APOSTILA+DE+SENSORES

Disciplina : AUTOMAÇÃO 1 AUTOR: PROF. Marcus Valério Rocha Garcia

1) INTRODUÇÃO Ã SENSORES INDUSTRIAIS ...................................................................... 2 2) PROJETO INTEGRADOR .................................................................................................... 3 3) SENSOR DE TEMPERATURA DE MONITORAMENTO E DE CONTROLE DISCRETO .... 6 4) SENSOR DE TEMPERATURA DE CONTROLE PROPORCIONAL ........................ ........... ....................... .......... 12 5) SENSOR DE NÍVEL ............................................................................................................ 22 6) SENSOR DE PRESSÃO ..................................................................................................... 29 7) SENSOR DE FORÇA E TORQUE ...................................................................................... 35 8) SENSOR DE PRESENÇA ................................................................................................... 41 11) VAZÃO E VISCOSIDADE ................................................................................................. 46 12) TIPOS DE INTERFACE PARA COMPUTADOR .............................................................. 48 13) CONTROLE AUTOMATICO DE PROCESSO .................................................................. 56 14) ANALISADORES .............................................................................................................. 70 15) CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS SE MEDIÇÃO ......................... ............ .......................... ......................... ............ 74 16) SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO......................... ............ ......................... ......................... .......................... ......................... ............ 78 17) MODULAÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL.......................... ............. .......................... ......................... ......................... ....................... .......... 88 18) FIELD BUS ........................................................................................................................ 91

CAPÍTULO 01 1) INTRODUÇÃO Ã SENSORES INDUSTRIAIS RESUMO Definição de sensores, transdutores, transmissor, amplificador e repetidor; Cuidados com instalação de sensores; Classificação dos sensores; VOCÊ SABIA... Os tubarões são os animais mais capacitados sensorialmente, tem uma capacidade fantástica de perceber estímulos de todos os tipos, é capaz de perceber uma gota de sangue em um milhão e meio de gotas de água a uma distância de 30 metros. O olfato é fantástico, e a sua audição e a linha unilateral estão relacionadas e funcionam como radares para perceber vibrações na água. São dotados de sensores elétricos e por isso são capazes de perceber a sua presa pelos impulsos elétricos, que todo corpo possui em volta de si, e os tubarões são capazes de percebê-lo. A sua visão no escuro chega a ser melhor que a de um gato. http://www.geocities.com/maquaticos/curiosotub.htm

1.1) Sensor: É um dispositivo que recebe um sinal - estímulo - e responde através de um sinal elétrico. Entende-se como estímulo a quantidade, propriedade ou condição que é detectada e convertida em sinal elétrico. 1.2) Transdutor: É um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia. O termo sensor não deve ser confundido com transdutor. Este último converte um tipo de energia noutro, enquanto que o primeiro converte qualquer tipo de energia em energia elétrica. (Um alto falante, por exemplo, é um transdutor, mas não é um sensor!) Contudo, um sensor pode integrar na sua constituição um transdutor. 1.3) Segurança e Integridade do Sinal Transmissor: Gera um sinal padrão para ser transmitido Amplificador: Aplica um ganho no sinal Repetidor: Amplifica e recupera sinal fraco com distorções 1.4) Cuidado com a instalação de sensores

- -

2

CAPÍTULO 01 1) INTRODUÇÃO Ã SENSORES INDUSTRIAIS RESUMO Definição de sensores, transdutores, transmissor, amplificador e repetidor; Cuidados com instalação de sensores; Classificação dos sensores; VOCÊ SABIA... Os tubarões são os animais mais capacitados sensorialmente, tem uma capacidade fantástica de perceber estímulos de todos os tipos, é capaz de perceber uma gota de sangue em um milhão e meio de gotas de água a uma distância de 30 metros. O olfato é fantástico, e a sua audição e a linha unilateral estão relacionadas e funcionam como radares para perceber vibrações na água. São dotados de sensores elétricos e por isso são capazes de perceber a sua presa pelos impulsos elétricos, que todo corpo possui em volta de si, e os tubarões são capazes de percebê-lo. A sua visão no escuro chega a ser melhor que a de um gato. http://www.geocities.com/maquaticos/curiosotub.htm

1.1) Sensor: É um dispositivo que recebe um sinal - estímulo - e responde através de um sinal elétrico. Entende-se como estímulo a quantidade, propriedade ou condição que é detectada e convertida em sinal elétrico. 1.2) Transdutor: É um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia. O termo sensor não deve ser confundido com transdutor. Este último converte um tipo de energia noutro, enquanto que o primeiro converte qualquer tipo de energia em energia elétrica. (Um alto falante, por exemplo, é um transdutor, mas não é um sensor!) Contudo, um sensor pode integrar na sua constituição um transdutor. 1.3) Segurança e Integridade do Sinal Transmissor: Gera um sinal padrão para ser transmitido Amplificador: Aplica um ganho no sinal Repetidor: Amplifica e recupera sinal fraco com distorções 1.4) Cuidado com a instalação de sensores

- -

2

1.5) Classificação dos sensores

CAPÍTULO 02 2) Projeto Integrador RESUMO O projeto do Robô Rastreador é um robô simples, barato e interessante. É um robô capaz de seguir o traçado de uma linha sem as ajuda de micro controladores e circuitos lógicos digitais complexos. O seu conceito é bem simples. Ele possui dois sensores voltados para a parte de baixo de seu chassi. Estes sensores foram dispostos para diferenciar duas cores básicas: o preto e o branco. Assim, é possível fazer com que o robô “siga” ou “rastreie” o traçado da linha.

VOCÊ SABIA O robô humanóide mais recente e de características mais perfeitas é de 2000 e se chama ASIMO. Este modelo atinge um nível evolutivo na forma de andar muito próximo próximo ao humano. extremamente versátil. Aceita diversos comandos de voz, pode ser programado para executar várias funções através de Inteligência Artificial (IA) e sua visão é bastante avançada, podendo reconhecer objetos, pessoas e seguir comandos que utilizem sinais.

2.1) INTRODUÇÃO Um robô capaz de seguir o traçado de uma linha sem a ajuda de microcontroladores e/ou circuitos lógicos digitais complexos. Os componentes usados na montagem do robô rastreador limitam-se apenas a alguns transistores (quatro no total), alguns resistores, diodos, fototransistores, Leds IR comuns e dois motores. O robô rastreador é bem simples. Ele possui dois sensores voltados para a parte de baixo do seu chassi. Estes sensores foram dispostos para diferenciar duas cores básicas: o preto e o branco. Assim é possível fazer com que o robô “siga” ou “rastreie” o traçado da linha.

2.2) DEFINIÇÃO DO SISTEMA Quando o sensor identifica a cor branca existe sinal, na cor preta o sinal não existe mais. Vamos compreender como isso foi feito. O sensor foi montado com um Led IR (emissor de inframervelho) e um fototransistor. Estes estão posicionados de maneira que seja possível ao fototransistor “enxergar” a emissão dos raios infravermelhos do LED por reflexão. A cor branca atua mais ou menos como um “espelho”, refletindo o sinal IR do LED para o transistor e a cor preta impede a reflexão. Por isso dizemos que o sensor “reflete” o branco e “ não reflete” o preto. Assim, o sensor pode informar ao circuito qual cor esta “vendo”. - -

3

2.3) DEFINIÇÃO DOS COMPONENTES Leds IR Funciona da mesma forma que o LED comum, porém emite uma luz infravermelha (invisível). O funcionamento de um led recptor consiste basicamente : quando ele recebe um sinal infravermelho ele permite que a corrente o atrvesse .

Fototransistores O fototransistor é mais um dispositivo que funciona baseado no fenômeno da fotocondutividade. Ele pode, ao mesmo tempo, detectar a incidência deluz e fornecer um ganho dentro de um único componente. Como o transistor convencional, o fototransistor é uma combinação de dois diodos de junção, porém, associado ao efeito transistor aparece o efeito fotoelétrico. Em geral, possui apenas dois terminais acessíveis, o coletor e o emissor, sendo a base incluída apenas para eventual polarização ou controle elétrico.

Transistor NPN O NPN recebe uma tensão no coletor e uma corrente de base na base muito baixa, e conforme essa corrente varia, varia igualmente a corrente que passa entre o coletor e o emissor. Quando atinge a corrente de base de saturação o transistor conduz em sua capacidade máxima! O ganho obtido entre corrente de base e corrente de emissor pode variar entre transistores diferentes, e pode ser calculado dividindo a corrente de emissor máxima e a corrente de base máxima.

Transistor Darlington A configuração Darlington é uma delas e caracteriza-se pela sua simplicidade. Consiste na ligação direta de dois transistores de forma a que o resultado seja equivalente a um único transistor de grande ganho.

Diodo Retificador Sua característica principal é a regulação de tensão: na polarisação reversa, mantem as tensõe em seus terminais constante, compensando a variação da tensão aplicada com a vriação da corrente. Este comportamento se deve ao fato de que o diodo é fabricado para funcionar na região de ruptura onde um diodo retificador não funciona.

- -

4

Resistor O escoamento de cargas através de um material encontra oposição de uma força semelhante, em muitos aspectos, ao atrito mecânico. Esta oposição, resulta das colisões entre elétrons e átomos do material, que converte energia elétrica em calor, é chamada de resistência do material. Uma outra forma de descrever o princípio de funcionamento de um resistor é enunciando a lei de ohm: a tensão aplicada em um resistor, pela corrente que por ele flui é igual a resistência deste dispositivo.

Capacitor Eletrolítico Os Capacitores Eletrolíticos de alumínio, entre os diversos tipos de capacitores disponíveis, são extremamente importantes nos circuitos eletrônicos, principalmente porque apresentam valores elevados de capacitância em volume reduzido.

Capacitor Poliéster Um capacitor ou condensador é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica. Para a identificação dos valores do capacitor de poliéster é usado um conjunto de 7 faixas coloridas (conforme tabela), embora seja um método em desuso pelos fabricantes, no qual cada faixa representará respectivamente:primeiro algarismo,segundo algarismo, algarismo multiplicador, tolerância e tensão.O valor é obtido em pF.

2.4) FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO Os LEDS D1 e D2 são emissores de infravermelho e Q1 e Q2 são foto transistores. D1 compõem um sensor com Q1. Quando Q1 recebe o sinal de D1, refletido pela cor branca, este entra em condução levando Q3 ao corte (corrente Ic = 0). Assim Q5 é polarizado de maneira direta pelo resistor R5 e passa a conduzir fazendo o motor funcionar. Isto também vale para D2, Q2, Q4, R7 e Q6. Quando D1 e Q1 são posicionados sobre a cor preta, não existe mais a reflexão dos raios infravermelhos de D1 e Q2 é levado ao corte. Quando isso acontece, Q3 passa a conduzir, polarizado por R1 levando Q5 ao corte, então o motor para de girar. Os diodos D3 e D4 protegem os transistores Q5 e Q6 contra correntes reversas provocadas pelo motor. Os capacitores C1 e C2 são filtros para o circuito. A alimentação é feita através de quatro pilhas pequenas. A chave S1 liga e desliga o robô.

- -

5

2.5) Componentes Semicondutores 2- Leds IR (TIL32) 2- Fototransistores (TIL78) 2- Transistor NPN (BC547) 2- Transistor darlington (TIP127) 2- Diodos retificador (IN4001) Resistores 4- 10k (Marrom, Preto, Laranja) 2- 330ohms (Laranja, Laranja, Marrom) 2- 4k7 (Amarelo, lilás, vermelho) Capacitores 1- 220µF x 16V Capacitor eletrolítico 1- 100nF Capacitor poliéster Diversos 1- Chave on/off 2- Motores para 6VDC com caixa de redução Placa de circuito impresso 10cm x 10cm, suporte para quatro pilhas “AA”, fios para ligação, etc.

CAPÍTULO 03 3) SENSOR DE TEMPERATURA DE MONITORAMENTO E DE CONTROLE DISCRETO 3.1) SENSOR DE TEMPERATURA PARA MONITORAMENTO RESUMO

Caracterizar, compreender, conhecer, definir e comparar os diversos tipos de sensores utilizados na medição de temperatura VOCÊ SABIA Que é errado dizer que alguém está com tantos graus centígrados, pois as escalas Celsius e Fahrenheit tem 100 divisões entre os pontos máximos e mínimos propostos pelos seus criadores! 3.1.1) DEFINIÇÕES Matéria : é tudo aquilo que ocupa lugar no espaço. Corpos : são porções limitadas da matéria. Ex : 1L d’água , 1 barra de aço , etc. Material : é toda espécie de matéria . Ex : prego, parafuso, barra de aço são corpos constituídos de um mesmo material, que é o aço. SUBSTÂNCIA: toda espécie química a que corresponde uma composição constante. Ex: Os materiais podem ser constituídos de uma única substância, como a água pura, o oxigênio, o ouro, ou de substâncias diferentes como o ar , a água do mar , etc. ENERGIA: a capacidade de produzir trabalho. As transformações químicas das substâncias sempre vêm acompanhadas de variações de energia . A energia se apresenta na natureza sob a forma de energia elétrica , energia térmica , energia luminosa , energia química , etc. As transformações químicas, reações , e mudanças de estado físico da matéria estão associados à liberação ou absorção de calor. - -

6

Portanto CALOR: energia em trânsito que é transferida por meio da fronteira de um sistema termodinâmico em virtude de uma diferença de temperatura. SISTEMA TERMODINÂMICO: quantidade de matéria de massa e identidade fixas para as quais nosso estudo é dirigido. Tudo o mais externo do sistema é chamado de vizinhança ou exterior. FRONTEIRA DE UM SISTEMA: interface que delimita o espaço denominado sistema, separando-o da vizinhança. As figuras a seguir nos permitem visualizar um Sistema Termodinâmico formado por um recipiente contendo gás á uma temperatura inicial de 20ºC , e que após ser aquecido foi á 120ºC.

PIROMETRIA: Medição de altas temperaturas. CRIOMETRIA: Medição de baixas temperaturas. TERMOMETRIA:Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam casos particulares de medição. 3.1.2) Modos de transferência da Energia Térmica 3.1.2.1) Condução : A condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa , dentro de um sólido , líquido , ou gasoso , ou entre meios diferentes em contato físico direto.

3.1.2.2) Radiação : é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa , quando estão separados no espaço , ainda que exista vácuo entre eles.

- -

7

3.1.2.3) Convecção : é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor , armazenamento de energia e movimento da mistura . A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás . Ex: panela no fogo antes do momento da fervura , aquecedor solar. 3.1.3) Escalas de Temperatura 3.1.3.1) Escala Fahrenheit : Criada em 1714, convencionou-se 0°F ponto em que a temperatura medida era a mais baixa conhecida , a temperatura de fusão de uma mistura de partes iguais de cloreto de sódio (NaCl, vulgarmente conhecido por sal de cozinha), cloreto de amônio (NH4Cl) e gelo fundente (gelo picado e água pura). Como ponto fixo superior, escolheu a temperatura normal do corpo humano (provavelmente a sua própria ou de sua esposa ) Para facilitar a leitura, dividiu o espaço entre o ponto inferior e superior em cem partes iguais, atribuindo os valores de 0ºF e 100ºF , aos pontos fixos inferior e superior, respectivamente. Diz-se, lendariamente, que Fahrenheit escolheu como ponto inferior a temperatura do dia mais frio de 1727, na Islândia; além disso, o ponto fixo superior teria sido medido numa pessoa febril, pois a temperatura de uma pessoa sadia normal é de 98,6 ºF. 3.1.3.2) Escala Celsius : Nasceu centígrada por definição, já que havia cem graus entre os pontos de gelo e vapor de água, tendo sido tomado arbitrariamente como referencia o valor zero para o gelo e cem para o vapor. Seu criador foi Anders Celsius.

Esta escala lê-se em graus Celsius - e, não, como alguns teimam, erradamente, em graus centígrados, por o intervalo entre os pontos fixos ser dividido em cem divisões iguais. (Observe-se que, seguindo o mesmo raciocínio, a escala Fahrenheit também deveria ser referida por graus centígrados - o intervalo entre os seus pontos fixos também se subdivide em cem divisões iguais!!) 3.1.3.3) Escala Kelvin: Criado por Willian Thomson que em 1832, descobriu que a descompressão dos gases provoca esfriamento e cria a escala de temperaturas absolutas. O valor da temperatura em graus Kelvin é igual ao grau Celsius mais 273,16. 3.1.3.4) Escala Rankine: A escala Rankine possui o mesmo zero da escala Kelvin, porem sua divisão é idêntica a da escala Fahrenheit. Escala de Temperatura

Celsius

Kelvin

Unidade (símbolo)

grau Celsius Cels ius (°C)

kelvin kel vin (K )

Temperatura de ebulição da água

100 °C

373, 37 3,15 15 K

212 °F

671,6 671 ,677 °R

Temperatura de fusão do gelo

0 °C

273, 27 3,15 15 K

32 °F

491, 49 1,67 67 °R

Número de divisões da escala entre os dois pontos anteriores

100

100

180

Zero absoluto

 

– 273, 27 3,15 15 °C

- -

0K

Fahrenheit grau gra u Fahrenhe Fahr enheitit (°F)

– 459, 45 9,67 67 °F

Rankine grau Rankine Rank ine (°R)

180 0 °R

8

3.1.4) Termômetros 3.1.4.1) Termômetros á dilatação de líquidos Em recepiente de vidro : Os termômetros líquidos em vidro possuem um recipiente contendo o líquido e um capilar de vidro, acoplado a um recipiente. O líquido dilata-se ao aquecer e contrai–se com o esfriamento, segundo uma lei de expansão volumétrica e através de uma escala apresenta o nível de temperatura, entre os líquidos mais utilizados são álcool, querosene, tolueno e mercúrio. Em recipiente metálico : O líquido de dilatação preenche todo o bulbo e sob o efeito de aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). Suas características básicas são: 1. Tempo de resposta relativamente grande; 2. Alta precisão e é o instrumento de de medição de temperatura de maior precisão.

Capilar : Suas dimensões são variávéis , sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível , a fim de evitar a influência da temperatura ambiente , porém não deve oferecer resistência a passagem do líquido em expansão . Elemento de medição : o elemento usado é o tubo de Bourdon , podem ser : Tipo C Tipo Helicoidal Tipo espiral

- -

9

3.1.4.2) Termômetros á pressão de gás: seu funcionamento baseia-se na Lei de Gay-Lussac, com a variação da temperatura do gás o seu volume altera-se tendo assim uma variação da pressão interna do termômetro. Os gases que podem ser utilizados nesses termômetros são o hélio, hidrogênio, dióxido de carbono, e o mais utilizado nitrogênio. O bulbo é preenchido com gás a alta pressão, onde o volume é constante. Conforme a variação de temperatura o gás sofre expansão ou contração térmica, variando a pressão que expandirá ou contrairá o tudo de Bourdon (sensor volumétrico), movendo assim o ponteiro que indicará a temperatura. O limite inferior de temperatura deve-se à própria temperatura crítica do gás e a superior provém do recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás. 3.1.4.3) Termômetros á pressão de Vapor: seu funcionamento é baseado na “Lei de Dalton”. “A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume”. Para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro, portanto ocorre uma variação na pressão dentro do capilar. Tipos de gases: Cloreto de Metila, Bulano, Éter, Etílico, Tulueno, Dióxido de Enxofre, Prepano. Com a variação de temperatura o gás sofre uma expansão ou contração térmica resultando assim em uma variação da pressão. 3.1.4.4) Termômetros á dilatação de sólidos: o par bimetálico é enrolado em forma de espiral ou hélice, o que aumenta a sensibilidade. Sua extremidade superior é fixa a um eixo o qual possui na ponta um ponteiro que girará sobre uma escala de temperatura. Seu funcionamento é baseado no fenômeno da flexão térmica, que ocorre sempre que se justapõem duas laminas metálicas de materiais diferentes fixando-as uma a outra. A flexão dar-se-á para o lado do metal com o menor coeficiente de dilatação.

Invar são ligas à base de Ni (Níquel) e Fe (Ferro), que apresentam a propriedade de um baixo coeficiente de dilatação térmica

- -

10

3.2) SENSOR DE TEMPERATURA PARA CONTROLE DE PROCESSOS DISCRETOS 3.2.1) Termostatos: A função do termostato é impedir que a temperatura de determinado sistema varie além de certos limites preestabelecidos. Um mecanismo desse tipo é composto, fundamentalmente, por dois elementos: um indica a variação térmica sofrida pelo sistema e é chamado elemento sensor; o outro controla essa variação e corrige os desvios de temperatura, mantendo-a dentro do intervalo desejado. Termostatos controlam a temperatura dos refrigeradores, ferros elétricos, ar condicionado e muitos outros equipamentos. Exemplo de elemento sensor são as tiras bimetálicas, constituídas por metais diferentes, rigidamente ligados e de diferentes coeficientes de expansão térmica. Assim, quando um bimetal é submetido a uma variação de temperatura, será forçado a curvar-se, pois os metais não se dilatam igualmente. Esse encurvamento pode ser usado para estabelecer ou interromper um circuito elétrico, que põe em movimento o sistema de correção.

- -

11

Termostatos de imersão com Capilar Flexível com sistema de expansão a gás, de alta qualidade, construído para controlar temperaturas com precisão em estufas, aquecedores elétricos, calefação, sistemas de ar, caldeiras, galvanoplastia, vulcanização, etc.

CAPÍTULO 04 4) SENSOR DE TEMPERATURA DE CONTROLE PROPORCIONAL RESUMO: Neste capitulo serão apresentados os diversos sensores de temperatura que enviam sinais que variam dentro de um determinado range de resistência, tensão ou corrente. VOCÊ SABIA: Que é possível dterminar a temperatura de uma peça dentro de um forno pela sua cor?

4.1) TERMORESISTÊNCIAS Os “termômetros de resistência” funcionam baseados no fato de que a resistência de uma grande gama de materiais varia com a temperatura; de um modo geral, os metais aumentam a resistência com a temperatura, ao passo que os semicondutores diminuem a resistência com a temperatura. Os termoresistores de metal são confeccionados com fios altamente purificados de platina, níquel ou cobre. O gráfico abaixo apresenta a variação da resistência com a temperatura para vários materiais, observese que para uma mesma variação de temperatura, a variação de resistência do metal ( ∆Rm) é significativamente menor do que a no NTC (∆Rs). Características básicas: • Alta estabilidade mecânica e elétrica • Resistência à contaminação • Relação resistências / temperatura “praticamente” linear • Desvio com uso e envelhecimento desprezíveis • Alto sinal elétrico de saída Variação da resistência elétrica em função da temperatura é dada pela formula:

( ) = Ρο ( 1 + α x Τ )

Ρ τ

Onde: R(t) = Resistência elétrica a temperatura “T” Ro = Resistência elétrica a temperatura de 0ºC α = Coeficiente de variação da resistência elétrica em função da temperatura medida em ºC T = Temperatura medida em ºC Dentre os metais que se mostram mais adequados para a utilização na termometria de resistência são : • Liga de Rh 99,5% x Fe 0,5% : medição de -272,65ºC a -248,15ºC • Cobre : medição de -80ºC a 260ºC - -

12

• •

Níquel : medição de -60ºC a 180ºC Platina : medição de -248ºC a 962ºC, é o metal mais utilizado na construção de termômetros de resistência , pela sua faixa de utilização , boa linearidade e melhor resistência a oxidação .

4.1.1) Termômetros de Resistência de Platina Padrão (TRPP) : Esta configuração é adotada nos termômetros que são utilizados como padrão de interpolação na Escala Internacional de temperatura de 1990 (ITS90) , suas principais características construtivas são : a) O elemento sensor é feito de Platina com pureza melhor que 99,999% b) Sua montagem é feita de modo que a Platina não fique submetida a tensões c) São utilizados materiais de alta pureza e inércia química , tais como quartzo na fabricação do tubo e mica na confecção do suporte do sensor de Platina 4.1.2) Termômetro de resistência de Platina Industrial (TRPI) : As diversas configurações de montagem deste tipo de termômetro visam adequá-lo à grande variedade de possibilidades de utilização em uma planta industrial , na qual haverá desde condições simples de operação até as mais agressivas . As TRPP tem Ro = 25,5  , já as TRPI tem Ro = 100  , isto devido a TRPI utilizar Platina com teor de pureza menor , da ordem de 99,99% , devido a contaminação prévia feita com o objetivo de reduzir contaminações posteriores durante a sua utilização 4.1.3) Termoresistências Pt-100 : As termoresistências Pt-100 são as mais utilizadas industrialmente. Vantagens : a) Possui maior precisão dentro da faixa de medição (-270ºC à 660ºC) do que outros tipos de sensor . b) Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação c) Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessário somente fios de cobre comuns. d) Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares. Desvantagens : a) São mais caras do que os sensores utilizados nesta mesma faixa. b) Deterioram-se com mais facilidade, caso haja se ultrapasse a temperatura máxima de utilização. c) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação. d) Possui um tempo de resposta mais alto que os termopares.

HISTERESES: forma de energia residual resultante de todo fenômeno físico não reversível. É comum na maioria dos metais e demais substâncias.

- -

13

Bulbo

Histerese típica (% do Span)

Cerâmico

0,004

Filme fino

0,04

Vidro

0,08

4.1.4) Ligação de um Termoresistor : Para circuitos de medição com termômetros de resistência sempre se faz necessária um fonte de tensão, normalmente de 6V . Utilizam-se as pontes de Wheatstone para transformar as variações de resistência em variações de tensão . As resistências dos cabos ( RL1 e RL2), podem causar interferência no valor real da resistência do termoresistor, desta maneira, existem vários tipos de montagens que podem ser realizadas, buscando minimizar esse efeito: (a) dois fios, (b) três fios e (c) quatro fios.

4.3.2) Termistores : existem duas variedades básicas de termistores: • Os de coeficiente positivo de temperatura (PTC) • Os de coeficiente negativo de temperatura (NTC)

4.2) TERMISTORES 4.2.1) Termistor PTC : é um resistor semicondutor sensível à temperatura. Seu valor de resistência aumenta rapidamente quando uma determinada temperatura é ultrapassada. Exemplos de utilização: fusíveis, chave interruptora, aquecedores, sensores de nível e outros. 4.2.2) Termistor NTC : São termistores de coeficiente negativo de temperatura (NTC), ou seja, a resistência diminui com o aumento da temperatura. O tipo NTC é mais usual na medição e controle de temperatura. O termistor NTC é um dos sensores de temperatura que dão a maior variação da saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear. Baixa temperatura máxima, outro fator que limita o uso industrial. Uma aplicação típica de termistores é na proteção de circuitos de potência.

- -

14

4.3) TERMOPARES Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes “x” e “y” e submetendo as junções “a” e “b” a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”. Abrindo o circuito em qualquer ponto e inserindo um instrumento adequado, tem-se o valor da f.e.m. x “a”

T2=T. ambiente “b”

T1

i

y

Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura 1, temse um circuito tal que, se as junções “a” e “b” forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T 2, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica “i” circulará pelo chamado "par termoelétrico” ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m. 1a Lei Termoelétrica : “A força eletromotriz "ε" de um termopar depende somente da natureza dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato”. Algumas conseqüências importantes da 1a Lei : a) Se as junções estiverem a mesma temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar é nula. b) A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junções não é realizada a solda, introduzindo-se alí o instrumento. c) A f.e.m. do termopar não será afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura. Esta propriedade é chamada, por alguns autores, de "Lei dos Metais Intermediários”. 2a Lei Termoelétrica : (Lei das Temperaturas Intermediárias) “Se dois metais homogêneos diferentes produzem uma f.e.m. E1 quando as junções estão às temperaturas T1 e T 2, e uma f.e.m. E2, quando as junções estão a T2 e T3, a f.e.m. gerada quando as junções estão a T1 e T3 será E1 + E2”. A Figura mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicara uma voltagem proporcional a diferença (T1 - T2 ) .T2 pode ser medida com um termômetro convencional.

- -

15

Circuito equivalente, Rv é a resistência interna do voltímetro. R T é a resistência dos fios do termopar acrescido dos fios que levam o sinal ao instrumento. Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico da figura 5. A curva mostrada no gráfico é denominada de curva de calibração do par termoelétrico. A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se o fosse (veja a reta 1).

Curva de calibração de um par termoelétrico 

A partir do gráfico pode-se definir uma grandeza denominada de potência termoelétrica do termopar, dada por: P = dε /dT ou para um intervalo de temperatura: P = ∆ε / ∆T A potência termoelétrica representa a sensibilidade de resposta ( ∆e) do par termoelétrico com a variação de temperatura (∆T).

- -

16

Termopares Comerciais Na maioria dos casos, sobretudo em aplicações industriais, o instrumento de medida e o termopar necessitam estar relativamente afastados. Desta forma, os terminais do termopar poderão ser conectados a uma espécie de cabeçote, e, a partir deste cabeçote são adaptados fios de compensação (praticamente com as mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento.

Termopar com fios de compensação Na montagem apresentada na figura acima, o sinal lido no instrumento é proporcional a (T1 - T 3), já que os fios de compensação possuem as mesmas características do termopar (é como se existisse um único termopar). Note que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o sinal lido pelo instrumento seria proporcional a (T1 - T2). 4.3.1) Associação Série de Termopares : dois ou mais termopares podem ser associados em série simples , é usada quando se pretende obter a soma das F.E.M. individuais.

- -

17

4.3.2) Associação Séria-Oposta de Termopares : quando se está interessado na diferênça de temperaturas e não nos valores obtidos delas, como por exemplo, as diferenças de temperaturas existentes entre dois pontos dentro da câmera de um forno. EXEMPLO : Dois termopares tipo K estão medindo a diferença de temperaturas entre dois pontos que se encontram a 45ºC e 40ºC respectivamente, e essa diferença será medida pelo milivoltímetro. F.E.M. total = F.E.M. 1 – F.E.M. 2 F.E.M. total = 1,817mV – 1,611mV F.E.M. total = 0,206mv → 5ºC

- -

18

4.3.3) Associação Paralela de Termopares : ligando dois ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento , o valor registrado por este corresponderá à média das mV geradas nos diversos termopares. Aplicação : Inserir os termopares para medir a temperatura média ao longo de uma barra de aço

4.3.4) O Efeito Peltier: em 1834, Jean Peltier, mostrou, através de experimentos, que quando se passa uma pequena corrente elétrica através da junção de dois fios diferentes, em uma direção, a junção se resfria, e assim absorve calor de sua vizinhança. Quando a direção de corrente é invertida, a junção se aquece. E assim libera calor para a vizinhança.

- -

19

Quando se introduz um gerador em um circuito formado por um par termoelétrico com ambas extremidades unidas e à mesma temperatura inicial, ao circular uma corrente elétrica "I" pelo circuito, observa-se que em uma das junções ocorre um resfriamento T, enquanto na outra junção ocorre um aquecimento de mesmo valor. Ao se inverter o sentido da corrente elétrica inverte-se também o efeito de aquecimento e resfriamento nas junções. O efeito Peltier pode ser descrito como uma espécie de "bomba de calor", que "sulga" calor de um dos lados, e o dissipa do lado oposto. Isto significa que temos um lado frio e um lado quente. O lado frio, é o que sulga o calor, que naturalmente é o que ficará e contato com o processador, enquanto o lado quente em geral é fixado a um cooler convencional, que ajuda a dissipar o calor gerado, evitando que o peltier se superaqueça. Como o peltier deve cobrir toda a área de contato do processador, existem peltiers de vários tamanhos.

4.4) MEDIÇÃO DE TEMPERATURA SEM CONTATO 4.4.1) Método da Radiação: Um grande problema é a aplicação de termômetros de contato na medição de temperaturas de corpos em movimento. O sensor de temperatura deve ler a mesma temperatura do corpo que está sendo medido. Ao desejarmos determinar as variações de temperatura na superfície de um objeto, um aparelho não conectado pode rapidamente passar por toda a superfície. Para resolver-se este tipo de problema, foram desenvolvidos os Sensores de Radiação, mais comumente denominados “PIRÔMETROS”. Principais famílias de Pirômetros: • Pirômetro de Radiação • Pirômetro Óptico 4.4.1.1) Pirômetros de Radiação: Os sensores de temperatura de radiação operam com radiação eletromagnética cujo comprimento de onda esteja na faixa visível e no infravermelho que vai de 0,3 a 0,72 µ. Um corpo negro ideal é aquele que absorve (em todas temperaturas) toda a radiação que incide nele e sua potência absortiva será 1, independentemente da direção da radiação. Na prática, a maioria dos corpos não se comporta dessa maneira e possuem, conseqüêntemente, uma potência absortiva menor do que 1. Um corpo negro ideal também se comporta como um irradiador ideal. Assim, um corpo negro ideal emite mais energia do que um corpo comum. Essa “Potência Emissiva” pode ser chamada “Emissividade” e no caso do corpo negro, vale 1. As emissividades não são propriedades simples dos materiais tal como a densidade, porém, depende da dimensão do corpo, forma, aspereza da superfície, etc.... Esta dependência de outras grandezas leva à incerteza nos valores numéricos das emissividades, que são um dos principais problemas nas medidas de temperaturas por radiação. - -

20

A emissividade das superfícies não é a mesma para todos os comprimentos de onda; em geral, a emissividade é maior em comprimentos de onda menores e a emissividade de óxidos e outros materiais refratários é maior para comprimentos de onda maiores. Um irradiador que se comporte como um corpo negro pode ser obtido através de um dispositivo com uma cavidade, como um forno, por exemplo (figura 1), tendo uma pequena abertura, por onde a radiação pode ser emitida. Para entender como o sistema funciona como um corpo negro é necessário considerar uma radiação entrando na pequena abertura.

A radiação sofre múltiplas reflexões nas paredes internas do forno, antes de escapar pela superfície. Como as paredes internas do forno não refletem perfeitamente a radiação, em cada reflexão uma parte da radiação é absorvida. Consequentemente, após muitas reflexões, a quantidade de radiação que consegue escapar pela abertura é muito pequena. O material excitado irradia energia de uma forma constante, que mina da janela, podendo ser aplicado em processos de calibração de pirômetros. Fontes de Erro de leitura de Detetores de Radiação: ao propagar-se por um meio material, a onda elétromagnética perde energia, havendo redução de intensidade do sinal quando este chega ao detector de radiação. Geralmente o caminho óptico consiste de algum gás e várias janelas, lentes ou espelhos para focalizar a radiação ou proteger elementos sensíveis. 4.4.1.2) Pirômetros Ópticos: Os pirômetros óticos medem temperatura por comparação: eles selecionam uma faixa específica da radiação visível (geralmente o vermelho) e compara com a radiação de uma fonte calibrada. A lente objetiva é focalizada de modo a formar uma imagem do objeto no plano do filamento da lâmpada; a ocular é focalizada sobre o filamento. Ambas as lentes estão simultaneamente em foco, com o filamento do pirômetro atravessando a imagem da fonte de radiação. A energia radiante é medida por comparação fotométrica da claridade relativa de um objeto de temperatura desconhecida com uma fonte de brilho padrão, como um filamento de tungstênio. A comparação da claridade é feita pelo observador e é dependente da extrema sensibilidade do olho humano e a diferença de claridade entre duas superfícies da mesma cor.

- -

21

Nos pirômetros ópticos modernos, a comparação de claridade é feita por dois métodos: • Variando-se a corrente através do filamento da fonte padrão até que sua claridade se iguale àquela do objeto medido; • Variando-se opticamente a claridade observada da imagem do objeto, até que se iguale à do filamento da lâmpada padrão, enquanto se mantém constante a corrente através da lâmpada Principais aplicações dos pirômetros ópticos: são aplicados em laboratórios e indústrias para medir temperaturas acima de 750o C; industrialmente são usados para medidas inacessíveis como fusão de metais, interiores de fornos, temperaturas de superfícies e filamentos incandescentes; processos de calibração para pirômetros de radiação e termopares com tubos protegidos.

CAPÍTULO 05 5) SENSOR DE NÍVEL RESUMO: Neste capitulo serão apresentados diversos tipos de sensores de nível que enviam sinais discretos e proporcionais. VOCÊ SABIA: Que é possível medir o nível de um determinado reservatório através de um medidor de pressão? Medir o nível de alguma substância, significa quantificar referências por meio de monitoramento contínuo ou discreto com o objetivo de avaliar e controlar volumes em tanques ou recipientes.

5.1) SENSORES DE NÍVEL UTILIZADOS SOMENTE PARA MONITORAMENTO Existem sensores que servem somente para monitoramento , ou seja não exercem controle sobre o processo, são os medição por visores de nível e por bóias 5.1.1) Monitoração do nível por visores: Para esse tipo de medição, usam–se elementos de diferentes formas, cada uma apropriada para cada aplicação. Geralmente esse elemento é composto por uma janela de vidro resistente ao impacto, pressão, temperatura e à ação de ácidos corrosivos. É transparente e pode ser montada - -

22

diretamente na parede do reservatório, ou externamente ao reservatório, geralmente possui uma escala de medição. Quando se utiliza o método externo, o medidor usufrui de válvulas de bloqueio, suspiro e dreno, desse modo a sua manutenção e substituição são feitas de melhor forma.

5.1.2) Monitoração do nível por bóias: Este sistema baseia-se na altura do flutuador colocado na superfície da substância a ser medida .

5.2) SENSORES DE NÍVEL DISCRETOS 5.2.1) Boia: O sistema de controle de nível na caixa d`agua em nossas residências é o sistema de controle de nível mais simples que existe . Existem também os Medidores com bóia que ao invés de controlar uma válvula , exerce ação sobre uma chave elétrica , que pode ser usada para controlar uma bomba elétrica ou um outro componente qualquer .

- -

23

5.2.2) Chave de nível por eletrodo: Uma fonte de energia elétrica tem uma de suas saídas ligada a parede do reservatório , e a outra está ligada um relé ( poderia ser uma lâmpada ) , quando o eletrodo entra em contato com o líquido , através do líquido (que tem de ser condutor) passa corrente elétrica que fará o relé ser ligado .

5.2.3) Medição por sensor de contato: O sistema de barreira de ar é aplicado basicamente para o controle de nível mínimo e máximo, ou seja, age como chave de nível . Trata-se de um circuito eletropneumático, dotado de um sensor que ao ser alimentado por uma conexão P emite por meio desse sensor em direção do fluido, um fluxo de ar a uma determinada pressão. Esse sensor é normalmente alojado em um tubo de imersão.

- -

24

5.3) SENSORES DE NÍVEL DE CONTROLE PROPORCIONAL 5.3.1) Medição por contatos de Eletrodos: Basicamente composto por duas hastes metálicas colocadas dentro do reservatório separadas uma da outra e ligadas a uma fonte de energia elétrica, onde será monitorado o nível de corrente elétrica consumida, quanto maior for o nível maior será a corrente consumida pela fonte .

5.3.2) Medição por Unidade de grade: É um mecanismo de medição por transmissão de momento de torção. Consiste em anéis metálicos, ligados por hastes, formando um dispositivo cilíndrico vertical. As forças são transmitidas por intermédio de um tubo torque a um relé pneumático para transmissão a um instrumento de leitura ou controlador. Este mecanismo pode ser utilizado somente em medição de nível de sólidos. Quando a grade encontrase toda expandida (nível do sólido abaixo da grade), a força peso F atuante na extremidade no braço de alavanca é máxima, ou seja, momento de torção máximo. Conforme o nível de sólidos aumenta no recipiente, os anéis metálicos da grade passam a repousar sobre o sólido, diminuindo assim a força peso atuante na alavanca. - -

25

5.3.3) Medição por Capacitância: Esta medição é um sistema de medição com larga aplicação. Com esse sistema é possível efetuar a medição contínua do nível de líquidos e sólidos, tendo seu princípio de funcionamento baseado no funcionamento de um capacitor cilíndrico.Um capacitor cilíndrico consiste em dois cilíndros concêntricos.

5.3.4) Medição de nível por pressão: Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin: P=h.δ

- -

26

5.3.5) Medição de nível por borbulhamento: Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância.

5.3.6) Medição de nível por radiação: Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medidos. Além disso, dispensando sondas ou outras técnicas que mantém contato com sólidos ou líquidos tornando-se possível, em - -

27

qualquer momento, realizar a manutenção desses medidores, sem a interferência ou mesmo a paralisação do processo. Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação e controle de materiais de manuseio extremamente difícil e corrosivos, abrasivos, muito quentes, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade.

5.3.7) Medição de nível por ultra- som: O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 Khz. A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico, esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultra-som depende portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso).

5.3.8) Medição de nível por radar: Possue uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos de alta frequencia à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal.

- -

28

CAPÍTULO 06 6) SENSOR DE PRESSÃO RESUMO: Neste capitulo serão apresentados diversos tipos de sensores de pressão que enviam sinais discretos e proporcionais. VOCÊ SABIA: Que devido a pressão atmosférica da Lua ser 1/6 da pressão atmosférica da Terra, é mais fácil se movimentar saltando do que andando?

6.1) ESCALAS DE PRESSÃO 6.1.1) Pressão Atmosférica: É a pressão exercida pelo peso da camada de ar existente na atmosfera terrestre. A pressão atmosférica é medida em um barômetro. 6.1.2) Pressão relativa ou manométrica: É a pressão medida tomando-se como referência a pressão atmosférica local, ou seja, o elemento sensor mede a diferença entre a pressão desconhecida e a pressão atmosférica local. 6.1.3) Pressão absoluta: É a pressão medida acima do vácuo absoluto, isto é, a soma da pressão atmosférica mais a pressão relativa. 6.1.4) Pressão diferencial: Quando um sensor mede a diferença entre duas pressões desconhecidas, sendo nenhuma delas a pressão atmosférica ou o vácuo absoluto, então essa pressão é conhecida como pressão diferencial. Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão, etc.

6.2) SENSORES DE PRESSÃO PARA MONITORAMENTO 6.2.1) Medição da Pressão Atmosférica: Dois instrumentos são mais usados para medir a pressão atmosférica usualmente: Barômetro de mercúrio e Barômetro Aneroid (sem fluido).

- -

29

6.2.2) Medidores de Pressão Mecânicos: Medidores de pressão mecânicos utilizam a deformação de um elemento elástico para indicar o valor da pressão aplicada sobre ele. Estes medidores podem ser divididos em três categorias: Tubos de Bourdon, Diafragmas Metálicos e Foles

6.2.2.1) Manômetro com Selagem Líquida: Em processos industriais que manipulam fluidos corrosivos, viscosos, tóxicos, sujeitos à alta temperatura e/ou radioativos, a medição de pressão com manômetro tipo elástico se torna impraticável pois o Bourdon não é adequado para essa aplicação, seja em função dos efeitos da deformação proveniente da temperatura, seja pela dificuldade de escoamento de fluidos viscosos ou seja pelo ataque químico de fluidos corrosivos. Nesse caso, a solução é recorrer a utilização de algum tipo de isolação para impedir o contato direto do fluido do processo com o Bourdon.

- -

30

6.2.2.2) Manômetro tipo fole: Fole é um dispositivo que possui ruga no círculo exterior que tem a possibilidade de expandir-se e contrair-se em função de pressões aplicadas no sentido do eixo. Como a resistência à pressão é limitada, é usado para baixa pressão.

6.2.2.3) Manômetro Padrão: Os manômetros utilizados como padrão devem ter precisão superior em relação aos manômetros que serão calibrados. De acordo com as normas de medição, obriga-se a utilizar instrumentos padrões que foram aprovados em inspeção. Dois tipos de manômetros foram aprovados como padrão: • Manômetro tipo coluna, e • Manômetro tipo peso morto (peso estático).

- -

31

6.2) SENSORES DE PRESSÃO PARA CONTROLE DE PROCESSO DISCRETO 6.2.1) Pressostatos: O pressostato é um dispositivo eletromecânico que recebe um sinal de pressão e o compara com sua escala interna. Após esta comparação, efetua a ação de ligar ou desligar o seu relê interno. Podem ser divididos em duas categorias em função de sua aplicação: controle ou proteção.

6.3) SENSORES DE PRESSÃO PARA CONTROLE DE PROCESSO CONTÍNUO Geram um sinal elétrico analógico (corrente ou tensão) proporcional ao valor de pressão a que são submetidos.

- -

32

Transmissor de Pressão HPT100 ► ► ► ► ► ►

Alta confiabilidade Calibração em qualquer unidade de pressão Fácil instalação Montagem compacta Para pressões de 3,5 bar até 350 bar Fornece sinais de saída de 0 a 10V e de 4 a 20 mA

Aplicações: ► ► ► ► ►

Instalação em máquinas Controle de processos industriais Refrigeração, ventilação, aquecimento, ar condicionado Estações de tratamento de águas Pneumática e hidráulica - -

33

Transmissor de Pressão TM25 ► ► ► ► ► ► ► ►

Possibilidade de calibração em qualquer unidade de pressão Grande variedade de conexão ao processo Possibilidade de selo para alimentícia Baixa histerese e vida útil prolongada Elemento piezoresistivo Imunidade a ruídos e interferências eletromagnéticas Para pressões de 0 a 1000 bar Fornece sinais de saída de 0 a 10V e de 4 a 20 mA

Aplicações ► ► ► ► ► ► ► ► ►

Instalação em máquinas Controle de processos industriais Refrigeração, ventilação, aquecimento e ar condicionado Monitoração ambiental Indústria alimentícia Sistemas de testes e calibração Hidráulica Pneumática Geração e transmissão de energia

- -

34

CAPÍTULO 07 7) SENSOR DE FORÇA E TORQUE RESUMO: O desenvolvimento dos métodos de medições de força é recente na história da instrumentação. Seu surgimento basicamente se deu em função da necessidade de desenvolver máquinas confiáveis estruturalmente que pudessem atender à produção em massa. Além do mais, principalmente por questões econômicas, a antiga prática de superdimensionamento dos componentes estruturais e as análises puramente empíricas por ensaio e erro passaram a ser impraticáveis nos setores mais avançados da industria. VOCÊ SABIA Que a pesquisa científica desenvolvida pela física, Eletrônica e Mecânica Aplicada resultou no surgimento da extensometria que tornou capaz a determinação de esforços experimentais, sob condições reais de serviço

7.1) DEFINIÇÃO E CONCEITOS BÁSICOS Em 1678, Robert Hooke estabeleceu a relação que existe entre tensões e deformações em corpos submetidos a solicitações mecânicas. Se o material for isótropo (apresenta a mesma propriedade física em todas  as direções) e homogêneo  e seu limite elástico não for superado, então verifica-se que a relação entra tensão e a deformação é linear. Baseado nesse princípio pode definir-se extensometria da seguinte forma: “Extensometria é o método que tem por objetivo a medida das deformações superficiais dos corpos” 

O conceito de deformação é expresso mediante uma relação dimensional: ε=SL/L Em que: ε – deformação axial específica; SL- variação do comprimento; L- comprimento inicial. Mas o estudo da extensometria não se limita apenas à relação de tensão e deformação dos materiais realizados por Robert Hooke. Outro grande cientista Willian Thomson, anos mais tarde ao realizar estudos experimentais com condutores de cobre e ferro submetidos a solicitação mecânica de tração verificou a resistência elétrica que percorria esses condutores era uma função da constante de resistividade elétrica do material e das variáveis comprimento e seção transversal. R=ρL/A onde : R- resistência elétrica do condutor ρ - resistividade do condutor L- comprimento do condutor A- seção transversal do condutor

7.2) STRAIN GAUGES Dentre os diferentes procedimentos existentes para converter deformações mecânicas em sinais elétricos proporcionais, o mais conhecido é o que utiliza elementos cuja resistência elétrica varia em função de pequenas deformações longitudinais. Esses elementos são pequenas células extensométricas afixadas na superfície do corpo de prova, formado um conjunto solidário e recebem o nome de Strain gauges.

- -

35

Bandas para esforços radiais e tangenciais

A – Banda para medidas de esforço tangencial. B – Banda para medidas de esforços radial e tangencial. C – Banda para medidas de esforço radial. 7.2.1) Método Direto: Consiste em medir a diferença de potencial presente nos bornes de saída da ponte, com ajuda de um voltímetro de precisão. Este processo exige amplificação prévia do sinal e uma fonte de exitação muito estável - -

36

7.2.2) Método de zero: Consiste em estabelecer o equilíbrio, seja variando as resistências nos ramos da ponte ou bem uma tensão oposta á de equilíbrio. Esse procedimento é também conhecido como método de oposição.

Exemplos de aplicação

- -

37

7.3) TRANSDUTORES DE FORÇA São equipamentos eletromecânicos que medem cargas estáticas ou dinâmicas, nas situações de grandes deslocamentos, e as convertem em sinais elétricos para posterior análise. O principio de funcionamento dos transdutores de força ou carga é baseado na deformação que sofre um material quando submetido a aplicação de uma força. Ou seja, por meio de células como strain-gauges, cristais piezorresistivos ou piezelétricos, convenientemente dispostos dentro de um pequeno conjunto mecânico, procede-se à medida da deformação de um elemento elástico interno e por meios eletrônicos processa-se a conversão do sinal elétrico em força ou carga. 7.3.1) Transdutores Indutivos LVDT ( Linear Variable Differencial Transformer ): Os transdutores do tipo indutivo têm como seu princípio de funcionamento uma bobina interna que possui dois secundários idênticos

- -

38

conectados em circuito série-oposto e um núcleo móvel. Quando a força é aplicada sobre o pino, o núcleo movimenta-se no interior da bobina, variando a indutância mútua de cada secundário em relação ao primário.

Há cerca de 50 anos, a tecnologia LVDT era relativamente desconhecida excepto para alguns especialistas em instrumentação de controle de processos. Através de esforços pioneiros a Schaevitz conseguiu fazer esta tecnologia evoluir desde uma curiosidade raramente usada até um meio fundamental para a medição de deslocamentos.

Hoje em dia os LVDT são largamente usados como sensores de medição e controlo sempre que os deslocamentos de poucos milimetros a vários metros se possam medir directamente, ou outras grandezas fisicas como força ou pressão possam ser convertidas em deslocamento linear. Devido à sua capacidade de realizar medições extremamente precisas e com grande repetibilidade nos ambientes mais hostis, os LVDT da Schaevitz tornaram-se na escolha de eleição para centenas de indústrias com aplicações criticas.

- -

39

6.4) Torquímetro

Utilizamos quando é necessário medir o aperto de um parafuso ou porca, a ferramenta indicada é o torquímetro. O uso do torquímetro evita a formação de tensões e a conseqüente deformação das peças em serviço.

- -

40

CAPÍTULO 08 8) SENSOR DE PRESENÇA RESUMO: Neste capitulo serão apresentados diversos tipos de sensores ópticos e de presença. VOCÊ SABIA Os satélites da família SPOT operam com sensores ópticos, em bandas do visível, infravermelho próximo e infravermelho médio.

8.1) SENSORES ÓPTICOS Sensores Ópticos, também conhecidos como fotoelétricos, baseiam-se na emissão de um feixe de luz, o qual é recebido por um elemento fotossensível.

Sistema por Barreira

Sistema por Difusão

Sistema Refletivo - -

41

Régua Óptica

Encoders

- -

42

Fibra Óptica

8.2) SENSORES DE PROXIMIDADE Existem diversos tipos de sensores de proximidade os quais devem ser selecionados de acordo com o tipo de aplicação e do material a ser detectado.

- -

43

Capacitivos Aplicações: Detectar materiais metálicos e não metálicos; Controle de nível em silos e de líquidos; Máquinas operatrizes; Injetoras de plástico; Máquinas para madeira; Máquinas de embalagem; Linhas transportadoras; Indústrias automobilísticas; Indústrias de frasco de vidro; Indústria de medicamentos.

Indutivos Aplicações: Detectar materiais metálicos Máquinas operatrizes; Injetoras de plásticos; Máquinas têxteis; Máquinas de embalagens; Máquinas para madeiras; Linhas transportadoras; Indústria automobilística; Indústria de vidros; Indústria de medicamentos.

Magnéticos ou Reed Switch

Normalmente utilizado para detectar abertura de portas, janelas e articulações.

- -

44

Volume

Ultra-sônico

Potenciômetro

- -

45

CAPÍTULO 11 11) VAZÃO E VISCOSIDADE

- -

46

- -

47

CAPÍTULO 12 12) TIPOS DE INTERFACE PARA COMPUTADOR 12.1) Interface RS-232 É um padrão para troca série de dados binários entre DTE(terminal de dados, Data Terminal Equipment) e um DCE(comunicador de dados, Data Communicator equipment ). Sua principal aplicação esta nas portas seriais dos PCs. Foi originalmente publicado em 1969 em parte para adequar-se as tecnologias da época, posteriormente PCs começaram a utilizar este padrão para comunicação com equipamentos já existentes. Tornou-se realmente onipresente quando a IBM lançou o PC com a porta RS-232. Continuam sendo usados em PCs mas vem sendo substituído pela USB que também podem ser utilizados para teclados e PS/2. A comunicação RS-232 é assíncrona pois o transmissor não informa quando um caráter irá ser transmitido, mas quando é iniciado a transmissão de um bit, todos os outros bits devem ser enviados em sequência sem atrasos, o hardware nunca deixa sem sinal na linha de transmissão. Existem varios padroes que são chamados de RS-232 mas não são:TTL RS-232, CMOS RS-232. Interfaces similares: • RS-442 (alta vel., sinal diferente); • RS-423 (alta vel., sinal nãobalanceado); • RS-449 (proposto sucessor que usa sinais de RS-423 e 442 mas não “pegou”); • MIL STD 188 (similar mas com melhor controle de tempo de subida).

12.2) Barramento I2C É um barramento simples e bidirecional para controle de CIs. O Barramento I2C foi extruturado para compor uma interface simples e padronizada. Projetado também para maximizar e eficiência do hardware e a simplicidade dos circuitos. Os dados são transferidos em ambas as direções com uma taxa de até 400Kb/s, a transmissão requer apenas 2(duas) linhas seriais: SDA, Linha de Dados SCL, Linha do Clock Como o barramento utiliza apenas duas linhas seriais, são necessários portanto poucos terminais dos dispositivos envolvidos, todo dispositivo conectado ao barramento é endereçavel por software. Considerando a necessidade de poucos terminais, naturalmente diminui, conseqüentemente, a complexidade da construção de uma posterior placa de circuito impresso. Atualmente o protocolo de comunicação em 2 sinais I2C esta amplamente difundido e interconecta uma ampla gama de dispositivos. Dentre vários encontramos temos os microcontroladores, microprocessadores assim como outros circuitos de uso geral, como drivers LCD, memórias RAM e Conversores de Dados. Suas vantagens são: • Alta imunidade a Ruidos; • Ampla faixa de tensão para alimentação; • Ampla faixa de temperatura para operação. Exemplo genérico:

- -

48

Condição de Start e Stop:

12.3) Interface Rs-422 É um protocolo de dados serial, que fornece transmissão de dados balanceada com linhas de transmissão unidirecionais, não permite múltiplos drivers, somente múltiplos receivers. O comprimento máximo do cabo é de 1200 m, um variante de RS-422 compatível com RS-232 usando um conector mini-DIN-8.l

- -

49

12.4) INTERFACE PARALELA Porta Paralela nada mais é do que um dispositivo de entrada e saída de dados. Transmissão de dados: Serial: transmitir em série, ou seja, um bit atrás do outro; Paralelo: transmitir vários bits ao mesmo tempo; Vantagens: Serial: a limitação de bits é dada pela velocidade com que transmissor e receptor se chaveiam de uma forma tão rápida, além de serem transmitidos por um único fio; Parelelo: limitação física é dada pelo número de fios. Por não possuir alta velocidade de transmissão, tem, atualmente sua aplicação limitada a impressoras e scanners. Na Eletrônica, pode servir para controlar qualquer tipo de processo, como por exemplo, mandar ou receber informações de um sensor. Obs: a corrente de saída da porta não é alta, necessária somente para ascender alguns LEDs; para circuitos que necessitem de maior potência, devemos utilizar buffers ou amplificadores de correntes transistorizados. 12.4.1) Modelos de portas paralelas • • • • • • • • •

1) Transmissão Unidirecional: Porta Paralela SPP (Standard Parallel Port); Taxa de transmissão de dados: 150KB/s; Comunica-se com a CPU utlilizando um BUS de dados de 8 bits; Para transmissão de dados entre periféricos são usados 4 bits por vez. 2) Transmissão Bidirecional EPP: Porta Paralela EPP (Enhanced Parallel Port); Taxa de transmissão de dados: 2MB/s, porém é necessário um cabo especial¹; Comunica-se com a CPU utililizando um BUS de dados de 32 bits; Para transmissão de dados entre periféricos são usados 8 bits por vez. ¹ A extensão do cabo para ligar um computador a um periférico, é de no máximo 8m. Na prática, utilizase um cabo com extensão menor. Quanto maior a extensão do cabo, maior é a interferência na transmissão dos dados.

3) Transmissão Bidirecional ECP: • Porta Paralela ECP (Enhanced Capabilities Port); • Tem as mesmas características que a EPP, porém utilizando DMA² (acesso direto à memória), sem a necessidade do uso do processador para a transferência de dados; • Utiliza um buffer FIFO³ de 16 bytes. • ² DIRECT MEMORY ACCESS (Acesso Direto à Memória) – ligação direta rápida entre um periférico e a memória principal de computador que evita o uso de rotinas de acesso para cada item de dado lido; • ³ FIRST IN FIRST OUT (Primeiro a Entrar, Primeiro a Sair) – método de armazenamento de leitura/escrita no qual o primeiro item armazenado é o primeiro a ser lido. 12.4.2) Endereços da porta paralela O computador nomeia as portas paralelas, chamando-as de LPT1, LTP2, LPT3 etc, mas, a porta física padrão de seu computador é a LPT1, e seus endereços são: 378h (para enviar um byte de dados pela porta), 378+1h (para receber um valor através da porta) e, 378+2h (para enviar dados). Nome da Porta

Endereço de Memória

LPT1

0000:0408

Endereço da Porta 378 hex

888 dec

- -

Descrição Endereço base

50

LPT2

0000:040A

278 hex

888 dec

Endereço base

Os sinais de dados e controle trafegam “apertados” em um cabo espesso, que contém os fios. Os sinais de um condutor costumam passar para outros. Esse problema é chamado linha cruzada, semelhante aos sistemas telefônicos. É por isso que os fabricantes recomendam que as conexões paralelas tenham menos de 3 metros para evitar problemas, deixando as grandes distâncias para as portas seriais. 12.4.3) O conector DB25 É um conector que fica na parte de trás do gabinete do computador, e é através deste, que o cabo paralelo se conecta ao computador para poder enviar e receber dados. Estados Lógicos: 1 (um) – tensão elétrica está entre 0 e 0,4V; 0 (zero) – tensão elétrica está acima de 3,1 e até 5V.

12.4.4) O conector Centronics 36 pinos Quando desenvolvemos uma projeto que utilize uma interface para conectarmos ao computador, poderemos utilizar um conector centronics 36 pinos fêmea, isso faz com que nossa interface aproveite o cabo da impressora, onde poderemos conseguir com facilidade em lojas de Informática.

- -

51

A porta paralela não é usada somente com uma impressora, pode-se portanto controlar circuitos eletrônicos enviando-lhe sinais digitais.

- -

52

12.5) Interfaces PCI Placa de interface PCI, permite adicionar um periférico paralelo e configurá-lo em porta lógica adicional (LPT2 ou LPT3), é Plug&Play, possui velocidade de transferência de 1,5 Mbps e é compatível com os Sistemas Operacionais: Windows 95, 98, Me, NT, 2000 e XP, Linux, OS2, DOS. Placa de interface PCI, permite adicionar um periférico paralelo e configurá-lo em portas lógicas adicionais (LPT1 a LPT3), e até dois periféricos seriais configurando-os em portas lógicas adicionais (COM1 a COMx...).

12.6) INTERFACE USB Universal Serial Bus (USB) é um tipo de conexão Plug&Play que permite a conexão de periféricos sem a necessidade de desligar o computador; Surgiu em 1995 com uma parceria entre várias empresas de alta tecnologia (Compaq, HP, Intel, Apple, Agere, Microsoft, NEC e Philips); UHCL (Universal Host Controller Interface); OHCL (Open Host Controller Interface) EHCL (Enhanced Host Controller Interface). Versões de portas USB: • • •

USB 1.0 – 1ª versão, lançada em 1995 USB 1.1 – lançada em janeiro de 1996, 1ª versão do sucesso da USB. Transmissão de dados a 1,5 MBps ou 12 Mbps; USB 2.0 – lançada em 2002, tem um aumento na capacidade de velocidade de transferência de dados correção de alguns dados. Transmissão de dados a 480 Mbps.

O barramento USB permite a conexão máxima de até 127 dispositivos em uma única porta. Para isso ser possível utilizá-se de HUBs conectados em cascata. Normalmente cada HUB USB dispõe de 4 a 8 portas onde podem ser plugados mais HUBs ou dispositivos;

- -

53

Os Hubs são componentes muito importantes na topologia de uma Rede USB. Eles fornecem novos canais físicos para que se possam inserir novos dispositivos à mesma. USB em cascata:

O Controlador: • •

O host USB se comunica com os dispositivos através do seu controlador (chipset e outros componentes); Pode ser encontrado na própria estrutura base da placa-mãe do computador, ou pode ser adicionada num dos slots do barramento PCI. Na maioria das placas controladoras USB PCI, além das portas externas, há uma interna, que permite instalar periféricos USB dentro do gabinete do computador, se isso for preciso;

É de responsabilidade do Host: • • • •

Detectar a inclusão e remoção de dispositivos; Gerenciar o fluxo de controle de dados entre os dispositivos conectados; Fornecer alimentação (tensão e corrente) aos dispositivos conectados; Monitorar os sinais do bus USB. Tipos de conectores Série A:

• •

Conector Tipo "A" Fêmea, encontrado no Host (PC), ou em portas Downstream de Hub; Conector Tipo "A" Macho, encontrado em um dos extremos do cabo USB, onde deve ser conectado ao Host/Root raiz, ou em portas Downstream de Hub.

- -

54

Tipos de conectores Série B: • •

Conector Tipo "B" Fêmea, encontrado no dispositivo/função do cliente. Exemplos: impressoras, máquinas digitais, modem ADSL, etc; Conector Tipo "B" Macho, encontrado em um dos extremos do cabo USB, onde deve ser conectado a um dispositivo/função.

- -

55

CAPÍTULO 13 13) CONTROLE AUTOMATICO DE PROCESSO 13.1) Evolução histórica do controle automático No início, a humanidade não conhecia os meios para se obter a energia a partir da matéria. Desse modo, a energia era fornecida pelo próprio trabalho humano ou pelos trabalhos de animais domésticos. Somente no século XVIII, com o advento das máquinas a vapor , conseguiu-se transformar a energia da matéria em trabalho. Porém, o homem apenas teve a sua condição de trabalho mudada, passando do trabalho puramente braçal ao trabalho mental. Nesse momento, cabia ao homem o esforço de tentar “controlar” esta nova fonte de energia, exigindo dele então muita intuição e experiência, além de expôlo constantemente ao perigo devido a falta de segurança. No princípio, isso foi possível devido à baixa demanda. Entretanto, com o aumento acentuado da demanda, o homem viu-se obrigado a desenvolver técnicas e equipamentos capazes de substituí-lo nesta nova tarefa, libertando-o de grande parte deste esforço braçal e mental. Daí então surgiu o controle automático que, quanto à necessidade, pode assim ser classificado:

O primeiro controlador automático industrial de que há notícia é o regulador centrífugo inventado em 1775, por James Watts, para o controle de velocidade das máquinas à vapor. Esta invenção foi puramente empírica. Nada mais aconteceu no campo de controle até 1868, quando Clerk Maxwell, utilizando o cálculo diferencial, estabeleceu a primeira análise matemática do comportamento de um sistema máquina-regulador. Por volta de 1900 aparecem outros reguladores e servomecanismos aplicados à máquina a vapor, a turbinas e a alguns processos. Durante a primeira guerra mundial, N. Minorsky cria o servocontrole, também baseado na realimentação, para a manutenção automática da rota dos navios e escreve um artigo intitulado “Directional Stability of Automatically Steered Bodies”. O trabalho pioneiro de Norbert Wiener (1948) sobre fenômenos neurológicos e os sistemas de controle no corpo humano abreviou o caminho para o desenvolvimento de sistemas complexos de automação. A partir daqui o progresso do controle automático foi muito rápido. Atualmente existe uma enorme variedade de equipamentos de medidas primárias, transmissão das medidas (transmissores), de regulação (controles pneumáticos, elétricos e eletrônicos), de controle final (válvulas pneumáticas, válvulas solenóide, servomotores etc.), de registro (registradores), de indicação (indicadores analógicos e digitais), de computação (relés analógicos, relés digitais com microprocessador), PLC’s, SDCD’s etc.

- -

56

Estes equipamentos podem ser combinados de modo a constituírem cadeias de controle simples ou múltiplas, adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a um grande número de tipos de processos. Em 1932, H. Nyquist, da Bell Telephone, cria a primeira teoria geral de controle automático com sua “Regeneration Theory”, na qual se estabelece um critério para o estudo da estabilidade.

13.2) CONCEITOS E CONSIDERAÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE AUTOMÁTICO O controle Automático tem como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição num certo valor ( fixo ou variante). Este valor que pretendemos é o valor desejado. Para atingir esta finalidade o sistema de controle automático opera do seguinte modo:

A-Medida do valor atual da variável que se quer regular. B-Comparação do valor atual com o valor desejado ( sendo este o último indicado ao sistema de controle pelo operador humano ou por um computador). Determinação do desvio. C-Utilização do desvio ( ou erro ) para gerar um sinal de correção. D-Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado o desvio, isto é, de maneira a reconduzir-se a variável ao valor desejado. O sinal de correção introduz pois variações de sentido contrário ao erro. Resumidamente podemos definir Controle Automático como a manutenção do valor de uma certa condição através da sua média, da determinação do desvio em relação ao valor desejado, e da utilização do desvio para se gerar e aplicar um ação de controle capaz de reduzir ou anular o desvio. Para concretizar vamos considerar o controle de temperatura da água contida num depósito, de uma maneira simplificada ( fig.2.1). De todas as grandezas relativas ao sistema ( Nível, pressão, vazão, densidade, pH, energia fornecida, salinidade etc.) a grandeza que nos interessa, neste caso, regular é a temperatura da água. A temperatura é então a variável controlada. Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada. As dilatações e contrações do fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “Bourdon”( Tubo curvo de seção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar. Os movimentos do extremo do bourdon traduzem a temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala. No diagrama representa-se um contato elétrico no extremo do bourdon e outro contato de posição ajustável à nossa vontade. Este conjunto constitui um “Termostato”. Admitamos que se quer manter a temperatura da água nas proximidades de 50 °C. Este valor da temperatura da água é o valor desejado. Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato do termostato está aberto. A bobina do contator não está excitada e o contator mantém interrompida a alimentação da resistência de aquecimento. Não havendo fornecimento de calor , a temperatura da água vai descer devido às perdas. A temperatura aproxima-se do valor desejado. Quando, pelo contrário, a temperatura é inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o contato do termostato. O contator fecha e vai alimentar a resistência de aquecimento. Em conseqüência, a temperatura da água no depósito vai subir de modo a aproximar-se de novo do valor desejado. Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples encontramos contudo as funções essenciais de uma malha de controle. Medida - A cargo do sistema termométrico. Comparação - Efetuada pelo sistema de Contatos ( Posição Relativa)

- -

57

Computação - Geração do sinal de correção ( efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito elétrico do termostato. Correção -Desempenhada pelo órgão de Controle - Contator Observa-se que , para a correção da variável controlada ( temperatura) deve-se atuar sobre outra variável ( quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle é aplicada, normalmente, a outra variável da qual depende a variável controlada e que se designa com o nome de variável manipulada. No nosso exemplo, o “Sinal de Controle “ pode ser a corrente elétrica i. Como veremos mais tarde, estamos diante de uma malha de controle do tipo ON-OFF. O sinal de controle apenas pode assumir dois valores. Na maior parte dos casos , como se verá, a função que relaciona o sinal de controle com o desvio é muito mais elaborada. Podemos agora representar um diagrama simbólico das várias funções e variáveis encontradas (fig.2.2). Alguns dos elementos de medida e os elementos de comparação e de computação fazem normalmente parte do instrumento chamado de “ CONTROLADOR”.

Para facilitar o entendimento de alguns termos que aqui serão utilizados, a seguir, serão dadas de forma sucinta suas definições: Planta: Uma planta é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de itens de uma máquina, que funciona conjuntamente, cuja finalidade é desenvolver uma dada operação. Processo: Qualquer operação ou sequência de operações, envolvendo uma mudança de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão. Pode ser contínuo ou em batelada. Sistemas: É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo. Variável do Processo (PV): Qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de que se possa efetuar a indicação e/ou controle do processo (neste caso, também chamada de variável controlada). Variável Manipulada ( MV): É a grandeza que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado. Set Point (SP) Set Valor (SV): ou É um valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer. Distúrbio (Ruído): É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada. Desvio: Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável controlada. - -

58

Ganho: Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída devem ser expressas na mesma unidade. 13.2.1) TIPOS DE CONTROLE 13.2.1.1) Controle Manual e Controle Automático Para ilustrar o conceito de controle manual e automático vamos utilizar como processo típico o sistema térmico das figuras 2.3 e 2.4 . Inicialmente considere o caso em que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema , medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida. Deste modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual, sendo portanto, um caso de “Controle Manual”.

Considere agora o caso da figura 2.4, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem, atuando então de maneira automática, sendo portanto um caso de “Controle Automático”.

13.2.1.2) Controle Auto-operado

- -

59

Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente, através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Este controle é largamente utilizado em aplicações de controle de pressão e menos comumente no controle de temperatura, nível, etc. A figura 2.5 mostra um exemplo típico de sistema de controle de pressão, utilizando uma válvula auto-operada.

13.2.1.3) Controle em Malha Aberta e Malha Fechada Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída.

a) Sistema de Controle em Malha Aberta: É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, conforme mostrado na fig. 2.6, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema , é a máquina de lavar roupa. Após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta ( por exemplo, após ela enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente limpa).

b) Sistema de Controle em Malha Fechada: É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, conforme pode ser visto através da figura 2.7, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo prático deste tipo de controle, é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o banho.

- -

60

13.2.2) REALIMENTAÇÃO É a característica do sistema de malha fechada que permite a saída ser comparada com a entrada. Geralmente a realimentação é produzida num sistema, quando existe uma sequência fechada de relações de causa e efeito entre variáveis do sistema. Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar a defasagem entre o valor desejado e o valor do processo, esta recebe o nome de realimentação negativa.

13.2.3) DIAGRAMA DE BLOCOS Um sistema de controle pode consistir de vários componentes, o que o torna bastante difícil de ser analisado. Para facilitar o seu entendimento e a fim de mostrar as funções desempenhadas por seus componentes, a engenharia de controle utiliza sempre um diagrama denominado “Diagrama de Blocos”. Diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções desempenhadas por cada componente e do fluxo de sinais. Assim, conforme pode ser visto na figura 2.8 , os componentes principais de um sistema são representados por blocos e são integrados por meio de linhas que indicam os sentidos de fluxos de sinais entre os blocos. Estes diagramas são, então utilizados para representar as relações de dependência entre as variáveis que interessam à cadeia de controle.

13.2.4) ATRASOS NO PROCESSO Todo processo possui características que determinam atraso na transferência de energia e/ou massa, o que consequentemente dificulta a ação de controle, visto que elas são inerentes aos processos. Quando, então, vai se definir o sistema mais adequado de controle, deve-se levar em consideração estas características e suas intensidades. São elas: Tempo Morto, Capacitância e Resistência.

13.2.4.1) Tempo Morto É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor. Como exemplo veja o caso do controle de temperatura apresentado na figura 2.9. Para facilitar, suponha que o comprimento do fio de resistência R seja desprezível em relação à distância l(m) que o separa do termômetro e que o diâmetro da tubulação seja suficientemente pequeno.

- -

61

Se uma tensão for aplicada em R como sinal de entrada fechando-se a chave S conforme a figura 2.10, a temperatura do líquido subirá imediatamente. No entanto, até que esta seja detectada pelo termômetro como sinal de saída, sendo V(m/min) a velocidade de fluxo de líquido, terá passado em tempo dado por L = l/V (min). Este valor L corresponde ao tempo que decorre até que a variação do sinal de entrada apareça como variação do sinal de saída recebe o nome de tempo morto. Este elemento tempo morto dá apenas a defasagem temporal sem variar a forma oscilatória do sinal.

13.2.4.2) Capacitância A capacitância de um processo é um fator muito importante no controle automático. É uma medida das características próprias do processo para manter ou transferir uma quantidade de energia ou de material com relação a uma quantidade unitária de alguma variável de referência. Em outras palavras, é uma mudança na quantidade contida, por unidade mudada na variável de referência. Como exemplo veja o caso dos tanques de armazenamento da figura 2.11. Neles a capacitância representa a relação entre a variação de volume e a variação de altura do material do tanque. Assim , observe que embora os tanques tenham a mesma capacidade ( por exemplo 100 m3), apresentam capacitâncias diferentes. Neste caso, a capacitância pode ser representada por :

13.2.4.3) Resistência A resistência é uma oposição total ou parcial à transferência de energia ou de material entre as capacitâncias. Na figura 2.12, está sendo mostrado o caso de um processo contendo uma resistência e uma capacitância. - -

62

Observação : O efeito combinado de suprir uma capacitância através de uma resistência produz um tempo de retardo na transferência entre capacitâncias. Tal tempo de retardo devido à resistênciacapacitância (RC) é frequentemente chamado de “atraso de transferência”. 13.3) CARACTERÍSTICAS DE PROCESSOS INDUSTRIAIS O dicionário MERRIAN-WEBSTER define um processo, como uma operação ou desenvolvimento natural, que evolui progressivamente, caracterizado por uma série de mudanças graduais que se sucedem, uma em relação às outras, de um modo relativamente fixo e objetivando um particular resultado ou meta. No âmbito industrial o termo processo significa uma parte ou um elemento de uma unidade de produção; por exemplo um trocador térmico que comporta uma regulação de temperatura ou um sistema que objetiva o controle de nível de uma caldeira de produção de vapor. A escolha de que tipo de malha de controle a utilizar implica em um bom conhecimento do comportamento do processo. O nível da caldeira ou a temperatura apresenta uma inércia grande ? é estável ou instável ? Tem alto ganho ? Possui tempo morto ? Se todos esses questionamentos estiverem resolvidos você terá condições para especificar uma malha de controle mais apropriada para sua necessidade, em outras palavras, o melhor controle é aquele que é aplicado num processo perfeitamente conhecido.

13.3.1) PROCESSOS DE FABRICAÇÃO CONTÍNUA E DESCONTÍNUA 13.3.1.1) Processos Contínuos Em um processo contínuo o produto final é obtido sem interrupções como no caso da produção de vapor de uma caldeira.

- -

63

13.3.1.2) Processos Descontínuos Um processo descontínuo é um processo que seu produto final é obtido em uma quantidade determinada após todo o ciclo. A entrada de novas matérias primas só se dará após o encerramento desse circuito. Exemplo: considere a produção de massa de chocolate.

Etapas: Introduzir o produto A, B e C; Aquecer a misturar por 2 horas misturando continuamente; Escoar produto final para dar início a nova Batelada. Os processos descontínuos são também conhecidos processos de batelada. • • •

13.3.2) REPRESENTAÇÃO E TERMINOLOGIA DE PROCESSOS 13.3.2.1) Esquema de Funcionamento e Diagrama de Bloco O esquema da figura 3.3, abaixo representa um tanque, uma bomba e tubulações. Todos esses elementos constituem o processo.

As variáveis físicas envolvidas: • A vazão de entrada: Qe • A vazão de saída: QS • O nível do tanque: L

- -

64

As vazões Qe e Qs são variáveis independentes do processo e são chamadas de variáveis de entrada do processo cujo produto é o nível. A variação de uma delas, ou de ambas influencia a variável principal, o nível “L”. O esquema de funcionamento da fig. 3.3 pode ser representado também conforme o diagrama da fig. 3.4. O retângulo representa simbolicamente o processo.

13.3.2.2) Processos e a Instrumentação A representação do diagrama de nível da fig. 3.3 com o seu sistema de controle é mostrado na fig. 3.5 .

Podemos observar na fig. 3.5 que a variável Qe é manipulável através da válvula controladora de nível. Normalmente é chamada de variável reguladora. A variável Qs é chamada de variável perturbadora do nível pois qualquer variação de seu estado o nível poderá ser alterado. Para diferenciar variáveis reguladoras de variáveis perturbadoras, utilizamos a representação da fig. 3.6 ou 3.7.

13.3.3) PROCESSOS MONOVARIÁVEIS E MULTIVARIÁVEIS Foi incorporado um sistema de aquecimento no tanque da figura 3.7 que utiliza uma resistência R de aquecimento para aquecimento do fluido.

- -

65

Desta forma podemos evidenciar: Variáveis controladas:

- Nível L no tanque - Temperatura Te de saída

Variáveis reguladoras:

- Vazão Qe de entrada - Tensão U de alimentação da resistência

Variáveis perturbadora:

- Temperatura Te de entrada do fluido

- Vazão de saída Qs

O diagrama de bloco da fig. 3.8b, mostra as interações entre as variáveis reguladoras (ou manipuladas) e as variáveis do processo (ou controladas). Podemos observar que a variação em U faz com que apenas a temperatura de saída Ts varie e que uma variação em Qe, provocará variações em “L” e “Ts”, simultaneamente. Por essa razão o processo é dito multivariável. De uma forma genérica, um processo é dito multivariável quando uma variável reguladora influencia mais de uma variável controlada. Um processo monovariável é um processo que só possui variável reguladora que influencia apenas uma variável controlada. No meio industrial o tipo multivariável é predominante.

13.3.4) PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS 13.3.4.1) Processos Estáveis (ou Naturalmente Estáveis) Consideremos o nível “L” do tanque da fig. 3.9. A vazão de saída Qs é função do nível “L” Qs = k ∗  L . Se “L” é constante, implica que Qs está igual a Qe. No instante To, provocamos um degrau na válvula, o nível começará a aumentar provocando também um aumento na vazão de saída Qs. - -

66

Após um período de tempo o nível estabilizará em um novo patamar N1, isso implicará que a vazão de saída Qs será igual a vazão de entrada Qe. Quando isso ocorre, afirmamos que o processo considerado é um processo estável ou naturalmente estável.

13.3.4.2) Processos Instáveis (ou Integrador) Modificando o processo anterior com escoamento natural por um forçado, ou seja, acrescentando uma bomba de vazão constante Qs (fig. 3.10) e repetindo o procedimento anterior observamos que o nível não se estabilizará. Esses processos recebem o nome de processo instáveis ou integrador.

13.3.5) PARÂMETROS DE RESPOSTA DE UM PROCESSO Mostramos anteriormente que a resposta de um processo, há uma determinada excitação, poderá ser do tipo estável ou instável. Nesta seção determinaremos os parâmetros que caracterizam o processo a partir da mesma resposta obtida anteriormente. O conhecimento desses parâmetros nos auxiliará a decidir sobre a otimização da malha de controle. - -

67

13.3.5.1) Processos Estáveis Considerando o diagrama de um trocador de calor da fig. 3.11 com o controlador em manual provocamos um degrau “ ∆MV” no sinal da variável manipulada e observamos a evolução da temperatura Ts. A resposta obtida é mostrada na fig. 3.12 .

Esta forma em “S” é a resposta de um processo estável. O regime transitório (ou simplesmente transitório) é o intervalo de tempo entre o instante To da origem do degrau, até o instante t3 quando PV=PVf. A resposta a um degrau de um processo estável é caracterizado pelos parâmetros da tabela 3.1.

- -

68

Parâmetros

Denominação

Definição

Intervalo de tempo entre a aplicação do degrau e o Tempo morto ou retardo τ início da evolução da puro variável do processo. τ = t1 – t0 Intervalo de tempo entre a aplicação do degrau até o Tempo de resposta ou instante onde a variável do tea tempo de estabilização em processo atingir 95% de malha aberta seu valor final ou te = t2 – t0 Ganho Estático do Relação entre a variação Gp processo de ∆PV e a variação ∆mV. Tabela 3.1 - Parâmetros de resposta a um degrau de um processo estável. Verificaremos, mais adiante, que o conhecimento de Gp, tea, τ nos permite a determinar as ações P, I e D a serem colocadas no controlador da malha.

13.3.5.2) Processos Instáveis A resposta a um degrau de um processo instável é dada pela fig. 3.13. Os parâmetros que caracterizam essa resposta pode ser vista na tabela 3.2.

Parâmetros

τ

Denominação

Definição

Tempo morto ou retardo puro

Intervalo de tempo entre a aplicação do degrau até o início da evolução da PV: τ = t1 – t0

Coeficiente característico do processo k coeficiente de integração ∆PV  k  = ∆ MV ∗ ∆T  Tabela 3.2 - Parâmetros de resposta a um degrau de um processo instável. - -

69

CAPÍTULO 14 14) ANALISADORES Com o desenvolvimento dos processos e a necessidade de estes sejam cada vez mais eficientes, desenvolveu-se medidores capazes de detectar propriedades como condutividade, pH, densidade, umidade, opacidade e composição. Esses medidores são utilizados tanto para monitorar a qualidade de um produto, como para medir a quantidade de poluentes em rejeitos. Os medidores que serão vistos nessa apostila estão instalados nas plantas da Copesul.

2. pH O valor de pH representa o quanto ácido ou basico é uma solução, sendo a concentração do íon hidrogênio. Uma das primeiras técnicas para a medição da concentração de íon hidrogênio utiliza papeis indicadores. Quando o indicador é adicionado à amostra há mudança de cor dependendo do valor de pH. O resultado pode então ser comparado a um padrão. Tal método não se aplica a medição instantânea e automática, como é requerido em alguns processos, ou não pode ser utilizado em líquidos normalmente coloridos. Por isso, um método baseado no potencial criado por eletrodos em uma solução. Este método se tornou o padrão para medição de pH.

3. Condutividade A condutividade de uma solução é medida pela capacidade de condução de uma corrente elétrica. Esta capacidade é chamada de condutividade específica, ou simplesmente condutividade, e é expressa em “mhos”, que é o oposto de ohm (unidade que expressa resistência). Soluções aquosas de ácidos, bases, ou sais são conhecidas como eletrolíticas; elas são condutoras de eletricidade. Medidas de condutividade são geralmente usadas para detectar contaminantes eletrolíticos em água. O grau de condutividade elétrica é afetado por três fatores: a natureza do eletrólito, a concentração da solução, e a temperatura da solução. A medida da condutividade a uma temperatura fixa pode ser a da concentração da solução, que pode ser expressada em porcentagem de peso, parte por milhão, ou outra unidade. Conhecendo-se a condutividade de um eletrólito a diferentes concentrações é possível determinar a concentração passando corrente pela solução.

MEDIDOR DE PH E DE CONDUTIVIDADE O elemento primário em um sistema de condutividade elétrica é a célula que é composta por um par de eletrodos com áreas e distância fixas, um isolante par limitar os caminhos condutivos, e um suporte e protetor. - -

70

4. Umidade  4.1. Gases

A medição é feita através da passagem da amostra por um cristal revestido por material hidroscópico durante dois minutos. Há então absorção de água, tornando o cristal mais pesado e fazendo com que a freqüência de vibração diminua. Em uma câmara lacrada existe um outro cristal igual ao que está em contato com a amostra. O equipamento compara a freqüência dos dois cristais, fornecendo uma leitura da umidade. Quanto maior a umidade maior será a diferença na freqüência. Após os dois minutos em que a amostra está em contato com o cristal, uma outra amostra do mesmo gás passa por três minutos para secar o cristal, após recomeça a medição. Para a calibração é utilizada uma amostra do mesmo componente mas com umidade conhecida. Essa amostra é retirada do sistema, no mesmo ponto de leitura, sendo totalmente seca e após umidificada com uma quantidade conhecida da água.  4.2. Líquidos

É feita a medida da resistência elétrica da amostra, que varia conforme a umidade.

MEDIDORES DE UMIDADE

5. Opacidade É feito o controle da quantidade de partículas emitidas pelas caldeiras através de um opacímetro instalado nas chaminés da Copesul. Há a emissão de um feixe de luz de um lado da chaminé, que é refletido no lado oposto, sendo então detactada sua intensidade. Quanto menor a intensidade maior é a quantidade de material particulado.

- -

71

OPACÍMETRO DA CHAMINÉ DA COPESUL

6. Composição Para a medida da quantidade de cada substância que compões uma amostra podem ser utilizados cromatógrafos e espectrômetros de massa. Como exemplo, vamos citar os fornos para craqueamento de nafta da Copesul. Totalizando, são sete fornos, com treze pontos de coleta para análise de composição, a qual se deseja uma monitoração confiável, sendo então necessárias muitas medidas em curtos espaços de tempo. Nesse caso é utilizado um espectrômetro de massas (+/- U$400.000) para todos os fornos, que efetua cada leitura em apenas 4 segundos. Um cromatógrafo (+/- U$50.000) necessitaria de aproximadamente 450 segundos para cada ponto.

CROMATÓGRAFOS

7. Casa de Analisadores Os analisadores devem ficar próximos ao ponto de coleta de amostra, mas muitas vezes neste local há risco de explosão em caso de vazamento de gases inflamáveis. Em razão disso os equipamentos, como por exemplo, cromatógrafos, espectrômetros de massa e analisadores de umidade (como os vistos no filme), são instalados dentro das casas de analisadores. Os Shelter (abrigo) são locais fechados de extrema segurança, onde apenas pessoas capacitadas a trabalhar em ambientes confinados podem entrar, sempre munidos de um oxímetro (aparelho que detecta baixa quantidade de O2 no ar) para a segurança pessoal.

- -

72

EXPECTRÔMETRO DE MASSA

CASA DOS ANALISADORES

MEDIDORES DE O2 E CO EM CALDEIRA E ANALISADORES DE O2NOX E SO2 NA TURBINA A GÁS DA COPESUL

8. Referências Bibliográficas Hughes, Thomas A., Measurement and Control Basics, 3rd edition, ISA (2002).

- -

73

CAPÍTULO 15 15) CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS SE MEDIÇÃO 15. 1) INTRODUÇÃO À INSTRUMENTAÇÃO  INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de

instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais. Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo. 15.2) CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais podemos ter classificação por: • função • sinal transmitido ou suprimento • tipo de sinal 15.2.1) Classificação por Função Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função. Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função cuja descrição sucinta pode ser liga na tabela 01.

- -

74

TABELA 01 - CLASSIFICAÇÃO POR FUNÇÃO

15.2.2) Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens. 15.2.2.1) Tipo pneumático Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0 kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês). Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e em casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS). 15.2.2.1.1) Vantagem A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operálos com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo). 15.2.2.1.2) Desvantagens a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m. d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. - -

75

e) Não permite conexão direta aos computadores. 15.2.2.2) Tipo Hidráulico Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas. Vantagens a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão. b) Resposta rápida. Desvantagens a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca. c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc... 15.2.2.3) Tipo elétrico Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Face a tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utiliza-se sinais em tensão contínua de 1 a 5V. Vantagens a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. c) Não necessita de poucos equipamentos auxiliares. d) Permite fácil conexão aos computadores. e) Fácil instalação. f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. g) Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja “lido” por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor. Desvantagens a) Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. b) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos. c) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. d) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.

- -

76

15.2.2.4 - Tipo Digital Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação(ver anexo A). Vantagens a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento. b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados. c) Imune a ruídos externos. d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. e) Menor custo final. Desvantagens a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha. 15.2.2.5 - Via Rádio Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica. Vantagens a) Não necessita de cabos de sinal. b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. Desvantagens a) Alto custo inicial. b) Necessidade de técnicos altamente especializados. 15.2.2.6 - Via Modem A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude. Vantagens a) Baixo custo de instalação. b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias. Desvantagens a) Necessita de profissionais especializados. b) baixa velocidade na transmissão de dados. c) sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações. - -

77

CAPÍTULO 16 16) SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países. No Brasil Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR 8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. No entanto, como é dada a liberdade para cada empresa estabelecer/escolher a norma a ser seguida na elaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação outras são utilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America). A seguir serão apresentadas as normas ABNT e ISA, de forma resumida, e que serão utilizadas ao longo dos nossos trabalhos. 16.1) Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190) 16.1.1) Tipos de Conexões

16.1.2) Código de Identificação de Instrumentos Cada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifique funcionalmente (Tabela 2). Como exemplo, uma identificação representativa é a seguinte: T RC 2 A

- -

78

TABELA 2 - SIGNIFICADO DAS LETRAS DE IDENTIFICAÇÃO 

PRIMEIRA LETRA Variável Medida Modificadora ou inicial (3)

A B C D

E F

Analisador (4) Chama de queimador Condutividade elétrica Densidade ou massa específica Tensão elétrica

-

-

Controlador (12)

-

Diferencial (3)

-

-

-

Elemento primário

-

-

-

Visor (B) Indicador (9) -

-

Alto (6,14.15) -

Lâmpada Piloto (10) -

-

-

-

G H I J

Medida dimensional Comando manual Corrente elétrica Potência

L

Nível

Razão (fração)(3) Vareta ou Seletor (6) -

M

Umidade

-

N(1) O

Indefinida Indefinida (1)

-

P Q

Pressão ou Vácuo Quantidade ou evento

R

Radioatividade

Integrador ou totalizador(3) -

S T U

Velocidade ou Frequência Temperatura Multivariável (5)

Segurança(7) -

V W X(2)

Viscosidade Peso ou Força Não classificada

-

Y

Indefinida (1)

Z

Posição

Vazão

LETRAS SUBSEQUENTES Função de Função final Modificadora informação ou passiva Alarme Indefinida Indefinida (1) Indefinida (1)

Indefinida (1) Orifício de restrição Ponto de Teste -

Indefinida (1) -

Médio ou intermediário (6,14) Indefinida (1) -

-

-

-

-

-

Registrador ou impressor *Multifunção (11) Poço Não classificada -

*Multifunção (11) Não classificada -

-

-

Chave(12) Transmissor *Multifunção (11) Válvula (12) Não classificada Relé ou computação (11,13) Elemento final de controle não classificado

-

* Multifunção indica que um único instrumento é capaz de exercer mais de uma função.

- -

79

OBSERVAÇÃO: Os números entre parênteses se referem às notas relativas que são dadas a seguir.

NOTAS RELATIVAS 1) As letras “indefinidas” são próprias para indicação de variáveis não listadas que podem ser repetidas em um projeto particular. Se usada, a letra deverá ter um significado como “ primeira-letra” e outro significado como “ letra-subsequente”. O significado precisará ser definido somente uma vez e uma legenda para aquele respectivo projeto. Por exemplo: a letra N pode ser definida como Módulo de Elasticidade na “ primeira-letra” na “letrasubsequente”. 2) A letra “não-classificada”, X, é própria para indicar variáveis que serão usadas uma vez, ou de uso limitado. Se usada, a letra poderá ter qualquer número de significados como “  primeira-letra” e qualquer número de significados como “ letra-subsequente”. Exceto para seu uso como símbolos específicos, seu significado deverá ser definido fora do círculo de identificação no fluxograma. Por exemplo: XR-3 pode ser um “registrador de vibração ”, XR-2 pode ser um “registrador de tensão mecânica ” e XX4 pode ser um “osciloscópio de tensão mecânica ”. 3) Qualquer primeira-letra, se usada em combinação com as letras modificadoras D (diferencial), F (razão) ou Q (totalização ou integração), ou qualquer combinação, será tratada como uma entidade “ primeira-letra”. Então, instrumentos TDI e TI medem duas diferentes variáveis, que são: temperatura diferencial e temperatura. 4) A “ primeira-letra” A, para análise, cobre todas as análises não listadas na Tabela 1 e não cobertas pelas letras “ indefinidas”. Cada tipo de análise deverá ser definido fora do seu círculo de indefinição no fluxograma. Símbolos tradicionalmente conhecidos como pH, O2, e CO, têm sido usados opcionalmente em lugar da “ primeira-letra” A. Esta prática pode causar confusão particularmente quando as designações são datilografadas por máquinas que usam somente letras maiúsculas. 5) O uso da “primeira-letra” U para multivariáveis em lugar de uma combinação de “ primeiraletra” é opcional. 6) O uso dos termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário e varredura ou seleção é preferido, porém opcional. 7) O termo “segurança ” se aplicará somente para elementos primários de proteção de emergência e elementos finais de controle de proteção de emergência. Então, uma válvula auto-operada que previne a operação de um sistema acima da pressão desejada, aliviando a pressão do sistema, será uma PCV, mesmo que a válvula não opere continuamente. Entretanto esta válvula será uma PSV se seu uso for para proteger o sistema contra condições de emergência, isto é, condições que colocam em risco o pessoal e o equipamento, ou ambos e que não se esperam acontecer normalmente. A designação PSV aplica-se para todas as válvulas que são utilizadas para proteger contra condições de emergência em termos de pressão, não importando se a construção e o modo de operação da válvula enquadram-se como válvula de segurança, válvula de alívio ou válvula de segurança e alívio. 8) A função passiva “ visor ” aplica-se a instrumentos que dão uma visão direta e não calibrada do processo. 9) O termo “indicador ” é aplicável somente quando houver medição de uma variável. Um ajuste manual, mesmo que tenha uma escala associada, porém desprovido de medição de fato, não deve ser designado “indicador ”. 10) Uma “lâmpada-piloto”, que é a parte de uma malha de instrumentos, deve ser designada por uma “ primeira-letra” seguida pela “ letra subsequente”. Entretanto, se é desejado identificar uma “ lâmpada piloto” que não é parte de uma malha de instrumentos, a “ lâmpada-piloto” pode ser designada da mesma maneira ou alternadamente por uma simples letra L. Por exemplo: a lâmpada que indica a operação de um motor elétrico pode ser designada com EL, assumindo que a tensão é a variável medida ou XL assumindo a lâmpada é atuada por contatos elétricos auxiliares do sistema de partida do motor, ou ainda simplesmente L. A ação de uma “ lâmpada-piloto” pode ser acompanhada por um sinal audível. 11) O uso da “letra-subsequente” U para “multifunção” em lugar de uma combinação de outras letras funcionais é opcional. - -

80

12) Um dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos pode ser, dependendo das aplicações, uma “ chave”, um “relé ”, um “controlador de duas posições”, ou uma “ válvula de controle”. Se o dispositivo manipula uma corrente fluida de processo e não é uma válvula de bloqueio comum atuada manualmente, deve ser designada como uma “ válvula de controle”. Para todas as outras aplicações o equipamento é designado como: a) uma “chave”, quando é atuado manualmente; b) uma “chave” ou um “controlador de duas posições ”, se é automático e se é atuado pela variável medida. O termo “chave” é geralmente atribuído ao dispositivo que é usado para atuar um circuito de alarme, “lâmpada piloto”, seleção, intertravamento ou segurança. O termo “ controlador ” é geralmente atribuído ao equipamento que é usado para operação de controle normal; c) um “relé ”, se é automático e não atuado pela variável medida, isto é, ele é atuado por uma “ chave” ou por um “controlador de duas posições ”. 13) Sempre que necessário as funções associadas como o uso da “ letra-subsequente” Y devem ser definidas fora do círculo de identificação. Não é necessário esse procedimento quando a função é por si só evidente, tal como no caso de uma válvula solenóide. 14) O uso dos termos modificadores “ alto”, “ baixo”, “ médio” ou “intermediário”, deve corresponder a valores das variáveis medidas e não dos sinais, a menos que de outra maneira seja especificado. Por exemplo: um alarme de nível alto derivado de um transmissor de nível de ação reversa é um LAH, embora o alarme seja atuado quando o sinal alcança um determinado valor baixo. Os termos podem ser usados em combinações apropriadas.. 15) Os termos “alto” e “baixo”, quando aplicados para designar a posição de válvulas, são definidos como: alto - denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente aberta; baixo - denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente fechada. 16.1.2 - Simbologia de Identificação de Instrumentos de Campo e Painel 

- -

81

16.1.2.1 - Instrumentação de Vazão

16.1.2.2 - Válvula de Controle

- -

82

16.1.3 - Alguns Arranjos Típicos de Instrumentos 

16.1.3.1 - Vazão

- -

83

16.1.3.2 – Pressão

- -

84

16.1.3.3 - Temperatura

- -

85

- -

86

16.1.3.4 – Nível

- -

87

CAPÍTULO 17 17) MODULAÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL Os dados que trafegam pelo computador são digitais, e são representados por dois valores distintos de tensão elétrica. Um valor representa o bit 1, e o outro valor representa o bit 0. Na figura 1 vemos uma seqüência de bits e a sua representação através de tensões elétricas apropriadas. Observe que a seqüência é um sinal matemático, tratado pelo microprocessador. O sinal digital é uma seqüência eletrônica, na forma de uma tensão elétrica que varia ao longo do tempo, com o objetivo de representar a seqüência de bits. Um sinal digital nada mais é que uma tensão variável que assume dois valores típicos para representar os bits 0 e 1.

- -

88

As comunicações na instrumentação eletrônica são feitas através de um único sinal elétrico(4~20mA), e por isso utilizam apenas um par de fios. Não podemos, por exemplo, transferir dados por essas linhas no formato paralelo (vários bits de uma só vez), mas sim, no formato serial (um bit de cada vez). A interface serial é o meio natural para transmitir e receber dados por linhas telefônicas, já que transmitem ou recebem um bit de cada vez. Na figura 1, as tensões elétricas de +12 e -12 volts são típicas das interfaces seriais existentes nos PCs(computadores pessoais). Infelizmente, cabos de instrumentação não possuem características elétricas que permitam transmitir sinais digitais, mas sim, sinais analógicos. Ao contrário dos sinais digitais, que assumem tipicamente dois valores de tensão elétrica, os sinais analógicos podem assumir infinitos valores de tensão elétrica. A figura 2 mostra o aspecto de um sinal analógico. Observe que o valor da sua tensão elétrica varia bastante, assumindo amplitudes baixas e altas. O sinal digital, por sua vez, mantém seu valor praticamente constante durante pequenos intervalos de tempo, variando apenas em períodos de transição ainda mais curtos.

Se tentarmos ligar em um cabo de instrumentação, o sinal digital proveniente de uma interface serial, ocorrerá uma grande distorção. Até alguns metros, este sinal pode trafegar sem grandes distorções, mas com distâncias maiores, o sinal fica cada vez mais degradado. A figura 3 mostra este tipo de degradação.

- -

89

A solução para transmitir um sinal digital por um cabo simples, sem apresentar distorções, é usando um processo conhecido como modulação e demodulação. Na modulação, o sinal digital é transformado em analógico, e assim pode trafegar em um cabo simples sem apresentar distorções. Ao ser recebido no seu destino, o sinal é demodulado, voltando a assumir a forma digital. Existem vários métodos de modulação. A figura 4 mostra um sistema de modulação bem simples, no qual cada bit é representado por um sinal analógico senoidal com uma determinada freqüência. Observe que o bit 1 é convertido em uma freqüência maior, ou seja, varia mais rápido. O bit 0 é convertido em um sinal de freqüência mais baixa, ou seja, varia mais lentamente.

Existem muitos tipos de modulação analógico/digital.

- -

90

CAPÍTULO 18 18) FIELD BUS 18.1) Introdução A instalação e manutenção de sistemas de controle tradicionais implicam em altos custos principalmente quando se deseja ampliar uma aplicação onde são requeridos além dos custos de projeto e equipamento, custos com cabeamento destes equipamentos à unidade central de controle. De forma a minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede para interligar os vários equipamentos de uma aplicação. A utilização de redes em aplicações industriais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas: • Custos de instalação • Procedimentos de manutenção • Opções de upgrades • Informação de controle de qualidade A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes, requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis. Redes industriais são padronizadas sobre 3 níveis de hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação (ver Figura 1.1). O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramento estatístico da planta sendo implementado, geralmente, por softwares gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o mais comumente utilizado neste nível.

O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada na planta incorporando PLCs, DCSc e PCs. A informação deve trafegar neste nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação. O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às ligações físicas da rede ou o nível de I/O. Este nível de rede conecta os equipamentos de baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os sensores discretos, contatores e blocos de I/O. - -

91

As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou blocos. As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo simples condições ON/OFF. As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes de informações discretas e/ou analógicas e as redes com dados em formato de bloco são capazes de transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis. Assim, classificam-se as redes quanto ao tipo de rede de equipamento e os dados que ela transporta como (ver Figura 1.2): • rede sensorbus - dados no formato de bits • rede devicebus - dados no formato de bytes • rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens

A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes não almejam cobrir grandes distâncias, sua principal preocupação é manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível. Exemplos típicos de rede sensorbus incluem Seriplex, ASI e INTERBUS Loop. A rede devicebus preenche o espaço entre redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas destas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade comparado aos dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Alguns exemplos de redes deste tipo são DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S. A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus incluem IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART. - -

92