1. Introdução 2. Desenvolvimento 3. Instrumentação e Controle de Processos (Conceitos Inst./ Proc./ Inst./ Função) 1. Introdução A evolução da instrumentação passou por várias etapas, desde os servomecanismos das máquinas a vapor, controladores mecânicos, instrumentação pneumática, chegando à instrumentação eletrônica, possibilitada pelo surgimento dos semicondutores, culminando nos modernos processos de medição e controle contemporâneos. Inovações tecnológicas possibilitaram a medição de variáveis consideradas impossíveis de mensurar alguns anos atrás, além disso, foram atingidos níveis de precisão e controle maiores e como consequência houve um aumento no rendimento dos processos. 2. Desenvolvimento 2.1. Instrumentação e evolução no controle de processos Instrumentação é ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas, sendo a base para o controle de processo industrial, onde diversas variáveis podem estar inseridas e serem interdependentes dentro de um único processo a ser controlado (DUNN, 2005). Bodestedt (1993) define processo como um conjunto de operações que interagem entre si, permitindo a transformação, transporte ou armazenamento de uma energia, informação ou material. Para Bolton (1995) processo é um equipamento ou meio físico que precisa ser controlado ou monitorado visando transformar uma matéria-prima em produto. 2.2. Controle de Processos Os primeiros processos industriais eram operados de forma manual, com controles elementares, exigindo grande número de operadores para monitorar e atuar sobre as variáveis, onde uma deficiência técnica ou erro de interpretação desses afetavam o processo de forma significativa. Essas desvantagens, aliadas ao aumento na complexidade dos processos e a demanda por maiores capacidade e desempenho forma o ponto de partida para os primeiros controles automáticos, a figura 1 apresenta a diferença entre um processo manual e automático. Ogata (1997) define como controle automático a manutenção de uma variável de saída através da medição e comparação de sua amplitude com o nível de saída desejado, definindo o desvio e o nível de alimentação para a entrada. Malhas de controle A função de controle de um sistema é realizada por suas malhas de controle.2. Instrumentos De forma geral o termo instrumentos refere-se aos dispositivos utilizados para realizar a medição e controle das variáveis de um processo. ou de forma descontínua (batelada) onde a saída do processo é resultado de uma sequência de etapas ou passos unitários. devendo haver uma compensação desses distúrbios pelo sistema. vazão e temperatura. Distúrbios ou variáveis de carga: variáveis que afetam o desempenho do processo. propriedade ou condição que representa as transformações de energia utilizadas por um processo durante sua operação. ou em malha fechada.3. onde a saída possui um efeito direto na ação de controle. onde o produto final da do sistema é processado de forma ininterrupta. 2. realimentação. Na figura podemos distinguir os seguintes elementos da malha: Instrumentos.4. onde a operação do sistema é realizada conforme necessidade de cada etapa. sendo as mais comuns: pressão. nível. Um sistema de controle pode ser realizado em malha aberta. variável controlada. Definem-se como variáveis de processo a quantidade. As tarefas realizadas por uma malha de controle compreendem: medição. comparação e correção. pelas quais são classificados em: . a figura 2 apresenta um exemplo de malha fechada. através de sua comparação com o sinal de entrada. quando a ação de controle é independente da saída. sendo necessário um processamento constante de matéria prima. variável manipulada. Um processo industrial pode ser realizado de forma continua. que são instrumentos conectados de forma conveniente a desempenhar uma função. podendo executar funções distintas. Variável manipulada MV: É a grandeza que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado. Variável controlada ou de saída (PV): variável medida a fim de que se possa efetuar a indicação e/ou controle do processo. Set-point: valor desejado do parâmetro de saída ou variável que está sendo monitorado. setpoint. e nas quais não é possível uma ação de controle. Os meios de transmissão mais utilizados em instrumentação são: Pneumática: utiliza um gás comprimido. discretos e digitais. com amplitude e tamanho variáveis. que podem ser discretos (binários) ou modulados na forma de pacotes de informações. etc) para transmiti-los de forma segura a outras partes do processo. . funções auxiliares. 0. Sinais discretos assumem apenas dois valores distintos e inversos.2 a 0. Transmissão dos sinais Outra característica fundamental dos instrumentos é tipo do sinal em que ele trabalha e o meio físico de transmissão. como alguns controladores.4. contudo apresenta desvantagens como: custo manutenção. FF. Os sinais utilizados em instrumentação podem ser analógicos. que incorporam indicação e registro das variáveis ou transmissores inteligentes. ocupando qualquer intermediário da escala. formato. grande parte dos instrumentos e dispositivos de controles possuem.1. Em razão da evolução da automação e eletrônica. Elementos finais de controle: também chamados de atuadores têm a função de controlar uma variável de entrada em resposta a um sinal de um controlador. Com a utilização da eletrônica. Sinais digitais utilizam uma codificação binária para transportar uma informação (analógica. além de sua função principal. discreta ou alfanumérica) na forma de trem de pulsos. Sensores: detectam alterações físicas das variáveis fornecendo uma saída mensurável proporcional a esta alteração. no controle de variáveis analógicas por instrumentos digitais e na modulação de dados. em função do valor que se deseja representar. instrumentos eletrônicos são largamente empregados nas indústrias (exceto em áreas classificadas). Outros meios de transmissão como hidráulico. Indicadores: indicação do valor da variável medida. 2. Os principais padrões de transmissão pneumáticos são: 3-15 psi. Eletrônico: realiza a transmissão na forma de sinais elétricos de corrente ou tensão. ou casos da impossibilidade de uma transmissão eletrônica ou pneumática. Nessa transmissão pode-se trabalhar com sinais analógicos (420mA. A grande vantagem é a sua utilização em áreas classificadas (risco de explosões). Transmissores: trabalham os sinais (conversão. alarmes e condições de lógicas. São muito utilizados em conversores A/D e D/A. sinais de rádio e wireless estão restritos a aplicações especificas. 1-5V) e sinais digitais. Transdutores: convertem o formato da informação com intuito de facilitar o processo de medição da variável. limites de distância e impossibilidade de integração em sistemas de automação. Profibus). Controladores: monitoram a valor atual da variável com o set-point. amplificação. emitindo um sinal de controle para os atuadores em caso de correção. Registradores: armazena os valores instantâneos enviados pelos instrumentos de medição e controle. característicos em controles on-off. cuja pressão é alterada de forma linear em uma escala padronizada. Sinais analógicos variam de forma contínua. estrutura necessária.8 Kgf/cm2. sendo esta a base dos protocolos industriais (HART. ou a mínima variação que a variável pode ter. podendo ser utilizados sufixos em casos de redundância. rangeabilidade. A figura X apresenta um exemplo de fluxograma para um controle de vazão. Parâmetros do Instrumento Para avaliação e seleção dos instrumentos. cada instrumento ou função programada será identificado por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence. 2. identificação de sinais e suprimentos utilizados. Reprodutibilidade: É a capacidade de reproduzir o mesmo valor do sinal de saída para uma série de aplicações do sinal de entrada em pequenos intervalos. A norma ainda estabelece símbolos para fluxogramas.2. Calibração: Calibrar instrumento é compara-lo com um padrão. De acordo com esta norma. Simbologia A identificação dos instrumentos em diagramas. Outros parâmetros observados: mantenabilidade. provocando alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. Erro de medição: Diferença entre o valor indicado e o valor real medido.2. funções matemáticas e toda uma metodologia de utilização. . Histerese: diferença de leituras obtidas quando um instrumento se aproxima de um sinal em direções opostas. A norma brasileira para simbologia de instrumentação NBR 8190 foi cancelada em 2010. Exatidão: Aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.5. Sensibilidade: pode significar a variação na medição necessária para produzir uma leitura ou deflexão pré-determinadas. Span: Diferença algébrica entre limite superior e inferior da escala. tomado como referência. velocidade de resposta. malhas de controle e demais documentos de instrumentação é realizada com base na norma ISA-ANSI S 5 (Instrumentation Symbols and Identification ) da International Society for Measurment and Control ( ISA). entre os limites da escala. foram padronizados parâmetros essenciais de operação Range: Conjunto de valores nos quais a variável está compreendida.4. identificando instrumentos em razão da sua localização e tipo de função. Zona morta: É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. 0 bar). Os medidores de pressão podem ser classificados em quatro grupos: medidores de coluna líquida. pressão atmosférica.Medições Pressão Dunn (2005) define seis termos aplicados a medição de pressões: vácuo total. que gera um sinal elétrico padronizado. similares ao pneumático combinado com um transdutor elétrico. encontrando-se mais em laboratórios. pressão absoluta. 0. pressão manométrica e pressão relativa. Os transmissores de pressão enviar informações à distância das condições atuais da pressão do processo. por fornecerem somente uma indicação local da pressão. são pouco aplicados. coluna reta e inclinado. Os medidores de coluna líquida e elástico são também denominados de manômetros. Fole (baixa e média) e cápsula (micropressão). Existem vários princípios físicos relacionados com a variações de pressão que podem ser . Transmissores eletrônicos: utilizam um elemento sensor elástico. com uma escala graduada para leitura. A pressão aplicada no elemento sensor provoca um deslocamento linear. Essas informações são enviadas de forma padronizada. O transmissor é alimentado por um suprimento de ar. vácuo. Por não permitirem leituras remotas e serem frágeis. São classificados de acordo com seu elemento sensor. De acordo com a faixa de pressão a ser medida é necessário variar o elemento sensor. medidores elásticos e transmissores de pressão. que é convertido em um deslocamento angular através de um mecanismo especifico. através de sinal pneumático ou elétrico. Medidores de coluna líquida: Instrumentos de medição e indicação local de pressão baseado na equação manométrica. Construídos em vidro. que equilibram a pressão a ser medida com a pressão de uma coluna de líquido. Os instrumentos industriais. Manômetros elásticos: Baseiam-se na lei de Hooke sobre elasticidade dos materiais: ³o módulo da força aplicada em um corpo é proporcional à deformação provocada´.2 a 1. Transmissores pneumáticos: convertem o sinal detectado pelo receptor de pressão em um sinal de variação pneumático (padrão 3 a 15 psi.: Manômetros tipo U. Diafragma (baixa pressão). 20 a 100 kPa. Ex. sendo Bourdon (média/alta pressão). convertendo a medição através do conjunto bico-palheta. correspondente à pressão medida (4 a 20 mA). Referências BODESTEDT. Utilizados na medição e controle de nível de materiais líquidos ou sólidos. em função de uma segunda variável. os transmissores eletrônicos de pressão podem ser classificados nos seguintes tipos: Célula capacitiva. podendo ser realizada de maneira direta. Um microcontrolador efetua determina o nível baseado no tempo decorrido entre a geração e recepção da onda. célula de carga (strain gauge) e silício ressonante. tomando como referência a posição do plano superior da substância medida. BOLTON. Industrial Automation and Control. que poderá ser um líquido ou um sólido. podem ser tubulares ou retos. Fundamentals of Industrial Instrumentation and Control Process. O nível é observado por um visor de vidro especial. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. ou de forma indireta. podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor.utilizados como elemento de transferência. . A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado da régua. Willian. Visores de nível: Utilizam o princípio dos vasos comunicantes. Em função de seu princípio de funcionamento. Olle. ou a posição de interface entre dois meios. 2005. Nível A medição de nível consiste em determinar a altura do conteúdo de um reservatório. 1995. Entre as medições diretas mais utilizadas estão: Medição por régua. 1993 DUNN. Instrumentação e Controle. Medição por ultra-som: Um emissor emite uma onda ultra-sônica que incide na superfície do liquido e retorna ao receptor. trena ou gabarito: Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido. Medição por bóia ou flutuador: consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. não havendo contato físico entre o sensor e o meio medido. W.