilidade, padronização e maturação, talvez o mais elevado de toda a área da instrumentação. Os tipos de detectores e medidores de vazão são numerosos, alguns com mais de um século de aplicação, outros de desenvolvimento recente. Na aplicação 1.3. Funções Associadas Alem das funções normalmente aplicadas às outras variáveis de processo, tais como indicação, registro, transmissão, controle, alarme, computação analógica, a vazão é também integrada, totalizada e misturada em proporções preestabelecidas. A indicação da vazão instantânea é pouco útil. O registro da vazão é mais útil pois a partir do registro no gráfico é possível se obter a totalização da vazão, através da integração gráfica do planímetro. Quando a indicação, registro e controle são remotos, é padrão o uso dos transmissores eletrônicos ou pneumáticos de vazão. Como o elemento final de controle mais utilizado é a válvula de controle, geralmente a vazão é a variável manipulada do controle do processo. Assim, por exemplo, se controla a temperatura pelo controle da vazão do 273 Vazão prática, os mais comuns e usados são: a pressão diferencial, rotâmetro de área variável, eletromagnético, turbina, vortex, alvo e deslocamento positivo. Outros, como o ultra-sônico e radioativo, são menos usados. A grande variedade de medidores de vazão pode constituir uma vantagem, pois é sempre possível se obter um medidor conveniente para a aplicação. Porém, é também uma desvantagem, pois a escolha é mais difícil. A escolha do medidor correto de vazão é fundamental, pois a vazão é muito critica : um medidor mal selecionado geralmente não funciona ou então funciona com grande imprecisão. sistema e variando as condições do fluido. Matematicamente, tem-se RD = Dvρ µ 1.4. Dificuldades da Vazão Geralmente, o que se mede é a vazão de um líquido, de um gás ou de vapor. Também se mede transporte de sólidos, em esteiras rolantes, porém esse assunto não será tratado aqui. Como visto, a vazão de um fluido depende de vários parâmetros do processo, tais como velocidade do fluido, tamanho da tubulação 9tanto comprimento como diâmetro), características do fluido (densidade, viscosidade, presença de condensado no gás, presença de gases em líquidos voláteis), condições de processo (temperatura, pressão estática, perda de carga permanente, pulsações na linha), acidentes da tubulação (redução, expansões, cotovelos, conexões, elementos provocadores de distúrbios.) Enfim, a presença ou não dessas propriedades e características, torna a vazão do fluido bem comportada ou não. Em palavras mais técnicas: o resultado pode ser uma vazão laminar ou turbulenta. Como os parâmetros acima não são necessariamente quantificáveis, foi introduzido um numero que relaciona as forças de viscosidade e inerciais do fluido, denotando a dificuldade da medição de vazão do fluido. O numero de Reynolds (Osborne Reynolds, inglês) é uma indicação conveniente para a comparação dos desempenhos de condições de vazão, mantida constante a geometria do onde RD é o numero de Reynolds v é velocidade do fluido D é o diâmetro da linha ρ é a densidade do fluido µ é a viscosidade absoluta do fluido Na prática, verifica-se que é difícil a medição de vazão para fluidos com números extremos de Reynolds. Ou seja, é problemático a medição de vazão de fluidos com números de Reynolds ou muito pequenos (abaixo de 102) ou muito grandes (acima de 104). Aplicando o conceito do numero RD, é difícil a medição de fluidos muito viscosos (o numero RD é muito pequeno) vazões muito pequenas, linhas muito estreitas e também o caso contrário: vazões muito elevadas, tubulações muito grandes. Há um consenso de que é mais difícil a medição de fluidos com muito pequenos RD do que muito grandes RD: a dificuldade é maior para fluidos viscosos). Assim, o numero de Reynolds: 1. expressa a dificuldade de medição de vazões, valores extremos são difíceis, 2. indica o tipo de vazão: turbulenta ou laminar, 3. aplicado a líquido, vapor e gás, 4. fornece o formato da velocidade e formato do contorno frontal do fluido: parabólico, logarítmico, 5. calculado pela formula acima e obtível de curvas, típicos de 102 a 107. 274 Vazão 2. Medidores de Vazão 2.1. Sistema de Medição Os medidores de vazão consistem de duas partes distintas, cada uma exercendo uma função diferente: 1. elemento primário 2. elemento secundário O elemento primário está em contato direto com o fluido (parte molhada), resultando em alguma forma interação. Esta interação pode ser a separação do jato do fluido, aceleração, queda de pressão, alteração da temperatura, formação de vórtices, indução de força eletromotriz, rotação de impellers, criação de uma força de impacto, criação de momentum angular, aparecimento de força de Coriolis, alteração no tempo de propagação e muitos outros fenômenos naturais. O elemento secundário tem a função de medir a grandeza física gerada pela interação com a vazão do fluido e transformá-la em volume, peso ou vazão instantânea. O elemento secundário é finalmente ligado a um instrumento receptor de display, como indicador, registrador ou totalizador. As condições para a instalação apropriada e a operação correta, os erros e as outras características do elemento primário são independentes e diferentes das características do elemento secundário, de modo que eles devem ser tratados separadamente. O elemento primário se refere especificamente à medição de vazão e o elemento secundário se refere à instrumentação em geral. A placa de orifício é o elemento primário que mede a vazão gerando uma pressão diferencial e será estuda aqui. O transmissor de pressão diferencial, que é o elemento secundário associado a ela, será visto aqui muito superficialmente, para completar o estudo do sistema de medição. Este mesmo transmissor pode ser usado em outras aplicações, para medir nível ou pressão manométrica. 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 nãolinear; 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 por placa de orifício envolve um medidor de vazão volumétrica instantânea, com saída proporcional ao quadrado da vazão, com diâmetro total, sem fator K e com extração de energia. O medidor de deslocamento positivo com pistão reciprocante é um medidor de quantidade, linear, com fator K, com diâmetro total e com extração de energia. O medidor magnético é um medidor de vazão volumétrica instantânea, com fator K, diâmetro total e com adição de energia. 2.3. 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 2.2. Tipos de Medidores As classificações dos medidores de vazão se baseia somente no tipo do 275 Vazão 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. 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. 2.4. Relação Matemática 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. 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. 2.6. 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. 2.7. 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. 2.5. 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. 276 Vazão 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. Como desvantagem, é necessário o uso de uma fonte externa de energia. Exemplos de medidores aditivos de energia: magnético, sônico, termal. 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. 2.8. 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 faze-lo operar. A vantagem desta filosofia é a nãonecessidade 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 nãointrusivo e o elemento primário oferece nenhum ou pequeno bloqueio a vazão. 2.9. Medidor Universal Ideal de Vazão Não existe um medidor ideal para ser usado universalmente para qualquer aplicação. Todo medidor de vazão possui vantagens e limitações inerentes e para cada aplicação há um medidor mais conveniente, depois de analisados os aspectos técnicos e comerciais. Para cada conjunto de condições e exigências de processo há um medidor mais adequado que deve ser o escolhido. Isto obriga o engenheiro ou o técnico conhecer os princípios básicos de todos os medidores de vazão e a aplicação ótima para cada tipo. O ponto de partida para a escolha é o conhecimento prévio de todos os dados do processo da vazão. A escolha deve ser feita, baseada no compromisso entre o custo e o desempenho. Porém, a escolha do melhor medidor de vazão não é suficiente para a futura medição precisa e confiável. O instrumento escolhido deve ser montado corretamente, mantido em perfeitas condições e os dados fornecidos por ele devem ser interpretados e entendidos de modo exato e preciso. O medidor ideal teria as seguintes características: 1. alta rangeabilidade, podendo medir com pequeno erro, grandes e altas vazões 2. sinal de saída linear com a vazão medida 3. sinais de saída analógico e digital 277 Vazão 4. imunidade a ruídos e outras influências externas 5. medição da vazão sem influência da densidade, viscosidade, condutividade e outras variáveis modificadoras 6. perda de carga desprezível 7. sem obstrução, para manipular fluidos com sólidos em suspensão 8. sem peças moveis 9. alta resistência a fluidos abrasivos e corrosivos 10. capacidade de medir igualmente líquidos e gases, 11. capacidade de uso em altas e baixas temperaturas e altas pressões 12. disponibilidade em diferentes tamanhos para ser usado em tubulações grandes e pequenas. 13. capacidade de ser instalado e retirado do processo sem interrupção da operação 14. altíssima precisão (repetitividade, linearidade, sem histerese e sem banda morta) 15. ausência de manutenção, 16. estabilidade, confiabilidade e integridade. 17. facilidade e retenção da calibração (calibração requerida em longos intervalos de tempo) corrosivos e sujos, sem perda de carga adicional, 4. o medidor de vazão com deslocamento positivo, com pistão reciprocante, pistão oscilante, engrenagens ovais, impelidores, diafragmas e disco nutante. Usado para a totalização direta da vazão, 5. o medidor de área variável para a indicação local e barata da vazão de fluido sob baixa pressão e com pequena precisão, 6. o medidor com geração de vórtices de Von Karmann, chamado genericamente de vortex, 7. o medidor direto de massa de Coriolis, 8. o medidor ultra-sônico por efeito Doppler e por tempo de trânsito, disponível na versão portátil, onde é usado externamente à tubulação, 9. medidor tipo alvo (target) para medição de fluidos viscosos, 10.medidores de canal aberto, tipo calha, onde se tem a variação simultânea da área de passagem e do nível da superfície líquida, 11.o medidor mássico termal baseado nos efeitos de resfriamento ou aquecimento de elementos termais Há outros medidores, mais raramente usados e pouco conhecidos, como o 1. medidor com diluição, 2. medidor óptico com raio laser, 3. medidor de correlação, 4. medidor linear com geração de pressão diferencial, 5. medidor baseado na variação do momentum angular 6. medidor nuclear. 2.10. Medidores Favoritos Os medidores de vazão favoritos são os seguintes: 1. sistema de medição de vazão com elemento primário gerador de pressão diferencial. Os elementos mais usados são a placa de orifício, o venturi e o bocal e pitot. É o sistema usado na maioria das aplicações industriais, 2. a turbina medidora de vazão, tangencial, de inserção e com eixo longitudinal. Usada para a medição precisa de fluidos limpos e com saída digital conveniente para a totalização. 3. o sistema de medição magnética da vazão, com excitação senoidal e corrente contínua pulsada. Usado para a medição de fluidos 3. Geradores de Pressão Diferencial Há vários tipos de medidores de vazão à pressão diferencial, também chamados de tipo coluna, head, à restrição, à estrangulamento. Qualquer que seja sua geometria, o princípio de funcionamento é único: uma restrição à linha, onde há uma vazão de fluido, provoca o aparecimento de uma pressão diferencial, proporcional ao quadrado da vazão. Sua base teórica é o teorema de Bernouille, que diz: na vazão sem atrito, 278 Vazão a soma da velocidade mais pressão estática mais pressão diferencial é constante. Na tubulação, a vazão é sempre a mesma, visto que não há nem acúmulo nem vazamento em nenhum ponto. Desse modo, quando há uma restrição na tubulação, o fluido é acelerado quando passa pela restrição. O aumento da velocidade implica na diminuição da pressão estática. Desde que se conheça a relação matemática entre a vazão e a pressão diferencial, entre a pressão antes e a pressão depois da restrição, pode-se medir a vazão do fluido pela inferência da medição da pressão diferencial. ρ é a densidade do fluido K é uma constante de proporcionalidade que inclui as unidades e os fatores de correção. Algumas conclusões podem ser tiradas das expressões matemáticas anteriores: A relação entre a vazão e a pressão diferencial não é linear mas uma relação de raiz quadrada. Essa não linearidade limita severamente a rangeabilidade da medição da vazão. Uma escala raiz quadrada expande a extremidade superior da escala e comprime a extremidade inferior, tornando difícil e com pequena resolução as leituras de valores baixos. Por exemplo, 50% da vazão produz 25% de pressão diferencial. Em 10% da vazão, a pressão diferencial é de apenas 1%. Desse modo, considerando a rangeabilidade da medição da pressão diferencial em 10:1, a rangeabilidade da vazão correspondente é de apenas 3:1. Isso significa, quando se mede a vazão máxima de 100 unidades, a vazão mínima a ser medida com a mesma precisão, é de apenas 30 unidades. Como conseqüência, é sempre problemática a medição de pequenas vazões com medidor à pressão diferencial. Para a medição das vazões, volumétrica e de massa, é necessário o conhecimento ou a medição da densidade do fluido. E a dependência entre a vazão e a densidade também é raiz quadrada. Na maioria dos líquidos, a densidade não vária muito nas condições de operação, porém, é mandatória a compensação da densidade para a medição de vazões de gases e vapores. Como é difícil a medição direta da densidade, o que se faz, na prática, é a medição da pressão estática e da temperatura ambiente do processo, assumindo a composição do gás constante. Fig. 3.3. Elementos geradores de pressão diferencial: (a) (b) (c) (d) (e) placa de orifício tubo venturi cotovelo loop bocal As relações matemáticas são conhecidas e valem simplesmente: Q = K ρ∆P W =K ∆P ρ onde Q é a vazão volumétrica W é a vazão de massa 279 Vazão Fig. 3.5. Placas de orifício Fig. 3.4. Medição de vazão com pressão diferencial 4.2. Características Físicas A placa é um disco metálico, de espessura entre 1/8" e 1/4", com um furo cientifica e rigorosamente calculado. O furo é geralmente concêntrico, podendo ser excêntrico e segmentado, para a medição de fluidos mais problemáticos. O material padrão é o aço inoxidável AISI 316 ou 304, porém a placa pode ser fabricada com outras ligas metálicas especiais, compatíveis com o fluido de processo, com o qual está em contato direto. São usados: MonelR, HastelloyCR, tântalo e outros. Para facilidade de manuseio a placa possui uma haste que se proteja para fora da tubulação e onde, por conveniência, são gravados os dados da placa: material, tamanho do furo, pressão diferencial que ela produz na vazão máxima necessária para a calibração do elemento sensor da pressão diferencial. O furo da placa apresenta cantos vivos, para eliminar os atritos. Há porém, placas com contorno arredondado e suave, com espessura bem maior e com o furo limitado a um valor menor. É necessária a inspeção periódica à placa, para verificação do estado dos cantos da placa. Desgaste, polimento e sujeira podem ser responsáveis pela introdução de erros grosseiros ma medição de vazão. 3.1. Elemento Gerador Para a medição da vazão através da medição da pressão diferencial, são necessários dois componentes: 1. o elemento primário, que provoca a restrição à linha, como a placa de orifício, o tubo Venturi, o tubo bocal, o tubo DallR, o tubo Gentile. 2. o elemento sensor e medidor da pressão diferencial provocada. O princípio de funcionamento para todos os geradores de pressão diferencial é exatamente o mesmo: a vazão é diretamente ligada à velocidade e às pressões do fluido. Maior vazão, maior velocidade, menor pressão estática. O fluido acelerado através da restrição aumenta sua energia cinética às custas da energia da pressão. Ou seja, a restrição à vazão provoca o aparecimento da pressão diferencial entre antes e depois da restrição. A medição da pressão diferencial é proporcional ao quadrado da vazão que se quer medir. 4. Placa de Orifício 4.1. Conceito Foi desenvolvida e usada pela primeira vez no princípio do século, por Thomas Weymonth, da AGA, e portanto, suas características e dimensionamento são conhecidos. A placa de orifício é o elemento padrão para provocar a queda da pressão, para a conseqüente medição da vazão de líquidos, gases e vapores. 4.3. Tomadas da Pressão Diferencial Há 5 possíveis tipos de tomadas de pressão diferencial com placa de orifício: 1. tomada de canto (0-0) 2. tomada de flange (1"-1") 3. tomada de vena contracta (variável entre 0,35D e 0,85D) 4. tomada de raio (D - 0,5D) 5. tomada de tubo (2,5D - 8D) 280 Vazão O tamanhos retos a montante (antes) e a jusante (depois) da placa de orifício dependem do tipo da tomada da pressão diferencial e das perturbações da linha. A colocação de retificadores de fluxo pode diminuir sensivelmente as distâncias mínimas envolvidas. Tipicamente, para tomada tipo flange (a mais usada, na prática brasileira) temse como valores recomendados: A = 15 D C = 10 D B=D=5D coeficiente de descarga, acha-se um primeiro valor para beta, corrige o coeficiente de descarga, acha-se um segundo valor para beta. Repete-se iterativamente essa operação até se chegar a dois valores sucessivos de beta dentro da tolerância desejada. O valor final do beta deve cair entre os limites inferior de 0,25 e superior de 0,75. Se o beta assume valores menores que 0,25 e maiores que 0,75 ele é inaceitável. Assume-se outro valor para a queda de pressão diferencial e recalculase o beta da placa. Nessa filosofia de dimensionamento tem-se valores variáveis de beta (e portanto do diâmetro do furo da placa) e tem-se faixas de calibração padronizadas. A faixa mais usada é a de 2.500mm de coluna d'água. A vantagem desse dimensionamento de placas é a padronização da faixa calibrada dos elementos sensores de pressão diferencial. As desvantagens são que as placas tem dimensões não padronizadas e as incertezas de cálculo são maiores. Cálculo da pressão diferencial Neste enfoque, assume-se um valor exato e padronizado para o beta da placa e usam-se os dados de vazão para calcular a pressão a ser calibrada no transmissor ou no elemento sensor de pressão diferencial. Os defensores desse dimensionamento alegam a padronização de placas de orifício, que podem ser armazenadas em estoque, em menor numero e com uso mais geral. Isso pode reduzir os custos de produção de placas. Outra vantagem é a escolha de valores padronizados para o beta e conhecidos previamente, diminuindo os erros causados pela incerteza dos parâmetros de fabricação. São escolhidos os valores ótimos de beta, levando em consideração os aspectos de precisão e melhor resolução para a medição da pressão diferencial: β = 0,575 é o melhor, sob o ponto de vista de erro β = 0,600 é o melhor, sob o ponto de vista de melhor pressão diferencial a ser detectada. 4.4. Dimensionamento Dimensionar uma placa de orifício para ser usada em uma tubulação de diâmetro D é calcular o diâmetro d de seu furo, geralmente concêntrico. O fator de mérito da placa de orifício é o seu beta, definido como β= d D onde d é o diâmetro do orifício da placa, D é o diâmetro interno da tubulação. O valor de beta é função dos dados de vazão (vazão máxima, pressão diferencial a ser provocada pela placa, densidade do fluido, tipos de tomada e do tipo do fluido, se líquido, vapor superaquecido, saturado ou gases). Ele pode ser conseguido através de cálculos de formulas matemáticas, réguas de cálculo especificas, programas de calculadoras eletrônicas. O cálculo do beta da placa é um processo matemático iterativo, repetitivo, por causa de hipóteses assumidas, a priori. Há basicamente, dois modos de cálculo: Cálculo do beta Assume-se uma queda de pressão diferencial padronizada e calcula-se a placa de orifício. A partir dos dados de vazão (vazão máxima, coeficiente de descarga, densidade, temperatura, pressão), assume-se um determinado valor de pressão diferencial, e calcula-se o beta da placa. Como o beta depende do 281 Vazão A desvantagem desse dimensionamento, que padroniza a placa e calcula a pressão diferencial a ser calibrada, é a seleção do elemento sensor de pressão diferencial e a não padronização das faixas calibradas, mais conveniente para a manutenção. Qualquer que seja o tipo de dimensionamento, devem ser considerados os coeficientes de descarga (relação da vazão instantânea/vazão teórica calculada), números de Reynolds, tamanho do tubo, correção de compressibilidade, schedule do tubo. equipamento de montagem especial, sem interrupção da vazão. 9. o sistema é flexível, pois o elemento sensor de pressão diferencial pode ser zerado durante o processo e pode ser facilmente isolado, quando se usa o conjunto distribuidor de 3 ou 5 válvulas. 4.6. Desvantagens e Limitações As principais limitações do medidor de vazão a pressão diferencial são: 1. a relação vazão e pressão diferencial não é linear, mas uma relação de raiz quadrada Quando se necessita de um sinal linear, é necessário o uso de extrator de raiz quadrada, o que aumenta o custo da malha e da imprecisão do sistema. 2. por causa da relação raiz quadrada entre a vazão e a pressão diferencial, a rangeabilidade da medição da vazão é ruim: vária entre 3:1 e 5:1. 3. a precisão se degrada com o desgaste e estrago no contorno do furo. A acumulação de sujeira pode introduzir erros grosseiros. Para solucionar esse inconveniente, é necessária a inspeção periódica das placas instaladas. 4. a placa apresenta uma grande perda de carga permanente. Ou seja, a pressão depois da placa é sempre menor que a pressão anterior, pois há uma perda de cerca de 40% a 95% da pressão diferencial máxima provocada. Valores pequenos de beta dão maior perda de carga (cerca de 95%) e grandes valores de beta provocam menor perda (como 40%). 5. o dimensionamento da placa deve ser corrigido pelo numero de Reynolds. Por isso, quando há variações de viscosidade e densidade do fluido, há erros de medição. 6. é problemático quando se mede vazões pulsantes, com placas de orifício. 4.5. Vantagens As principais vantagens da placa de orifício são: 1. a calibração do sistema não requer outro medidor padrão de vazão, ou seja o orifício não precisa ser calibrado com a vazão. Os cálculos de dimensionamento, conhecidos desde circa 1900, são confiáveis. A calibração consiste apenas calibrar o transmissor ou o elemento sensor de pressão diferencial, na bancada. Em vez de se simular a vazão do processo, simula-se a pressão diferencial para o qual a placa foi dimensionada. 2. não possui peças moveis, portanto o desgaste é mínimo. 3. disponível em grande variedade de tamanho (entre 2" até 100" de diâmetro), tipos de tomadas e de material de construção. 4. pode ser usada para medição de vazão de gases, vapores e líquidos. 5. preço independe praticamente do tamanho. O que é mais significativo é o preço do flange. O custo do elemento sensor de pressão diferencial é o mesmo, qualquer que seja o tamanho da tubulação ou do valor da vazão. 6. não há necessidade de lubrificação 7. simplicidade extrema e com precisão aceitável para a maioria das aplicações, desde que instalado corretamente. 8. a placa de orifício pode ser removida, através de um 282 Vazão 7. quando se considera o conjunto completo, placa + sensor ou transmissor de pressão diferencial, os custos dos equipamentos e sua instalação são caros. 8. em fluidos difíceis, que apresentam problemas com condensação, congelamento endurecimento do produto, alta temperatura, é necessário o suo de acessórios especiais, que oneram mais os custos, como câmaras de purga, injeção de vapor, isolamento térmico, poços de selagem, uso de capilares. depois se calcula qual a pressão diferencial a ser calibrada no transmissor de vazão. 4.8. Tubo Venturi Foi desenvolvido em 1877 por Herschel, e por isso também é chamado tubo Herschel Venturi. É um tubo com formato e diâmetro padronizadas quanto à curvatura de relação, diâmetro de entrada (igual ao de saída), diâmetro do estrangulamento, grau de afunilamento de entrada e de saída (afunilamento da entrada é mais acentuado que o de saída), distância e colocação das tomadas de alta e baixa pressão. Como a placa de orifício, ele também provoca uma restrição à vazão e conseqüentemente, produz uma queda de pressão entre a entrada e a saída. Porém, é uma restrição muito mais suave. Essa atenuação da restrição permite a medição de fluidos com sólidos em suspensão, sujos, impossível de ser conseguida com a placa de orifício. Outra vantagem fundamental é sua muito menor perda de carga permanente. Tipicamente, a perda de carga permanente é de cerca de 10% da pressão diferencial máxima provocada, portanto, em media, cinco vezes menor que a provocada pela placa de orifício. 4.7. Orifício Integral Quando se pretende medir vazões muito pequenas, com a utilização de placa de orifício, tem-se uma placa tão pequena, que pode ser colocada na tomada de processo do transmissor de pressão diferencial. Essa placa, tão pequena que pode ser introduzida na tomada de pressão é chamada de orifício integral. São pequenas placas, com orifícios calculados e fabricados com precisão de relojoaria. Existem seis tamanhos bitolados e fixos: 0,508mm, 0,864mm 1,511mm, 2,527mm, 4,039mm e 6,350mm. Fig. 3.6. Orifício integral ao transmissor A perda de carga permanente do orifício integral é cerca de 100% da pressão diferencial medida pelo transmissor. O dimensionamento do furo, e portanto a escolha do orifício integral, pode ser feito através de réguas de cálculo especificas. Geralmente, o ponto de partida é a vazão máxima. A partir da vazão, escolhe-se o orifício integral e Fig. 3.7. Tubo venturi Sua principais vantagens são: 1. pequena perda de carga 2. pode manusear sólidos em suspensão no líquido 3. pode medir altas vazões As desvantagens são: 1. custo altíssimo 2. construção difícil, geralmente são feitos apenas pelos fabricantes 283 Vazão especializados. A placa de orifício, por exemplo, pode ser fabricada facilmente na oficina mecânica e de instrumentação da maioria das plantas. 3. são disponíveis apenas em tamanho grandes, geralmente com diâmetros maiores que 6" 4. menor precisão que a placa de orifício, pois o acervo de dados experimentais é menor processo. Seu custo é aproximadamente o custo do transmissor de pressão diferencial. Alem disso, é menos flexível, quanto à alteração da faixa calibrada e pode ser submetido a menores pressões estáticas que o transmissor d/p cell®. 2. transmissor de pressão de diferencial, para a medição de vazão, chamado pela Foxboro de d/p cell®. O transmissor mede pequenas faixas de pressão diferencial e pode suportar altíssimas pressões estáticas. Possui um grande fator de proteção: a máxima pressão de sobrefaixa é o próprio valor da pressão estática. Pode ser eletrônico (4-20 mA cc) ou pneumático (20-100 kPa). É disponível com três faixas de pressão estática (3 MPa, 10 MPa e 40 MPa), três faixas de pressão diferencial (0-125mm a 0-725mm, 0-500mm a 0,7.250mm, e 05.000mm a 0-21.250mm de coluna d'água) 4.10.Seleção do Elemento Primário Dentro da classe única de medidor de vazão com geração de pressão diferencial, existem vários tipos distintos, com o mesmo princípio de funcionamento mas geometrias diferentes. A seleção do elemento primário mais adequado deve ser uma função do custo, queda de pressão permanente, tipo e localização das tomadas da pressão, precisão, exigências de trechos retificados. Quando já se decide pelo uso do elemento gerador de pressão diferencial para a medição da vazão, recomenda-se o uso da placa de orifício concêntrico. A placa de orifício é a mais simples, conhecida, econômica e pode até ser construída localmente. Quando houver problema técnico relacionado principalmente com a perda de carga permanente, então deve ser escolhido outro mais favorável nesses aspectos, como o bocal, tubo Dall e tubo Venturi. 4.11. Medidor do ∆P A placa de orifício e qualquer outro elemento provocador de pressão diferencial, é insuficiente para a medição da vazão. O elemento primário, que gera a pressão diferencial em função da vazão, requer o elemento secundário, que sinta esta pressão diferencial. Na pratica, usam-se dois tipos: 1. elemento sensor de pressão diferencial, tipo diafragma duplo, também chamado de câmara Barton, diafragma Foxboro modelo 37. Esse elemento é usado essencialmente quando se tem a indicação, registro ou controle de vazão, com o instrumento conectado diretamente ao Fig. 3.8. Diafragma ou câmara Barton Fig. 3.9. Transmissor eletrônico d/p cell 284 Vazão 5. Medidor Tipo Alvo (Target) O princípio de funcionamento do medidor tipo alvo é o de converter a força de impacto, provocada pela vazão, em um alvo em um sinal detectável, e proporcional à vazão do fluido. O mais comum é o uso de um transmissor, pneumático ou eletrônico, que sente a vazão, converte a força de impacto em um sinal padrão, pneumático ou eletrônico, proporcional ao quadrado da vazão. A relação matemática empírica mostra que a vazão é proporcional à raiz quadrada da força de impacto exercida no alvo. manipula material que tende a se solidificar, como a parafina, é possível se aplicar um traço de vapor, no ponto do fulcro da barra de força. 2. apresenta bom desempenho: boa precisão, repetitividade. 3. pode medir vazões de líquidos, gases e vapores. As suas limitações são; 1. deve ser montado em linha 2. deve haver vazão nula para o ajuste de zero 3. os dados de calibração são limitados. 6. Rotâmetro de Área Variável O rotâmetro de área variável é constituído de um medidor cônico, montado verticalmente, com uma haste indicadora. A posição da haste é proporcional linearmente com a vazão medida. Pode-se fazer a seguinte analogia com a placa de orifício: a placa possui um orifício de área fixa e a pressão é variável com a vazão. O rotâmetro funciona com uma pressão constante e possui uma área anular variável com a vazão. Fig. 3.10 Medidor alvo (target ) O transmissor de vazão tipo alvo é montado em linha, podendo assumir valores entre 3/4" a 4". Pela natureza do dispositivo, ele pode ser zerado, a não ser que haja um contorno do medidor. Para facilidade de calibração em bancada e para não ser necessária a simulação da vazão do processo, são fornecidos diferentes pesos de calibração do transmissor. Cada peso corresponde a uma vazão determinada As faixas de medição são limitadas entre 1,5 m3 a 150 m3/h, para água e entre 44 m3/h a 4.250 m3/h para ar. As suas vantagens e aplicações são: 1. aplicado para medir vazão de fluido viscoso, com tendência à solidificação nas tomadas. Como o medidor tipo alvo não possui tomada de processo não há esse inconveniente. Quando se Fig. 3.11. Rotâmetro de área variável Suas características, vantajosas ou limitadas, são as seguintes: 1. como a relação vazão x posição da haste é linear, a rangeabilidade da medição é boa, cerca de 10:1. 2. é extremamente simples, e a não ser a limpeza, não requer maiores cuidados de manutenção. 285 Vazão 3. pode-se adaptar facilmente dispositivos de alarme de vazão mínima e máxima; basta acoplar dispositivos acionados pela haste de indicação. 4. a medição é imune à viscosidade. 5. não requer fonte de alimentação, de nenhuma natureza. 6. a perda de carga é pequena e constante, porém, não pode ser usado em vazão pulsante. 7. a indicação é direta e linear, porém a montagem só pode ser vertical. 8. normalmente é montado em linha e só é disponível em pequenos diâmetros. Para contornar esses inconvenientes, é possível a montagem em linha de contorno (by pass). 9. o seu material de construção deve ser transparente, para a leitura da posição da haste interna. Quando o material é de vidro, o medidor é frágil e não pode manusear fluidos tóxicos, perigosos e corrosivos. Quando se reforça mecanicamente o medidor, com partes de metal, o seu custo aumenta. 10.sua precisão é ruim. Por isso sua maior aplicação reside em situações que não requerem grande exatidão. Por exemplo, ele é usado para medição de gás de purga de selos de bomba e para a alimentação do óleo lubrificante de maquinas. 11.apresenta apenas indicação local, não sendo possível se acoplar a sistemas de transmissão e de integração. 12.só pode manipular fluidos limpos e lubrificantes. A sujeira no vidro pode afetar a leitura. 13.são aplicados intensivamente para indicação da existência de vazão, não importando o valor da vazão, em sistema de medição de nível com borbulhamento de gás inerte ou ar. São os chamados rotâmetro de purga. Igualmente, são usados em sistema de proteção de equipamento elétrico em área classificada, para a indicação da vazão do gás inerte no interior do equipamento. 286 Vazão 7. Deslocamento Positivo Mais que um medidor de vazão instantânea, é aplicado para a medição de totalização de vazão volumétrica ou de massa. O princípio de funcionamento do medidor com deslocamento positivo é simples: o medidor separa o líquido em volumes conhecidos, transporta-os de sua entrada para a saída, conta-os e os totaliza. O volume total é calculado pelo numero de pacotes, ou segmentos ou quantidades conhecidas que passaram no intervalo de tempo considerado. São medidores mecânicos, com engrenagens e excêntricos moveis. Geralmente não necessitam de nenhuma fonte de alimentação: utilizam a própria energia da vazão do fluido. A energia para acionar essas partes moveis é extraída do fluido e por isso há uma perda de carga grande. E como há peças moveis, a precisão pode variar com o desgastes natural dessas peças. possível a opção de sinal transmitido. 4. não necessita de grandes trechos retos antes de sua montagem, podendo medir vazões de fluidos turbulentos. A precisão é pouco afetada pela turbulência. 5. pode medir grandes faixas de medição, com fácil calibração. 6. como possui peças moveis, sujeitas a desgastes e folga, pode haver vazamentos, deslizamentos das engrenagens. Por isso é necessária uma manutenção periódica. 7. só pode medir fluidos limpos e lubrificantes. É proibido o uso para medição de fluidos abrasivos, sujos e corrosivos. 8. seu custo é relativamente alto, principalmente quando de grandes diâmetros. Suas peças de reposição são muito caras, sua instalação é custosa e difícil. 9. apresenta alta perda de carga. Pode se danificar quando mede altas velocidades de fluido e há pequena proteção de sobrecarga. 10.é montado em malha. 11.apresenta problema na medição de fluidos que deixam rastro, como lodo, resíduos, sujeiras nas peças em contato com o processo. Fig. 3.12. Medidor a deslocamento positivo Há vários tipos de medidores, quanto aos acionadores do líquido: disco móvel, pistão oscilante, lâminas rotatórias, lóbulos rotativos. Quanto ao seu desempenho, pode-se dizer o seguinte: 1. como a relação matemática envolvida é linear, apresenta boa rangeabilidade 9cerca de 30:1), alem de ser preciso, repetitivo, desde que não possua folgas, nem desgastes das peças moveis. 2. pode medir fluidos viscosos e é imune às variações de viscosidade. 3. apresente leitura local, podendo facilmente ser acoplado a sistemas de geração de pulsos, de natureza eletrônica, óptica ou eletromagnética, alem de ser Fig. 3.13. Medidor a deslocamento positivo 287 Vazão 8. Medidor Magnético 8.1. Princípio de funcionamento O princípio de funcionamento do medidor de vazão magnético é a lei de Faraday, que diz ser a força eletromotriz (militensão) induzida no condutor móvel ao longo do campo magnético proporcional à velocidade do condutor. Como a velocidade do fluido é diretamente proporcional à sua vazão, pode-se medir a vazão através da medição da velocidade. A condição necessária para a aplicação do medidor magnético é que o fluido seja condutor elétrico. A condutividade mínima exigida é de 200 microsiemens por metro. susceptível de captar interferência. Algumas configurações podem ter o tubo medidor de vazão magnético acoplado diretamente ao transmissor, sem o cabo. Opcionalmente usa-se um limpador de eletrodos, que evita a deposição de sujeiras no ponto de tomada do eletrodo. Há limpadores do tipo ultra-sônico e há limpadores mecânicos. É recomendado o uso do limpador, quando o fluido medido tem facilidade de deixar lodo e sujeira no caminho. Quando se tem uma planta com muitos medidores de vazão tipo magnético é recomendado a aquisição do calibrador magnético de vazão. É um instrumento portátil, que prove um sinal de militensão alternada, em fase e amplitude adequadas, para a calibração do transmissor eletrônico de vazão. Fig. 3.15. Tubos medidores magnéticos Fig. 3.14. Funcionamento do medidor magnético 8.3. Tubo Medidor O medidor magnético de vazão é um tubo de aço inoxidável não ferromagnético, com um revestimento interno não condutor elétrico. Duas bobinas externas produzem um campo magnético no interior do tubo. Como elas são alimentadas com corrente elétrica alternada senoidal, tipicamente de 110 V RMS, 60 Hz, o campo magnético gerado é de mesma natureza. O líquido que passa no interior do tubo funciona como o condutor elétrico e induz uma força eletromotriz proporcional à velocidade do fluido, portanto à vazão do fluido. Dois pequenos eletrodos, montados verticalmente ao tubo e tangenciando a sua superfície interna, detectam a força eletromotriz. A força eletromotriz detectada é uma militensão alternada e é linearmente proporcional à vazão do fluido. 8.2. Sistema de Medição O sistema de medição magnética da vazão consiste dos seguintes equipamentos: 1. tubo medidor, 2. transmissor ou condicionador de sinal 3. cabo coaxial blindado, de interligação. O tubo medidor serve para gerar um sinal elétrico proporcional linearmente à velocidade do fluido e portanto à sua vazão. O transmissor eletrônico de vazão converte esse sinal elétrico no sinal padrão de 4 a 20 mA cc e opcionalmente, em um trem de pulsos escalonados. Interligando estes dois instrumentos, usase um cabo coaxial, rigorosamente blindado, pois o sinal de saída do tubo é alternado e de baixo nível, portanto 288 Vazão O interior do tubo de medição deve ser revestido de um material eletricamente isolante. Isso pode ser usado para revestir o interior do tubo com materiais quimicamente inertes ao fluidos manuseados. São comuns: teflon, poliuretano, butadieno, neoprene e outros materiais. Quando aplicados às industrias alimentícias, são disponíveis na versão sanitária, que consiste em uma facilidade excepcional de desmontagem, para lavagens periódicas. Geralmente são pintados de branco. Os medidores magnéticos são conectados ao processo através de flanges, com diferentes classes: ANSI 150 e 300, PN 16 e 40. Como os eletrodos são de tamanho pequeno, é praticável e econômico sua confção com materiais especiais, como Titânio, tântalo platina, monel, hastelloyC. O tubo medidor de vazão e o seu respectivo transmissor são instrumento elétricos e portanto, devem satisfazer as exigências para o uso na área de montagem. A maioria é constituida na versão de uso geral, para montagem em local seguro. Porém, podem ser montados em locais de Classe I, grupos B, C e D, Divisão 2, classe de temperatura T3. Quando usado em Divisão 1, requer a pressurização tipo Y, que protege e possibilita o uso de instrumento não incenditivo em Divisão 1. O transmissor é, impropriamente, chamado de conversor. 8.5. Vantagens As principais vantagens do uso do medidor magnético de vazão são: 1. não apresenta nenhuma perda de carga adicional. Ou seja, a perda de carga do tubo medidor de vazão é exatamente igual à perda de uma tubulação de igual tamanho. 2. como não apresenta nenhuma obstrução à linha, ele pode medir vazão de fluidos sujos, corrosivos, abrasivos, com sólidos em suspensão, não lubrificantes. 3. a configuração geométrica do sistema de medição ano é critica, podendo medir fluidos laminares e turbulentos. O único inconveniene é a presença de bolhas de ar que introduzem erro, pois a medição é de volume. 4. a medição não é afetada pela viscosidade, densidade, temperatura ou pressão. Não é afetado, inclusive, pela condutividade, desde que seja mantido o mínimo exigido. 5. não possui peças moveis e desde que a velocidade não ultrapassa o limite de 6,0 m/s, não há desgaste nenhum. 6. a saída é analógica e linear, portanto com excelente rangeabilidade. Fig. 3.16. Transmissor integral ao tubo 8.4. Transmissor de Vazão O transmissor de vazão recebe na entrada o sinal de militensão alternada de saída do tubo magnético, proporcional à vazão e o converte no sinal padrão de transmissão de corrente, de 4 a 20 mA cc. Para se obter maior precisão, quando requerido e com custo adicional, o transmissor pode ser calibrado com um tubo especifico, ambos formando um par casado para futura aplicação em conjunto. 289 Vazão 8.6. Desvantagens e limitações Desvantagens, ele também as tem: 1. exige-se a condutividade mínima de 0,1 a 20 microsiemens. 2. o princípio de funcionamento requer o tubo sempre cheio de líquido. Se o formato da frente de onda da vazão é assimétrico também há erros. Para solucionar esses problemas, recomenda-se, sempre que possível, montar o tubo medidor na posição vertical, com fluxo ascendente. 3. o medidor é montado em linha 4. a característica do medidor é seu fator K, inerente a cada medidor, construído para atender determinados dados de vazão. A calibração do medidor magnético exige a simulação da vazão conhecida. 5. é um instrumento elétrico e portanto sua montagem é limitada a locais seguros, ou se exige técnica adicional de segurança para montagem em local classificado. 9. Turbina 9.1. Princípio de funcionamento O medidor de vazão tipo turbina prove um sinal de saída igual a um trem de pulsos, com freqüência linearmente proporcional à vazão do fluido. O fluido passa no interior da turbina, fazendo girar um rotor em uma velocidade angular que é proporcional à velocidade do fluido e portanto, proporcional linearmente à vazão do fluido. Fig. 3.18. Turbina e amplificador Um detetor eletromagnético converte a rotação do rotor em um sinal usável, ou em um trem de pulsos escalonados ou no sinal padrão de 4 a 20 mA cc. Há turbinas cujos totalizadores ou indicadores são acionados mecânica e diretamente pela vazão. Na turbina clássica, o eixo de rotação da turbina é longitudinal ao sentido da vazão do fluido. As laminas da turbina, de material ferromagnético, induzem o trem de pulsos, quando corta o campo magnético. Uma bobina externa com um magnético deteta o trem de pulsos. Há também turbinas cujo rotor gira tangêncialmente à vazão. 9.2. Construção Embora a teoria basica do funcionamento da turbina seja extremamente simples, os detalhes de projeto e construção são muito complexos. Devem ser considerados vários fatores, tais como: angulo das laminas, números de laminas, mancais para o suporte do eixo de rotação, Fig. 3.17. Medidor magnético microprocessado 290 Vazão montagem, fixação, retificadores da vazão. É desejável que o fluido sob medição seja lubrificante, porém, com uso mais limitado, são aplicadas turbinas para medição de fluidos não lubrificantes e até de gases. Os fluidos a serem medidos devem ser isentos de sujeira e não podem ser abrasivos, pois destruiriam rapidamente o rotor da turbina. É normal o uso de filtro antes do local de montagem da turbina, cerca de 15 diâmetro de separação. considerado quando seu local de montagem é local perigoso. Sua classificação elétrica deve ser compatível com o local, bem como sua classe de temperatura. 9.3. Vantagens As principais vantagens da turbina são: 1. altissima precisão, repetibilidade e confiavilidade 2. sua rangeabilidade é a maior entre todos os medidores de vazão, pois a relação matemática envolvida é linear. Tipicamente, tem-se rangeabilidade de 100:1, 50:1. 3. a saída é linear, digital (trem de pulsos), adequada para sistemas de totalização de vazão. A turbina é ideal para sistemas de mistura digital (blending). 4. a turbina é de pequeno tamanho e peso, sendo fácil instalação. Geralmente ela é instalada entre flanges. Fig. 3.19. Internos da turbina A parte critica da turbina é seu mancal. Os mancais esféricos apresentam o melhor desempenho e a máxima faixa de medição. Porém, são usados apenas com fluidos lubrificantes e limpos. Quando os fluidos não são compatíveis, em limpeza ou em lubrificação, deve-se usar o mancal tipo luva. Os mancais esféricos possuem retentores metálicos ou de teflon® reforçado, para diminuir os atritos e manter as esferas na posição correta. A capacidade instalada da turbina deve ser cerca de 30% a 50% maior que a capacidade calculada, para diminuir a perda de carga. A excelente rangeabilidade torna possível essa folga. Quando a turbina está distante (mais de 60 metros, por exemplo) do instrumento receptor dos pulsos, ou quando os fios de transmissão percorrem regiões com elevado grau de interferência elétricas, deve se usar o pré-amplificador, que reforça e condiciona o trem de pulsos. O préamplificador pode ser montado integralmente ao corpo da turbina. A turbina de medição de vazão é um instrumento elétrico, normalmente alimentado por tensão alternada de 110V, 60 Hz. Esse fato deve ser 9.4. Desvantagens e limitações As limitações referentes à turbina são: 1. é montada em linha e para sua calibração se necessita da simulação de uma vazão conhecida. O fator de mérito da turbina é seu fator K, que associa a unidade de vazão à frequência dos pulsos gerados. 2. a turbina possui peça móvel. Embora haja apenas o rotor móvel, há desgaste e folga nos seus mancais de sustentação. 3. ela pode ser danificada por velocidade acima da calculada. Ela não se aplica para medição de vazão de fluidos abrasivos, sujos, corrosivos e de alta velocidade. 4. seu custo é elevado, principalmente se considera a colocação do filtro a montagem, o uso do pre-amplificador para distâncias acima de 60 metros. 5. a turbina requer longos trechos longos e distúrbios podem afetar a medição. 291 Vazão 10. Medidor tipo Vortex O medidor de vazão tipo Vortex foi desenvolvido há pouco aanos e por isso seus dados de aplicação são limitados e muitas pessoas o consideram um instrumento especial, para medição de fluidos especiais. Porém, o medidor de vazão tipo Vortexz deve ser considerado um medidor de uso geral, aplicado a líquidos, vapor e gases. Fig. 3.21. Medidor tipo Vortex Assim, a colocação do obstaculo provoca o vortex, que é uma zona de vazão rotacional. Os vários fabricantes de instrumentos utilizam diferentes variáveis que estão relacionadas com a vazão e o vortex. Há variações no equipamento e na aplicação da técnica, embora o fenomeno criado seja o mesmo. Por exemplo, a Foxboro utiliza um diafragma selado, cheio de líquido, e com um strain-gage no seu interior. Outros fornecedores utilizam diafragma capacitivo (Kent), cristal piezoelétrico ou bobina detetora de radio frequência (Fisher & Porter) ou termistor blindado (Eastech). Os formatos do obstaculo usado como ponta de prova para provocar o vortice são diferentes, embora todos tenham obrigatoriamente o contorno abrupto, com os cantos vivos. O medidor Vortex da Foxboro possui o "probe" gerador de vortices em forma de T deitado. O sensor da frequência (strain gage) é montado na parte horizontal do obstaculo, de modo que o próprio obstaculo o protege de possíveis sujeiras do fluido medido. O strain gage colocado no interior da capsula mede a pressão provocaca pela precessão do vortice, que oscila na frequência natural do vortice. Esta frequência é proporcional a velocidade da vazão. Na parte superior do transmissor está alojado o circuito eletrônico que condiciona a militensão pulsante detectada, em um sinal analógico de corrente (4 a 20 mA cc) ou em um sinal digital com pulsos apropriados para a totalização da vazão. Fig. 3.20. Princípio de funcionamento do vortex: o probe provoca a formacao de vórtices que são detectados e que estão relacionados com a vazão volumetrica do fluido O princípio de funcionamento está baseado na dispersão do vortex provocado pela colocação de um obstaculo na passagem da vazão. Se o obstaculo possui uma geometria abrupta, com perfil não suave, o fluido não pode seguir seu contorno e há o aparecimento de um vortex, ou seja, de um turbilhoamento. O voertex é disperso em uma frequência diretamente proporcional à velocidade e portanto, à vazão do fluido. Outro enfoque do medidor vortex é aquele que considera o diferencial de pressão em torno do obstaculo, que provoca o vortex. Depois do obstaculo a velocidade diminui e a pressão aumenta. 292 Vazão corpo pode ser flangeado (maior que 4") ou do tipo liso (wafer). 3. o medidor não requer manutenção e sua calibração se conserva durante longos periodos de tempo. Não possui peças moveis e há poucas peças de reposição para serem estocadas. 4. a sua saída é naturalmente analógica, adequada para o controle e digital, apropriada para a totalização. 5. o medidor se aplica a líquido, vapor e gás. Ele possui um projeto universal que é imutável e igual para todas as aplicações. A calibração só é função do formato e do tamanho do obstaculo e o vortice de Karman é um fenomeno natural. Dentro da faixa linear da assinatura do medidor não se requer nova calibração e a medição é imune a váriação da viscosidade, pressão, densidade e temperatura; fora da faixa linear ainda é possível a medição, porém, é necessária a calibração do medidor. As desvantagens são: 1. a aplicação comercial do fenomeno é recente e pouco conhecida, 2. o medidor é montado em linha, possui um fator K e necessita de outro medidor padrão para sua calibração, 3. são disponíveis em poucos tamanhos (2" a 8") e acima de 6" é muito caro. 4. apresenta perda de carga tipica de 6 psig, que pode provocar cavitação em fluido de baixa pressão de vapor, quando a pressão estática é baixa. 5. não é aplicável para fluidos sujos e abrasivos, que provocam erosão no obstaculo. Não pode ser usado para vazões com numero de Reynolds menores que 3.000; ele é adequado para números acima de 104 onde a linearidade é plena. 6. a sua faixa de temperatura de trabalho é entre -40 e +120 oC. Fig. 3.22. Partes constituintes do vortex Não há ajuste de zero ou de largura de faixa. O medidor vortex possui duas características: 1. o fator K, que relaciona a saída com a entrada, exprime a a relação dos pulsos por segundo com a vazão. A dimensão de K é pulsos por volume. 2. a curva assinatura conseguida, plotando o fator K com o numero de Reynolds. Na há pulsos na saída do medidor vortex quando o numero de Reynolds está abaixo de determinado valor (cerca de 104 e quando a vazão é muito pequena e produz uma diferença de pressão não detectável. Há uma limitação na velocidade máxima: 6 m/s; acima desta velocidade pode haver erosão e desgaste no obstaculo. A perda de carga permanente é aproximadamente constante e vale cerca de 6 psig (40 kPa), na vazão máxima. Esta perda da pressão deve ser considerada no dimensionamento, para se evitar a cavitação do líquido medido. As principais vantagens do medidor vortex são: 1. a relação matemática envolvida é linear e como conseqüência, rangeabilidade é alta (mínima de 10:1), 2. o custo do medidor instalado é pequeno. O medidor pode ser instalado entre flanges. O seu 293 Vazão 11. Medidor Coriolis 11.1. Introdução A massa, ao lado do comprimento e do tempo, constitui a base para toda medida física. Como um padrão fundamental de medição, a massa não deriva suas unidades de medida de qualquer outra fonte. As variações de temperatura, pressão, viscosidade, densidade, condutividade elétrica ou térmica e o perfil da velocidade não afetam a massa. Tais imunidade e constância tornam a massa a propriedade ideal para se medir. Até recentemente, não existia nenhum método pratico para medir massa em movimento. Os usuários tinham de inferir a massa do volume. Infelizmente, os medidores de vazão volumétrica não medem a massa mas o espaço que ela ocupa. Deste modo, deve-se calcular os efeitos da temperatura e pressão sobre a densidade, quando deduzir a massa do volume. A medição direta da vazão de massa evita a necessidade de cálculos complexos. Ela cuida diretamente da massa e desde que a massa não muda, um medidor direto de vazão mássica é linear, sem as correções e compensações devidas às variações nas propriedades do fluido. O medidor opera pela aplicação da Segunda Lei de Newton: Força é igual à Massa vezes a Aceleração (F = m a). Ele usa esta lei para determinar a quantidade exata de massa fluindo através do medidor. A massa do fluido tem uma velocidade linear quando ele flui através do tubo sensor. A vibração do tubo sensor, em sua frequência natural em torno do eixo, gera uma velocidade angular. Estas forças vibracionais do tubo, perpendiculares à vazão do fluido, causam uma aceleração na entrada e uma desaceleração na saída. O fluido exerce uma força oposta a si próprio, que resiste às forças perpendiculares do tubo, causando o tubo dobrar. Os circuitos eletrônicas do medidor de vazão mássica essencialmente medem esta pequena força vibratória induzida pela vazão do fluido. Esta força do fluido é proporcional à vazão mássica. É a mesma força de Coriolis que causam as correntes de ar circularem em torna da Terra em rotação. Esta força também cria uma precessão giroscópica empregada em sistemas de navegação de navios e aviões. A força de coriolis é a única força significativa usada na determinação da vazão mássica direta. Fig. 3.23. Componentes do medidor Coriolis 11.2. Efeito Coriolis Qualquer objeto movendo acima da Terra com velocidade espacial constante é defletido em relação a superfície de rotação da terra. Esta deflexão foi discutida inicialmente pelo cientista francês Coriolis, na metade do século passado e atualmente é descrita em termos de aceleração de Coriolis ou da força de Coriolis. A deflexão é para o lado direito, no hemisfério norte e para a esquerda, no hemisfério sul. Os efeitos Coriolis devem ser considerados em uma variedade de fenômenos em que o movimento sobre a superfície da Terra está envolvido; por exemplo: 1. os rios no hemisfério sul forçam mais sua margem esquerda do que a direita e o efeito é mais acentuado quanto maior for a sua latitude, 2. no hemisfério sul, a água sai da pia girando no sentido horário, 3. os movimento do ar sobre a terra são governados pela força de Coriolis, 294 Vazão 4. um termo, devido ao efeito Coriolis, deve sempre ser incluído em equações de balística exterior, 5. qualquer bolha de nível sendo usada em navio ou avião será defletida de sua posição normal e a deflexão será perpendicular a direção do movimento do navio ou avião e devida ao efeito Coriolis. proporcional a vazão mássica e o momento angular da terra. 11.3. Calibração O medidor Coriolis necessita da calibração inicial para a determinação da constante do instrumento e se mantém para qualquer fluido. A verificação ou a recalibração é facilmente feita no campo, pelo usuário. Para uma mola acionada estaticamente, a calibração com um único líquido, usando um fluido com única densidade, seria suficiente para determinar a constante do medidor para todas as variações de densidade, desde que a rigidez do sistema (constante de mola) seja corrida para as variações de temperatura. As cargas não são aplicadas estaticamente mas são aplicadas na frequência de acionamento. Uma função de transferência mecânica é introduzida em adição a função estática. Fig. 3.24. Medidor Coriolis industrial Em um medidor tipo Coriolis, o fluxo do fluido de entrada é dividido entre dois tubos curvados, iguais e com diâmetros menores que a tubulação do processo. A vazão segue as trajetórias curvas e converge na saída do medidor. Estes tubos estão vibrando em sua frequência natural, geralmente por um dispositivo magnético. Se, em vez de ser continuamente girado, o conduite vibra, a amplitude e a direção da velocidade angular se alternam. Isto cria uma força de Coriolis alternada. Se os tubos curvados são suficientemente elásticos, as forças de Coriolis induzidas pela vazão mássica produzem pequenas deformações elásticas nos tubos. Esta distorção pode ser medida e a vazão mássica inferida dela. Em sua forma mais simples, o medidor de vazão Coriolis possui dois componentes básicos: o sensor e o transmissor eletrônico. O sensor é um conjunto de tubo (um ou dois) instalado na tubulação do processo. O tubo usualmente em forma de U é vibrado em uma pequena amplitude, na sua frequência natural, por meio de um sinal da bobina acionadora. A velocidade angular do tubo vibrante, em combinação com a velocidade de massa do fluido vazante, faz o tubo inclinar. A quantidade de inclinação é medida através de detetores de posição, colocados nas duas extremidades do tubo em U. Os sinais gerados pelos detetores são levados para um circuito eletrônico, que condiciona, amplifica, padroniza e transmite uma sinal de saída, típico de 4 11.4. Medidor Industrial Um objeto se movendo em um sistema de coordenadas que gira com uma velocidade angular, desenvolve uma força de Coriolis proporcional a sua massa, a velocidade linear do objeto e a velocidade angular do sistema. Esta força é perpendicular junto a velocidade linear do objeto como a velocidade angular do sistema de coordenadas. A Terra constitui o sistema rotatório. Por causa da força de Coriolis, um objeto lançado de uma torre alta atingirá a terra um pouco a leste da vertical. Neste caso, a velocidade angular está apontada para o norte e a velocidade linear está dirigida para baixo e a força de Coriolis está na direção leste. Se o movimento do objeto fosse impedido de cair em um longo tubo vertical, esta componente da velocidade dirigida para leste faria o objeto exercer uma força contra a parede do tubo. Se o líquido é bombeado através deste tubo, a força de Coriolis contra o tubo é 295 Vazão a 20 mA cc. Nenhum componente a estado solido fica próximo do tubo e, como consequência, pode-se manipular fluidos em alta temperatura. O transmissor eletrônico pode ficar até 300 metros de distancia do sensor. Quando a vazão passa pelo tubo vibrante, o efeito Coriolis ocorre, causando uma inclinação no tubo durante sua vibração. A inclinação é medida com um tempo de atraso entre as laterais do tubo e a medição é processada como uma onda senoidal. O tempo de atraso é diretamente proporcional a vazão mássica instantânea. Independente da inclinação, a frequência de vibração do tubo varia com a densidade do fluido do processo. Deste modo, além da medição da vazão mássica (maioria das aplicações) podese medir também a densidade do fluido (minoria das aplicações). Um sensor de temperatura, normalmente um bulbo de resistência, é também usado para monitorar a temperatura, que influi na módulo de Young do tubo metálico. Nada fica em contato com o fluido, exceto a parede interna do tubo, que é feito normalmente de aço inoxidável AISI 316L. Como somente a massa em movimento é medida, a encrustação de material no tubo sensor não afeta a calibração do medidor. Portanto, os medidores volumétricos usados para medir a vazão mássica não podem ser tão precisos quanto os instrumentos usados para medir diretamente a massa. As faixas de vazão variam de 10 gramas/minuto até 20.000 kg/minuto. Os medidores são disponíveis em tamanhos de até 6" de diâmetro. Normalmente não há considerações ou imposições acerca de trechos retos a montante e a jusante. A maioria dos medidores não necessita de trechos retos vizinhos ao medidor. Não há peças moveis e os tubos são virtualmente sem obstrução. O medidor pode ser limpo no local e auto-drenado com a própria configuração e orientação do tubo. São disponíveis também versões sanitárias. 11.6. Aplicações Os medidores de vazão Coriolis podem medir líquidos, inclusive líquidos com gás entranhado, líquidos com sólidos, gases secos e vapor superaquecido, desde que a densidade do fluido seja suficientemente elevada para operar corretamente o medidor. Os medidores são disponíveis em tamanhos variado de 1" a 6". A habilidade do medidor de vazão Coriolis medir a densidade tem muitas aplicações. As densidades de líquidos podem ser medidas com altissima precisão e em linha, sem os inconvenientes e atrasos da amostragem. A densidade pode ser usada para determinar a percentagem de material na vazão pela massa (percentagem de sólidos) ou volume total. Há aplicações de medidor Coriolis portátil, montado em uma mesa com rodas, para totalização e monitorização de transferência de material em processo batelada de indústria farmacêutica. Um único medidor pode ser instalado, quando necessário, em um de vários pontos, substituindo, a montagem de vários medidores permanentes. O medidor único serve uma grande área porque é rara a necessidade de mais de uma medição ao mesmo tempo. Tem-se, assim, um sistema econômico e de altas precisão e confiabilidade. 11.5. Características A saída do medidor é linear com a vazão mássica, de zero até o valor máximo especificado. O circuito eletrônico pode gerar saída analógica e digital. A saída digital tem frequência ajustável continuamente entre 0 e 3 kHz e 0 a 15 kHz. A saída analógica mais comum é a de 4 a 20 mA cc. A saída pode ser escalonada em qualquer unidade de engenharia. A precisão é tipicamente estabelecida entre ±0,2 a ±0,4% da vazão medida, com rangeabilidades iguais ou maiores que 25:1. Elas medem diretamente em unidades de massa. Com medidores volumétricos, a temperatura ou a pressão estática ou ambas deviam ser medidas para a determinação da vazão de massa. 296 Vazão 11.7. Limitações Os problemas que aparecem nestes sistemas de medição de vazão de Coriolis estão relacionados com a sensibilidade a vibração e a alta temperatura, falhas do circuito eletrônico, rupturas do tubo em soldas internas e entupimento do tubo por fases secundárias. A maioria dos problemas pode ser resolvida com melhorias do projeto. Tubos curvados de vários formatos reduzem o tamanho e peso de corpo do medidor e diminuem a perda de carga permanente em médias e altas velocidades. A distorção do tubo pode ser medida sem a necessidade de se ter um ponto ou plano de referência para o movimento do tubo. Maiores relações sinal/ruído e correção de desvio de zero melhoram o desempenho do instrumento. Adicionalmente os medidores são menos sensíveis a vibração e mais faceeis de serem instalados. A vazão divergente entre os dois tubos não mais necessitam ser distribuída igualmente para manter a precisão e novos projetos eliminam a necessidade de soldas internas nas extremidades do tubo. Como a vazão é separada em dois tubos com diâmetros menores que o diâmetro da tubulação de processo, ocorre o aparecimento freqüente de fase secundária no medidor, quando não cuidadosamente instalado. A perda de pressão pode ser substancialmente maior do que em outros tipos não-intrusivos e portanto, pode haver o aparecimento de cavitação e flasheamento de líquidos voláteis. Os problemas ocorrem mais freqüentemente na partida de sistemas mal instalados do que de falhas mecânicas ou eletrônicas. Portanto, a instalação deve ser estritamente de acordo com as recomendações do fabricante. 12. Medidor termal 12.1. Princípio de Funcionamento Os medidores de vazão termais podem ser divididos em duas categorias: 1. medidor de vazão que mede o aumento na temperatura do fluido após uma conhecida quantidade de calor ter sido adicionada ao fluido. Ele podem ser chamado de medidor de vazão a transferência de calor, 2. medidor que mede o efeito do fluido vazante sobre um corpo aquecido. Este medidor é também chamado de probe de fio quente ou medidor de vazão com termo pilha aquecida. Ambos os tipos são de energia aditiva, onde o calor é usualmente produzido por uma fonte elétrica. Os medidores termais medem a vazão mássica instantânea, uma caraterística desejável, especialmente para o serviço de gás. 12.2. Medidor a Transferência de Calor A teoria do medidor de vazão a transferência de calor é baseada nas equações de calor especifico: Q = W × c p (T2 − T1 ) onde Q é o calor transferido (J/s), W é a vazão mássica do fluido (kg/s) cp é o calor especifico do fluido (J/kg oC) T1 é a temperatura do fluido antes da transferência de calor para ele, (oC) T2 é a temperatura do fluido depois da transferência de calor para ele, (oC) Resolvendo a equação para a vazão tem-se: W= Q c p ( T2 − T1) O calor é adicionado ao fluido através de um aquecedor elétrico imerso nele. A potência do aquecedor é igual ao calor 297 Vazão transferido ao fluido (Q) e é medida por um wattímetro. T1 e T2 são medidos por termopares ou RTDs. Desde que o fluido seja conhecido, seu calor especifico é também conhecido. Assim, medindo-se Q, T1 e T2, calcula-se a vazão mássica W. A diferença de temperatura (T2 - T1) pode ser medida diretamente. Este medidor apresenta vários problemas: 1. os sensores de temperatura e o aquecedor devem ser colocados no jato da vazão, podendo ser danificados pela corrosão ou erosão, 2. a integridade da tubulação é sacrificada, pela colocação dos sensores e do aquecedor, aumentando o perigo de vazamentos. Para evitar estes inconvenientes, os sensores e o aquecedor podem ser montados externamente à tubulação. Nesta configuração, o mecanismo de transferência de calor se complica e a relação fica não-linear. Quando um fluido vaza numa tubulação, um filme fino existe entre o corpo principal do fluido e a parede da tubulação. Quando o calor está passando através da parede da tubulação para o fluido, esta camada oferece uma grande resistência ao fluido de calor e deve ser considerada nos cálculos de transferência de calor. Agora, se o aquecedor é suficientemente isolado e o material da tubulação é um bom condutor elétrico, a transferência de calor do aquecedor para o fluido pode ser expresso por Q = h A (Tparede - Tfluido) onde h é o coeficiente de transferência de calor do filme, função da vazão laminar ou turbulenta, A é a área da tubulação, através da qual passa o calor Tparede é a temperatura da parede, Tfluido é a temperatura do fluido. O sensor da temperatura a jusante é colocado próximo do aquecedor, de modo que ele mede Tparede. O sensor da temperatura a montante é localizado onde as temperaturas da parede e do fluido estejam iguais, em equilíbrio. Assim, a vazão instantânea é obtida medindo-se a diferença de temperatura, conhecendo a geometria do medidor, a condutividade termal, a capacidade termal e a viscosidade do fluido e mantendo a potência do aquecedor constante. O medidor funcionaria também mantendo a diferença de temperatura constante e medindo a potência do aquecedor requerida para tal. Quando se constrói e usa um medidor de vazão termal, deve-se estar seguro que: 1. o calor é transferido, 2. o fluido está vazando de acordo com os mecanismos. Este instrumento deve ser calibrado ou pelo fabricante ou pelo usuário, sob condições que sejam iguais ou próximas às reais de operação. Fig. 3.25. Medidor de vazão termal 298 Vazão 13. Medidor ultrassônico 13.1. Introdução A classe ultra-sônica de medidores de vazão possui dois tipos diferentes: tempo de propagação ou tempo de trânsito e a efeito Doppler. Para a maioria dos medidores ultra-sônicos, a energia elétrica é usada para excitar um cristal piezoelétrico em sua frequência de ressonância. Esta frequência de ressonância é transmitida na forma de onda, viajando à velocidade do som, no fluido e no material onde o cristal está tocando. a ±5% da vazão medida, com rangeabilidades de vazão de 10:1 a 40:1. Como estes medidores são nãointrusivos, a perda de carga permanente é essencialmente zero. Os transdutores podem ser grampeados do lado de fora da tubulação. Matematicamente, tem-se t AB = L /(C + V cos θ) e t BA = L /(C − V cos θ) 13.2. Tipo Diferença de Tempo O medidor de vazão ultra-sônico a diferença de tempo ou tempo de trânsito mede a vazão, medindo o tempo gasto pela energia ultra-sônica atravessar a seção do tubo, indo a favor e contra a vazão do fluido dentro da tubulação. Os tempo de propagação da onda ultrasônica, através do fluido, são diferentes, quando no sentido da vazão e quando no sentido contrario. A diferença no tempo de trânsito das ondas, a favor e contrario à vazão, é proporcional a vazão do fluido. Há uma diferença de tempo de propagação, por que quando a onda viaja contra a vazão, a sua velocidade é levemente diminuída e quando viaja a favor da vazão, a velocidade da onda sonora é levemente aumentada. Neste medidor, uma onda de pressão de alta frequência é projetada, sob um ângulo preciso, através da tubulação. Quando a onda é transmitida através do fluido na direção da vazão, sua velocidade aumenta. Quanto ela é transmitida contra a direção da vazão, sua velocidade diminui. Do ângulo entre a trajetória da onda e a vazão do fluido e da velocidade da onda no fluido pode se determinar a velocidade média do fluido. A vazão volumétrica pode ser inferida desta medição da velocidade da vazão. Como a onda de ultra-som não pode ser dispersa pelas partículas no fluido, estes medidores são normalmente usados para medir a vazão de líquidos limpos. As precisões podem variar de ±1 onde C é a velocidade do som no fluido, V é a velocidade do fluido na tubulação, L é o comprimento do trajeto acústico, θ é o ângulo do trajeto, em relação ao eixo da tubulação, tAB é o tempo medido de trânsito entre A e B tBA é o tempo medido de trânsito entre B e A A diferença de tempo dá ∆t = t BA − t AB = 2 × L × V cos θ / C Simplificando, V =K× onde ∆t t2 A transdutores. t A -tempo médio de trânsito entre os Fig. 3.26. Princípio de funcionamento do medidor ultra-sônico O tipo mais simples e mais econômico envia uma única onda através do fluido e tem dois transdutores 299 Vazão montados com ângulo de 180 graus afastado do tubo. O raio faz a média do perfil da velocidade ao longo de sua trajetória e não cruza a área do tubo. Isto torna o medidor dependente do perfil da velocidade, que, por este motivo, deve ser estável. Trechos retos de tubulação são normalmente recomendados para eliminar a distorção e os redemoinhos. As bolhas de ar no fluido, ou os redemoinhos e os distúrbios gerados por acidentes antes do medidor podem espalhar as ondas de ultra-som, causando dificuldades na medição. As variações da temperatura do processo podem alterar a velocidade do som no fluido, piorando o desempenho do medidor. Há problemas com medições de pequenas vazões, pois há muito pequena diferença entre os tempos de transmissão a favor e contra a vazão do fluido. quando o trem está também parado ou em movimento. Na aplicação industrial, quando um raio ultra-sônico é projetado em um fluido não-homogêneo, alguma energia acústica é refletida de volta para o elemento sensor. Como o fluido está em movimento com relação ao elemento sensor e o som espalhado se move com o fluido, o sinal recebido difere do sinal transmitido de um certo desvio de frequência, referido como o desvio de frequência Doppler. Este desvio de frequência é diretamente proporcional a vazão. Estes medidores não são normalmente usados com fluidos limpos, porque uma quantidade mínima de partículas ou bolhas de gás devem estar no fluido. As bolhas de gás podem ser criadas no fluido para fins de medição. A precisões geralmente variam de ± 2 a ±5% da vazão medida. Não há usualmente restrições para a vazão ou para os números de Reynolds, exceto que a vazão deve ser suficientemente rápida para manter os sólidos em suspensão. Relação Matemática Uma onda ultra-sônica é projetada em um ângulo através da parede da tubulação no líquido, por um cristal transmissor em um transdutor colocado fora da tubulação. Parte da energia é refletida pelas bolhas ou partículas no líquido e retorna através das paredes para um cristal receptor. Desde que os refletores estejam viajando na velocidade do fluido, a frequência da onda refletida é girada de acordo com o princípio Doppler. Combinando as leis de Snell e de Doppler, tem-se a velocidade: V= ∆f × C t 2fo cos θ 13.3. Tipo Diferença de Frequência No medidor a diferença de frequência, ajustam-se as frequências de dois osciladores, uma em fAB e a outra em fBA, onde se tem: fAB = 1 t AB 1 t BA fBA = A relação entre a diferença das frequências e a velocidade da onda é dada por: V= ∆f × L 2 cos θ 13.4. Efeito Doppler O efeito Doppler foi descoberto em 1842 e é usado atualmente em sistemas de radar (ar) e sonar (água) e em estudos médicos e biológicos. A demonstração prática do efeito Doppler é escutar o apito do trem ou a buzina do carro. A qualidade tonal (frequência) é diferente para o observador estático ou, escrevendo de modo simplificado: V = K × ∆f onde ∆f é a diferença entre a frequência transmitida e a recebida fo é a frequência de transmissão 300 Vazão θ é o ângulo do cristal transmissor e receptor com relação ao eixo da tubulação Ct é a velocidade do som no transdutor. A velocidade é uma função linear de ∆f. Desde que se possa medir o diâmetro interno da tubulação, a vazão volumétrica pode ser medida, multiplicando-se a velocidade pela área da seção transversal. Realização do Medidor O projeto mais popular é com um único transdutor. Os cristais transmissor e receptor estão ambos contidos em um único conjunto transdutor, montado externamente à tubulação. O alinhamento dos cristais é feito pelo fabricante do medidor. No projeto com transdutores duais, o cristal transmissor é montado separadamente do cristal receptor, ambos externas à tubulação. O alinhamento é mantido por um conjunto apropriado. Aplicações Como com o tempo de trânsito e outros medidores de vazão, a tubulação deve estar completamente cheia, para se ter a medição da vazão correta. O transdutor com efeito Doppler indica a velocidade em uma tubulação parcialmente cheia, desde que o transdutor esteja abaixo do líquido na tubulação. Os fabricantes especificam a distancia mínima do medidor para os provocadores de distúrbio, como válvula, cotovelo, te, bombas, tipicamente 10 a 20 D antes e 5 D depois do medidor. O medidor a efeito Doppler se baseia nas bolhas ou partículas no fluido para refletir a energia ultra-sônica. Os fabricantes especificam o limite mínimo de concentração e tamanho de sólidos ou bolhas nos líquidos para operação confiável e precisa. Os medidores ultrasônicos a efeito Doppler são efetivos com líquidos misturados com sólidos (slurries). Porem, quando a mistura é altamente concentrada, as ondas ultrasônicas não penetram suficientemente no fluido, por causa da reflexão no fluido próximo da parede da tubulação, que se move muito lentamente. Variações na densidade da mistura também introduzem erro. Fig. 3.27. Medidor ultra-sônico industrial A vazão deve estar na velocidade típica de 2,0 m/s mínima para os sólidos em suspensão e 0,75 m/s para as bolhas entranhadas. O medidor a efeito Doppler opera independente do material da tubulação, desde que ele seja condutor sônico. Tubulação de concreto, barro e ferro muito poroso, podem absorver a energia ultra-sônica e podem não trabalhar bem com um medidor tipo Doppler. Deve-se tomar cuidado com tubo de plástico reforçado com fibra de vidro; os resultados são excelentes com tubulação de plástico, como de PVC. O medidor é geralmente barato para comprar, para instalar e para usar. Entretanto, a necessidade de múltiplos conjuntos de transdutores aumenta o custo da instalação. Muitas vezes, os transdutores são montados do lado de fora da tubulação por meio de epoxi. Apostila\Instrumentação 33Vazão.doc 18 OUT 00 (Substitui 15 DEZ 9815 DEZ 98) 301 3.4 Nível 1. Conceitos Básicos 1.1. Introdução O nível em um tanque, vaso ou silo pode ser detectado através de diferentes técnicas. O objetivo deste trabalho é o de ajudar o leitor a estreitar e focalizar o sistema mais adequado para sua aplicação. A seleção do sensor de nível deve considerar as características desejáveis e irrelevantes, tais como movimento (onda) no nível, possibilidade de entupimento, influência de deposição e revestimento do sensor, necessidade de purga, confiabilidade, precisão, exigência de legislação ou de contrato. Sob o ponto de vista de manutenção alguns sensores que não fazem contato físico com o fluido cujo nível é medido, (como radar, ultra-sônico, laser ou capacitância) ou aqueles que podem ser montados externamente (como radiação, microondas, célula de carga), são mais vantajosos. Além da manutenção, devem ser considerados outros fatores, tais como a influência das variações da temperatura , densidade, composição e umidade do fluido e a possibilidade de compensação. Pode-se medir nível de líquido e sólido. Porém, as características do material medido é fundamental, pois pode haver sólidos em suspensão nos líquidos, espumas, gases entranhados. A granulação dos sólidos também é importante na medição do nível. Materiais que são difíceis de manipular (corrosivos, sujos, tóxicos) devem ser medidos através de sensores sem contato. 302 A medição do nível pode ser contínua ou discreta. Principalmente, em aplicações de intertravamento (chaves de nível), devese usar medições discretas, que geralmente são mais simples. Enfim, a escolha do melhor sistema de medição de nível deve incluir, mas não se limitar a: 1. custo de propriedade, que envolve custo inicial, acessórios, manutenção, calibração, operação e custo do processo parado por causa do mau funcionamento do sistema 2. precisão, que envolve linearidade, rangeabilidade, repetitividade, histerese 3. faixa de medição, incluindo valor mínimo, máximo e ponto de trabalho 4. especificações de pressão e temperatura do processo 5. materiais de construção compatíveis com os produtos do processo 1.2. Conceito 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 (pessoal de gasômetro pode ter aplicações de medição de nível de gás – tem vaso de teto flutuante). Em aplicações industriais, pode se ter um vaso com dois líquidos não miscíveis e se quer medir a interface desses dois líquidos. Nível 1.3. Unidades A unidade de nível deveria ser a unidade de comprimento, pois o nível é a altura de uma coluna de líquido. Porém, é prática universal se referir ao nível como percentagem: o nível tem um nível que varia entre 0 e 100%, podendo assumir todos os valores intermediários. usar: peso com cabo, radiação, microondas e ultra-sônico. A maioria dessas aplicações usam tomada por topo. Em aplicações de transferência de custódia, usam-se células de carga para a determinação do peso do tanque. Vaso pressurizado A medição do nível de vaso pressurizado é naturalmente mais complicada. A pressão alta limita o número de sensores disponíveis, torna mais difícil a operação, calibração e manutenção do sistema. Em medições baseadas em pressão diferencial, torna-se necessário fazer a segunda tomada, com os problemas associados de selagem, purga, elevação ou supressão de zero. A medição do nível do tanque pressurizado pode ser dividida em duas categorias: 1. nível de líquido limpo 2. nível de líquido mal comportado A indicação de nível de líquido limpo pode ser o visor de nível. Mesmo quando há transmissão, usa-se o visor como reserva e para comparação. A medição torna-se complicada quando se tem alta pressão e fluido sujo. A escolha do sistema de medição de nível depende muito do tipo de indústria. As refinarias de petróleo utilizam muito o sistema com deslocador, para líquidos limpos pressurizados. A instalação é confiável, precisa, robusta e segura. Na indústria petroquímica, é muito usado o sistema com pressão diferencial. Este sistema tem custo inicial menor que o do deslocador, é também confiável, precisa, flexível e pode ser usada com fluido complicado. O problema do sistema com pressão diferencial é a conexão de baixa, que pode requerer óleo de selagem. O selo pode ter a densidade variada com a temperatura ambiente, requer inspeções periódicas. O repetidor de pressão pode substituir o selo, porém, isso aumenta o custo e piora a precisão. Mesmo assim, o sistema com pressão diferencial é o mais usado, para amplitude de faixa de nível maior que 1,5 metro. Outros sistemas, como capacitância, radiação e ultra-sônico são também usados em tanques pressurizados, quando Fig. 4.1. Medidores de nível de tanque 1.4. Aplicações As aplicações da medição de nível podem ser agrupadas pelo serviço como: 1. vaso à pressão atmosférica 2. vaso pressurizado 3. transferência de custódia Vaso atmosférico A medição de nível de líquido em tanque aberto para a pressão atmosférica é a mais fácil. A instrumentação pode ser instalada e removida do tanque para calibração e reparo, sem necessidade de drenar o tanque. Geralmente o indicador de nível pode ser instalado à altura do olho e por isso o operador não precisa subir no vaso para fazer a leitura. A indicação pode ser feita também manualmente, para verificar e calibrar a indicação do instrumento. Geralmente a indicação de nível de sólidos é também feita à pressão atmosférica, porém ela é mais difícil e menos flexível que a medição de líquido Para a medição de nível, o sólido é menos previsível que o líquido. Os dispositivos que podem determinar o nível de um ponto de sólidos incluem: lamina rotativa, diafragma, radiação, ultra-sônico, vibração, óptico, microondas e condutância. Para a medição contínua de sólidos, pode-se 303 Nível o deslocador e o d/p cell não forem satisfatórios. Vaso para transferência de custódia É comum e há contratos comerciais entre firmas para a compra e venda de produto, cujo faturamento é baseado na medição do nível dos tanques de estocagem. Estes tanques podem estar à pressão atmosférica ou pressurizados. Essas medições de nível requerem a máxima precisão possível. Por exemplo, um tanque de armazenamento típico pode armazenar 750 000 barris API (American Petroleum Institute) pode ter diâmetro de 105 m (345 ft) e são necessários 30 m3 (8000 galões) para elevar o nível de 25 mm (1 “). Assim, uma incerteza de 25 mm (1 “) representa uma perda (ou ganho) de 30 m3 (8 000 galões). Nestas aplicações de transferência de custódia baseada no nível, deve se esforçar para ter boa confiabilidade, alta precisão e grande resolução na medição do nível. Fluido mal comportado Fluidos mal comportados são aqueles difíceis de serem manipulados, por algum ou vários dos seguintes motivos: 1. líquido com sujeira sólida em suspensão, que pode entupir furos, conexões e tomadas de processo 2. líquido corrosivo, para o qual é difícil escolher material de construção de sensores compatível 3. líquido com vapores tóxicos, que nunca pode vazar ou ter emissões para o ambiente 4. líquido agitado, de modo que as ondulações da superfície provocam erros na medição do nível 5. líquido que seja facilmente deposto nos sensores, modificando suas propriedades elétricas (resistência, capacitância, condutividade) 6. líquido com vapores que atrapalham a detecção por radiação ou meio óptico 7. líquido cuja agitação provoca espuma na superfície livre 8. líquido que evapora à baixa temperatura, provocando espuma e bolhas de ar e alterando a pressão hidrostática da coluna liquida 9. processo com agitador; o agitador impede a colocação de sensores no local e também provocam ondulação na superfície livre o líquido 10. sólidos com granulação não uniforme 2. Medição de Interface A detecção da interface entre dois líquidos imiscíveis se baseia na diferença de alguma propriedade dos dois líquidos, como densidade, constante dielétrica, condutividade termal ou elétrica, opacidade ou transmitância ultra-sônica. Deve-se escolher a propriedade que tenha a maior diferença. O meio mais antigo de medir interface de dois líquidos é através da pressão diferencial, tomando-se P1 no líquido mais pesado e P2 no mais leve. Em tanque aberto para a atmosfera, pode-se colocar três borbulhadores. Nesta aplicação, a densidade do líquido mais leve é constante e a do líquido mais pesado pode ser variável. A condição para o sistema operar é que o movimento da interface dos líquidos seja suficientemente grande para provocar uma diferença de pressão maior que a amplitude de faixa do transmissor. Quando a diferença entre as constantes dielétricas é grande (como na dessalinização de óleo cru) pode-se usar detectores capacitivos. Em poços de petróleo pode se usar sensores ultrasônicos para interface de água doce e salmoura. Em líquidos limpos, pode-se aplicar bóia e deslocador para medir interface. A bóia deve ter uma densidade maior que o líquido mais leve e menor que o líquido mais pesado (ou seja, sua densidade deve estar entre as duas densidades dos líquidos). No caso do deslocador, ele deve ser mantido sempre coberto, tornando-se um medidor de densidade. A densidade do deslocador pode ser igual ou maior que a densidade do líquido mais pesado. Sensores nucleares podem fazer a detecção contínua de interface entre cinza e carvão em câmara de combustão fluidizada ou entre dois líquidos mal comportados. 304 Nível 3. Medição de Nível Os métodos de medição de nível também são numerosos. Há dezenas de diferentes princípios de operação, alguns muito antigos e outros recentes e ainda não comprovados. Comercialmente, os princípios básicos de medição de nível são os seguintes: 1. visor 2. bóia 3. pressão diferencial 4. borbulhamento (pressão diferencial) 5. deslocador, (força de empuxo) 6. radiação nuclear 7. radar 8. ultra-sônico 9. capacitivo 10.laser 3. leitura direta 4. alta confiabilidade Fig. 4.2. Visor de nível As desvantagens são: 1. Aplica-se apenas para a indicação local de fluidos não transparentes. 2. Dependendo da geometria do sistema, os visores podem assumir tamanhos muito grandes e pouco práticos para manuseio. 3. Quando de vidros, são frágeis e podem quebrar se mal manipulados. 4. Limitados a material não tóxico, pressão de 100 kPa (15 psi) e temperatura de 100 oC. 5. Não servem para a indicação remota, nem para transmissão, sequer para o controle. Aplicações com transmissão tornam o sistema complicado e caro. A precisão do sistema de medição de nível com visor depende basicamente do tamanho e divisões da escala associada. 4. Visor de nível Ao contrário das outras variáveis de processo que são invisíveis, como a temperatura e pressão, o nível de um líquido pode ser facilmente visto, desde que as paredes do recipiente sejam transparentes e o líquido não o seja. O visor é o medidor de nível mais simples possível e consiste de uma parede de vidro ou outro material transparente, geralmente com uma escala graduada. Um dos inconvenientes do visor é sua fragilidade, por ser construído de vidro. É comum o uso de armaduras e proteção metálicas, para aumentar a resistência mecânica do visor. Outra técnica é usar paredes mais grossas ou mesmo, usar materiais transparentes mais resistentes, como fibra de vidro e plásticos. Por questões de flexibilidade, facilidade de manutenção e para fugir às eventuais agitações do líquido, é muito freqüente o uso de visores em tubos paralelos aos tanques principais. Esses tubos, construídos especialmente para a indicação do fluido, são ligados aos tanques principais, através de uma tomada, no mínimo. A tomada deve ser pouco abaixo ou igual ao nível mínimo. Quando o tanque é fechado deve haver uma segunda ligação, acima do nível máximo. O princípio dos vasos comunicantes garante que o nível do tanque principal é igual ao nível da extensão. As vantagens do visor de nível são 1. simplicidade extrema 2. baixo custo 305 Nível 4.1. Medidor com Bóia A medição de nível por bóia é direta e extremamente simples e usada em tanque aberto para a atmosfera. A bóia ou flutuador está em contato direto com o líquido do processo e é presa por um cabo a um contrapeso, passando por uma polia. A partir desse ponto, há vários tipos diferentes de indicação. Há sistema onde o próprio contrapeso estabelece o valor do nível Tem-se uma escala invertida de 100% a 0%. Quando o tanque está vazio, o flutuador está baixo, o contrapeso está na altura máxima. Quando o tanque está cheio, o flutuador está no topo do tanque e o contrapeso no ponto mais baixo. Escala 5 4 3 2 1 Chave Fig. 4.4. Indicador de nível e trip acionado por bóia Finalmente existe a chave de nível, tipo bóia. Ou seja, tem-se o acionamento de elemento final de controle, diretamente pela posição de uma bóia de nível. Esse sistema é utilizado extensivamente a toda alimentação de água, em instalações caseiras. Quando o nível da caixa d'água atinge o seu máximo, ele eleva a posição de uma bóia, que está acoplada mecanicamente a um dispositivo para abrir-fechar a tubulação de alimentação da caixa. A bóia é importante porque pode ser associada com outros sensores de nível, como ultra-sônico e capacitivo. Embora simples, os sistemas com bóia são de precisão media (±1% do fundo de escala) e são usados principalmente para proteção. Fig. 4.3. Bóia ligada à régua Outros sistemas acoplam engrenagens mecânicas na polia, de modo que a rotação da polia estabelece o nível do líquido. Há ainda a possibilidade de se acoplar um potenciômetro elétrico à polia, de modo que a rotação da polia estabelece a posição do terminal do potenciômetro, possibilitando a geração de um sinal elétrico dependente do nível. O sistema de medição de nível com bóia pode ser aplicado a tanque pressurizado, quando se coloca um selo entre o processo e o indicador. Na maioria dos casos, o movimento da bóia é transferido para o mecanismo de indicação por acoplamento magnético ou por foles pneumáticos e links mecânicos. Fig. 4.5. Chaves de nível com bóia 306 Nível 4.2. Pressão Diferencial As alterações do nível podem causar alterações proporcionais em outras variáveis de processo, mais facilmente detectáveis. Assim, também se pode medir o nível de um líquido por inferência, através da medição de outra variável de processo. Um método clássico de medição de nível de líquido é através da pressão exercida pela coluna líquida. A pressão hidrostática, resultante da coluna do líquido, é diretamente proporcional ao valor dessa coluna de líquido. A pressão em um ponto do líquido é proporcional ao nível acima desse ponto de referência. Matematicamente, tem-se: ∆p = ρ g L onde ∆p é a pressão hidrostática, no fundo do tanque, ou no nível 0. ρ é a densidade absoluta do líquido g é a aceleração da gravidade do local L é a altura do líquido ou o nível do líquido acima do fundo do poço. Como conseqüência, desde que a aceleração da gravidade e a densidade do líquido sejam constantes, a pressão hidrostática é diretamente proporcional à altura da coluna liquida. A altura do líquido é seu nível. A pressão hidrostática, no fundo de cada tanque, é independente do formato do recipiente e depende apenas da altura e da densidade do líquido. O princípio de operação é simples, o problema se resume na medição da pressão no fundo do tanque, quando aberto e na medição da pressão no fundo e no topo, quando o tanque é fechado e pressurizado. Assim, a medição do nível da coluna liquida se transfere para medição de pressão, manométrica ou diferencial, com todos os artifícios de selagem e purga, quando o fluido do processo é corrosivo, tóxico ou sujo. A medição do nível pode ser feita localmente, ao lado do tanque, pela colocação do elemento sensor de pressão, acoplado diretamente ao indicador ou ao registrador. O elemento sensor mais utilizado é o diafragma ou a câmara Barton. (a) Tanque aberto (b) Tanque fechado Fig. 4.6. Medição de nível à pressão diferencial Geralmente, a medição da pressão diferencial (tanque fechado) ou manométrica (tanque aberto), proporcional ao nível do tanque, é feita através do transmissor, tipo d/p cell® com a cápsula diafragma como elemento sensor. Para esse tipo de medição de nível através da pressão diferencial, há vários tipos para a tomada de alta pressão, aquela próxima ao fundo do tanque: 1. tomada convencional, através de rosca fêmea, tipicamente 1/2" NPT. Quando o líquido é perigoso para a cápsula, utiliza-se uma coluna liquida de selagem, entre a tomada do tanque e o corpo do transmissor. 2. tomada tipo flange plana, quando a tomada do processo é do tipo flangeado e quando não há problema de decomposição de material na tomada. 3. tomada tipo flange com extensão, quando a tomada do processo é também flangeada e se deseja manter a superfície sensível da cápsula em contato direto com o processo, evitando-se a deposição de produtos na reentrância da tomada. 4. tomada tipo flange, plana ou com extensão, porém ligada ao corpo do transmissor através de um capilar, de tamanho variável e dependente da geometria do sistema. Essa aplicação se refere a processos com alta temperatura. O capilar possibilita a montagem do transmissor distante do tanque. 307 Nível Fig. 4.7. Transmissor com tomada convencional A tomada da baixa pressão, aquela próxima ao topo do tanque, depende principalmente da natureza do líquido, cujo nível está sendo medido. 1. quando o tanque é aberto para a atmosfera, não há necessidade da tomada da pressão baixa, ficando a tomada do transmissor aberta para a atmosfera. 2. tomada com perna molhada de selagem, feita pelo usuário. A selagem é necessária quando o líquido é volátil e os vapores não podem entrar no interior do transmissor. 3. tomada tipo flange, plana ou com extensão, ligada ao transmissor por um capilar. Nessa configuração, ambas as tomadas são iguais. O tamanho dos capilares é função da geometria do sistema. 4. repetidor de pressão, pneumático, com tomada convencional, flange plana ou flange com extensão. O repetidor de pressão torna desnecessário o uso de selagem. Para fins de calibração e colocação do conjunto extra de elevação ou suprimento zero, é importante o conhecimento completo da geometria do sistema, das densidades do líquido medido e do líquido de selagem. Assim, quando se tem o transmissor sem selo, montado em tanque aberto, abaixo de nível mínimo (zero), é necessário o uso do conjunto de supressão de zero, proporcional à distância entre o nível mínimo e a colocação do transmissor. (a) Eletrônico (b) Pneumático Fig. 4.8. Transmissor com tomada de flange Quando o transmissor é colocado abaixo do nível mínimo e possui a perna de selagem apenas do lado de pressão alta, também se necessita do conjunto de suprimento do zero. O valor a ser suprimido é proporcional 1. à distância entre o nível mínimo e a colocação do transmissor, 2. ao comprimento da tomada selada, 3. às densidades do líquido medido e do líquido de selagem. Quando as duas pernas possuem selo, normalmente se deve usar o conjunto de elevação de zero. Porém, para se determinar o valor a ser elevado, deve se estudar todo o sistema, considerando as densidades dos líquidos envolvidos e as distâncias entre nível máximo, mínimo e colocação do transmissor. (a) Transmissor no vaso (b) Transmissor Fig. 4.9. Nível com transmissor e capilar 308 Nível O ponto de partida para a calibração e cálculo do sistema de medição de nível deve ser a definição das faixas de medição. Assim, tem-se três faixas possíveis: 1. 0-100, faixa referida ao zero 2. -10 a 100, faixa com zero elevado ou com elevação do zero 3. a 100, faixa com zero suprimido ou com supressão do zero Quando a faixa calibrada é normal, por exemplo de 0 a 1 000 mm de coluna d'água de nível, basta se ajustar o instrumento através do parafuso de zero. Quando, porém, a faixa não começa de zero, há a necessidade de se acrescentar ao transmissor um conjunto extra, opcional, que desloque o zero para a posição correta. Esse conjunto, de elevação ou de supressão de zero, pode ser fornecido originalmente com o transmissor ou pode ser colocado a qualquer momento, pelo usuário.. Quando o transmissor é pneumático o conjunto de supressão é diferente do conjunto de elevação do zero. Quando o transmissor é eletrônico, o mesmo conjunto é capaz de desempenhar ambas as funções, indistintamente. Assim, quando se tem uma faixa calibrada de -100 a 1 000 mm de coluna d'água, tem-se uma faixa com zero elevado. Logo há a necessidade de se elevar o zero, portanto usa-se um conjunto de elevação de zero. No caso oposto, quando a faixa calibrada é de +100 a 1 000 mm de coluna d'água, o seu zero está suprimido. O transmissor para essa faixa de medição requer um conjunto de abaixamento ou supressão de zero. Alguns fabricantes de instrumentos utilizam outra nomenclatura. A elevação de zero é chamada de abaixamento da largura de faixa e o abaixamento do zero é chamado de elevação da largura de faixa. Os termos são equivalentes, mas se recomendam os temos: elevação de zero e supressão (ou abaixamento) de zero. Algumas pessoas ligadas à instrumentação possuem regrinhas prontas para a utilização do conjunto de elevação ou abaixamento do zero. Utiliza-se o conjunto de supressão do zero em tanques abertos e o conjunto de elevação do zero em aplicações de tanque fechado. Ou também: Usa-se o conjunto de supressão de zero para cancelar qualquer pressão inicial no lado de alta pressão do transmissor e o conjunto de elevação de zero para cancelar qualquer pressão inicial no lado de baixa pressão. Fig. 4.10. Medição de nível com zero vivo Porém, não se recomendam regrinhas de ouro, de memória pura. Recomenda-se a analise do sistema completo para o cálculo da faixa a ser calibrada. A partir da faixa resultante, escolhe-se o conjunto a ser acrescentado ao transmissor e calibra-se o transmissor com a elevação ou supressão do zero calculadas. O transmissor com tomadas de flange com capilares, fornecido completo pelo fabricante, é normalmente entregue com o conjunto de elevação de zero, pois o capilar é cheio de um líquido, geralmente glicerina, com densidade especifica igual a 1,07. As vantagens do sistema de medição de nível com pressão diferencial são; quando o sistema é não selado: 1. o uso do transmissor d/p cell convencional é barato e flexível. O transmissor pode ser isolado, retirado e zerado, através do uso do conjunto distribuidor. 2. o sinal pode ser transmitido, pneumática ou eletronicamente, para indicação, registro ou controle remotos. 3. são disponíveis grandes variedades de materiais de cápsulas, para uso em aplicações corrosivas. As desvantagens do sistema sem selo são: 1. variações na densidade causam erros na medição 309 Nível 2. não pode ser usado com líquido volátil, que requer selagem 3. quando não se usa selo, mas se usa purga, a purga torna mais complicadas a operação e a manutenção. Quando se utiliza selagem fornecida pelo fabricante do instrumento e integralizada através da flange e do conjunto flange + capilar ou fornecida pelo usuário, tem-se as seguintes vantagens: 1. a selagem substitui a purga. 2. partes molhas são disponíveis em vários materiais, compatíveis com os diversos fluidos de processo 3. aplicados a tanques abertos e fechados, mesmo muito altos. 4. são simples, fáceis de serem instalados. Seu desempenho é bom e podem medir grandes faixas de medição. 5. são disponíveis dois tipos diferentes de flange: plana e com extensão. A flange com extensão tangencia o fluido medido, eliminando cavidades onde haveria a cumulo de material. As desvantagens do sistema com selo: 1. os transmissores com flange não são compatíveis com conjunto distribuidor, para isolamento e equalização, tornando problemática a remoção do transmissor e sua zeragem. 2. a localização da montagem afeta a calibração, que depende do comprimento do selo ou do capilar. 3. variações na temperatura ambiente causam erros, quando a medição envolve capilares. 4.3. Medição a borbulhamento A medição de nível com borbulhamento também se baseia no princípio da pressão exercida pela coluna hidrostática. É provavelmente o mais antigo e simples dispositivo de medição de nível, com indicação remota. O sistema de medição consiste de um tubo de material inerte ao líquido do tanque colocado verticalmente e mergulhado no interior do líquido, até quase atingir o seu fundo. Através de uma tubulação injeta-se um gás inerte, geralmente nitrogênio, ou ar comprimido. Aumenta se lenta e continuamente a pressão de suprimento do gás, até que se comece a borbulhar o gás. No momento limite que começa o borbulhamento, a pressão aplicada é exatamente igual à pressão exercida pela coluna liquida. Ou seja, a pressão aplicada para borbulhar o gás é proporcional ao nível que se quer medir. Quando o nível varia, a pressão a ser aplicada também varia. Por isso deve se utilizar uma válvula de controle de pressão diferencial, para manter contato a vazão do gás, qualquer que seja a pressão do nível e para garantir que a pressão aplicada seja sempre igual à pressão da coluna liquida. Fig. 4.12. Medição com borbulhamento Fig. 4.11. Transmissor com flange e pescoço Desde que se coloque um medidor dessa pressão regulada, tem-se a medição do nível do tanque. Ou também, pode-se colocar um transmissor de pressão manométrica, para o envio do sinal para indicação, registro ou controle distantes. Essa é a idéia básica. Há, porém, outros detalhes e uso de outros 310 Nível equipamentos para otimização e praticidade do sistema: 1. O tubo deve terminar em chanfros, de modo que se garanta o fluxo constante e suave de pequenas bolhas. 2. Deve se usar um rotâmetro de purga, que indica a existência da vazão do gás inerte. Não é necessária a medição do valor da vazão, porém, apenas a indicação da presença da vazão. 3. As linhas de transmissão devem ser inclinadas em relação ao tanque, de modo que os condensados voltem ao tanque, quando há perda da pressão de borbulhamento. 4. Quando o indicador local do nível é colocado abaixo do nível de tanque, deve se instalar um purgador de condensado. 5. A pressão (ou vazão) do gás inerte é regulada por uma válvula agulha . 6. Quando o líquido possui precipitado que pode entupir o tubo de borbulhamento, devido à falta temporária da pressão ou mesmo por causa da sua natureza, uma chave seletora é usada, de modo que se possa aplicar pressão em contrafluxo para o desentupimento do tubo. 7. A pressão de purga deve ser, no mínimo, 70 kPa (10 psi) maior do que a pressão hidrostática máxima do vaso. 8. A vazão de purga é mantida pequena, cerca de 500 cm3/min (1 SCFH). 9. Precisão geralmente entre ±0,5 a ±2% do fundo de escala Quando o tanque não é aberto para atmosfera e está pressurizado ou sob vácuo, o sistema se torna pouco mais complicado, porque a medição do nível do líquido é uma função da diferença entre duas pressões de dois borbulhadores. As vantagens do sistema de borbulhamento são: 1. pode medir nível de fluidos sujos e corrosivos (inertes ao vidro) 2. é um método simples 3. a temperatura do processo é limitada apenas pelo material do vidro As desvantagens e limitações são; 1. embora possa teoricamente ser usado para tanques abertos e fechados, é problemático e mais complexo a medição de nível com tanque fechado pressurizado. 2. o sistema é frágil e exige muito cuidado de manuseio. Fig. 4.13. Medição de nível com dois borbulhadores, aplicada a um tanque pressurizado LI XFI N2 Fig. 4.14. Simbologia no P&I 311 Nível 4.4. Medição com Deslocador Deslocador fixo É também um método muito popular e conhecido. Seu princípio de funcionamento é a lei de Arquimedes, o da eureka: quando um corpo é submerso em um líquido, ele perde peso igual ao peso do líquido deslocado. O sistema de medição de nível por deslocador se resume na detecção e medição de um peso que varia com o nível. Há quem chame esse sistema de medição de nível de medidor com flutuador. O nome é incorreto, pois, na realidade o elemento sensor não flutua, mas fica submersa no líquido cujo nível está sendo medido. aparente do deslocador diminui, mantendo assim uma relação linear e proporcional entre o peso e o nível do líquido. Quando o nível atinge o valor máximo calibrado, o deslocador deve estar totalmente submerso. Nessa posição ele apresenta o mínimo peso aparente e o transmissor deve gerar sinal correspondente a 100% do nível. Os problemas práticos que aparecem e devem ser superados são: 1. a selagem do sistema detector do transmissor com o tanque de processo, que não deve ter atrito, deve suportar as pressões e temperatura do processo e não sofrer corrosão do líquido. 2. o tipo de tomada de nível, geralmente feito através de flanges com face ressaltada. Há tomadas através de três tipos básicos: lateral, topo e de gaiola. A gaiola é uma extensão do tanque principal. Ela é usada para facilitar a retirada e manutenção do sistema e quando há muita onda no interior do tanque. Ela é limitada quando a pressão é elevada ou pode haver vazamentos. 3. o cálculo correto do peso e do tamanho do deslocador. As vezes, é conveniente adicionar ao sistema uma proteção ao transmissor, de modo que o peso do deslocador não lhe fique aplicado durante muito tempo. 4. O comprimento do deslocador nunca pode ser menor que o nível a ser medido. 5. A densidade do material do deslocador deve ser sempre maior que a densidade do líquido do tanque. O desempenho do sistema com deslocador possui as seguintes características: 1. pode ser aplicado para medição de nível de líquido, interface do líquidovapor, densidade de líquido, interface entre dois líquidos. 2. o sistema é simples, confiável e relativamente preciso. 3. como há uma grande variedade de materiais para a construção do deslocador e das braçadeiras de ligação com o transmissor, o sistema Fig. 4.15. Montagens possíveis do transmissor (a) Tomada lateral (b) Tomada de topo Fig. 4.16. Transmissor de nível com deslocador O deslocador é suspenso de um transmissor de nível, que detecta a força (peso) variável. Quando o nível é mínimo, o deslocador está imediatamente acima do nível e totalmente fora do líquido. Seu peso é máximo e o sinal transmitido deve corresponder ao zero da escala de medição. Quando o nível sobe, o peso 312 Nível pode ser usado para medir líquidos corrosivos. Como limitações tem-se: 1. Uso restrito para tanque não pressurizado 2. Aplicação apenas para líquidos limpos, pois não se pode ter deposição ou incrustação de material no deslocador (alterando seu peso). 3. Dificuldades e restrições nos selos 4. Custo elevado, principalmente quando o deslocador é de material especial. A precisão do sistema de medição de nível com deslocador é tipicamente de ±0,5% do fundo de escala. Deslocador móvel É possível se medir nível com um deslocador móvel, em vez de fixo. Neste sistema o deslocador tem o formato de bóia e se move como se fosse uma bóia, acompanhando a superfície livre do líquido. Porém, o que faz ele se mover é um sistema de servomecanismo acoplado a ele. Quando o fio que aciona o deslocador se parte, ele vai para o fundo do vaso, pois ele é muito mais pesado que o líquido. Este sistema de medição de nível foi desenvolvida pela Enraf. O medidor de nível utiliza como elemento sensor um pequeno deslocador com densidade maior que a do líquido cujo nível é medido. O deslocador é suspenso por um cabo flexível que se enrola em um tambor de medição com ranhuras. Na condição de equilíbrio, o deslocador fica parcialmente imerso no líquido permitindo a sua aplicação em líquidos com turbulência na superfície e com variações de densidade do produto. Um circuito integrador com ajuste de tempo permite a medição estável do nível, mesmo com turbulência na superfície do fluído, já que a ação do integrador proporciona um nível de leitura médio e preciso. Esta característica permite que os medidores de nível possam operar com precisão em tanques com agitadores e com altas vazões de bombeamento. Utiliza-se o princípio de servomecanismo para eliminar os efeitos de atrito mecânico que prejudicam a sensibilidade e a precisão do sistema. O eixo do tambor de medição está acoplado a uma balança capacitiva de equilíbrio, que mede continuamente o peso aparente do deslocador, que é o seu peso real modificado pela força de empuxo exercida pelo produto sobre o deslocador parcialmente imerso. As variações de nível provocam alterações no peso aparente do deslocador, que são detectadas pela balança capacitiva de equilíbrio através do deslocamento das placas centrais. Variando sua capacitância em relação às placas laterais ativas, através de um circuito eletrônico com servomotor reversível. Este servo motor está acoplado ao eixo sem fim que aciona a coroa dentada e conseqüentemente, o tambor de medição, de modo a fazer subir ou descer o deslocador, até que seja obtida novamente a imersão correta. A tensão mecânica do fio que sustenta o deslocador é igual à diferença entre o peso do deslocador e o empuxo correspondente ao volume do líquido deslocado pela parte submersa. Na balança de equilíbrio, as placas centrais são tensionadas por duas molas para contrabalançar a tensão do fio e manter o deslocador em equilíbrio. O peso do deslocador, mesmo quando totalmente imerso mantém o cabo de medição sempre tensionado. O eixo do servomotor aciona o indicador mecânico de nível integral e o codificador óptico utilizado para transmissão remota de nível e temperatura. Completam o conjunto, quatro chaves de alarme de nível (opcionais) ajustáveis e atuadas pelo servomotor, através de um sistema de engrenagens. Para a indicação remota do nível e temperatura os medidores são equipados opcionalmente com um transmissor integral. São disponíveis dois sistemas de transmissão: um para a transmissão individual ao indicador digital de nível e de temperatura instalado no pé do tanque via RS422 e outro de freqüência por PWM (modulação de largura de pulso) onde todos os medidores são ligados ao receptor central seletivo. Outra opção dos medidores é o dispositivo de teste da repetitividade, que permite ao operador elevar o deslocador, 313 Nível de modo remoto e verificar a repetitividade da leitura. A precisão é determinada a partir dos seguintes parâmetros: 1. sensibilidade da balança de equilíbrio, 2. cabo de medição, 3. diâmetro do tambor 4. resolução do sistema de transmissão Bóia versus deslocador A grande diferença entre sistema de medição e de chave de nível com bóia e com deslocador fixo é que a bóia se move com a superfície e o deslocador permanece imóvel, sendo parcial ou totalmente imerso. A instalação e os arranjos são iguais para a chave com bóia ou com deslocador fixo, mesmo que os princípios de operação sejam diferentes. Quando se comparam a bóia com o deslocador, tem-se: 1. A faixa máxima de medição ou a distancia entre os pontos de alto e baixa é maior para o deslocador 2. Os ajustes e calibração do sistema de deslocador são mais fáceis 3. Há menor probabilidade de alarme falso provocado pela turbulência ou vibração no sistema com deslocador, pois o cabo está sob tensão mecânica 4. Dentro de uma faixa larga, a densidade do fluido não influi no diâmetro do deslocador, permitindo a troca de deslocadores para fluidos com densidades diferentes, trocando apenas uma mola. 4.5. Medição Radioativa Introdução A radiação em diferentes freqüências pode ser usada para medição de nível. Estas freqüências incluem: 1. radar, 2. ultra-som (microondas), 3. laser (luz infravermelha) 4. radiatividade (raios alfa, beta e gama) A diferença básica entre as três radiações, alfa, beta e gama, entre outras características, é sua capacidade de penetrar em outros materiais. A radiação nuclear pode ultrapassar paredes metálicas. Quando o sinal é muito fraco e menos penetrante, é possível usá-lo através do eco ou reflexão. O sistema de medição de nível através da radiação nuclear é constituído de: 1. fonte de material radioativo (Cs 137 ou Co 60) que se desintegra continuamente, segundo uma equação exponencial simples e conhecida. 2. detector da radiação, colocado dentro do campo radioativo da fonte. 3. material que se quer medir o nível, colocado entre a fonte e o detector. Como a quantidade de material, portanto nível do material absorve mais ou menos radiação, o valor da radiação detectada será proporcional ao nível do material. Fenômeno da radiação Átomos com o mesmo comportamento químico mas com diferente número de nêutrons são chamados de isótopos (ocupam o mesmo lugar na tabela periódica). A maioria dos isótopos é instável. O isótopo instável se desintegra para formar o estável ou outro elemento mais leve. Os materiais radioativos, com alto peso molecular, tendem a se desintegrar naturalmente, gerando basicamente três formas de radiação: 1. alfa 2. beta 3. gama A radiação alfa (α) consiste em 2 elétrons e 2 prótons e portanto é positiva. Seu poder relativo de penetração é de 1. Isso 314 Nível equivale a penetrar 200 mm do ar à pressão atmosférica. A radiação beta (β) consiste de elétrons e é negativa. Seu poder relativo de penetração é de 100. Os raios α e β podem ser defletidos por um campo elétrico ou magnético, pois possuem carga elétrica. A radiação gama (γ) consiste de ondas eletromagnéticas, comparáveis aos raiosX. Seu poder relativo de penetração é de 10 000. Por causa de seu grande poder de penetração e pela incapacidade de ser defletido, as fontes de radiação γ são escolhidas para uso em equipamento de medição de nível. As duas fontes de raios γ mais usadas são os isótopos radioativos Co (cobalto) 60 e Cs (césio) 137. O Co 60 é obtido bombardeando o isótopo estável Co 59 com nêutrons. Quando Co 60 desintegra, ele emite radiação β e γ para formar o elemento estável Ni 60 (níquel). De modo parecido, quando Cs 137 decai, ele emite radiação β e γ para formar o elemento estável Ba 137 (bário). O Cs 137 é um dos subprodutos de fissão do urânio e obtido no reprocessamento de usinas nucleares. Há dois pontos importantes relacionados com o decaimento radiativo: 1. O decaimento produz energia eletromagnética que não pode induzir outros materiais se tornarem radioativos. Isto significa que as fontes gama podem ser usadas na medição de nível de alimentos e remédios, sem contaminá-los. 2. A fonte perde potência quando se desintegra. A taxa de decaimento é expressa como meia vida, o período de tempo durante o qual a fonte perde metade de sua potência. Por exemplo, o Co 60 tem meia vida de 5,3 anos e portanto decai 12,5% por ano. O Cs 137 tem meia vida de 30 anos e decai 2,3% por ano. Para a medição de nível, contínua ou em chave de alarme, o decaimento da fonte não afeta a precisão, mas determina o tamanho inicial da fonte, para que o sistema tenha uma vida útil razoável. Raramente, pode-se usar o isótopo Ra 226 (rádio), que tem vida útil de 1602 anos. A unidade usada para quantificar a atividade de qualquer material radioativo é o curie (Ci). Um grama de Ra 226 tem 3,7 x 1010 desintegrações por segundo. Esta taxa de atividade é definida como 1 Ci, quer seja produzida pelo Ra ou qualquer outra fonte. Para a maioria das aplicações de detecção de nível, são satisfatórias fontes com potência de 100 mCi ou menos. A unidade de radiação é o roentgen (r), que é definido como a quantidade de radiação que produzirá ionização igual a uma unidade eletrostática de carga em um centímetro cúbico de ar seco, sob condições padrão. Uma fonte de 1 curie produz uma dose de um roentgen em um receptor colocado a um metro da fonte durante uma hora. A unidade de taxa de dose é o roentgen por hora (r/hr), uma medida dos fotos atingindo o receptor em uma distância definida. A radiação é atenuada quando ela penetra sólidos, líquidos e gases, e a taxa de atenuação é uma função da densidade do material. Os números também ilustram o que é geralmente chamado de camada de meio valor. Por exemplo, uma placa de aço de 25 mm (1 “) reduz a radiação de uma fonte de Cs 137 pela metade. Uma placa adicional de 25 mm irá causar outra redução de 50% de modo que a redução total causada por uma chapa de 50 mm (2 “) é de 25% (0,5 x 0,5 = 0,25). Como esperado, a quantidade de material radioativo requerida para produzir 1 Ci de atividade depende do material: 1 Ci é gerado por 1 g de Ra 226 1 Ci é gerado por 0,88 mg de Co 60 1 Ci é gerado por 0,115 mg de Cs 137 A taxa da dose também varia. Assumindo uma fonte de 1 mCi e um receptor colocado à distância de 812 mm, a taxa da dose será de 1,3 mr/hr para Ra 226 2,0 mr/hr para Co 60 0,6 mr/hr para Cs 137 A intensidade do campo de radiação no ar pode ser calculada da equação: D = 1000 K mCi d2 onde D é a intensidade, mr/hr 315 Nível mCi = tamanho da fonte em milicurie d é a distância para a fonte, em polegadas K é uma constante, 1,3 para Ra 226 0,6 para Cs 137 2,0 para Co 60 Tamanho da fonte Na aplicação real, a radiação deve penetrar substâncias diferentes do ar e é de interesse prático determinar a intensidade do campo de radiação após os raios γ passarem através das paredes do vaso e do material do processo. Isso pode ser feito através de curvas disponíveis na literatura técnica ou através da equação anterior. Assume-se que a mínima intensidade do campo de radiação no detector seja de 2,0 mr/hr, quando o vaso está vazio e que o campo deve ser reduzido por, no mínimo, 50% quando o vaso estiver cheio. A densidade relativa do líquido é 1 (água). Considerando uma fonte de Cs 137 com 50 mCi, a intensidade do campo no detector, sem tanque seria: A fonte de Cs 137 é a padrão para medições de nível. A fonte de Co 60 é usada somente para aplicações onde se quer grande penetração, ou em vasos com paredes grossas. A principal razão é a maior meia vida do Cs 137 (30 anos), comparada com a do Co 60 (5,3 anos). Segurança Uma fonte de raios γ irradia energia eletromagnética em todas as direções, como uma fonte de calor. A exposição rápida a uma intensa radiação ou uma exposição prolongada a uma fraca radiação é perigosa. O grau de perigo, principalmente para exposição a longo termo a radiação de baixa intensidade, é uma determinação subjetiva e por isso, se houver erro, ele deve ser feito no lado seguro. A fonte de radiação é construída em um invólucro cerâmico, colocado em uma cápsula com parede dupla de aço inoxidável. A cápsula é contida em uma estrutura construída de modo a permitir a saída do raio de radiação através de uma janela muito estreita, enquanto é bloqueada em todas as outras direções por uma blindagem de chumbo. O chumbo é um material especial na radiação, pois ele é o fim de linha de todas as cadeias de desintegração de materiais pesados. Há um obturador para fechar a janela, quando a fonte estiver fora de operação ou em transporte. A blindagem da fonte é suficientemente espessa para reduzir a intensidade do campo a uma distância de 300 mm (1 ft) da fonte para 5 mr/hr ou menos. Como já mencionado, além da desintegração de raios γ, há também raios β. Porém, a parede de aço inoxidável é suficiente para bloquear toda a radiação β, que é de pequena penetração. Os suportes da fonte são projetados para uma faixa de tamanhos. Por exemplo, um suporte pode ser usado para fontes na faixa de 10 a 30 mCi e o próximo suporte é usado para fontes entre 31 a 90 mCi. D = 1000 K mCi d2 = 0,6 × 50 84 2 = 4,25 mr/hr Colocando-se o tanque vazio no lugar, a atenuação através de duas paredes de aço de 12,5 mm (½ “), será 0,7 x 0,7 = 0,5 e a intensidade do campo resultante no detector é 4,25 x 0,5 = 2,1 mr/hr. Quando o tanque estiver cheio, a radiação irá penetrar em 1,8 m (72 “) de material tendo uma densidade relativa de 1. A curva para Cs 137 não cobre espessuras além de 0,7 m (30 “), mas isto não é importante, pois a atenuação total será a produto da atenuação em três espessuras de 0,6 m (24 “). Cada 0,6 m (24 “) de espessura do material tem uma transmissão de 7,5%, de modo que a intensidade do campo no detector com o tanque cheio é de 2,1 x 0,075 x 0,075 x 0,075 = 0,0009 mr/hr Esta instalação satisfaz a exigência dada de 2 mr /hr, com o tanque vazio e, no mínimo, uma redução de 50% com o tanque cheio. 316 Nível 250 200 REM ACUMULADA 150 100 50 0 INSEGURO 6,25 rem por 50 semanas (ano). Esta exposição excede os limites! A condição de pior caso de tanque vazio pode ser resolvida colocando um sistema de intertravamento que feche o obturador durante este período. SEGURO 5 REM/ANO 10 20 30 40 50 60 70 IDADE OPERADOR Caminho da radiação Fig. 4.17. Exposição à radiação como função do tempo e segurança Nos EUA, há uma legislação rigorosa cuidando das taxas de exposição ao material radioativo através da Nuclear Regulatory Commission (NRC). Estas regras estão incorporadas ao OSHA (Occupational Health and Safety Act). No Brasil também há. A exposição a uma fonte externa é expressa em unidade de rem (roentgen + equivalente + homem). Uma pessoa recebe a dose de 1 rem quando exposta a 1 roentgen de radiação em qualquer período de tempo. Uma pessoa não pode receber mais do que 250 rem sobre toda sua vida. A taxa em que esta exposição é acumulada também é importante. É desejável manter uma dose anual de 5 rem e definitivamente não se deve exceder 12 rem por ano ou 3 rem por trimestre. Para casa instalação industrial, é essencial estimar a dosagem recebida pela pessoa trabalhando na vizinhança da fonte, assumindo sempre o pior caso (por exemplo, o operador está sempre próximo da fonte, o tanque está sempre vazio). Para a instalação da Fig. 4.18, assumindo que o operador trabalhe 25 horas por semana e que o operador está sempre próximo de 300 mm (12 “) da fonte durante este período (pior caso). Assumindo que o suporte da fonte satisfaz a exigência de 5 mr/hr, a exposição do operador seria 5 mr/hr x 25 hr/sem = 125 mr por semana ou, aproximadamente em um ano: Fonte e suporte máximo nível 45 o max Caminho da radiação Detector mínimo nível 12,5 mm 1,8 m 2,1 m Fig. 4.18. Instalação de sistema de radiação Depois de obtidos os resultados, deve se cuidar de reduzir a exposição do operador. A exposição pode ser diminuída colocando a fonte e o detector de modo que o operador não esteja na área de alta intensidade de campo. Outra solução é colocar blindagem adicional de chumbo em torno da fonte e atrás do detector. Quando se submete uma instalação ao licenciamento, deve-se especificar: 1. isótopo usado e tamanho da fonte 2. fabricante e número do modelo do instrumento e do suporte da fonte 3. descrição da instalação 4. máxima ocupação da área 5. pessoa responsável para contato. 317 Nível Detector Há vários detectores de radiação γ disponíveis, mas os dois mais comuns são: 1. tubo Geiger-Mueller (G/M) 2. câmara de ionização de gás O tubo G-M tem um fio como anodo no centro de um catodo cilíndrico. O tubo catodo é cheio com gás inerte e selado. Uma tensão de 200 a 300 V é aplicada através do anodo e catodo. A radiação gama incidente ioniza o gás inerte, de modo que ocorre uma ruptura elétrica entre o anodo e catodo. A freqüência da ruptura está relacionada com a intensidade da radiação gama e pode se determinar a potência do campo pela contagem dos pulsos produzidos sobre um dado intervalo de tempo. A câmara de ionização é também cheia de um gás inerte e selada, mas em vez de se aplicar uma tensão de 300 V para romper, aplica-se uma pequena tensão de 6 V através das extremidades da câmara. Quando a câmara é exposta à radiação gama, ocorre a ionização e aparece uma corrente contínua na faixa de microampere. Esta corrente é proporcional à intensidade do campo. O tubo G-M é sempre usado em aplicações com chave de nível (detecção de ponto). O detector da chave é arranjado de modo que ele vê a intensidade máxima (tanque vazio) e vê o campo zero ou mínimo (tanque cheio). Os dois detectores, tubo G-M e câmara de ionização, são usados em aplicações de medição contínua. Quando são comparados: 1. O tubo G-M é mais barato que uma câmara de mesmo comprimento, porém é mais sujeito a desvio (drift) e seu desempenho pode se deteriorar com o tempo. 2. O tubo G-M pode falhar, quando exposto (acima do nível do líquido). Instalação de chave Há várias configurações de instalação de chave de nível, quanto à posição relativa da fonte e do detector. A mais comum é ter a fonte e o detector no mesmo nível horizontal. Neste caso, o diferencial entre a ação liga-desliga da chave é de 6 mm (1/4 “). Isto significa que um aumento do nível de 6 mm é suficiente para bloquear o raio da fonte e mudar o estado da chave. Se é desejável um intervalo maior, o detector é montado em ângulo com a fonte. Para o máximo diferencial, o sensor é montado verticalmente, produzindo um diferencial de 150 mm. Para intervalos maiores, usam-se dois detectores com uma única fonte. Para intervalos maiores que o diâmetro do tanque, usam-se dois conjuntos separados de fonte e detector. F D F D F H D1 D2 L φ <φ F >φ F φ H D1 D2 L Fig. 4.19. Instalações de chave de nível radioativa Medição contínua de nível Há dois métodos para medir nível continuamente, através de fontes e detectores fixos: 1. fonte de fita e detector de fita 2. fonte pontual e detector de fita O método usando fonte e detector, ambos em fita, é mais caro, mais preciso e mais conveniente para a maioria das geometrias envolvidas. A fonte em fita irradia um raio uniforme, longo, estreito na direção do detector. Quando o nível aumenta um pouquinho, há um pequeno aumento correspondente do detector. Esta resposta incremental é uniforme e linear sobre toda a amplitude de faixa e por isso 318 Nível o sinal produzido é linear com a variação do nível, exceto para pequenas não linearidades próximas do 0 e do 100%. Esta medição é sensível às variações da densidade do material medido. Material de maior densidade causa maior atenuação. Vantagens e limitações A grande vantagem do sistema é a possibilidade de se medir nível de sólidos. É um sistema extremamente simples, porém não é muito usado porque existem preconceitos e mal entendidos, tais como: 1. o custo do sistema é assumido ser muito alto. Isto não é verdade em si e a simplicidade do sistema pode compensar o custo. 2. o perigo de usar material radioativo é grandemente exagerado. Quando se faz um projeto correto e se entendem todos os conceitos envolvidos, o sistema não é mais perigoso que nenhum outro. 3. A principal desvantagem técnica é que a fonte de radiação de reserva está se desintegrando de modo idêntico a fonte em uso. Fonte fita 0,6 m max Amplificador Células Fig. 4.22. Detecção contínua do nível com fonte fita e células receptoras O método com fonte pontual e detector em fita também trabalha como um dispositivo liga-desliga com pequenos incrementos, pois um pequeno aumento no nível bloqueia o raio da fonte radioativa de um correspondente incremento do detector. Neste sistema, a medição é não linear, por causa da espessura não uniforme do material e da não uniformidade da geometria da instalação fixa (paredes do vaso, distâncias da parede ao detector, espaço livre). Fonte Detector Fig. 4.24. Posições relativas da fonte e detector 4.6. Sistema com radar Introdução O sistema de medição de nível com radar usa ondas eletromagnéticas, tipicamente microondas na faixa de 10 GHz (banda X). Geralmente a medição é contínua e se aplica a nível de líquido. As emissões são de baixa potência, tipicamente menores que 0,015 mW/cm2 pois as aplicações industriais requerem geralmente faixas menores que 30 m, que é uma distância pequena para a técnica de radar. Nesta faixa de energia, não há problema de saúde, segurança, licença ou considerações de contaminação. Os dispositivos envolvidos são os prosaicos transistores e diodos para gerar e detectar as microondas. O sensor radar é montado no topo do vaso e é dirigido para baixo, perpendicular F D F Fig. 4.23. Detecção de nível com duas fontes pontuais e um detector fita 319 Nível à superfície do líquido. Isto faz o sinal ser refletido da fonte para retornar diretamente para o sensor. O caminho do sinal é afetado pelo tamanho da antena. F2 Sinal enviado Sinal refletido ∆F Freqüência F1 T1 Tempo de propagação T2 Tempo Fig. 4.26. Freqüência de varredura do radar Há dois desempenhos e preços nos equipamentos de medição de nível a radar, causados pela banda de passagem do oscilador. Se a banda de passagem é maior, pode se conseguir uma maior freqüência de varredura no mesmo período. Isto fornece um aumento diretamente proporcional em resolução, em termos da aumento da variação de freqüência para um dado aumento de variação de nível. Isto, mais o fato que mais sinais F podem ser calculados durante cada varredura de freqüência permite interpretação mais precisa do sinal de freqüência. ∆F em alta banda de passagem (a) antena esquerda é grande, com um disco parabólico Fig. 4.25. Tipos e padrões de antenas de radar (b) antena direita é pequena, tipo corneta Determinação do tempo de propagação O tempo de propagação do sinal refletido é medido pelo controle do oscilador (sensor), de modo que ele envia uma freqüência linear varrida em uma largura de faixa fixa e tempo varrido. O detector radar é exposto simultaneamente à varredura enviada do radar e ao sinal de retorno refletido, que é uma parte mais velha da varredura do radar. A saída do detector é um sinal de freqüência que é igual à diferença entre os sinais enviado e o refletido. Esta diferença em freqüência é diretamente proporcional ao tempo de propagação e assim à distância entre o sensor e o nível do líquido. O resultado é um sinal de freqüência modulada (FM) que varia entre 0 e mais do que 200 Hz, quando a distância varia 0 e 60 m. Uma vantagem desta técnica é que a informação da variável de processo está no domínio da freqüência em vez do domínio da amplitude modulada ou da diferença de tempo, o que permite uma conversão mais precisa. (Esta é a mesma vantagem do rádio FM sobre o rádio AM.) A maioria das fontes de ruído está no domínio da amplitude, de modo que o processamento do sinal FM pode ignorálas e a precisão não é afetada. Freqüência F2 F1 ∆F em baixa banda de passagem T1 T2 Tempo Fig. 4.27. Bandas de passagem do radar Para se ter uma medição precisa da distância usando cálculos do tempo de propagação, a velocidade da onda viajando deve ser constante ou então deve ser medido. A velocidade de transmissão da onda de radar é igual à velocidade da 320 Nível luz dividida pela raiz quadrada da constante dielétrica do meio. Ou seja, fazer o processamento digital do sinal. Uma transformada de Fourier é usada para converter os dados amplitude versus tempo do sinal FM em amplitude versus freqüência e depois amplitude versus distância. É usado um algoritmo peakpicking para determinar a freqüência dominante no sinal de retorno. O gráfico amplitude versus freqüência pode ser apresentado como um espectro em uma tela de computador para mostrar o local e amplitude de cada reflexão no vaso. Este display, que é único para o enfoque de radar no campo de medição de nível, é como ter uma câmara de TV no vaso, porque ele permite uma verificação rápida da medição de nível sem ter que deixar o computador. Enquanto o sinal for claramente dominante, o radar é totalmente funcional. Nenhum indicador manual é necessário para calibrar o instrumento enquanto for mostrado um pico dominante. Além disso, a amplitude do sinal também fornece informação útil acerca das condições do tanque. O display do espectro mostra a amplitude por de três modos diferentes: 1. valor RMS , que é a média de todos os sinais que estão sendo recebidos, expresso em termos de V rms 2. Val. max., que é a amplitude da freqüência dominante que está sendo recebida 3. S/N, que é a relação sinal-ruído, igual ao número Val. Max. dividido pela amplitude da segunda maior freqüência que está sendo recebida. Quando a superfície do líquido está calma e sem espuma, sua refletividade é alta, de modo que a amplitude do sinal de retorno é também alta. Quando a superfície se torna turbulenta, a amplitude do sinal diminui. Embora o espectro ainda pareça como alto, porque o display sempre toma o maior sinal para fundo de escala, os valores de RMS, Val. Max. e S/N são reduzidos. Se este display é mostrado para o operador de processo, ele pode verificar se o radar está operando corretamente e também se o agitador está ligado ou desligado. O efeito da turbulência na amplitude do sinal é difícil de prever, desde que ele v= c ε onde v é a velocidade da onda no meio c é a velocidade da luz no vácuo ε é a constante dielétrica do meio Felizmente, as constantes dielétricas de gases diferentes em diferentes pressão e temperatura variam muito pouco em relação a do ar ou do vácuo, de modo que os erros devidos às variações das condições do tanque são muito pequenos. Neste aspecto, as ondas de radar são similares às ondas laser e muito diferentes da ondas ultra-sônicas. Em sistemas com ultra-som, os erros causados pelas variações na velocidade podem ser reduzidos pela calibração convencional ou pela compensação da temperatura ou pela compensação usando alvos de referência. O alvo, neste caso, deve ser colocado próximo do topo do tanque onde o espaço de vapor é uniforme e não existe concentração de gradientes (que existem perto da superfície do líquido). A presença de espumas não metálicas, poeiras e vapores no caminho da onda pode ter muito pequeno efeito na velocidade da microonda por causa da constante dielétrica destes meios variarem muito pouco da constante do ar. Tab. 5.1. Velocidade do som e de microondas (Radar) Composição Ar seco Vapor d'água CO2 Amônia Acetona Temperatura o C 0 100 100 0 50 0 0 Velocidade @ 1 atm Radar Ultra-som Mm/s m/s 299,91 331,8 299,94 386,0 299,10 404,8 299,85 259,0 299,87 279,0 299,93 415,0 297,64 223,0 Processamento do sinal e Display Os primeiros sistemas usavam técnicas de filtro analógicas para rastrear a freqüência do sinal de FM. Com o uso do microprocessador, os sistemas atuais levam o sinal de FM diretamente para um conversor analógico para digital (A/D) para 321 Nível depende da amplitude e da freqüência das ondas do líquido. Porém, em geral, o radar pode manipular níveis com grande turbulência, com ondas de até 1 m. A presença de espuma também pode ser detectada deste modo, desde que a espuma absorve algum sinal e por isso diminui a amplitude do sinal. Os eventos de turbulência, presença de espuma e condensação não afetam a precisão da medição, porque a informação da distância está apenas na freqüência do sinal e não em sua amplitude (lembrar que o sinal é FM e não AM). O limite máximo de espuma para a medição com radar depende da condutividade, altura e densidade da espuma. Em geral, quando a espuma é não condutiva, ela causa pouca atenuação no sinal e sua espessura pode chegar a 1,5 e 2,0 m. Porém, se a espuma tem água e é condutiva (cerveja e espuma de sabão), sua máxima espessura é de 15 a 30 cm, dependendo da densidade. Fig. 4.30. Sinal marginal RMS = 1,63 VAL. MAX. = 912,141 S/N = 12,02 RMS = 0,74 VAL. MAX. = 30,474 S/N = 1,31 Fig. 4.28. Sinal forte Quando o sinal se torna muito fraco, porém, o nível do sinal começa a se igualar à amplitude do ruído, que existe de modo pequeno e constante. O radar ainda pega o sinal correto, de modo que a precisão ainda não é afetada, porém, o display mostra ao operador que o sistema está marginal e deve ser pesquisado. O display com o sinal quase igual ao ruído pode ser devido à muita espuma, revestimento do sensor, má selagem do sensor ou qualquer outra causa que faz o sinal diminuir. O limite máximo para o revestimento do sensor também depende da condutividade. Como o radar opera na banda X, estes limites estão em torno de 2,5 cm para óleo, parafina ou alcatrão (não condutores) ou em torno de 0,3 cm para película condutiva. Fig. 4.31. Sinal muito fraco RMS = 0,13 VAL. MAX. = 1,236 S/N = 0,87 RMS = 0,85 VAL. MAX. = 208,717 S/N = 9,77 Fig. 4.29. Amplitude reduzida devido à turbulência Quando o sinal se torna quase inexistente, a informação não é mais confiável e o operador precisa providenciar reparo no radar. Neste caso, pode estar ocorrendo alguma das seguintes causas: 1. As laminas do agitador funcionando pode estar atrapalhando ou uma lamina do agitador parado pode estar interrompendo o sinal de retorno do 322 Nível radar. (Por isso é melhor montar o radar no topo do tanque ou na parede para não ser perturbado pelo agitador). 2. Se o tanque tem um fundo inclinado e se o raio é refletido nesta superfície inclinada na situação de tanque vazio, a maioria do sinal pode ser refletida na parede do tanque e pouco sinal retorna para o sensor. 3. Há alguma falha no circuito elétrico, curto ou fio partido na fiação de campo entre o processador do radar e o sensor ou alguma falha de componente do circuito eletrônico. Seleção da antena O diâmetro da antena do radar determina a potência do sinal e o ângulo de divergência do raio do sinal. Quando o diâmetro aumenta a potência do sinal aumenta (quarta potência) e o ângulo diminui (linearmente). Por exemplo, para uma dada potência de saída, uma antena parabólica com diâmetro de 30 cm tem um sinal 81 vezes maior que o sinal de uma antena corneta com um diâmetro de 10 cm., ou seja, (30 : 10)4. Enquanto isso, a antena de 30 cm tem um ângulo de 5 graus e a antena de 10 cm, de 15 graus. O maior ângulo de divergência tem vantagens e desvantagens. O ângulo maior torna menos critico o alinhamento do sensor mas reflete mais o ruído da turbulência da superfície. Uma antena pequena pode causar erro pela porção divergente do raio quando ele retorna de uma superfície turbulenta. Como seu caminho é maior do que o caminho do raio refletido da superfície plana, resulta em um leitura menor que a real. Eletrônica e Escolhas O transmissor do radar para monitorar e controlar processo possui a saída padrão de 4 a 20 mA cc e saída discreta para alarme e controle de ligar-desligar bombas. Para sistemas com telemetria, a saída pode ser digital, para comunicação através de modem, rádio freqüência ou digital (highway). Alguns sistemas tem a capacidade de receber sinais de temperatura (transmissor ou sensor de termopar ou resistência) e pressão, a fim de calcular o volume do tanque em condição de referência. Com um sinal de pressão (tanque aberto) ou dois sinais (pressurizado), o radar pode calcular a densidade media da coluna liquida entre a superfície do líquido e a tomada de pressão. O radar pode transformar volume em massa. Sistemas microprocessados podem determinar a innage (quantidade real do tanque) e a ullage (quantidade que falta para encher o tanque). Vantagens e desvantagens As principais vantagens da técnica de medição de nível com radar são: 1. Pode medir nível de líquidos complexos (tóxicos, perigosos, sanitários) 2. Não requer licença legal (como o radiativo) 3. É uma medição sem contato 4. Apresenta alta precisão em faixa de 1,5 a 60 m. 5. A antena pode ser colocada externamente, totalmente isolada do processo. 6. A operação é verificável através do monitor 7. Nenhuma recalibração é requerida quando se altera as condições de processo, pois a mudança do líquido não afeta a velocidade e freqüência e processamento do sinal. 8. A operação do sistema pode tolerar revestimento do sensor, turbulência da superfície e espuma no líquido (melhor que laser e ultra-som). Como desvantagem, tem-se 1. É a técnica de medição de nível mais cara. 2. Só é aplicada em processo com líquido limpo. 3. Não pode ser usado em aplicação com sólido, por causa do sinal fraco de reflexão. 4. Possui menor número de aplicações que o sistema com radiação nuclear. 4.7. Medidor sônico e ultra-sônico Sistema de detecção de nível sônico (9500 Hz) e ultra-sônico operam pela 323 Nível absorção da energia acústica, quando ela se propaga da fonte para o receptor ou pela atenuação (mudança de freqüência) de um dispositivo vibrante, oscilando em 35 a 40 kHz. O transmissor de nível ultrasônico opera gerando um pulso e medindo o tempo que o eco leva para voltar. Se o transmissor é montado no topo do tanque, o pulso viaja no ar, a uma velocidade de 331 m/s, a 0 oC e portanto o tempo de propagação é uma indicação do espaço vazio acima do nível do líquido no tanque. Se o transmissor é montado no fundo do tanque, o tempo de propagação reflete a altura de líquido no tanque e a velocidade do pulso é função deste líquido. Por exemplo, para água a 25 oC a velocidade do pulso ultra-sônico é de 1496 m/s. Ultra-som As características do som são determinadas pela temperatura, reflexão, propagação e absorção. A compensação da temperatura na medição de nível é essencial porque a velocidade do som é proporcional à raiz quadrada da temperatura. No caso do ar, ele varia de 0,6 m/s por cada oC de variação de temperatura. A velocidade de propagação aumenta como aumento da temperatura em cerca de 0,18% por oC. Para medir o tempo de propagação do eco de um pulso ultra-sônico, é essencial que alguma energia sônica seja refletida. Líquidos e sólidos com partículas grandes e duras são bons refletores. Material fofo ou sujeira solta são ruins refletores pois tendem a absorver o pulso sônico. É também importante que a superfície refletora seja plana e como o ângulo de reflexão é igual ao de incidência, se o pulso sônico é refletido de uma superfície inclinada, seu eco não será dirigido de volta para a fonte e o tempo total de propagação não é diretamente proporcional à distância vertical. Superfícies irregulares resultam em reflexão difusa, onde apenas uma parte do eco total volta verticalmente para a fonte. A propagação do som resulta em sua dispersão e perda de intensidade. A intensidade do som diminui com o quadrado da distância e por isso o eco se torna exponencialmente mais fraco quando se aumenta a faixa de calibração do nível. A diminuição da energia sonora é causada pela dispersão (distância percorrida) e pela absorção da substância através do caminho. Por exemplo, uma onda ultrasônica (44 kHz) propagando em ar seco e limpo, a 20 oC, é atenuada de 1 a 3 decibel para cada metro de distância percorrida. Um transmissor ultra-sônico está sujeito a muitas interferências, que afetam a potência do eco. Muitos destes fenômenos estão além do controle do fabricante de instrumento. O instrumento pode fazer compensação da temperatura, evitar a condensação, focalizar e amplificar o sinal do pulso, porém é incapaz de alterar a reflexão, propagação ou absorção do processo. O sistema de ultra-som pode ser usado para medição contínua ou pontual do nível. Os detectores de ponto (chave de nível) para medição de interfaces líquidogás, líquido-líquido, líquido-espuma ou sólido-gás, podem ser agrupados em sensor amortecido ou transmissor ligadesliga. Pela configuração, podem ser de um ou dois elementos. Os sistemas para medição contínua podem ser classificados como sensor abaixo ou acima do líquido. A maioria dos sistema usa um circuito oscilador de 20 kHz ou acima como gerador de sinal ultra-sônico. Alguns projetos incluem filtros ou discriminadores de sinal para evitar leitura falsa causada por ruído. Chave de nível com amortecimento A chave de nível com vibração amortecida opera como chave com lamina vibratória. Enquanto a chave está envolvida por ar ou gás, ela vibra em sua freqüência de ressonância mas é amortecida quando entra em contato com o líquido do processo. Alguns sistemas incorporam um cristal piezoelétrico na ponta vibratória. O sensor pode ser colocado no topo do vaso ou em suas paredes laterais, sempre internamente. O líquido deve ser limpo e não provocar deposição no sensor. O sensor pode ser colocado do lado de fora do tanque, sem contato direto com o líquido do processo. Quando o fluido atinge a altura do sensor, ele é também amortecido e a chave é acionada. Esta 324 Nível configuração serve para qualquer tipo de líquido. Transmissor Receptor A A B Transmissor B C D e Receptor C Transmissor e Receptor Cristal transmissor Cristal transmissor Fig. 4.32. Sensores ultra-sônicos amortecidos Fig. 4.33. Sensores de ponto ultra-sônicos Chaves tipo absorção Estas chaves contem transmissor e receptor. O transmissor gera pulsos na faixa ultra-sônica e o receptor detecta estes pulsos se eles são transmitidos através de um meio onde está colocado o sensor. O transmissor e receptor podem ser montados no mesmo invólucro ou podem ser separados. Há sensores que operam somente em meio não compressível (líquido) e não operam em espaço com vapor ou gás. Chave de detecção de interface Quando se monta o sensor inclinado (10 graus da horizontal, por exemplo), ele pode ser usado para detectar interface líquidolíquido. O raio ultra-sônico gerado pelo cristal transmissor será detectado pelo cristal receptor se o sensor estiver somente em um líquido. Quando aparece uma interface na cavidade do sensor, a interface reflete o sinal, impedindo-o de alcançar o receptor. A chave de detecção de nível pode ser usada na mangueira da bomba de gasolina. O bocal da mangueira contem o transmissor e o receptor para detectar quando o tanque enche e o líquido atinge a mangueira de volta, onde a vazão é desligada. Transmissor de nível O princípio do transmissor de nível ultra-sônico é similar ao do ecômetro usado para medir profundidade de poço. Neste projeto, uma cápsula é detonada; o tempo necessário para o eco retornar é convertido na indicação da profundidade. O detector contínuo de nível (SONAR) mede o tempo necessário para um pulso ultra-sônico ir para a superfície do processo e voltar. A fonte é um alto-falante 325 Nível ultra-sônico tipo oscilador e o receptor é, geralmente, um disco metálico ressonante mecânica e eletricamente. Há várias configurações de montagem. o sinal, convertendo nível em quantidade, volume em massa, determinando densidade, apresentando resultados em condições de referência, indicando innage (nível real) e ullage (o que falta para encher o tanque). Os sistemas são aplicados a conjuntos de tanques, diminuindo o custo por unidade de tanque, porque através da multiplexação, vários instrumentos podem ser compartilhados por todo o sistema. No campo, há sensores e transmissores para medir a pressão em três pontos do tanque e a temperatura do processo. Estes sinais analógicos vão para um sistema microprocessado que os manipula e através de uma base de dados fornecida e armazenada, ele pode determinar densidade, fazer correções, transformar volume em massa, converter valores de volume para condições de base. O sistema possui uma estação de operação centralizada, com console de monitor. Através do sistema, o operador pode monitorar todas as medições, ter registros históricos das variáveis de interesse, dispor de listas de alarmes das variáveis críticas. Fig. 4.34. Detecção contínua de nível de liquido Na instalação (A), há dois elementos, transmissor e receptor montados separadamente. Esta configuração é pouco usada, atualmente. Na instalação (B) o transmissor e receptor estão no mesmo invólucro. A transmissão é feita no ar. A vantagem é que não há contato com o processo, mas alguma energia é perdida através do espaço. Em aplicações com líquido, deve haver um ângulo aproximado de 2 graus da vertical. Esta montagem requer um líquido limpo. Na instalação (C) o tempo de propagação do eco é uma indicação direta do nível. O transdutor pode ser também montado externamente (D). As instalações onde não há contato direto com o processo, pode ser medido o nível de líquidos sujos e de sólidos. Uma aplicação interessante da detecção contínua de nível é quando óleo (hidrocarbonetos) é armazenados em poços com sal. A camada de óleo repousa sobre uma camada de salmoura. Quando se bombeia o óleo para dentro do poço, a salmoura é deslocada. Por questão de segurança, balanço e uso da cavidade, é importante saber onde está a interface óleo-salmoura. Sistema microprocessado Os fabricantes tradicionais de instrumentos (e.g., Foxboro, Fisher Rosemount) possuem sistemas proprietários para medir nível e processar Fig. 4.35. Sistema microprocessado para nível Vantagens e desvantagens A técnica de medição de nível por ultrasom já é tradicional. A chave de nível é confiável, mesmo em aplicações difíceis. As principais vantagens do princípio são 1. ausência de peças móveis 2. habilidade de medir nível sem contato com o processo 3. A precisão e confiabilidade do sistema não são afetadas por variações na composição, 326 Nível densidade, umidade, condutividade elétrica ou constante dielétrica do fluido do processo. 4. É possível se fazer a compensação de temperatura, melhorando a precisão (para ±0,25% fundo de escala). O transmissor de nível a ultra-som é tão bom quanto o eco que ele recebe. O sinal de eco pode ser enfraquecido pela dispersão (distância) ou pela absorção (ar ambiente). O sinal é também atenuado por vapores, espuma e outros contaminantes. Deve-se tomar cuidado com a superfície refletora, que deve ser plana, bem acabada, horizontal. Fig. 4.36. Sistema microprocessado para nível - Apostilas\Instrumentação 45nível.doc 04 MAI 97 327 A Unidades SI 1. Introdução O SI é um sistema de unidades com as seguintes características desejáveis: 1. Coerente, em que o produto ou o quociente de quaisquer duas unidades é a unidade da quantidade resultante. Por exemplo, o produto da força de 1 N pelo comprimento de 1 m é 1 J de trabalho. 2. Decimal, onde os fatores envolvidos na conversão e criação de unidades sejam somente potências de 10 3. Único, onde há somente uma unidade para cada tipo de quantidade física, independente se ela é mecânica, elétrica, química, ou termal. Joule é unidade de energia elétrica, mecânica, calorífica ou química. 4. Poucas (7) Unidades de base, separadas e independentes por definição e realização. 5. Unidades com tamanhos razoáveis, evitando-se a complicação do uso de prefixos de múltiplos e submúltiplos. 6. Completo e poder se expandir indefinidamente, incluindo nomes e símbolos de unidades de base e derivadas e prefixos necessários. 7. Simples e preciso, de modo que cientistas, engenheiros e leigos possam usá-lo e ter noção das ordens de grandeza envolvidas. Não deve haver ambigüidade entre nomes de grandezas e de unidades. 8. Não degradável, com as mesmas unidades usadas ontem, hoje e amanhã. 9. Universal, com símbolos, nomes e único conjunto básico de padrões conhecidos, aceitos e usados no mundo inteiro. O SI oferece várias vantagens nas áreas de comércio, relações internacionais, ensino e trabalhos científicos. Atualmente, mais de 90% da população do mundo vive em países que usam correntemente ou estão em vias de mudar para o SI. Os Estados Unidos, Inglaterra, Austrália, Nova Zelândia, África do Sul adotaram o SI. Também o Japão e a China estão atualizando seus sistemas de medidas para se conformar com o SI. A utilização do SI é recomendada pelo BIPM, ISO, OIML, CEI e por muitas outras organizações ligadas à normalização, metrologia e instrumentação. É uma obrigação de todo técnico conhecer, entender, respeitar e usar o SI corretamente. 2. Quantidades de Base do SI As unidades SI são divididas em três classes: 1. unidades de base 2. unidades suplementares 3. unidades derivadas A Tab.1. mostra as sete grandezas de base, com nomes, unidades, símbolos de unidades e símbolos da grandeza para fins de análise dimensional. As grandezas de base eram anteriormente chamadas de grandezas fundamentais. As sete unidades base foram selecionadas pela CGPM ao longo do tempo e para atender as necessidades dos cientistas em suas áreas de trabalho. A.1 Unidades SI Tab. 1 - Grandezas e Unidades de Base SI # Grandeza 1 2 3 4 5 6 7 comprimento massa tempo temperatura corrente elétrica Unidade Símbolo Símbolo unidade Grandeza metro kilograma segundo kelvin ampère quantidade de matéria mol intensidade luminosa candela m kg s K A mol cd L M T I N J. A classificação das unidades SI em três classes é arbitrária e não é realmente importante para usar e entender o sistema. As três classes de unidades formam um sistema de medição coerente, pois o produto ou quociente de qualquer quantidade com múltiplas unidades é a unidade da resultante. 3. Quantidades Derivadas Uma unidade derivada é formada pela combinação das unidades de base, suplementares e outras unidades derivadas através de relações algébricas com as quantidades correspondentes. Como o sistema SI é coerente, quando duas ou mais unidades expressas em unidades base ou suplementares são multiplicadas ou divididas para se obter uma quantidade derivada, o resultado é um valor unitário, sem introdução de uma constante numérica. As várias unidades derivadas possuem nomes e símbolos especiais, geralmente nomes de cientistas famosos, que podem ser usados para expressar outras unidades derivadas em uma forma mais simples do que em termos das unidades base e suplementares. Por exemplo, joule, unidade de trabalho ou energia, é o nome dado à relação algébrica newton-metro (N.m) ou kilograma-metro quadrado por segundo quadrado (kg.m2/s2). A seguir, serão as unidades em tabelas, com os nomes, unidades e símbolos. O número é praticamente infinito e por isso são mostradas apenas as mais usadas nos campos da mecânica, eletrônica, química e instrumentação. Há três quantidades totalmente independentes: massa, comprimento, tempo. Somente a massa tem um padrão material. Hoje, pesquisa-se para se reduzir as unidades a duas independentes: massa e tempo. As unidades de base são bem definidas e independentes dimensionalmente. As duas unidades suplementares foram adicionadas na 11a CGPM (1960). Estas unidades são: 1. ângulo plano (radiano) 2. ângulo sólido (esterradiano). Como a CGPM deixou de chamá-las de base ou derivadas, elas são consideradas suplementares. Foram levantadas questões acerca da razão destas unidades não serem adotadas como de base. Por analogia, elas poderiam ser consideradas como de base. Em 1980, a CIPM decidiu, para manter a coerência interna do SI, considerar as unidades radiano e esterradiano como unidades derivadas sem dimensão. As unidades derivadas são aquelas formadas pelas relações algébricas entre as unidades básicas, unidades suplementares e outras unidades derivadas. Apostila\Ageral UnidadeSI.doc 10 MAI 97 A.2 Unidades SI Tab. 2 - Unidades Não-SI Aceitas NOME minuto hora dia ano grau de arco minuto de arco segundo de arco grau Celsius litro quilate métrico tonelada becquerel gray sievert SÍMBOLO min h d a o ' " o C L t Bq Gy Sv OBSERVAÇÕES 1 min = 60 s 1 h = 60 min - 3600 s 1 d = 24 h = 86 400 s 1 ano = 12 meses = 360 dias 1o = (p/180) rad 1 ' = (1/60) o = (p/10 800) rad 1 " = (1/60) ' = (p/648 000) rad 1 L = 1 dm3 = 10-3 m3 1 quilate = 200 mg 1 t = 103 kg s-1 (atividade de radionuclídeo) J/kg (índice de dose absorvida) J/kg (índice de equivalente de dose) Tab. 3 Unidades Não-SI Aceitas Temporariamente Nome angstron atmosfera normal bar eletrovolt hectare kilowatt hora milha marítima poise stokes unidade massa atômica volt ampère Símbolo Ao atm bar eV ha kW.h P St u Observação 1 Ao = 10-10 m 1 atm = 101 326 Pa 1 bar = 105 Pa 1 eV = 1,602 19 x 10-9 J 1 ha - 104 m2 milha marítima = 1 852 m 1 P = 0,1 Pa.s 1 St = 10-4 m2/s 1 u - 1,660 57 x 10-27 kg V.A A.3 Unidades SI Tab. 4 Unidades Não-SI Não Aceitas Nome caloria centímetro de água dina erg fermi gauss kilograma força maxwell mho micron milímetro de Hg torricelli Tab. 5-Unidades Associadas a Cientistas Unidade ampère o Celsius coulomb farad henry hertz joule kelvin newton ohm pascal siemens tesla volt watt weber Cientistas Andre Marie ampère Anders Celsius Charles Augustin Coulomb Michael Faraday Joseph Henry Heinrich Rudolph Hertz James Prescott Joule William Thompson, (Barão Kelvin) Sir Isaac Newton Georg Simon Ohm Blaise Pascal Karl Wilhelm Siemens Nikola Tesla Conde Alessandro Volta James Watt Wilhem Eduard Weber Pais França Suécia França Inglaterra EUA Alemanha Inglaterra Inglaterra Inglaterra Alemanha França Alemanha Croácia (EUA) Itália Escócia Alemanha Datas 1775-1836 1701-1744 1736-1806 1791-1867 1797-1894 1857-1889 1818-1889 1824-1907 1642-1727 1787-1854 1623-1662 1823-1883 1856-1943 1745-1827 1736-1819 1804-1891 Símbolo cal cm H2O dyn erg fm Gs ou G kgf Mx µ mm Hg torr Observação 1 calI = 4,1868 J 1 dyn = 10-5 N 1 erg = 10-7 J 1 fm = 10-11 m 1 G = 10-4 T 1 kgf = 9,806 65 N 1 Mx = 10-8 Wb 1 mho = 1 S 1 micron = 10-6 m 1 torr = 133,322 Pa A.4 Unidades SI Tab. 6 - Grandezas Físicas Derivadas Mais Usadas Quantidade Física Aceleração Aceleração angular Área ou superfície Campo elétrico Capacitância elétrica Carga elétrica Condutância elétrica Concentração (química) Condutividade termal Densidade absoluta Densidade de corrente Densidade fluxo magnético Densidade fluxo termal Densidade relativa Dose absorvida Energia, trabalho Entropia Fluxo luminoso Fluxo magnético Força Frequência Iluminamento Indutância elétrica Momento de força Número de onda Peso específico Potência Pressão Radiância Resistência elétrica Tensão superficial Velocidade Velocidade angular Viscosidade absoluta Viscosidade cinemática Voltagem, ddp, fem Volume Volume específico Unidade Símbolo SI Unidade SI m.s-2 rad.s-2 m2 V.m-1 farad coulomb siemens F C S tesla T l mol.m-3 W.m-1.K-1 kg.m-3 Am-2 Wb.m-2 W.m-2 adimensiona J.kg-1 J.K-1 cd.sr V.s cd.sr.m-2 N.m m-1 N.m-3 gray joule lumen weber newton hertz lux henry Gy J Wb N Hz H watt pascal ohm W Pa Ω W.m-2.sr-1 N.m-1 m.s-1 rad.s-1 Pa.s m2.s-1 m3 m3.kg-1 volt V A.5 B Estilo e Escrita do SI 1. Introdução O Sistema Internacional de Unidades (SI) possui uma linguagem internacional da medição. O SI é uma versão moderna do sistema métrico estabelecido por acordo internacional. Ele fornece um sistema de referência lógica e interligado para todas as medições na ciência, indústria e comércio. Para ser usado sem ambigüidade por todos os envolvidos, ele deve ter regras simples e claras de escrita. Parece que o SI é exageradamente rigoroso e possui muitas regras relacionadas com a sintaxe e a escrita dos símbolos, quantidades e números. Esta impressão é falsa, após uma análise. Para realizar o potencial e benefícios do SI, é essencial evitar a falta de atenção na escrita e no uso dos símbolos recomendados. Os principais pontos que devem ser lembrados são: 1. O SI usa somente um símbolo para qualquer unidade e somente uma unidade é tolerada para qualquer quantidade, usando-se poucos nomes. 2. O SI é um sistema universal e os símbolos são usados exatamente da mesma forma em todas as línguas, de modo análogo aos símbolos para os elementos e compostos químicos. 3. Para o sucesso do SI deve-se evitar a tentação de introduzir novas mudanças, inventar símbolos ou usar modificadores. Os símbolos escolhidos foram aceitos internacionalmente, depois de muita discussão e pesquisa. Serão apresentadas aqui as regras básicas para se escrever as unidades SI, definindo-se o tipo de letras, pontuação, separação silábica, agrupamento e seleção dos prefixos, uso de espaços, vírgulas, pontos ou hífen em símbolos compostos. Somente respeitando-se estes princípios se garante o sucesso do SI e se obtém um conjunto eficiente e simples de unidades. No Brasil, estas recomendações estão contidas na Resolução 12 (1988) do Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. 2. Maiúsculas ou Minúsculas 2.1. Nomes de Unidades Os nomes das unidades SI, incluindo os prefixos, devem ser em letras minúsculas quando escritos por extenso, exceto quando no início da frase. Os nomes das unidades com nomes de gente devem ser tratados como nomes comuns e também escritos em letra minúscula. Quando o nome da unidade fizer parte de um título, escrever o nome das unidades SI do mesmo formato que o resto do título. Exemplos: A corrente é de um ampère. A freqüência é de 60 hertz. A pressão é de 15,2 kilopascals. B.1 Estilo e Escrita do SI 2.2. Temperatura No termo grau Celsius, grau é considerado o nome da unidade e Celsius é o modificador da unidade. O grau é sempre escrito em letra minúscula, mas Celsius em maiúscula. O nome de unidade de temperatura no SI é o kelvin, escrito em letra minúscula. Mas quando se refere à escala, escreve-se escala Kelvin. Antes de 1967, se falava grau Kelvin, hoje, o correto é kelvin. Exemplos: A temperatura da sala é de 25 graus Celsius. A temperatura do objeto é de 303 kelvins. A escala Kelvin é defasada da Celsius de 273,15 graus m para metro H para henry Hz para hertz W para watt Wb para weber Os símbolos são preferidos quando as unidades são usadas com números, como nos valores de medições. Não se deve misturar ou combinar partes escritas por extenso com partes expressas por símbolo. 2.4. Letra romana para símbolos Quase todos os símbolos SI são escritos em letras romanas. As duas únicas exceções são as letras gregas µ (mi ) para micro (10-6) e Ω (ômega) para ohm, unidade de resistência. 2.3. Símbolos Símbolo é a forma curta dos nomes das unidades SI e dos prefixos. Símbolo não é abreviação ou acrônimo. O símbolo é invariável, não tendo plural, modificador, índice ou ponto. Deve-se manter a diferença clara entre os símbolos das grandezas, das unidades e dos prefixos. Os símbolos das grandezas fundamentais são em letra maiúscula. Os símbolos das unidades e dos prefixos podem ser de letras maiúsculas e minúsculas. A importância do uso preciso de letras minúsculas e maiúsculas é mostrada nos seguintes exemplos: G para giga; g para grama K para kelvin, k para kilo N para newton; n para nano T para tera; t para tonelada T para a grandeza tempo. S para siemens, s para segundo M para mega M para a grandeza massa P para peta Pa para pascal p para pico L para a grandeza comprimento L para litro (excepcionalmente maiúscula) m para mili 2.5. Nomes dos símbolos em letra minúscula Símbolos de unidades com nomes de pessoas tem a primeira letra maiúscula. Os outros símbolos são escritos com letras minúsculas, exceto o símbolo do litro que pode ser escrito também com letra maiúscula (L), para não ser confundido com o número 1. Exemplos: A corrente é de 5 A. O comprimento da corda é de 6,0 m. O volume é de 2 L. 2.6. Símbolos com duas letras Há símbolos com duas letras, onde somente a primeira letra deve ser escrita como maiúscula e a segunda deve ser minúscula. Exemplos: Hz é símbolo de hertz, H é símbolo de henry. Wb é símbolo de weber, W é símbolo de watt. Pa é símbolo de pascal, P é prefixo peta (1015) B.2 Estilo e Escrita do SI 2.7. Uso do símbolo e do nome Deve-se usar os símbolos somente quando escrevendo o valor da medição ou quando o nome da unidade é muito complexo. Nos outros casos, usar o nome da unidade. Não misturar símbolos e nomes de unidades por extenso. Exemplo correto: O comprimento foi medido em metros; a medida foi de 6,1 m. Exemplo incorreto: O comprimento foi medido em m; a medida foi de 6,1 metros. Correto: O comprimento é de 110 km Exemplos incorretos: 110km (sem espaço entre número e símbolo) 110 kms (símbolo não tem plural) 110-km (hífen entre número e símbolo). 110 k m (espaço entre prefixo e símbolo). 110 Km (prefixo em maiúscula) 3. Pontuação 3.1. Ponto Não se usa o ponto depois do símbolo das unidades, exceto no fim da sentença. Pode-se usar um ponto ou hífen para indicar o produto de dois símbolos, porém, não se usa o ponto para indicar o produto de dois nomes. Exemplos corretos (incorretos): O cabo de 10 m tinha uma massa de 20 kg. (O cabo de 10 m. tinha uma massa de 20 kg) A unidade de momentum é o newton metro (A unidade de momentum é o newton. metro) A unidade de momentum é o produto N.m A unidade de momentum é o produto N-m 2.8. Símbolos em títulos Os símbolos de unidades não devem ser usados em letra maiúscula, como em título. Quando for necessário, deve-se usar o nome da unidade por extenso, em vez de seu símbolo. Correto: ENCONTRADO PEIXE DE 200 KILOGRAMAS Incorreto: ENCONTRADO PEIXE DE 200 KG 2.9. Símbolo e início de frase Não se deve começar uma frase com um símbolo, pois é impossível conciliar a regra de se começar uma frase com maiúscula e de escrever o símbolo em minúscula. Exemplo correto: Grama é a unidade comum de pequenas massas. Exemplo incorreto: g é a unidade de pequenas massas. 2.10. Prefixos Todos os nomes de prefixos de unidades SI são em letras minúsculas quando escritos por extenso em uma sentença. A primeira letra do prefixo é escrita em maiúscula apenas quando no início de uma frase ou parte de um título. No caso das unidades de massa, excepcionalmente o prefixo é aplicado à grama e não ao kilograma, que já possui o prefixo kilo. Assim, se tem miligrama (mg) e não microkilograma (µkg); a tonelada corresponde a megagrama (Mg) e não a kilokilograma (kkg). Aplica-se somente um prefixo ao nome da unidade. O prefixo e a unidade são escritos juntos, sem espaço ou hífen entre eles. Os prefixos são invariáveis. 3.2. Marcador decimal No Brasil, usa-se a vírgula como um marcador decimal e o ponto como separador de grupos de 3 algarismos, quando não se quer deixar a possibilidade de preenchimento indevido. Quando o número é menor que um, escreve-se um zero antes da vírgula. Nos Estados Unidos, usa-se o ponto como marcador decimal e a virgula como separador de algarismos. Exemplo (Brasil) A expressão meio metro se escreve 0,5 m. O valor do cheque é de R$2.345.367,00 Exemplo (Estados Unidos) A expressão meio metro se escreve: 0.5 m. O valor do cheque é de US$2,345,367.00 B.3 Estilo e Escrita do SI 4. Plural 4.1. Nomes das unidades com plural Quando escrito por extenso, o nome da unidade SI admite plural, adicionando-se s, 1. palavra simples. Por exemplo: amperes, candelas, joules, kelvins, kilogramas, volts. 2. palavra composta em que o elemento complementar do nome não é ligado por hífen. Por exemplo: metros quadrados, metros cúbicos. 3. termo composto por multiplicação, em que os componentes são independentes entre si. Por exemplo: amperes-horas, newtons-metros, watts-horas, pascalssegundos. 2. serem elementos complementares de nomes de unidades e ligados a eles por hífen ou preposição. Por exemplo, anosluz, elétron-volts, kilogramas-força. 4.5. Símbolos Os símbolos das unidades SI não tem plural. Exemplos: 2,6 m -30 oC 1m 0 oC 0,8 m 100 oC 5. Agrupamento dos Dígitos 5.1. Numerais Todos os números são constituídos de dígitos individuais, entre 0 e 9. Os números são separados em grupos de três dígitos, em cada lado do marcador decimal (vírgula). Não se deve usar vírgula ou ponto para separar os grupos de três dígitos. Deve-se deixar um espaço entre os grupos em vez do ponto ou vírgula, para evitar a confusão com os diferentes países onde o ponto ou vírgula é usado como marcador decimal. Não deixar espaço entre os dígitos e o marcador decimal. Um número deve ser tratado do mesmo modo em ambos os lados do marcador decimal. Exemplos: Correto 23 567 567 890 098 34,567 891 345 678,236 89 345 678,236 89 Incorreto 23.567 567.890.098 34,567.891 345.678,236.89 345 678,23 689 4.2. Aplicação Valores entre -2 e +2 (exclusive) são sempre singulares. O nome de uma unidade só passa ao plural a partir de 2 (inclusive). Exemplos: 1 metro 23 metros 8 x 10-4 metro 4,8 metros por segundo 0,1 kilograma 1,5 kilograma 34 kilogramas 1 hertz 60 hertz 60 kilohertz 4.3. Zero A medição do valor zero fornece um ponto de descontinuidade no que as pessoas escrevem e dizem. Deve-se usar a forma singular da unidade para o valor zero. Por exemplo, 0 oC e 0 V são reconhecidamente singulares, porém, são lidos como plurais, ou seja, zero graus Celsius e zero volts. O correto é zero grau Celsius e zero volt. 5.2. Números de quatro dígitos Os números de quatro dígitos são considerados de modo especial e diferente dos outros. No texto, todos os números com quatro ou menos dígitos antes ou depois da vírgula podem ser escritos sem espaço. Exemplos: 1239 1993 1,2349 2345,09 1234,5678 1 234,567 8 4.4. Nomes das unidades sem plural Certos nomes de unidades SI não possuem plural por terminarem com s, x ou z. Exemplos: lux, hertz e siemens. Certas partes dos nomes de unidades compostas não se modificam no plural por: 1. corresponderem ao denominador de unidades obtidas por divisão. Por exemplo, kilômetros por hora, lumens por watt, watts por esterradiano. B.4 Estilo e Escrita do SI 5.3. Tabelas As tabelas devem ser preenchidas com números puros ou adimensionais. As suas respectivas unidades devem ser colocadas no cabeçalho das tabelas. Por exemplo, uma tabela típica de dados relacionados com algumas propriedades do vapor pode ser escrita como: Tab.1. Variação da temperatura e volume específico com a pressão para a água pura Pressão, P kPa 50,0 60,0 70,0 80,0 Temperatura, T Exemplos: R$ 21.621,90 16HHC-656/9978 610.569.958-15 (071) 359-3195 dinheiro (real) número de peça CPF telefone 5.5. Gráficos Os números colocados nos eixos do gráficos (abcissa e ordenada) são puros ou adimensionais. As unidades e símbolos das quantidades correspondentes são K 354,35 358,95 362,96 366,51 Volume, V m3/kg 3,240 1 2,731 7 2,364 7 2,086 9 Normalmente, em tabelas ou listagens, todos os números usam agrupamentos de três dígitos e espaços. Adotando este formato, se diminui a probabilidade de erros. Assim, a primeira linha da tabela significa que pressão P = 50,0 kPa temperatura T = 354,35 K volume específico V = 3,240 1 m3/kg colocadas nos eixos, uma única vez. A figura abaixo mostra um gráfico típico. Fig. 1. Variação da viscosidade com a temperatura e a pressão 5.4. Números especiais Há certos números que possuem regras de agrupamento especificas. Números envolvendo números de peça, documento, telefone e dinheiro, que não devem ser alterados, devem ser escritos na forma original. Vírgulas, espaços, barras, parêntesis e outros símbolos aplicáveis podem ser usados para preencher os espaços e evitar fraudes. 6. Espaçamentos 6.1. Múltiplos e submúltiplos Não se usa espaço ou hífen entre o prefixo e o nome da unidade ou entre o prefixo e o símbolo da unidade. Exemplos corretos kiloampere, kA (a maioria das pessoas escreve o prefixo kilo, k, com letra maiúscula. Ou então, usa minúscula para kg mas usa KB para kilobyte). milivolt, mV megawatt, MW 6.2. Valor da medição da unidade A medição é expressa por um valor, uma unidade, sua incerteza e os limites de probabilidade. O valor é expresso por um B.5 Estilo e Escrita do SI número e a unidade pode ser escrita pelo nome ou pelo símbolo. Deve-se deixar um espaço entre o número e o símbolo ou nome da unidade. Os símbolos de grau, minuto e segundo são escritas sem espaço entre os números e os símbolos de grau. Exemplos: 670 kHz 10 N 670 kilohertz 36’ 20 mm 36 oC 7. Índices 7.1. Símbolos São usados índices numéricos (2 e 3) para indicar quadrados e cúbicos. Não se deve usar abreviações como qu., cu, c. Quando se escrevem símbolos para unidades métricas com expoentes, como metro quadrado, centímetro cúbico, um por segundo, escrever o índice imediatamente após o símbolo. Exemplos: 10 metros quadrados = 10 m2 14 centímetros cúbicos = 14 cm3 1 por segundo = s-1 6.3. Modificador da unidade Quando uma quantidade é usada como adjetivo, pode-se usar um hífen entre o valor numérico e o símbolo ou nome. Não se deve usar hífen com o símbolo de ângulo (o) ou grau Celsius (oC). Exemplos: Pacote de 5-kg Filme de 35-mm Temperatura de 36 oC 7.2. Nomes de unidades Quando se escrevem unidades compostas, aparecem certos fatores com quadrado e cúbico. Quando aplicável, deve-se usar parêntesis ou símbolos exclusivos para evitar ambigüidade e confusão. Por exemplo, para kilograma metro quadrado por segundo quadrado, o símbolo correto é kg.m2/s2. Seria incorreto interpretar como (kg.m)2/s2 ou (kg.m2/s)2 6.4. Produtos, quocientes e por Deve-se evitar confusão, principalmente em números e unidades compostos envolvendo produto (.) e divisão (/) e por . O bom senso e a clareza devem prevalecer no uso de hífens nos modificadores. 6.5. Símbolos algébricos Deve-se deixar um espaço de cada lado dos sinais de multiplicação, divisão, soma e subtração e igualdade. Isto não se aplica aos símbolos compostos que usam os sinais travessão (/) e ponto (.). Não se deve usar nomes de unidades por extenso em equações algébricas e aritméticas; usam-se os símbolos. Exemplos: 4 km + 2 km = 6 km 6N x 8 m = 48 N.m 26 N : 3 m2 = 8,67 Pa 100 W : (10 m x 2 K) = 5 W/(m.K) 10 kg/m3 x 0,7 m3 = 7 kg 15 kW.h 8. Unidades Compostas As unidades compostas são derivadas como quocientes ou produtos de outras unidades SI. As regras a serem seguidas são as seguintes: 1. Não se deve misturar nomes extensos e símbolos de unidades. Não usar o travessão (/) como substituto de por, quando escrevendo os nomes por extenso. Por exemplo, o correto é kilômetro por hora ou km/h. Não usar kilômetro/hora ou km por hora. 2. Deve-se usar somente um por em qualquer combinação de nomes de unidades métricas. A palavra por denota a divisão matemática. Não se usa por para significar por unidade ou por cada (além do cacófato). Por exemplo, a medição de corrente de vazamento, dada em microamperes por 1 kilovolt da voltagem entre fases, deveria ser B.6 Estilo e Escrita do SI escrita em microamperes por cada kilovolt da voltagem entre fases. No SI, 1 mA/kV é igual a 1 nanosiemens (nS). Outro exemplo, usa-se metro por segundo quadrado e não metro por segundo por segundo. os prefixos podem coexistir num símbolo composto por multiplicação ou divisão. Por exemplo, kN.cm, kΩ.mA, kV/mm, MΩ, kV/ms, mW/cm2. os símbolos de mesma unidade podem coexistir em um símbolo composto por divisão. Por exemplo, kWh/h, Ω.mm2/m. Não se misturam unidades SI e não-SI. Por exemplo, usar kg/m3 e não kg/ft3. Para eliminar o problema de qual unidade e múltiplo deve-se expressar uma quantidade de relação como percentagem, fração decimal ou relação de escala. Como exemplos, a inclinação de 10 m por 100 m pode ser expressa como 10%, 0.10 ou 1:10 e a tensão mecânica de 100 µm/m pode ser convertida para 0,01 %. Deve-se usar somente símbolos aceitos das unidades SI. Por exemplo, o símbolo correto para kilômetro por hora é km/h. Não usar k.p.h., kph ou KPH. Não se usa mais de uma barra (/) em qualquer combinação de símbolos, a não ser que haja parêntesis separando as barras. Como exemplos, escrever m/s2 e não m/s/s; escrever W/(m.K) ou (W/m)/K e não (W/m/K. Para a maioria dos nomes derivados como um produto, na escrita do nome por extenso, usase um espaço ou um hífen para indicar a relação, mas nunca se usa um ponto (.). Algumas unidades compostas podem ser escritas como uma única palavra, sem espaço ou hífen. Por exemplo, a unidade de momento pode ser escrita como newton metro ou newton-metro e nunca newton.metro. Também, é correto escrever watt hora, watt-hora ou watthora, mas é incorreto watt.hora. 10. Para símbolos derivados de produtos, usa-se um ponto (.) entre cada símbolo individual. Não usar o ponto (.) como símbolo de multiplicação em equações e cálculos. Exemplos: N.m (newton metro) Pa.s (pascal segundo) kW.h ou kWh (kilowatthora) 11. Deve-se ter cuidado para escrever unidades compostas envolvendo potências. Os modificadores quadrado e cúbico devem ser colocados após o nome da unidade a qual eles se aplicam. Para potências maiores que três, usar somente símbolos. Deve-se usar símbolos sempre que a expressão envolvida for complexa. Por exemplo, kg/m2 , N/m2 12. Para representações complicadas com símbolos, usar parêntesis para simplificar e esclarecer. m.kg/(s3.A) 3. 4. 5. 6. 9. Uso de Prefixo 1. Deve-se usar os prefixos com 10 7. 8. 9. elevado a potência múltipla de 3 (10-3, 10-6, 103, 106). Deve-se usar a notação científica para simplificar os casos de tabelas ou equações com valores numéricos com vários dígitos antes do marcador decimal e para eliminar a ambigüidade da quantidade de dígitos significativos. Por exemplo, usam-se: mm (milímetro) para desenhos. kPa (kilopascal) para pressão Mpa (megapascal) para tensão mecânica kg/m3 (kilograma por metro cúbico) para densidade absoluta. 2. Quando conveniente escolhem-se prefixos resultando em valores numéricos entre 0,1 e 1000, porém, sem violar as recomendações anteriores. 3. Em cálculos técnicos deve-se tomar muito cuidado com os valores numéricos dos dados usados. Para evitar erros nos cálculos, os prefixos devem ser convertidos em potências de 10 (exceto o kilograma, que é uma unidade básica da massa). Exemplos: B.7 Estilo e Escrita do SI 5 MJ = 5 x 106 J 4 Mg = 4 x 103 kg 3 Mm = 3 x 106 m 4. Devem ser evitados prefixos no denominador (exceto kg). Exemplos: Escrever kJ/s e não J/ms Escrever kJ/kg e não J/g Escrever MJ/kg e não kJ/g 5. Não se misturam de prefixos, a não ser que a diferença em tamanho seja extrema ou uma norma técnica o requeira. Exemplos: Correto: A ferramenta tem 44 mm de largura e 1500 mm de comprimento. Incorreto: A ferramenta tem 44 mm de largura e 1,5 m de comprimento. 6. Não se usam unidades múltiplas ou prefixos múltiplos. Por exemplo, Usa-se 15,26 m e não 15 m 260 mm; usa-se miligrama (mg) e não microkilograma (µkg) 7. Não usar um prefixo sem a unidade. Usar kilograma e não kilo Usar megohm e não mega Celsius (oC), kelvin (K) e grau angular (o). Porem, é preferível evitar esta prática, pois os nomes resultantes são confusos e difíceis de serem reconhecidos. É preferível ajustar o coeficiente numérico para não usar o prefixo. 6. Um método simples para comparar altas temperaturas Celsius com temperaturas Farenheit é que o valor Celsius é aproximadamente a metade da temperatura Farenheit. O erro percentual nesta aproximação é relativamente pequeno para valores Farenheit acima de 250. Para valores menores, subtrair 30 antes de dividir por 2; isto fornece uma precisão razoável até valores Farenheit de -40. 11. Modificadores de Símbolos As principais recomendações relacionadas com os modificadores de símbolos são: 1. Não se pode usar modificadores dos símbolos SI. Quando é necessário o uso de modificadores das unidades, ele deve ser separado do símbolo ou então escrito por extenso. Por exemplo, não se usam Acc ou Aca, para diferenciar a corrente contínua da alternada. O correto é escrever 10 A cc ou 10 A ca, com o modificador separado do símbolo. Como o modificador não é SI, pode ser escrito de modo arbitrário, como cc., c.c., dc ou corrente contínua. 2. Nas unidades inglesas, é comum usar sufixos ou modificadores nos símbolos e abreviações para dar uma informação adicional. Por exemplo, usam-se psia e psig para indicar respectivamente, pressão absoluta e manométrica. Psia significa pound square inch absolute e psig significa pound square inch gauge. No sistema SI, é incorreto colocar sufixos para identificar a medição. Exemplos: Usar pressão manométrica de 13 kPa ou 13 kPa (manométrica) e não 13 kPaG ou 13 kPag. Usar pressão absoluta de 13 kPa ou 13 kPa (absoluta) e não 13 kPaA ou 13 kPaa. 10. Ângulo e Temperatura 1. Os símbolos de grau (o) e grau Celsius 2. 3. 4. 5. (oC) devem ser usados quando se escreve uma medição. Quando se descreve a escala de medição e não uma medição, deve-se usar o nome por extenso. Exemplos: Os ângulos devem ser medidos em graus e não em radianos. O ângulo de inclinação é 27o. Não se deve deixar espaço entre o e C, devendo se escrever oC e não o C. A maioria das temperaturas é dada na escala Celsius; a escala Kelvin é usada somente em aplicações científicas. Exemplo: A temperatura normal do corpo humano é 36 oC. Quando se tem uma série de valores de temperatura ou uma faixa de temperatura, usar o símbolo de medição somente após o último valor. Exemplos: A temperatura em Salvador varia de 18 a 39 oC. As leituras do termômetro são: 100, 150 e 200 oC. É tecnicamente correto usar prefixos SI com os nomes e símbolos, como grau B.8 Estilo e Escrita do SI 3. Sempre deixar espaço após o símbolo da unidade SI e qualquer informação adicional. Exemplo: Usar 110 V c.a. ou 110 V (ca) e não 110 VCA ou 110 Vca, para voltagem de corrente alternada. 4. A potência e a energia são medidas em uma unidade SI determinada e não há necessidade de identificar a fonte da quantidade, desde que 100 watts é igual a 100 watts, independente da potência ser elétrica, mecânica ou térmica. Exemplos: Usar MW e não MWe (potência elétrica ou megawatt elétrico). Usar kJ e não kJt (kilojoule termal). Apostila\Ageral UnidadeSI.doc 10 MAI 97 B.9 C Referências Bibliográficas (Todos estes livros pertencem à Biblioteca do autor e todos os livros, exceto os que os amigos tomaram emprestados e esqueceram de devolver, foram e são continuamente consultados para a elaboração e atualização de seus trabalhos.) Abernethy, R.B. et al., Uncertainty in Gas Turbine Measurements Handbook. Research Triangle Drive, ISA, 1980. Ahson, S.I., Microprocessors with Applications in Process Control, New Delhi, Tata Mc Graw-Hill, 1984. Allocca, J. A. & Stuart, A., Transducers: Theory & Applications, Reston, Prentice Hall, 1984. Almeida, G. Sistema Internacional de Unidades (SI), Lisboa, Platano, 1988. American Society for Testing and Materials, Temperature Measurement (Vol. 14.03), ASTM, Philadelphia, 1994. 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