Introdução a instrumentação e controle

Instrumentação e Controle Uma Introdução

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Marco Antônio Ribeiro

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Instrumentação e Controle Uma Introdução

Marco Antônio Ribeiro

Dedicado a todos que foram meus alunos, com quem muito aprendi

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão, ou então, que tem razão para evitar falar claramente. (Rosa Luxemburg)

© Tek Treinamento & Consultoria Salvador, BA, Verão 2002

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Prefácio Este trabalho foi escrito para um curso básico e introdutório de Instrumentação e Controle de Processo. Ele pode ser útil a quem nunca teve experiência anterior com o assunto, a quem não quer se tornar especialista, porém, necessita de conhecimentos básicos para se comunicar com o instrumentista. Sobre Instrumentação, o trabalho apresenta de modo simples e direto os conceitos fundamentais sobre Processo industrial, os componentes da Malha de Instrumentos e descreve com mais detalhes as Funções dos Instrumentos, tais como elemento sensor, indidcaor, registrador, transmissor e controlador. No capítulo de Variáveis Medidas, são mostrados os métodos de medição das principais variáveis de processo: pressão, temperatura, vazão e nível. Sobre Controle, são apresentados os conceitos de Controle de Processo, com as estratégias avançadas de cascata, auto-seletor, faixa dividida e relação de vazões. São mostradas as diferenças entre o controle contínuo e o Controle Lógico. Além do controle de processo, explicam-se os conceitos de Alarme e Desligamento, que são usados para proteção e monitoração dos sistemas de controle. Nesta parte, é estudado também o Elemento Final de Controle, geralmente a válvula de controle. Também estuda-se a Hierarquia de Controle, que é a integração das várias camadas da automação do processo. Há ainda os capítulos referentes a Influências Externas que afetam os equipamentos de instrumentação e a Documentação de Instrumentação apresenta os principais diagramas elaborados na Instrumentação. Para encerrar o trabalho, é apresentado como apêndice, o Estilo e Escrita do SI, que mostra as regras semânticas e sintáticas para escrever corretamente números, unidades e símbolos de unidades de grandezas físicas. As críticas destrutivas devem ser enviadas ao autor, que agradece penhoradamente. Endereço físico do autor: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230 Fone (0xx71) 452.3195, Fax (0xx71) 452.3058 e Celular (071) 9989.9531. E-mail: [email protected]

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Conteúdo 1 PROCESSO

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1.1. Conceito de Processo

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1.2. Instrumentos de Processo

1

Medição Controle Manipulação 1.3. Necessidade dos Instrumentos Faixa e precisão da medição Operabilidade Qualidade do processo Contabilidade e Segurança Eficiência do processo Custo de trabalho

2 MALHA DE INSTRUMENTOS

1 2 2

3 FUNÇÕES DOS INSTRUMENTOS 3.1. Princípios Gerais de Medição

2 2 3 3 3 3

4

5

7 7

Medições diretas ou inferidas Medições estáticas e dinâmicas Calibração do Instrumento Verdade na Medição

7 8 8 8

3.2. Transmissão da Informação

10

Cadeia da informação Sinais de Instrumento Faixas de sinais

18 18 18 20

3.3. Indicação e Retenção da Informação 22 Apresentação da Informação Não Permanente Retendo a Informação Permanente Seqüência ISA A (Anteriormente 1)

22 24 26

Seqüência ISA F1A (Anteriormente, 4A) 26

2

2.1. Seqüência de funções em uma malha 4 2.2. Combinando funções em um único instrumento

Sinais convergentes Canal de Sinal Compartilhado Identificação e símbolos dos instrumentos Notas para a Tabela das Letras de Identificação

10 11 12

Tipo

16

Meio

16

Valores

16

Expressão da exatidão

16

Observações

16

4 VARIÁVEIS MEDIDAS

27

4.1. Introdução

27

Conceito Unidades do SI

27 27

4.2. Medição de Pressão

28

Conceitos de pressão e força Tipos de pressão Sensores de Pressão

28 28 29

4.3. Medição de Temperatura

30

Conceito Unidades Escalas de temperatura Sensores de temperatura Acessórios 4.4. Medição de Vazão Conceito Unidades Medidores de Vazão Tipos de Medidores Seleção dos Medidores 4.5. Medição de Nível Conceito Unidades Mecanismos de medição

30 30 30 30 33 35 35 35 35 36 38 43 43 43 43

1

5 CONTROLE DE PROCESSO

46

Chaves Automáticas

72

5.1. Introdução

46

8 ALARME E DESLIGAMENTO 75

5.2. Malha aberta ou fechada

46

5.3. Controle Automático

47

8.1. Componentes 8.2. Tipos de Sistemas de Alarme 8.3. Regras de desligamento automático

Controle binário Controle Proporcional Controle Proporcional mais Integral Controle Proporcional mais Integral mais Derivativo Controlabilidade do processo 5.3.6. Sintonia do Controlador

47 48 48 49 49 53

5.4. Controle Multivariável

54

Relação Cascata Auto-seletor Faixa dividida (Split range)

54 54 55 56

6 ELEMENTO FINAL DE CONTROLE 6.1. Válvulas de Controle Corpo Característica de Vazão Dimensionamento da Válvula Atuador Materiais de Construção 6.2. Reguladores

57 57 57 58 59 60 62 62

6.3. Outros Elementos Finais de Controle64

7 CONTROLE LÓGICO

65

7.1. Conceito

65

7.2. Funcionamento

65

7.3. Vantagens do Controle Lógico

68

7.4. Realização do Controle Lógico

68

Componentes do circuito lógico Controlador Lógico Programável 7.5. Chave Conceito Polos e Terminais Representação dos contatos Chave Liga-Desliga (Toggle) Chave Botoeira (Push-Button) Chave Seletora Critérios de Seleção

75 76 77

9 HIERARQUIA DO CONTROLE 81 9.1. Objetivos da Planta

81

9.2. Hierarquia do Controle

81

9.3. Formato das Malhas de Controle de Processo 81 Instrumentação convencional Instrumentação inteligente Aplicações típicas Uma avaliação

10 INFLUÊNCIAS EXTERNAS 10.1. Efeitos sobre os materiais Da temperatura Da umidade Da explosão Dos contaminantes Da radioatividade Da vibração Do raio 10.2. Efeitos na Exatidão Da temperatura Da umidade Da pressão Dos contaminantes Do raio e de outros fenômenos elétricos Da gravidade 10.3. Fontes de Alimentação Fonte elétrica Fonte pneumática Fonte hidráulica

82 84 85 89

90 90 90 90 91 92 93 93 93 93 93 94 94 94 94 94 94 94 94 95

68 68 70 70 70 71 71 72 72 72

2

11 SELEÇÃO DOS INSTRUMENTOS

96

11.1. Exatidão da malha

96

11.2. Confiabilidade

97

Conceito Número de componentes da malha Redundância Vantagens da Instrumentação

97 98 98 99

11.3. Fatores humanos

100

11.4. Padronização de equipamento

101

11.5. Especificações de instrumentos

101

11.6. Considerações Gerenciais

102

Benefícios de um novo sistema Custos do sistema proposto Avaliação da proposta

102 102 103

12 DOCUMENTOS DE INSTRUMENTAÇÃO

104

12.1. Introdução 12.2. Diagramas de Processo da Planta 12.3. Critérios de Instrumento 12.4. Diagramas de Malha 12.5. Especificações de Instrumentos 12.6. Documentos de Computador 12.7. Diagramas do Anunciador 12.8. Diagramas de Construção 12.9. Requisição de Compra 12.10. Descrição do sistema 12.11. Índice de instrumentos

104 104 105 105 105 105 106 106 106 106 106

APÊNDICE A ESTILO E ESCRITA DO SI 108 1. Introdução 2. Maiúsculas ou Minúsculas 3. Pontuação 4. Plural 5. Agrupamento dos Dígitos 6. Espaçamentos 7. Índices 8. Unidades Compostas 9. Uso de Prefixo 10. Ângulo e Temperatura 11. Modificadores de Símbolos

108 108 109 110 110 111 112 112 113 113 114

3

1 Processo 1.1. Conceito de Processo Um processo é qualquer operação ou seqüência de operações envolvendo uma alteração na substância sendo tratada. Exemplos de processo: 1. Uma mudança no estado da energia, como de quente para frio ou líquido para gás. 2. Uma mudança de composição, como ocorre em uma reação química ou mistura física de duas substâncias diferentes. 3. Uma mudança de dimensão, como na moagem de carvão. Um processo pode ser complexo, como a produção de gasolina através da distilação da mistura complexa de produtos químicos do óleo cru ou pode ser simples, como o bombeamento d'água de um lugar a outro. Processo pode ser: 1. resfriamento do ar ambiente de uma sala para uma temperatura desejada, 2. pasteurização de leite, 3. manutenção em valores constantes da velocidade, direção e elevação de um avião, 4. controle de um conjunto de elevadores em um edifício, 5. operação de um coração artificial, 6. embalagem de alimentos, 7. engarrafamento de líquidos, 8. rastreamento de uma estrela pelo telescópio, 9. rastreamento de um navio por radar. Para todos estes processos, se aplicam certos princípios universais de medição e controle através de equipamentos e técnicas que podem ser muito diferentes. Também os títulos das pessoas que supervisionam ou dirigem o processo podem variar muito, como operador de fábrica, enfermeira de hospital, piloto de avião, astrônomo, técnico de radar, ascensorista e muitos outros. Este trabalho focaliza a instrumentação usada na indústria, principalmente na indústria de processo, que incluem a química, petroquímica, siderúrgica, mineração, alimentícia, farmacêutica. Os instrumentos

mencionados neste trabalho são aqueles usados nestas indústrias. Cada processo possui várias propriedades que podem variar, tais como pressão, temperatura, nível, vazão, acidez, cor, quantidade, viscosidade e muitas outras. Cada uma destas propriedades é chamada de variável de processo. Os valores destas variáveis podem ser medidos e enviados para locais distantes através de sinais. As medições podem ser lidas, usadas para controle ou armazenadas. Energia (entradas) Materiais (entradas)

Processo Industrial

Produtos (saídas)

Energia (saídas) Fig. 1.1. Esquema simplificado de processo

1.2. Instrumentos de Processo Um instrumento de processo é um dispositivo usado direta ou indiretamente para desempenhar uma ou mais das seguintes três funções: 1. medição 2. controle 3. manipulação.

Medição Medir é determinar a existência ou valor de uma variável. Os instrumentos de medição incluem todos os dispositivos usados direta ou indiretamente para este objetivo. Sistemas de medição podem incluir instrumentos auxiliares para fornecer indicações ou alarmes, para calcular valores derivados ou para desempenhar outras funções.

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Processo Controle

1.3. Necessidade dos Instrumentos

Controlar é fazer uma variável do processo, chamada de variável controlada, se manter em um valor especificado ou dentro de limites especificados ou se alterar de um modo especificado. Por exemplo, a temperatura da sala pode ser controlada por um termostato para se manter constante. Um controlador requer e comanda outro dispositivo chamado de elemento final de controle. Um controlador automático pode ser visto como um cérebro automático que não tem músculo. O músculo é o elemento final de controle. Os diferentes controladores podem operar automaticamente ou por ajuste manual.

A história da humanidade está ligada ao uso de instrumentos. Desde os tempos primitivos o homem mede distância, tempo e massa. A idade do controle automático começou com o inglês James Watt, no século XIX, com a invenção de um governador para controlar a velocidade de uma turbina a vapor. Isto evoluiu para o universo moderno da instrumentação que tem uma variedade quase infinita de funções, construções e objetivos. Atualmente, está se idade do computador, genérico e dedicado, que está associado com os instrumentos convencionais para medir e controlar todos os tipos de processo. As capacidades dos sistemas de instrumentos estão continuamente aumentando com benefícios para a industria.

Faixa e precisão da medição

Fig. 1.2. Processo industrial e instrumentos

Manipulação Manipular é fazer um elemento final de controle variar diretamente uma variável de processo de modo a conseguir o controle de outro variável do processo. Por exemplo, o termostato do controle de temperatura da sala operar um damper de ar, que manipula a vazão de ar. O elemento final obedece ao controlador e segue sempre seu comando, que vem através de um sinal. As três funções de medir, controlar e manipular são geralmente referidas na forma simplificada de medição e controle. Neste termo descritivo, a manipulação está absorvida pelo controle, porque ambas as funções estão envolvidas na ação corretiva de controlar o processo. Mesmo assim, é importante distinguir as funções diferentes de controlar e manipular. O termo instrumentação de processo cobre as categorias acima de instrumentos, mas também inclui os instrumentos acessórios associados, como fiações, tubulações, reguladores, conjuntos distribuidores, poços, selos. Eles excluem as fontes de alimentação que simplesmente possibilitam o funcionamento dos instrumentos.

Qualquer que seja a variável envolvida, há muita dificuldade para se medir três coisas: 1. valores muito pequenos, 2. valores muito grandes e 3. faixas muito estreitas. Atualmente, os instrumentos medem valores cada vez menores e maiores. Os instrumentos podem medir dimensões sobre uma faixa de microns a anos-luz, podem medir intervalos de tempo de 10-10 s a 1010 anos, pesos menores que 10-9 de grama até várias toneladas, muito além dos limites humanos. Analisadores químicos fornecem medições automáticas de composição em ppb (parte por bilhão). Somente através de instrumentos pode-se ter medições confiáveis da pureza de ligas metálicas e misturas químicas e da qualidade do ar e água do ambiente.

Operabilidade Alguns processos não seriam práticos ou mesmo possíveis, se não houvesse a instrumentação. Todo o campo nuclear é um exemplo de uma indústria que não existiria se não houvesse a instrumentação para medir a radioatividade. Ninguém tem a sensação física de perceber um raio-X aplicado em um dente ou a radiação natural das paredes mas existem instrumentos que medem tais coisas e estes instrumentos são vitais para a operação de uma usina nuclear. Somente os instrumentos são capazes de medir continuamente a vazão de catalisadores para a produção de gasolina em um craqueador catalítico. Somente a medição e o controle automático são capazes de conseguir a mistura exata de cores em tintas, em escala industrial. Os edifícios com dezenas de

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Processo andares não seriam práticos se não tivessem elevadores e seus sistemas de controle para transportar pessoas e equipamentos até às alturas.

Qualidade do processo A medição e o controle automático conseguem a pasteurização de milhões de litros de leite, de modo apropriado para a saúde das pessoas. O processo de pasteurização requer a manutenção de uma temperatura elevada durante um determinado período de tempo para matar as bactérias nocivas, porém ao mesmo tempo, esta temperatura não pode exceder limites máximos nem ultrapassar determinados intervalos para não se perder os nutrientes do leite. Depois, o leite tem sua pureza testada e é armazenado em baixa temperatura controlada para manter sua qualidade. Somente a medição e o controle automático podem manter esta qualidade em escala industrial Uma refinaria de petróleo deve fabricar vários tipos de gasolina (comum, azul, de aviação), óleo diesel, querosene para atender os diferentes usuários, que requerem diferentes combustíveis. Somente a medição e o controle automático podem conseguir estes produtos com qualidade estável e em quantidades industriais.

Contabilidade e Segurança Os resultados acima poderiam ser obtidos mas também poderiam ocorrer acidentes e catástrofes se os instrumentos de medição e controle não operassem de modo apropriado e seguro. Se os instrumentos operassem fora de suas especificações, o resultado poderia ser um leite indevidamente pasteurizado que produziria doenças nas pessoas ou os carros, caminhões e aviões poderiam não funcionar ou gastar muito mais combustível que o previsto. As usinas nucleares de produção de energia elétrica são muito complexas. Para garantir o funcionamento e segurança de uma usina, usam-se numerosos instrumentos redundantes, com funções superpostas, conforme normas exigentes e rigorosas, que excedem as especificações de instrumentos industriais comuns, que já satisfazem muitas normas. Um exemplo de melhoria de disponibilidade e confiabilidade é usar instrumentos para reduzir a freqüência de manutenção de equipamentos de processo. Por exemplo, a água tratada que alimenta os geradores de vapor deve ter altíssima pureza, próxima da pureza de uma água distilada, para minimizar a corrosão dos tubos do gerador de vapor. A corrosão elimina material e afina as paredes da

tubulação, resultando em vazamento. A encrustação piora a transferência de calor dos gases quentes de combustão para a água, aumentando o consumo de óleo pelo gerador de vapor, resultando em uma menor eficiência operacional e aumentando os custos de operação. Analisadores químicos contínuos são usados rotineiramente para manter a água pura, protegendo o gerador. Outro aspecto da confiabilidade é que os instrumentos não tem problemas humanos, por exemplo, não odeiam, não se apaixonam, não ficam com sono, não tem ressaca, não torcem pelo time de futebol, não tem preocupação financeira e não tem tensão pré menstrual. Enfim, os instrumentos são mais confiáveis.

Eficiência do processo A eficiência do processo depende muito de como as variáveis são controladas. A eficiência está relacionada com o modo como a saída desejada se relaciona com as entradas do processo. Por exemplo, carvão contendo uma determinada energia termal é colocado em um gerador de vapor e queimado. Uma quantidade correspondente de vapor deve ser teoricamente gerada se a planta opera com eficiência de 100%. Mas nenhuma planta é ideal, por causa das limitações físicas e dificuldades operacionais, inclusive as fraquezas do operador. Se parte da limitações do operador da planta é substituída por instrumentos, a eficiência do processo aumenta. Maior eficiência significa maior produtividade e menor custo operacional. Uma alta eficiência não requer somente um bom projeto do processo e do equipamento mas também a escolha dos instrumentos certos para fazer o processo operar do modo desejável.

Custo de trabalho Muitas funções de medição e controle que são feitas por pessoas podem ser feitas, no mínimo tão bem quanto, por instrumentos automáticos. O custo adicional de comprar, manter e operar os instrumentos, justifica plenamente a substituição de gente por instrumentos. A tendência histórica para plantas de processo é ter cada vez menos gente e mais instrumentos, por causa da vantagem econômica e da capacidade sobrehumana dos instrumentos.

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2 Malha de Instrumentos 2.1. Seqüência de funções em uma malha Há três funções básicas de instrumentos: medir, controlar e manipular. Todos os instrumentos fazem uma ou a combinação destas três funções. Uma combinação de instrumentos ou funções que são interligados para medir ou controlar um processo é chamado de malha. A Fig. 2.1. mostra um diagrama de bloco de uma malha de instrumentos simples para controlar a velocidade de um automóvel. O processo é o motor do carro em operação. O objetivo é manter constante a velocidade do carro. Há variações técnicas, mas se supõe que a velocidade do motor é um índice da velocidade do carro, significando que a velocidade do carro pode ser considerada constante se a velocidade do motor for constante, não importando se o carro está subindo, descendo ou no plano. Para controlar a velocidade, o motorista do carro ajusta manualmente um controlador para manter uma velocidade, por exemplo, de 80 km/h. A velocidade real é continuamente medida por um sensor de velocidade, que manda um sinal para informar ao controlador qual é o valor da velocidade. O controlador então decide se a velocidade real é muito alta ou muito baixa. Se for muito baixa, o controlador envia um sinal para uma válvula de combustível para abrir mais, para permitir um aumento da vazão de combustível. Se for muito alta, o controlador comanda a válvula para abrir menos. Se a velocidade estiver no valor ajustado, nada se altera. Em qualquer caso, o motor aumenta ou diminui a velocidade, se e quando necessário. Através da medição, controle e manipulação contínuas, o sistema de controle mantém constante a velocidade do carro. A figura mostra como o sensor não faz nada a não ser medir e enviar a informação para o controlador. O sensor é chamado também de elemento primário. O controlador não faz nada a não ser estudar a situação do processo, comparando o que está com o que devia estar

e então envia um comando para o elemento final de controle. O elemento final de controle não faz nada a não ser manipular a vazão do combustível. Aqui é onde é necessário fornecer uma força física para superar as forças do processo de modo a dar um bom controle. Na malha de controle, o elemento final de controle aplica uma grande força para fazer seu trabalho. A velocidade do carro é a variável controlada; a vazão do combustível é a variável manipulada.

Combustão de ar

Motor (processo)

Sensor de velocidade

Ajuste manual da velocidade

Suprimento de combustível

Controlador de velocidade

Válvula de combustível (elemento final)

Vazão de combustível (elemento manipulado) Notas: 1. Setas indicam direção de vazão de material ou informação. 2. Os elementos da malha de controle do processo são mostrados em linha mais grossa 3. O controle mantém automaticamente a velocidade do carro constante. 4. A vazão do combustível é manipulada para controlar a velocidade.

Fig. 2.1. Controle da velocidade do carro Um exemplo de outra malha de controle, tomado da indústria, é mostrado na Fig. 2.2. Um volume constante de água é armazenado em um tanque para fornecer uma reserva para o equipamento do processo que fornece água em vazões flutuantes. O controle automático é usado para manter o nível do tanque alto e para impedir o vazamento do tanque. Um sensor mede o nível de água e envia para um transmissor um sinal que corresponde a este nível. Um transmissor é um instrumento que passa adiante a informação que ele recebe do sensor em uma forma padronizada. O sensor pode ser parte ou não do transmissor. O transmissor então envia um sinal de medição

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Malha de Instrumentos para um controlador que comanda a válvula de controle, que, por sua vez, manipula a vazão de suprimento de água para o tanque, quando necessário, para manter constante o nível do tanque. A variável controlada é o nível do tanque; a variável manipulada é a vazão de entrada da água para o tanque. A informação enviada pelo transmissor pode ser usada por outros instrumentos além do controlador. Por exemplo, esta informação pode ser usada por um indicador, registrador ou alarme. Estes instrumentos não fazem parte da malha de controle mas fazem parte da malha de instrumentos.

Sensor

Indicador

Um instrumento, duas funções - termômetro caseiro

sinal Sensor

Indicador

Dois instrumentos, uma função por instrumento, duas funções no total

Fig. 2.2. Duas malhas para indicar temperatura

2.2. Combinando funções em um único instrumento Para medir ou controlar uma variável de processo pode ser necessário somente um único instrumento, mas, geralmente, são necessários vários instrumentos trabalhando juntos e formando uma malha. Um termômetro caseiro sente e indica a temperatura; é um sistema de medição completo, uma malha completa. Um termômetro industrial geralmente possui o elemento sensor separado do indicador. Em outro exemplo, a medição de temperatura na indústria pode ser feita com um sensor, transmissor e indicador, todos separados e interligados entre si para indicar a temperatura do processo em local distante. As funções individuais nem sempre são óbvias quando seu equipamento está uma única caixa física, mas todas as funções estão lá. Entendendo as funções básicas, pode-se entender melhor como os conjuntos operam. Como exemplo, seja o ferro elétrico de passar roupa, que é um único aparelho que possui uma malha completa de controle. O ferro é um regulador que mantém constante a temperatura, com valores ajustáveis para algodão, seda, sintético e outros tecidos. Seu uso requer a intervenção e energia humanas, mas isto está separado de suas funções automáticas de controle de temperatura. O ferro controla sua temperatura, fornecendo um comando corretivo se a temperatura estiver diferente da temperatura ajustada, fechando ou abrindo um contato elétrico. Em temperatura abaixo da ajustada, a chave fecha, a corrente elétrica flui e esquenta o ferro, a temperatura aumenta e tende a ficar mais alta que a ajustada. Quando ela fica igual à ajustada, a chave abre, a corrente é interrompida e temperatura começa a abaixar e o ciclo de ligadesliga se mantém indefinidamente.

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Sensor de nível Ponto de ajuste manual do nível

Suprimento de água

Transmissor de nível

Controlador de nível

Válvula de controle (elemento final de controle)

Indicador Tanque de armazenagem (processo de nível)

Vazão da água (variável manipulada)

Registrador Sistema de alarme Sistema de segurança Computador

Usuários da água do processo Notas 1. As setas indicam direção de fluxo de material ou de informação. 2. Os elementos da malha de controle do processo são mostrados em linha mais grossa. 3. A vazão de água é manipulada para controlar o nível do tanque.

Fig. 2.3. Controle do nível de água em um tanque

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3 Funções dos Instrumentos 3.1. Princípios Gerais de Medição Medições diretas ou inferidas Há dois modos de se fazer uma medição: direta ou inferida. Medição direta Quando se quer saber se está ventando fora de casa, pode-se ir para fora e sentir na cara se está ventando. Esta é uma medição direta. No caso de instrumentos, há medidores diretos de vazão (rotâmetro caseiro e bomba de gasolina), que fornecem uma indicação direta do volume do fluido que passa através do medidor. Medição inferida Pode-se determinar se está ventando fora de casa apenas indo à janela e observando se as folhas das arvores, a superfície de um lago ou uma bandeira em um mastro estão se mexendo. Estas medições são inferidas ou indiretas. Elas dependem de sentir os efeitos do vento em vez de sentir o próprio vento. Na indústria, a medição de vazão de fluidos através da placa de orifício, mede-se a vazão através da medição da pressão diferencial gerada pela placa, quando a vazão do fluido passa no seu interior. A medição inferida sente o efeito criado pela variável que se quer medir e não sente diretamente a variável que se quer medir. A maioria das medições das variáveis de processo é inferida. Por exemplo, mede-se a pressão através da deformação elástica, medese a temperatura através da milivoltagem criada pelo termopar ou da resistência elétrica que dependem da temperatura medida.

Faixa e Span Cada variável medida e cada instrumento de medição possuem uma faixa selecionada. Faixa é definida como o limite inferior e o limite superior de variação ou utilidade. O limite superior é chamado de fundo de escala. Por exemplo, suponha que se queira selecionar um termômetro para medir a temperatura externa de um ambiente. A temperatura, na Bahia, pode variar entre 18 e 40 oC. Para se ter alguma margem em cima e em baixo, se estende a escala para 5 e 50 oC. A faixa de temperatura de projeto ou de trabalho é então de 18 a 40 oC e a faixa de temperatura do instrumento é de 5 a 50 oC. Amplitude da faixa, ou span é a diferença algébrica entre os limites superior e inferior da faixa. Para um termômetro com faixa de -40 a 130 oC, a largura de faixa é igual a 170 oC, pois 130 - (-40) = 130 + 40 = 170 oC Um velocímetro de automóvel tendo faixa de 0 a 240 km/h tem a largura de faixa de 240 km/h. A faixa é sempre expressa por dois números; a amplitude da faixa por um único número positivo.

Faixa de projeto = -20 a +115 oC Largura de projeto = 135 oC

Limite inferior da faixa

115

-20 -40

Limite superior da faixa

0

Fundo de escala

130

Faixa do instrumento = -40 a +130 oC Largura do instrumento = 170 oC

Fig. 3.1. Faixa e amplitude de faixa do instrumento

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Medição Medições estáticas e dinâmicas Suponha que se quer medir a temperatura da água dentro de uma vasilha sobre uma mesa de casa. Põe-se um termômetro de haste de vidro dentro d'água, espera-se três minutos para que a temperatura do termômetro atinja a temperatura da água e faz-se a leitura na escala de vidro. Esta medição é relativamente fácil, por que a temperatura da água é praticamente constante. Quando se quer medir a temperatura de um forno cuja temperatura está variando continuamente entre 80 e 85 oC, a leitura do termômetro se torna difícil, pois a temperatura está oscilando continuamente. Em um dado momento, ela está em 80 oC, logo depois em 81 oC e não se equilibra. A medição da temperatura constante é feita sob condições estáticas, também conhecidas como estado de regime ou em equilíbrio. Quando a temperatura está aumentando ou variando continuamente, as condições são dinâmicas, também conhecidas como instáveis ou transitórias. Em um dado momento, quando as temperaturas medidas e indicadas estão se alterando e são diferentes, a diferença é o erro dinâmico. O termo dinâmico é relativo. Alguns sensores são muito rápidos para responder às variações e tem uma resposta rápida ou um tempo de resposta curto. Outros sensores tem um resposta lenta e um tempo de resposta longo. Quando se mede uma temperatura que está variando, há pequeno erro dinâmico quando se usa um termômetro com resposta rápida ou quando a variação da temperatura é muito lenta. O erro dinâmico é grande quando se usa um termômetro com resposta lenta e quando se varia rapidamente a temperatura que se quer medir. A Fig. 3.2. mostra como uma variação brusca da entrada de um instrumento de seu valor inicial de regime para seu valor final de equilíbrio causa uma variação gradual na saída do instrumento. A variação brusca, que teoricamente é feita instantaneamente, é conhecida como variação degrau. O modo padrão de descrever o tempo de resposta de um sistema simples é pela constante de tempo, que é baseada na variação de 63,2% da saída causada por uma entrada tipo degrau. Por exemplo, se a constante de tempo de um dado instrumento é de 6 segundos, então quando se aplica uma entrada degrau na entrada, a saída irá atingir 63,2% do valor final da saída em 6 segundos. Quando se comparam os tempos de resposta de dois instrumentos diferentes, é importante estabelecer estes tempos do mesmo modo. Quando isto não é feito, é difícil

avaliar o desempenho relativo destes instrumentos diferentes.

Fig. 3.2. Atrasos: tempo morto e tempo característico

Calibração do Instrumento Calibrar um instrumento é fazer sua saída corresponder a uma série de entradas deste instrumento. Os dados assim obtidos são usados para: 1. determinar os pontos em que as graduações da escala devem ser colocados, 2. ajustar a saída do instrumento para os valores desejados, 3. avaliar o erro, comparando o valor real lido com o valor ideal da saída. Por exemplo, calibrar um transmissor eletrônico de temperatura, com saída de 4 a 20 mA cc, na faixa de 0 a 200 oC, é ajustá-lo (parafuso de zero e de largura de faixa) para que estas curvas se correspondam.

Verdade na Medição Todas as medições são imperfeitas por que os instrumentos que as executam são imperfeitos. Há limites para que uma medição seja feita corretamente. Quanto mais o valor da medição se aproximar do valor verdadeiro, mais precisa e exata é a medição. A maior precisão é obtida usando-se o instrumento mais preciso, a melhor técnica de medição e tomando-se a média de muitas medições replicadas. Mesmo a medição feita com o instrumento científico mais preciso de um país é imperfeita. Exatidão Erro de exatidão é a diferença entre o valor medido e o valor verdadeiro. Suponha-se que a temperatura ambiente de uma sala seja de 20,123 456... oC, mesmo que não se conheça isto. Quando se lê o termômetro da sala, ele indica a temperatura de 20 oC e se diz que a temperatura da sala é de 20 oC. Não se pode ler a temperatura da sala, mesmo que tome o máximo cuidado. Poderia se usar um

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Medição termômetro mais preciso, de laboratório, cuja leitura seria de 20,123 oC, que ainda possui um erro residual. Nunca se alcançará a verdade absoluta; qualquer medição se aproxima mais ou menos do valor verdadeiro dependendo da precisão do instrumento de medição. No exemplo acima e para fins práticos, seja a temperatura da sala igual à indicada pelo termômetro mais preciso: 20,123 oC. O erro do primeiro termômetro vale 20 - 20,123 oC, igual a -0,123 oC. Um erro negativo significa que a leitura é menor que o valor verdadeiro; erro positivo significa que a leitura é maior que o valor verdadeiro. Em certos casos, o erro não tem a mínima importância. Para quem está na sala acima, não há nenhuma diferença que a temperatura esteja em 20 oC em vez de 20,123 oC. Uma incoerência da terminologia da metrologia é que um erro, que é a imprecisão ou inexatidão, seja chamado de precisão ou exatidão. A precisão ou exatidão da medida acima é de -0,123/20 = -0,006 do valor medido ou -0,6% da leitura. O modo como as precisões são expressas pelos fabricantes e usuários de instrumentos pode causar mal entendidos em comparações e aplicações práticas. Em um exemplo prático e de outra área, sejam os rendimentos da poupança do banco igual 4% ao mês e os rendimentos do Fundão igual a 6% ao mês. Quando se comparam as duas taxas de juros, pode dizer que a diferença é de 2% ou então é de 50% (2/4 x 100%) ou mesmo de 33% (2/6 x 100%). As três expressões podem estar corretas mas são diferentes e calculadas por modos diferentes. Em metrologia e instrumentação não há um modo padronizado e consensado de se expressar a exatidão (ou a inexatidão) ou precisão (ou a imprecisão) dos instrumentos. Na maioria dos casos, por má fé, incompetência ou desconhecimento do assunto, a expressão é incompleta, ambígua ou mesmo errada. Geralmente usam-se as expressões de percentagem do fundo de escala (full scale), da largura de faixa (span), da faixa calibrada e do valor lido. Também se expressa a precisão em unidade de engenharia, especificando a faixa medida. Um instrumento de grande precisão e pequeno erro é preferível a outro de pequena precisão e grande erro. É uma questão associada a cada aplicação a análise do custo e benefício de se usar um instrumento de grande precisão. A precisão resultante de uma série de instrumentos em uma malha é geralmente pior do que a precisão de cada instrumento

individual, por que a precisão da malha inclui os efeitos degradantes de todas as imprecisões individuais. Para fins de cálculo, a precisão da malha é sempre pior ou menor que a de cada instrumento individual. Quando se mede a precisão da malha, é possível que se encontre uma incerteza resultante menor e até desprezível, mas isto é uma questão de probabilidade e só é válida para aquele momento da medição. Precisão As palavras exatidão e precisão tem significados diferentes. Como visto, exatidão é a diferença entre o valor lido (aparente) do valor verdadeiro (ideal) da variável. Exatidão é uma comparação entre uma leitura e a verdade. Precisão é a proximidade de cada medição com outra de sucessivos valores lidos da variável. Precisão é uma comparação entre diferentes leituras de um mesmo valor da variável. É uma medida do espalhamento de valores supostamente iguais. A Fig. 3.3.(a) ilustra a diferença entre exatidão e precisão. Tiro ao alvo. Repetibilidade Repetibilidade é a propriedade do instrumento dar o mesmo valor da saída para o mesmo valor da entrada, mantendo-se o mesmo operador e todas as condições de contorno. A repetibilidade é observada e medida quando se varia a entrada do instrumento sobre toda sua faixa, subindo e descendo e medindo os valores correspondentes da saída e repetindo esta operação várias vezes. Por causa das várias imperfeições do instrumento, obtêm-se várias linhas diferentes para cada subida e descida e diferentes entre as várias subidas e as várias descidas. Ou seja, as linhas de subida não coincidem com as linhas de descida e as várias linhas de subida e de descida não coincidem entre si. Esta falta de repetibilidade é chamada de histerese do instrumento. Se o instrumento não tivesse histerese e operasse perfeitamente haveria apenas uma linha em vez das várias linhas diferentes.

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Medição

Faixa de erro permissível Zona de alta exatidão Valor verdadeiro

Medição Exatidão Precisão

(i)

Alta

Alta

(ii)

Alta

Baixa

(iii)

Baixa

Alta

Baixa

Baixa

(iv)

(a) Exatidão versus Precisão Notas: 1. O objetivo é medir o valor verdadeiro da variável de processo. Qualquer medição dentro da faixa de erro permissível é considerada de alta exatidão, fora da faixa é de baixa exatidão. Um pequeno espalhamento das leituras mostra uma alta precisão, um grande espalhamento, baixa precisão. 2. Foram feitas três leituras com quatro instrumentos, (i), (ii), (iii) e (iv).

(b) Repetibilidade versus Reprodutitividade Nota As várias curvas de medições repetidas se desviam entre si por causa da inexatidão do instrumento. O ideal seria uma única linha reta de 0 a 100%, em todas as medições, subindo e descendo

Fig. 3.3. Verdade na medição

Para uma dada entrada, a largura de faixa dos valores crescentes da saída é a repetibilidade da subida e a largura de faixa dos valores decrescentes é a repetibilidade da descida. Para esta entrada, a largura de faixa dos valores extremos das saídas crescente e decrescente é a reprodutitividade. Estes termos são ilustrados na Fig.3.3(b). A falta de coincidência das linhas que deveriam coincidir idealmente revela a não repetibilidade não reprodutitividade; mesmo assim se fala de repetibilidade e de reprodutitividade e elas são expressas em percentagem da largura de faixa. A reprodutitividade é uma palavra mais útil que repetibilidade, pois ela inclui a repetibilidade mais outros parâmetros da precisão como desvio durante um intervalo de tempo (drift), histerese e banda morta.

3.2. Transmissão da Informação Cadeia da informação Entrada e saída são palavras essenciais para discutir os instrumentos de processo. Entrada Entrada é qualquer informação que é fornecida a um instrumento ou outro equipamento. A informação pode vir 1. diretamente do processo, como de um elemento sensor de temperatura, pressão, nível ou vazão ou 2. na forma de um sinal padrão pneumático ou eletrônico gerado por um transmissor ou outro instrumento condicionador do sinal. 3. na forma de um sinal padrão gerado pelo controlador, que modifica sua entrada e envia o seu sinal de saída para o elemento final de controle. Saída Saída é a informação ou outro efeito produzido por um instrumento ou outro equipamento. A saída pode ter uma das seguintes formas: 1. um sinal para um ou mais outros instrumentos 2. uma leitura na escala de indicador 3. um registro no gráfico de registrador 4. um sinal luminoso (lâmpada) ou de áudio (buzina ou sirene) de alarme para mostrar o status do processo 5. uma mensagem na tela do computador 6. a variável manipulada pela válvula de controle. A entrada da válvula é a saída do controlador. As palavras entrada e saída são usadas não apenas para instrumentos individuais mas também para sistemas de instrumentos. Elas

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Medição também são usadas em situações de não engenharia. Em uma malha de instrumentos, a saída de um instrumento é entrada do próximo instrumento. Por exemplo, na Fig. 3.4 tem-se uma malha de controle, indicação, registro, alarme de nível de um tanque, com um transmissor de nível, controlador e válvula de controle na entrada do tanque. As entradas e saídas do sistema são as seguintes: 1. A primeira entrada é a informação acerca do nível do líquido do tanque. O sensor de nível detecta o valor do nível e entrega este sinal ao transmissor de nível. 2. O transmissor de nível recebe o sinal do sensor e gera na sua saída um sinal padrão proporcional ao nível, que será entrada de vários instrumentos receptores. 3. O indicador de nível recebe em sua entrada o sinal de saída do transmissor e apresenta o valor do nível ao operador, através do conjunto escala e ponteiro (analógico) ou de dígitos (digital). A saída do indicador não é um sinal mas a própria indicação. 4. O registrador de nível recebe em sua entrada o sinal de saída do transmissor e imprime o valor do nível no gráfico, através de uma pena. A saída do registrador não é um sinal mas o próprio registro. 5. O sistema de alarme recebe em sua entrada o sinal de saída do transmissor e irá acender uma lâmpada ou soar uma sirene quando o valor do nível atingir valores críticos determinados. As saídas do sistema de alarme são contatos elétricos que irão mudar o status (de aberto para fechado ou de fechado para aberto) quando o valor do nível atingir valores críticos. As lâmpadas e sirene estão ligadas à saída do sistema de alarme. 6. O controlador recebe em uma de suas entradas o sinal de saída do transmissor de nível. Na sua segunda entrada ele recebe o ponto de ajuste, estabelecido manualmente pelo operador e igual ao valor desejado para o nível. A partir da diferença destes dois sinais (medição e ponto de ajuste), chamada de erro, o controlador gera um sinal de saída, padronizado que vai para a válvula de controle. 7. A válvula de controle recebe em sua entrada o sinal de saída do controlador. A saída da válvula de controle é a sua abertura, que dá passagem para a vazão

do líquido que enche o tanque. Quando sinal de saída do controlador varia, a abertura da válvula varia e a vazão de entrada também varia. O sinal de saída do transmissor pode ainda alimentar outros instrumentos, como computador de aquisição de dados, sistema de intertravamento. A maioria dos instrumentos requer uma alimentação, elétrica ou pneumática, para funcionar. Porém, a alimentação do instrumento não é considerada entrada pois não contem informação. A alimentação é a energia necessária para o funcionamento do instrumento. O instrumento alimentado funciona corretamente somente quando manipula sinais em sua entrada e saída.

Sinais de Instrumento O sinal é uma variável que contem uma informação e que representa uma variável de processo. Por exemplo, o transmissor pneumático de nível gera um sinal na sua saída, padrão de 20 a 100 kPa, que é função linear do valor do nível. Quando a saída do transmissor for igual a 20 kPa significa que o nível está em 0%, quando a saída valer 100 kPa o nível está em 100% e quando a saída for de 60 kPa o nível está em 50%. A mesma situação ocorre com o transmissor eletrônico de nível, com saída de 4 a 20 mA cc: saída de 4 mA cc significa nível de 0%, 12 mA cc equivale a nível de 50% 20 mA cc significa 100%. Há três tipos básicos de sinais: binário, analógico e digital. Sinal binário O sinal binário é o tipo mais simples, possuindo dois valores discretos possíveis: 0 ou 1, ligado ou desligado, sim ou não, verdadeiro ou falso. Discreto significa que consiste de duais partes individuais distintas e desligadas. A saída de um instrumento binário muda de um valor para outro de acordo com sua entrada, que pode ser maior ou menor que um valor de referência. Um termostato ou chave de temperatura é um exemplo de um dispositivo que fornece sinal binário. Seja um termostato ajustado para a temperatura de 20 oC. Sua saída liga e desliga o motor do compressor de ar condicionado. Quando o motor estiver ligado, o compressor funciona e abaixa a temperatura da sala. Assim, quando a temperatura atingir 20 oC o termostato desliga o compressor e a temperatura começa a subir. Quando passa por 20 oC subindo, o termostato liga o compressor e a temperatura começa a descer e o ciclo se repete. A função única do termostato é verificar

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Medição se a temperatura da é menor que 20 oC. Se for menor, ele desliga o compressor; se for maior ele liga o compressor. O sinal de saída do termostato é sempre ligado ou desligado, com nada no meio. O sinal binário pode ter ações diferentes: direta ou inversa. Na ação direta, quando a medição estiver abaixo do valor desejado, a saída está desligada e quando estiver acima do ajustado, a saída está ligada. Na ação inversa quando a medição estiver abaixo do valor desejado a saída está ligada e quando estiver acima do valor desejado a saída está desligada. Um sinal binário é, às vezes, chamado de sinal digital ou sinal digital discreto. Porém, o sinal binário, em qualquer momento, somente diz se uma condição está ligada ou desligada. O estado do sinal pode ser momentâneo ou durar indefinidamente. O sinal binário não tem a natureza periódica e repetitiva do sinal digital verdadeiro. Sinal analógico O sinal analógico é aquele que varia continuamente e quando vai de um ponto a outro, assume todos os infinitos valores intermediários entre os dois pontos. A sua variação é contínua, sem saltos bruscos e sem quebras. O ajuste automático da saída analógica de um instrumento, quando sua entrada varia, é conhecido como modulação. Para a maioria dos instrumentos analógicos, a saída varia em uma relação biunívoca com a entrada: para cada valor da entrada há um valor de saída e cada valor da saída corresponde a um único valor da entrada. Para a minoria dos instrumentos analógicos, incluindo o controlador analógico, a saída do instrumento pode variar não apenas em função da entrada, mas também em função do tempo e neste caso pode-se ter saídas diferentes para uma única entrada, mas variando com o tempo. A maioria das pessoas, quando fala de analógico e digital, geralmente só pensa na indicação. A indicação analógica é aquela obtida pelo conjunto escala e ponteiro, um móvel em relação ao outro.

discretos como os dígitos numéricos ou letras alfabéticas para fornecer uma mensagem inteligível para um operador. O uso combinado de letras e números é chamado de alfanumérico. Por exemplo, há instrumentos que enviam sinais digitais para representar uma vazão, pressão, temperatura ou outra variável de processo. O relógio digital comum conta pulsos elétricos e fornece uma leitura, analógica ou digital, usando os dez dígitos do sistema decimal de numeração. Existem conversores de sinais para transformar sinais digitais em outras formas de sinal e vice-versa.

Faixas de sinais Sinais binários, por definição, tem somente dois valores, alto e baixo. Sinais analógicos tem uma série inquebrável de valores entre 0 e 100% de sua faixa. Os valores nominais dos sinais mais comuns são mostrados na Tab. 3.1 As normas ISA S7.4 e S50.1 definem os sinais pneumático e eletrônico. Além dos sinais mostrados na Tab. 3.3, há outros tipos usados, tais como eletromagnéticos (medidor magnético de vazão), óptico, infravermelho (medidor de temperatura), radiativo (medidor de nível), acústico ou ultra-sônico (medidor de vazão e nível) As faixas padrão de transmissão raramente começam de zero, por dois motivos vantajosos: 1. detecta erro, quando há problema na transmissão, 2. melhora a precisão no início da faixa. Nas faixas de transmissão padrão de 20 a 100 kPa e de 4 a 20 mA, os valores de 20 kPa e de 4 mA são conhecidos como zeros vivos. São disponíveis conversores de sinais, com diferentes entradas e saídas, para compatibilizar o uso de instrumentos que manipulem sinais de diferentes tipos. Assim, existem conversores de analógico para digital (A/D), digital para analógico (D/A), sinal pneumático para corrente, corrente para pneumático, pulso para corrente e corrente para pulso.

Sinal digital Um sinal digital tem elementos discretos, tipicamente um trem de pulsos cuja altura, freqüência ou formato varia de um modo que corresponda exatamente à variação do sinal de saída. Embora o sinal tenha uma forma de pulso, a informação transportada pode ser binária, analógica, numérica ou alfabética. O sinal de pulso pode ser convertido subseqüentemente na forma binária ou analógica ou em um conjunto de símbolos

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Medição

Nível do Entrada tanque

Sensor de nível

Transmissor de nível

Saída Entrada Transmissor de nível

Entrada

Registrador de nível

Entrada

Sistema de alarme

Entrada

Sistema de segurança

Entrada

Computador

Entrada

Controlador de nível

Saída

Ajuste manual do nível Saída

Entrada

Saída Entrada Válvula de controle

Notas: As fontes de alimentação não estão mostradas Vazão do processo

Fig. 3.4. Cadeia de informação para uma malha de instrumentos

3.13

Medição

Nível do tanque

Sensor de nível

Transmissor de nível

Sinal não padrão

Registrador de nível

Transmissor de nível 4 a 20 mA

Conversor 10 a 50 mA de sinal

Sistema de alarme

Sistema de segurança

Conversor de sinal

1a5V

Computador

Conversor 20 a 100 kPa Controlador de sinal de nível Ajuste manual 20 a 100 kPa do nível Sinal de

20 a 100 kPa

comando

Válvula de controle Notas: As fontes de alimentação não estão mostradas Vazão do processo Fig. 3.5. Compatibilidade dos sinais dos instrumentos

3.14

Medição

LE 1

LT 1 Sinal padrão do fabricante

4 a 20 mA

LI 1 I/I

LR 1 UA 2

LY 1A

Suprimento de água

Tanque de armazenagem (processo de nível)

UU 4

I/E

LY 1B

LV 1

1a5V I/P

LY 1C Usuários da água do processo

UU 4 LC 1

20 a 100 kPa (3 a 15 psi)

Notas: Simbolismo baseado na norma ANSI/ISA S5.1 O sinal de comando para o controlador LC-1 é omitido aqui porque ele é normalmente embutido no controlador como uma chave de ajuste Fig. 3.6. Simbologia padrão para a malha de Instrumentos da Fig. 3.5.

3.15

Medição Tab.3.1. Faixas nominais de sinais

Tipo Binário (on-off)

Analógico (modulante)

Meio

Valores

Eletricidade corrente alternada corrente contínua pneumática hidráulico Corrente contínua

0 a 120 V ca 0 a 24, 48 ou 125 V cc 0 a 170, 240, 700 kPa 0 a 20 000 kPa -10 a +10 V cc 1 a 5 V cc 4 a 20 mA cc* 10 a 50 mA cc 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi)

Pneumático * Faixa padrão Tab. 3.2. Expressão da Exatidão do Instrumento com faixa calibrada de 0 a 850 oC

Expressão da exatidão ±0,1% do fundo de escala

±0,1% do valor medido ou ±0,1% da leitura

±0,1% da largura de faixa ou ±0,1% do span

±0,1% da faixa de medição ±0,1% ±0,85 oC sobre toda a faixa ±0,25 oC em 25% da largura de faixa ±0,25 oC em 250 oC ±0,25 oC ±0,25 oC entre 25 e 75% da faixa de medição ±0,25% da largura da faixa calibrada

Observações Expressão correta Erro absoluto constante e igual a ±0,1% x 850 oC = 0,85 oC em qualquer ponto da faixa. Este instrumento dá grandes erros relativos para leituras no início da faixa de medição. Deve ser usado em leituras próxima do fundo da escala. Para leitura de 500 oC, exatidão de ±0,85 oC/500 oC = 0,2%. Para leitura de 100 oC, exatidão de ±0,85 oC/100 oC = 0,9%. Para leitura de 8,5 oC, exatidão de ±0,85 oC/8,5 oC = 10%. Expressão correta Erro relativo constante e igual a ±0,1%. Erro absoluto diminui linearmente e é menor no início da faixa de medição. Para leitura de 850 oC, exatidão de ±0,1% x 850 oC = 0,9 oC Para leitura de 500 oC, exatidão de ±0,1% x 500 oC = 0,5 oC Para leitura de 100 oC, exatidão de ±0,1% x 100 oC = 0,1 oC Para leitura de 10 oC, exatidão de ±0,1% x 10 oC = 0,01 oC Expressão correta e equivalente a % do fundo de escala pois o erro absoluto é constante em qualquer ponto da faixa de medição. É numericamente igual quando a faixa começa em zero e é maior para faixas com zero elevado (p. ex., -50 a +850 oC) e é menor para faixa com zero suprimido (+50 a +850 oC). Expressão incorreta pois a faixa é definida por dois números Expressão incorreta pois está incompleta. Deve ser completada com um valor de referência, como fundo de escala ou valor medido Expressão correta, equivalente a % do fundo de escala. Expressão correta Expressão correta Expressão incompleta. Deve ser completada com a região ou ponto de faixa de medição Expressão correta Expressão correta

3.16

Medição

Transmissor 1

Transmissor 2

Transmissor 3

Canal de dois fios para sinal individual (típico)

Sistema Codificador

Sistema Decodificador

Canal comum de dois fios para todos os sinais

Receptor 1

Receptor 2

Receptor 3

Notas: 1. A informação do transmissor 1 vai para o receptor 1 somente. Do mesmo modo, 2 para 2, 3 para 3, n para n. 2. Os receptores podem ser instrumentos ou pontos e computador 3. O sistema de codificação pode ser interno ao receptor. 4. O símbolo de linha interrompida denota uma linha ou distância indefinidamente longa.

Fig. 3.7. Conceito básico de multiplexação

3.17

Sinais convergentes A Fig. 3.5 mostra a saída do transmissor de nível enviando informação para seis instrumentos receptores. Foi assumido que o sinal de saída do transmissor é compatível com a exigência de entrada de todos os receptores, exceto com o sistemas de alarme e segurança e computador. A Fig. 3.6 mostra como este problema é resolvido pela colocação de conversores de sinal. São disponíveis conversores para várias combinações de sinais de entrada e de saída.

Canal de Sinal Compartilhado Às vezes, um grande número de sinais é submetido a uma mesma modificação ou transmitido através de longas distâncias. Podese projetar um sistema de modo que os sinais sejam compartilhados por um único instrumento ou por um único canal de comunicação. Este compartilhamento é conhecido como multiplexagem com compartilhamento no tempo. Ele requer o chaveamento de sinal para sinal. O chaveamento é chamado de varredura (scanning). Quando feita automaticamente, a varredura pode ser da ordem de 50 pontos por segundo ou mais rápida. Este arranjo requer equipamento adicional para fazer a multiplexagem mas economiza pelo uso de menos instrumentos e menos fiação, ou ambos. A multiplexagem é a base dos sistemas distribuídos digitais, onde a informação é transmitida através de uma via de dados (data highway), com um único par de fios que leva a informação para e de muitos instrumentos.

Identificação e símbolos dos instrumentos Uma malha de medição e controle de processo é constituída de vários instrumentos, cada um executando uma determinada função complementar, de modo que a malha possui alguns instrumentos e uma planta pode ter centenas e até milhares de instrumentos individuais. Como resultado, deve haver um esquema eficiente para identificar cada malha entre as centenas existentes e cada instrumento na malha. Esta identificação deve ser única para um instrumento e é definida no projeto, verificada no recebimento e acompanhada na instalação, teste, calibração, operação, armazenamento e documentação do instrumento. Também deve haver um esquema para simbolizar o instrumento em esquemas e

diagramas de engenharia. Para atender estas necessidades, foram escritas as normas ISA S5.1 e S5.3, traduzidas e adaptadas para o português pela ABNT. Tag, número de identificação ou etiqueta do instrumento é a identificação atribuída ao instrumento. Ela consiste de um conjunto alfanumérico, onde basicamente: 1. a primeira letra se refere à variável associada ao instrumento. Por exemplo: a) P para Pressão b) L para Nível (level) c) F para Vazão (flow) d) T para Temperatura e) A para Análise f) E para elemento sensor 2. a segunda letra (quando há apenas duas) se refere à função do instrumento, como a) I para Indicação ou Indicador b) T para Transmissão ou Transmissor c) C para Controle ou Controlador d) R para Registro ou Registrador e) S para Chaveamento ou Chave (switch) f) A para Alarme 3. Opcionalmente, a primeira letra referente à variável de processo pode ter modificador, por exemplo a) D para Diferencial b) F para Fração c) J para Varredura d) Q para Totalização e) S para Segurança 4. Opcionalmente, a segunda letra referente à função.do instrumento pode ter modificador, por exemplo: a) H para Alto (High) b) L para Baixo (Low) 5. Em um tag com três letras, o bom senso e a lógica determinam se a segunda letra é modificadora da primeira ou se a terceira é modificadora da segunda. Por exemplo: a) PDI significa Indicador de Pressão Diferencial (D é modificador de Pressão) b) PAH é Alarme de Alta de Pressão (H é modificador de Alarme) 6. Além do conjunto de letras, a identificação do instrumento inclui o número da malha. Assim, a identificação completa de um instrumento pode ser: a) PDI-501 b) PAH-502 c) FRC-503 A Tab. 3.3 mostra todas as letras do alfabeto e as variáveis, funções e modificadores associados.

Tab. 3.3. Letras de Identificação Primeira letra Variável

Letras subsequentes

Modificador

Função display

A

Análise (5,19)

Alarme

B

Queimador

Escolha (1)

C

Escolha (1)

D

Escolha (1)

E

Voltagem (f.e.m.)

F

Vazão (flow)

G

Escolha (1)

H

Manual (hand)

I

Corrente

J

Potência

Varredura (scan) (7)

K

Tempo

L

Nível (level)

Tempo de mudança (4,21)

M

Escolha (1)

N

Escolha (1)

Escolha (1)

O

Escolha (1)

P

Pressão, Vácuo

Orifício ou Restrição Ponto (teste)

Q

Quantidade

R

Radiação

S T

Velocidade ou Freqüência Temperatura

U

Multivariável (6)

V

Vibração, Análise mecânica Peso, Força

W

X Y Z

Não classificado (2) Variável a definir Evento, Estado Função a definir Posição ou Dimensão

Função saída

Modificador

Escolha (1)

Escolha (1)

Controle (13) Diferencial Elemento sensor Fração/Relação (4) Visor (9) ou indicador local

Alto (high) (7, 15, 16)

Indicação (10)

Lâmpada (11)

Estação controle (22)

Momentâneo Escolha (1)

Baixo (low) (7, 15, 16) Médio (7,15) Escolha (1)

Integral, Total (4) Registro (17) Segurança (8)

Chave (13) Transmissão (18) Multifunção (12)

Multifunção (12)

Multifunção (12)

Válvula, damper (13) Poço (well) Eixo X Eixo Y Eixo Z

Não classificado (2)

Não classificado (2) Relé, computação (13, 14, 18) Elemento final

Não classificado (2)

Medição Notas para a Tabela das Letras de Identificação 1. Uma letra de "escolha do usuário" tem o objetivo de cobrir significado não listado que é necessário em uma determinada aplicação. Se usada, a letra pode ter um significado como de primeira letra ou outro significado de letras subsequentes. O significado precisa ser definido uma única vez em uma legenda. Por exemplo, a letra N pode ser definida como "módulo de elasticidade" como uma primeira letra ou como "osciloscópio" como letra subsequente. 2. A letra X não classificada tem o objetivo de cobrir significado não listado que será usado somente uma vez ou usado em um significado limitado. Se usada, a letra pode ter qualquer número de significados como primeira letra ou como letra subsequente. O significado da letra X deve ser definido do lado de fora do círculo do diagrama. Por exemplo, XR pode ser registrador de consistência e XX pode ser um osciloscópio de consistência. 3. A forma gramatical do significado das letras subsequentes pode ser modificado livremente. Por exemplo, I pode significar indicador, ou indicação; T pode significar transmissão ou transmissor. 4. Qualquer primeira letra combinada com as letras modificadoras D (diferencial), F (relação), M (momentâneo), K (tempo de alteração) e Q (integração ou totalização) representa uma variável nova e separada e a combinação é tratada como uma entidade de primeira letra. Assim, os instrumentos TDI e TI indicam duas variáveis diferentes: diferença de temperatura e temperatura. As letras modificadoras são usadas quando aplicável. 5. A letra A (análise) cobre todas as análises não descritas como uma escolha do usuário. O tipo de análise deve ser especificado fora do circulo de identificação. Por exemplo, análise de pH, análise de O2. 6. O uso de U como primeira letra para multivariável em lugar de uma combinação de outras primeiras letras é opcional. É recomendável usar as primeiras letras especificas em lugar da letra U, que deve ser usada apenas quando o número de letras for muito grande. Por exemplo, é preferível usar PR/TR para indicar um registrador de pressão e temperatura em vez de UR. Porém, quando se tem um registrador multiponto, com 24 pontos e muitas variáveis diferentes, deve-se usar UR. 7. O uso dos termos modificadores alto (H), baixo (L), médio (M) e varredura (J) é opcional. 8. O termo segurança se aplica a elementos primários e finais de proteção de emergência. Assim, uma válvula auto-atuada que evita a operação de um sistema de fluido atingir valores elevados, aliviando o fluido do sistema tem um tag PCV (válvula controladora de pressão). Porém, o tag desta válvula deve ser PSV (válvula de segurança de pressão) se ela protege o sistema contra condições de emergência, ou seja, condições que são perigosas para o pessoal ou o equipamento e que são raras de aparecer. A designação PSV se aplica a todas as válvulas de proteção contra condições de alta pressão de emergência, independente de sua construção, modo de operação, local de montagem, categoria de segurança, válvula de alívio ou de segurança. Um disco de ruptura tem o tag PSE (elemento de segurança de pressão). 9. A função passiva G se aplica a instrumentos ou equipamentos que fornecem uma indicação não calibrada, como visor de vidro ou monitor de televisão. 10. A indicação normalmente se aplica a displays analógicos ou digitais de uma medição instantânea. No caso de uma estação manual, a indicação pode ser usada para o dial ou indicador do ajuste. 11. Uma lâmpada piloto que é parte de uma malha de instrumento deve ser designada por uma primeira

letra seguida pela letra subsequente L. Por exemplo, uma lâmpada piloto que indica o tempo expirado deve ter o tag KQL (lâmpada de totalização de tempo). A lâmpada para indicar o funcionamento de um motor tem o tag EL (lâmpada de voltagem), pois a voltagem é a variável medida conveniente para indicar a operação do motor ou YL (lâmpada de evento) assumindo que o estado de operação está sendo monitorado. Não se deve usar a letra genérica X, como XL 12. Um dispositivo que liga, desliga ou transfere um ou mais circuitos pode ser uma chave, um relé, um controlador liga-desliga ou uma válvula de controle, dependendo da aplicação. Se o equipamento manipula uma vazão de fluido do processo e não é uma válvula manual de bloqueio liga-desliga, ela é projetada como válvula de controle. É incorreto usar o tag CV para qualquer coisa que não seja uma válvula de controle auto-atuada. Para todas as aplicações que não tenham vazão de fluido de processo, o equipamento é projetado como: a) Chave, se for atuada manualmente. b) Chave ou controlador liga-desliga, se for automático e for o primeiro dispositivo na malha. O termo chave é geralmente usado se o dispositivo é aplicado para alarme, lâmpada piloto, seleção, intertravamento ou segurança. O controlador é usado se o dispositivo é aplicado para o controle de operação normal. c) Relé, se for automático e não for o primeiro dispositivo na malha, mas atuado por uma chave ou por um controlador liga-desliga. 13. As funções associadas com o uso de letras subsequentes Y devem ser definidas do lado de fora do circulo de identificação. Por exemplo, FY pode ser o extrator de raiz quadrada na malha de vazão; TY pode ser o conversor corrente para -pneumático em uma malha de controle de temperatura. Quando a função é auto-evidente como para uma válvula solenóide ou um conversor corrente-para-pneumático ou pneumáticopara-corrente a definição pode não ser obrigatória. 14. Os termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário correspondem aos valores da variável medida e não aos valores do sinal. Por exemplo, um alarme de nível alto proveniente de um transmissor de nível com ação inversa deve ser LAH, mesmo que fisicamente o alarme seja atuado quando o sinal atinge um valor mínimo crítico. Os termos alto e baixo quando aplicados a posições de válvulas e outras dispositivos de abrir e fechar são assim definidos: a) alto significa que a válvula está totalmente aberta b) baixo significa que a válvula está totalmente fechada 15. O termo registrador se aplica a qualquer forma de armazenar permanentemente a informação que permita a sua recuperação por qualquer modo.

3.20

Medição

Fig. 3.8. Instrumentação para um sistema de distilação. S. P. significa ponto de ajuste (set point) (Lipták)

3.21

Medição 3.3. Indicação e Retenção da Informação Muito da informação fornecida pelos instrumentos termina em algum tipo de indicação (display) que pode ser lido pelo operador. Por exemplo, os estados das condições reais do processo devem ser conhecidos pelo operador para que a operação da planta seja normal. Se alguma condição sai fora do normal, o operador deve decidir o que fazer em relação a isto. Em outro exemplo, o motorista do carro deve conhecer o valor da velocidade, nível de combustível, temperatura, rotação, pressão do motor, para que o carro funcione corretamente e não se danifique. A informação passada, informação história ou de tendência, pode ser importante. O passado pode ser de cinco minutos ou cinco meses atrás. Antes que o operador decida qual ação corretiva adotar, ele pode querer saber de como o processo operava em algum momento do passado: sua direção de variação ou tendência para a normalidade ou se afastando cada vez da normalidade ou o que causou a falha ou anormalidade do sistema. A informação passada pode ser necessária também para cobrar ou pagar uma matéria prima ou utilidade entregue por tubulação e medida automaticamente por instrumentos. Finalmente, as informações passadas podem ser úteis em balanço de processos, em segurança, em ecologia ou em economia de energia. Embora raro, é também possível apresentar a informação futura, através de instrumentos preditivos que determinam como um processo irá se comportar em algum momento do futuro, baseado das informações presentes conhecidas e na característica do sistema. A informação pode ser classificada como permanente e não permanente. A informação não permanente é apenas para uso imediato. A informação permanente pode ser usada imediatamente e também armazenada para uso futuro.

Apresentação da Informação Não Permanente A informação não permanente pode ser apresentada nos seguintes modos: 1. visores 2. indicadores 3. lâmpadas

Visor Visor é a forma mais simples de indicação. O visor consiste de um pedaço de vidro ou plástico transparente, usualmente emoldurado por metal, ligado ao processo e mostrando o que acontece dentro. Visores podem ter ou não escala graduada. Quando o visor tem escala, é chamado de indicador. O visor mais comum é o visor de nível (LG - level glass), que é ligado diretamente ao vaso e mostra o nível do líquido. Outro exemplo, é o visor de vazão (FG - flow glass), que é ligado à tubulação e tem uma palheta ou rotor interno para mostrar a vazão. Há visores de vazão que apenas indicam a presença ou ausência da vazão e não indicam o valor da vazão.

Fig. 3.9. Escalas de indicação analógica típicas Indicador O indicador mostra o valor instantâneo ou não permanente da variável do processo. O indicador tem uma escala graduada e um ponteiro, como no velocímetro do carro ou um índice de marcação, como um em termômetro de líquido em vidro. O indicador analógico possui escala e ponteiro, um dos dois, móvel. O indicador digital mostra o valor através de dígitos e apresenta uma leitura pronta, como 23,4 oC. Exemplo de um indicador digital é o hodômetro do carro, que mostra a distância acumulada percorrida pelo carro. Lâmpada Uma lâmpada coberta por uma tampa colorida translúcida pode ser usada para fornecer uma informação binária, como ligado

3.22

Medição ou desligado, alto ou baixo, operando ou parado. A informação apresentada pode indicar que o status é normal, que a válvula está aberta ou que o motor da bomba está funcionando. A lâmpada pode também mostrar que um determinado passo de uma seqüência está em andamento ou já foi completado, como ocorre em máquina lavadora de roupa ou secadora de louça. Uma lâmpada que sinaliza uma condição entre várias possíveis é chamada de lâmpada piloto ou lâmpada de indicação ou lâmpada monitora. A lâmpada de alarme é usada para indicar uma condição anormal que pode levar ou já levou o equipamento para perigo ou problema. Um carro possui lâmpadas de alarme para indicar pressão baixa do óleo, temperatura alta do motor, freio de mão ligado, cinto não afivelado. Em uma planta de processo há dois tipos de alarme: 1. alarme de primeiro estágio 2. alarme de segundo estágio O primeiro alarme é atuado durante um estado anormal, mas antes da ocorrência do perigo. Ele é chamado de alarme preliminar ou pré-alarme. Este alarme notifica o operador, que deve tomar alguma ação para evitar o perigo potencial. Ele é atuado em um valor baixo (L) ou alto (H). Se a condição perigosa não é eliminada e piora, o segundo alarme é atuado, podendo ou não causar um desligamento automático do equipamento ou de todo o processo. De qualquer modo, o operador deve cumprir determinado procedimento de emergência. O alarme de segundo estágio é atuado em valor muito baixo (LL) ou muito alto (HH). As lâmpadas de alarme e piloto são efetivas somente se um operador as vê. Elas não comandam necessariamente a atenção instantânea. Para ajudar o operador, uma lâmpada de alarme pode piscar para sinalizar uma falha, ligando e desligando alternadamente. Além disso, a lâmpada piloto e de alarme geralmente está associada a um equipamento sonoro, como buzina, corneta, sirene ou mesmo uma mensagem vocal que identifica a condição do processo para chamar a atenção do operador. O operador então olha para a lâmpada que mostra o que aconteceu. Geralmente cada planta possui um código de cores para dar mais informação acerca dos equipamentos além de eles estarem ligados ou desligados e normais ou anormais. O código de cores pode mostrar a importância relativa ou prioridade em caso de falha, mostrando o sistema que está envolvido ou fornecer informações adicionais.

A lâmpada piloto que denota se uma parte do equipamento está operando pode estar combinada com a chave manual que controla o equipamento. Por exemplo, uma chave rotatória com duas posições ou uma botoeira com duplo acionamento pode acender uma lâmpada VAPOR LIGADO ou VAPOR DESLIGADO, de acordo com a posição selecionada da chave ou da botoeira. Anunciador de alarme Um anunciador é um equipamento ou um grupo integral de equipamentos que chama a atenção para variações nas condições ocorridas no processo. Um anunciador geralmente sinaliza condições anormais do processo, mas também pode ser usado para sinalizar as condições normais do processo. Ele usualmente requer a interação com o operador da planta. O anunciador pode enviar dois tipos de sinais: 1. visível 2. audível O anunciador geralmente possui um conjunto retangular de caixas tendo janelas translúcidas, brancas ou coloridas conforme um código de cores. Cada janela possui gravadas informações com as descrições das funções e identificações (tags) dos instrumentos associados. A gravação é ressaltada e legível quando a janela é acesa do seu interior. Por exemplo, pode ser gravação de uma janela do anunciador: NÍVEL ALTO TANQUE LIAH-224

A janela do anunciador está associada com o instrumento de indicação do nível do tanque. O tag do instrumento é LIAH-224, indicador de nível com alarme de alta, número 224. O alarme audível é fornecido na sala de controle para suplementar o alarme visível. Ele também pode ser usado em outros locais da planta, além da sala de controle. Os anunciadores possuem uma lógica operacional, que está incluída no programa que controla os sinais de saída luminosos e sonoros em função das falhas do processo, ligando ou desligando os sinais. A lógica é conhecida como seqüência de operação. Há vários modos diferentes para fazer esta seqüência; a norma ISA S18.1 mostra um método para projetar seqüência mas não estabelece nenhuma seqüência como sendo a padrão. Duas seqüências populares são ISA A4 e FIA, que estão descritas na Fig. 3.10.

3.23

Medição O anunciador é usualmente localizado na sala de controle da planta, mas pode também ser usado em outras áreas locais. Sua lógica de operação pode estar colocada no painel do anunciador ou pode estar colocada em painel remoto, principalmente em sistemas grandes. O anunciador first-out é útil onde uma única falha do processo pode causar uma série de outras falhas parecidas, resultando no acionamento simultâneo de um grupo de janelas do anunciador. Qual janela o operador deve olhar primeiro? O anunciador first-out dirige o operador para o alarme que iniciou a falha, porque somente está janela está piscando e as outras janelas de alarme subsequentes estão com lâmpadas acesas sem piscar. Por exemplo, em um compressor, pode acontecer que haja a perda de água de resfriamento, que causa uma falha no resfriamento do óleo lubrificante, que faz o compressor parar em alta temperatura do óleo, que causa a perda da pressão da descarga do compressor. Vários alarmes podem soar, mas a falha inicial foi na água de resfriamento que desencadeou todas as outras falhas. O anunciador pode ter muitas características opcionais além das ilustradas na Fig. 3.13, como: 1. Ringback, que sinaliza o operador quando a variável de processo retorna à condição normal. 2. No lock-in, que causa a seqüência do anunciador voltar ao estado normal sem exigir que o operador conheça o estado anormal, desde que a variável do processo esteja normal. 3. Silêncio automático do alarme que silencia o alarme sonoro automaticamente depois de decorrido determinado intervalo de tempo, mesmo que o alarme não tenha sido reconhecido. O alarme visível não é afetado. 4. Sinais de saída auxiliares binários elétricos que podem ser usados para operar alarmes escravos ou outros esquipamentos remotos. Um alarme escravo copia a ação do alarme principal mas usualmente em uma seqüência simplificada.

Telas de Vídeo As salas de controle modernas e muitas estações de operação locais podem ter telas ou monitores de vídeo. Estas telas podem apresentar qualquer tipo de informação que pode possa ser colocada em papel: desenho, lista, instrução. As telas de vídeo podem ser encontradas com sistemas com computador. controle distribuído ou controle lógico programável.

Fig. 3.10. Tela de monitor de computador

Retendo a Informação Permanente Registrador com gráfico O tipo mais comum de registrador é essencialmente um instrumento que escreve em um papel chamado de gráfico ou carta (chart). O tipo mais comum de gráfico mostra como uma variável de processo, como vazão, pressão, temperatura ou nível, varia com o tempo. O registrador possui um acionador para mover o gráfico e o valor da variável move a pena através do gráfico. O gráfico fornece uma informação analógica para o uso corrente do operador e pode ser consultado para referência futura. Diz-se que o gráfico fornece a informação histórica ou de tendência da variável do processo. O gráfico mais comum na sala de controle é em forma de tira (strip chart), usualmente com 100 mm (4 ") ou 300 mm (12 ") de largura em comprimentos que são adequados tipicamente para um mês de uso. O gráfico de tira pode ser usado também no campo, embora o mais usado seja em circular, com diâmetro de 300 mm com área útil de registro de 100 mm. A duração de registro de um gráfico circular pode ser de 24 horas, sete dias ou um mês. Os registradores podem fazer o registro de modo contínuo (uma pena para cada registro) ou multiponto. Esta escolha depende principalmente da quantidade de variáveis registradas. O registrador contínuo tipicamente possui uma, duas, três ou quatro penas

3.24

Medição independentes, cada uma dedicada ao registro de uma variável. O registrador multiponto possui um único dispositivo de registro mas pode receber tipicamente 6, 12 ou 24 variáveis, que são multiplexadas. Os vários registros são identificados entre si por cor, número ou código. Atualmente os registradores são microprocessados e se aproximam de um computador, com indicações alfanuméricas e com capacidade de fornecer relatórios, listas, desenhos e registros convencionais nos gráficos.

o tempo registrado em centésimos de segundo (0,01 s). Este registro torna possível identificar qual a condição que inicializou a seqüência de alarme, como o anunciador de first-out.

Fig..3.12. Registrador microprocessado (Yokogawa)

Fig. 3.11. Registrador montagem local

Aquisição de dados O sistema de aquisição de dados (data logger) é usado para rastrear todas as variáveis importantes da planta. O sistema armazena os dados de operação, executa cálculos e verifica as condições de alarme. Eles registram os dados rotineiros de operação, dando prioridade às condições anormais e mudando para o registro de velocidade rápida. O registro final pode ser em tabulação alfanumérica, contendo dados como dia, hora, identificação do ponto, função e valor da variável de processo. O registro é geralmente preto mas pode ser chaveado para vermelho para salientar as condições anormais do processo.

Impressora A impressora é fornecida como uma parte integrante de certos sistemas de registro e é também considerada como um equipamento periférico para sistema com computador de controle distribuído. Ela pode também ser usada para desenhar gráficos de dados armazenados em um sistema de computador ou de controle distribuído. Outros dispositivos de registro São disponíveis outros meios para armazenar a informação do processo, como os seguintes: 1. Fita magnética, que armazena informação analógica ou digital. Ela não pode ser lida diretamente. 2. Fita de vídeo que é similar à magnética mas também pode armazenar imagens e sons. 3. Copiadora de vídeo que pode copiar como uma fotografia a tela do monitor de vídeo. 4. Disco de computador que pode ser flexível (floppy) ou rígido de alta capacidade.

Registrador de evento O registrador de evento executa algumas das funções do sistema de aquisição de dados. Eles são mantidos normalmente no estado de espera (standby), pronto para partir imediatamente após a ocorrência de uma condição anormal e registrar as anormalidades. Sua velocidade de impressão é muito alta, com Apostilas\Operador

Platt1.DOC

03 MAI 97 (Substitui 30 JUL 96)

3.25

Medição Seqüência ISA A (Anteriormente 1) Esta seqüência se aplica a variáveis individuais. Cada variável tem seu alarme visual próprio e compartilha um alarme sonoro comum com outras variáveis.

Variável processo: Estava anormal. Pode ter voltado ao normal

Variável processo: Normal 1

Fase: Normal Alarme

Visível: Desligado Sonoro: Desligado 2Y

2

Variável processo: Anormal

2X

Fase: Conhecimento

Fase: Normal Alarme

Alarme

Visível: Piscando

Sonoro: Desligado

Sonoro: Ligado

3

Visível: Ligado

2Y

3

Legenda 1 2 2X 2Y 3

Variável do processo ficou anormal momentaneamente ou por um longo período Botão de Conhecimento (Acknowledgment) é acionado Caminho se a variável de processo ainda está anormal na hora do conhecimento Caminho se a variável de processo volta a normal na hora do conhecimento Variável do processo está ainda normal

Fig. 3.13(a) – Anúncio para uma única variável de processo

Seqüência ISA F1A (Anteriormente, 4A) Esta seqüência se aplica a um grupo de variáveis de processo. Como para a seqüência A, acima, há uma janela de alarme individual para cada variável e um alarme visual comum para o grupo. Porém, o display visível para o primeiro alarme do grupo a ser atuado é diferente dos displays dos alarmes subsequentes. Assim, o primeiro problema de uma progressão de problemas pode ser identificado. Para a primeira variável anormal do processo (first out) do grupo, a seqüência de alarme é a mesma da seqüência A. Qualquer variável de processo do grupo pode ser a primeira (first out). Para uma variável de processo anormal subsequente, a seqüência típica é:

Variável processo: Anormal

Variável processo: Normal Fase: Normal Alarme

S1

Fase: Anormal Alarme

Visível: Desligado

Visível: Ligado Sonoro: Desligado

Sonoro: Desligado S2

Legenda S1 S2

Variável do processo está anormal (O Conhecimento não é requerido) Variável de processo volta ao normal

Fig. 3.13(b) – Anúncio first out para um grupo de variáveis de processo

26

4 Variáveis Medidas 4.1. Introdução

Unidades do SI

A variável de processo é uma grandeza física que altera seu valor em função de outras variáveis e principalmente em relação ao tempo. O objetivo do controle de processo é o de manter uma variável constante ou, no mínimo, variando dentro de certos limites estabelecidos. Antes de ser controlada, uma variável deve ser medida, dentro de uma classe de precisão requerida pelo pessoal do processo. A partir da medição da variável, o operador de processo pode efetuar o controle manual, como aumentar uma pressão, diminuir uma temperatura, encher um tanque (nível) ou fechar uma válvula (vazão). Em sistema de controle automático, o sinal medido é continua e automaticamente comparado com um valor de referência e este erro é usado como função de controle, sem a interferência do operador humano. Em um processo industrial típico, mais de 90% das medições envolvem apenas quatro variáveis: pressão, temperatura, vazão e nível. As outras variáveis encontradas mais raramente incluem: pH, condutividade, densidade, análise, vibração e deslocamento.

As unidades SI são divididas em três classes: 1. unidades de base 2. unidades suplementares 3. unidades derivadas As sete grandezas de base possuem os seguintes nomes (unidades), dimensão, símbolo: 1. comprimento (metro), L, m 2. massa (kilograma), M, kg 3. tempo (segundo), T, s 4. temperatura (kelvin), Θ, K 5. corrente elétrica (ampere), I, A 6. quantidade de matéria (mol), N, mol 7. intensidade luminosa (candela), J, cd As grandezas de base eram anteriormente chamadas de grandezas fundamentais. As sete unidades base foram selecionadas pela CGPM ao longo do tempo e para atender as necessidades dos cientistas em suas áreas de trabalho. As primeiras quantidades definidas eram de natureza mecânica. Depois se definiu a grandeza elétrica (corrente), a termodinâmica (temperatura), luminosa (intensidade luminosa) e a química (quantidade de matéria). Há três quantidades totalmente independentes: massa, comprimento, tempo. Somente a massa tem um padrão material. Hoje, pesquisa-se para se reduzir as unidades a duas independentes: massa e tempo. As unidades de base são bem definidas e independentes dimensionalmente. As duas unidades suplementares foram adicionadas na 11a CGPM (1960). Estas unidades são: 1. ângulo plano (radiano) 2. ângulo sólido (esterradiano). As unidades derivadas são aquelas formadas pelas relações algébricas entre as unidades básicas, unidades suplementares e outras unidades derivadas. As três classes de unidades formam um sistema de medição coerente, pois o produto ou quociente de qualquer quantidade com múltiplas unidades é a unidade da quantidade resultante.

Conceito Quantidade é qualquer coisa que possa ser expressa por um valor numérico e uma unidade de engenharia. Por exemplo, massa é uma quantidade física expressa em kilogramas; velocidade é uma quantidade expressa em metros por segundo e densidade relativa é uma quantidade física adimensional. O círculo não é uma quantidade física, pois é caracterizado por uma certa forma geométrica que não pode ser expressa por números. O círculo é uma figura geométrica. Porem, a sua área é uma quantidade física que pode ser expressa por um valor numérico (e.g., π, 5) e uma unidade (p. ex., metro quadrado).

27

Variáveis Medidas Como o Brasil participa do SI, devem ser usadas apenas as unidades e símbolos recomendados pelo SI. Este rigor no uso de unidades apenas do SI exige paciência e disciplina, pois é muito difícil alterar costumes arraigados ao longo do tempo e da vida profissional.

4.2. Medição de Pressão Conceitos de pressão e força A pressão e força são duas variáveis de processo muito importantes e encontradas na indústria e é necessário distinguir os dois significados. A pressão é uma variável de processo muito medida, pois ela pode se relacionar indiretamente na medição da temperatura, vazão e nível. Por exemplo, a vazão pode ser medida através da medição da pressão diferencial provocada pela placa de orifício; a temperatura pode ser medida através da pressão de vapor do fluido volátil ou da pressão do gás do enchimento termal e o nível do líquido pode ser medido pela pressão diferencial entre dois pontos dos tanque. A pressão P é força F exercida por unidade de área A. P=

F A

A unidade de pressão é newton por metro quadrado (N/m2), chamada de pascal (Pa). Embora não seja recomendado pelo SI, é comum se usar kgf/cm2 e atmosfera. O instrumentista está acostumado a usar psi (pound square inch ou libra por polegada ao quadrado). Força é a grandeza que deve ser aplicada a um corpo de massa m para provocar uma aceleração a, ou seja: F = ma A unidade SI de força é o newton (N).

Tipos de pressão A medição da pressão é sempre tomada em relação a uma referência. Como é possível se ter várias referências diferentes, é também possível se ter vários tipos de pressão.

Pressão absoluta É a pressão medida acima do zero absoluto ou do vácuo perfeito. O zero absoluto representa a total ausência de pressão e é impossível de ser atingido. A pressão absoluta só pode assumir valores positivos. Os elementos sensores de pressão absoluta são mais caros porque possuem duas câmaras, uma de medição e outra de referência onde foi feito o vácuo. Deve se usar medidores da pressão absoluta quando os valores estiverem próximos da pressão atmosférica e as variações da pressão atmosférica são significativas nos valores medidos; tipicamente, para faixas menores que 400 kPa (60 psig).

Pressão Atmosférica

Pressão manométrica

Pressão absoluta Vácuo ou pressão manométrica negativa Pressão atmosférica

Pressão absoluta

Zero Absoluto Fig. 4.1. Conceitos e tipos de pressão Pressão atmosférica É a pressão exercida pela atmosfera da Terra. Também chamada pressão barométrica. A pressão atmosférica, ao nível do mar, é aproximadamente 14,7 psia, 760 mm de coluna de Hg, 11 m de água, 1 atm, 100 kPa. O valor da pressão atmosférica decresce com o aumento da altitude. A pressão manométrica da pressão atmosférica é zero, por definição e em qualquer lugar. Pressão manométrica (gauge) É a pressão medida acima da pressão atmosférica. Para a conversão, basta somar a pressão atmosférica à pressão manométrica para se obter a pressão absoluta. Assim, a pressão absoluta de 20 kgf/cm2 corresponde à manométrica de 19 kgf/cm2.

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Variáveis Medidas Pressão de vácuo É a pressão abaixo da pressão atmosférica. É chamada também de pressão negativa. O máximo vácuo possível, ideal, é -100 kPa (-14,696 psig) ou -760 mm de Hg. Pressão diferencial É a diferença entre duas pressões quaisquer. Ela é particularmente usada na medição indireta de vazão e de nível. Quando uma das pressões é a atmosférica, tem-se a pressão manométrica.

Tubo bourdon C O tubo Bourdon é o mais comum e antigo elemento sensor de pressão, que sofre deformação elástica proporcional à pressão. Este elemento não é adequado para baixas pressões, vácuo ou medições compostas (pressões negativa e positiva), porque o gradiente da mola do tubo Bourdon é muito pequeno para pressões menores que 200 kPa ) .

Pressão com faixa composta É aquela que tem pressões de vácuo e pressões positivas em sua faixa de medição. Por exemplo, a faixa de -20 a 100 kPa (-5 a + 15 psi). Pressão estática É a pressão exercida numa parede por um fluido em repouso ou a pressão numa tubulação onde há a vazão de um fluido. Também chamada pressão da linha. Pressão hidrostática É a pressão abaixo da superfície do líquido em repouso no tanque. A pressão hidrostática em um ponto é proporcional a altura da coluna líquida acima deste ponto.

Fig. 4.3. Bourdon C Fole Em geral, o fole transmite maior força e pode detectar pressões levemente maiores que a cápsula de diafragma. As desvantagens do fole são sua dependência das variações da temperatura ambiente e sua fragilidade em ambientes pesados de trabalho. Como a cápsula de diafragma, o fole pode ser usado para medir pressões absolutas e relativas e em sistemas de balanço de movimentos ou de forças.

Fig. 4.2. Diferentes colunas líquidas Fig. 4.4. Fole e indicação de pressão

Sensores de Pressão Coluna Líquida O sistema de balanço de pressão mais simples é o manômetro ou indicador de pressão com coluna líquida. O princípio de funcionamento é simples a pressão criada pela coluna do líquido é usada para balancear a pressão a ser medida. A leitura da coluna líquida dá o valor da pressão desconhecida medida. A pressão exercida num ponto do líquido é igual à densidade do líquido multiplicada pela altura da coluna de líquido acima do ponto. O líquido mais usado no enchimento da coluna é o mercúrio por ter alta densidade e portanto exigir colunas pequenas.

Strain gage O strain gage é elemento sensor elétrico de pressão mais usado. Ele varia sua resistência elétrica quando submetido à pressão positiva (compressão) ou negativa (descompressão). O strain gauge pode ser usado para medir torque, peso, velocidade, aceleração, além da pressão. O strain gauge é ligado ao circuito detetor clássico da Ponte de Wheatstone, que requer a tensão de polarização em corrente contínua ou alternada.

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Variáveis Medidas 4.3. Medição de Temperatura

gelo da água do mar, +100 para a temperatura do corpo de sua mulher e dividiu o intervalo em 100 graus (Farenheit). Na prática, a relação de conversão é

Conceito De tanto se afirmar que a temperatura é diferente de calor, ninguém mais os confunde. O calor é uma forma de energia e a temperatura é uma grandeza física fundamental. O calor adicionado a um corpo torna-o mais quente, a remoção de calor esfriao. O calor também derrete os sólidos em líquidos e converte líquidos em vapores ou gases. A expansão é outro resultado do aquecimento. A energia do calor pode ser transformada em energia mecânica para produzir trabalho. Porém, o mais comum é que toda energia mecânica, elétrica ou química usada para produzir trabalho, também produza calor, por causa dos atritos e das perdas. A temperatura é uma expresso que denota uma condição física da matéria, assim como a massa, a dimensão, o tempo, a luminosidade, a corrente elétrica, o mol e o radiano. A temperatura é a medida de quanto um corpo está mais quente ou mais frio que outro. A temperatura não é uma medição direta do calor, mas é a medição do resultado do calor sensível. Quanto mais quente um corpo, maior é a sua temperatura e maior é o nível de calor do corpo. Dois corpos à mesma temperatura podem conter quantidades de calor diferentes e como conseqüência, dois corpos a temperaturas diferentes podem conter a mesma quantidade de calor.

(F − 32) C = 9 5

As escalas Celsius e Farenheit são consideradas relativas. A escala Kelvin é considerada a escala absoluta. O grau Celsius tem o mesmo valor que o kelvin, porém as escalas são defasadas de 273,19 graus. Ou seja, 0 K corresponde a -273,19 oC; 273,19 K valem 0 oC; 1 273,19 K correspondem a 1 000 oC. A escala absoluta correspondente à relativa Farenheit é a escala Rankine. O grau Rankine tem o mesmo valor que o grau Farenheit, porém há uma defasagem de 459,61 oF nas escalas.

oC

(K)

100

212 escala

100

0

Unidades A unidades de temperatura no SI é o kelvin (K). Na prática, usa-se o kelvin em trabalhos científicos e teóricos sendo aceito o uso do grau Celsius (oC) em aplicações comerciais e práticas. Não se deve usar o grau Fahrenheit (oF) ou grau Rainkine (oR).

oF (oR)

180

32 0

O

o

C = ( F - 32)/1,8

F=1,8C+32

sensor Fig. 4.5. Escalas de temperatura

Escalas de temperatura A partir dos pontos notáveis arbitrários, foram estabelecidas várias escalas 1. Escala Celsius (oC), estabelece como zero o ponto de congelamento da água, como 100 o ponto de ebulição da água e divide o intervalo em 100 partes iguais, chamados graus Celsius. 2. Escala Farenheit (oF), ainda teimosamente usada nos países de língua e colonização inglesa. Farenheit estabeleceu o valor 32 para o ponto de

Sensores de temperatura Existem vários modos de se determinar a temperatura, incluindo o termômetro a gás, o termômetro paramagnético, o termômetro de radiação de Planck. Porém, são métodos para a determinação termodinâmica da temperatura e só possuem interesse científico e teórico e por isso, são restritos a laboratórios de pesquisa.

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Variáveis Medidas Em siderurgia e metalurgia, quando se tem altas temperaturas, são utilizados medidores de temperatura tipo radiação de energia. Alguns que utilizam o olho humano como detector e todos servem para medir temperaturas entre 1 200 e 3 000 oC. Há ainda pirômetros com detetores de infravermelho e com padrões de referência objetivos. Em laboratórios, é comum o uso de termômetros de hastes de vidro. São tubos de vidro transparente, contendo um fluido no seu interior capilar. A dilatação do fluido é proporcional à temperatura sentida no bulbo. São simples e baratos, porém são frágeis e fornecem apenas leitura local. São aplicados em laboratórios, oficina de instrumentação e para medição clínica da temperatura do corpo humano. Os sensores de temperatura podem ser classificados, de um modo geral, em mecânicos e eletrônicos. Os sensores mecânicos mais usados são os seguintes: 1. bimetal 2. enchimento termal 3. haste de vidro Os sensores elétricos mais usados são: 1. termopar 2. resistência metálica 3. termistores ou resistência a semicondutor Há ainda os pirômetros ópticos, para medição de temperatura sem contato direto. Tab. 4.1. - Faixas e métodos de medição Método Termopares Enchimento Termal Resistência Detectora Termistores Pirômetros Radiação

2. os elos mecânicos, para amplificar mecanicamente os movimentos gerados pela variação da temperatura, detectada pelo bimetal. 3. a escala acoplada diretamente aos elos mecânicos, para a indicação da temperatura medida. 4. opcionalmente, pode-se usar o sistema de transmissão. As vantagens do bimetal são o baixo custo, a simplicidade do funcionamento, a facilidade de instalação e de manutenção, as largas faixas de medição e a possibilidade de ser usado com os mecanismos de transmissão. As desvantagens são a pequena precisão, a não linearidade, a grande histerese, a presença de peças moveis que se desgastam e, quando manuseados sem cuidado ou quando submetidos a duro trabalho, a alteração da calibração.

Fig. 4.6. Bimetal

Faixa de Medição, oC

-200 a 1700 -195 a 760 -250 a 650 -195 a 450 -40 a 3000

Bimetal Os termômetros bimetais são usados para a indicação local da temperatura. O princípio de funcionamento é simples dois metais com coeficientes de dilatação térmica diferentes são soldados formando uma única haste. à uma determinada temperatura, a haste dos dois metais está numa posição; quando a temperatura varia, a haste modifica a sua posição produzindo uma força ou um movimento. As partes do termômetro a bimetal são 1. o sensor, em contato direto com a temperatura

A principal aplicação para o termômetro a bimetal é em indicação local de temperaturas de processo industrial. É muito usado para controle comercial e residencial de temperatura associado a ar condicionado e refrigeração. Enchimento Termal O sistema termal de enchimento mecânico foi um dos métodos mais usados no início da instrumentação, para a medição de temperatura. O método foi e ainda é, um meio satisfatório de medição da temperatura para a indicação, o registro e o controle locais. Seu uso não é limitado a leitura local ou controle, mas é utilizado para a transmissão pneumática para leitura ou controle remoto. Os componentes básicos do sistema termal de enchimento mecânico são 1. o bulbo sensor, em contato com o processo. 2. o elemento de pressão, montado no interior do instrumento receptor, que

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Variáveis Medidas pode ser um transmissor pneumático, um indicador, um registrador ou um controlador, todos montados próximos ao processo . 3. o tubo capilar, ligando o bulbo ao elemento de pressão do instrumento. 4. opcionalmente pode haver o sistema de compensação da temperatura ambiente. O sistema termal é ligado a um dispositivo de display, para apresentação do valor da temperatura.

Fig. 4.7. Esquema simplificado do sistema termal Termopar A medição de temperatura por termopar é uma das mais usadas na indústria, principalmente em sistema com a seleção de multipontos.

1. o termopar, que está em contato com o processo. O ponto de junção dos dois metais distintos é chamado de junta quente ou junta de medição. 2. a junta de referência ou a junta fria, localizada no instrumento receptor. Como a militensão é proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções, a junta de referência deve ser constante. Como nos primeiros circuitos havia um recipiente com água + gelo, para manter a junta de referência em 0 oC, a junta de referência é também chamada de junta fria. Mesmo quando se mede temperatura abaixo de 0 oC, portanto quando a junta quente é mais fria que a junta fria, os nomes permanecem, por questões históricas. Atualmente, em vez de se colocar um pouco prático balde com água + gelo, utiliza-se o circuito de compensação com termistores e resistências. 3. circuito de detecção do sinal de militensão, geralmente a clássica ponte de Wheatstone, com as quatro resistências de balanço. Na prática o circuito é mais complexo, colocando-se potenciômetros ajustáveis no lugar de resistências fixas. Os ajustes correspondem aos ajustes de zero e de largura de faixa. 4. a fonte de alimentação elétrica, de corrente contínua, para a polarização dos circuitos elétricos de detecção, amplificação e condicionamento do sinais.

Fig. 4.8. Sensor termopar A junção do termopar gera um sinal de militensão ou uma força eletromotriz que é função dos seguintes parâmetros: 1. o tipo do termopar usado. As pesquisas são desenvolvidas para se encontrar pares de metais que tenham a capacidade de gerar a máxima militensão quando submetidos a temperaturas diferentes. 2. a homogeneidade dos fios metálicos. As instalações de termopar requerem inspeções periódicas para verificação do estado dos fios termopares. A degradação do termopar introduz erros na medição. 3. a diferença de temperatura nas junções. Essa é a propriedade utilizada para a medição da temperatura. O circuito de medição completo deve possuir os seguintes componentes básicos

Fig. 4.9. Sistema de medição com termopar Existem vários tipos de termopares, designados por letras; cada tipo apresentando maior linearidade em determinada faixa de medição. Essa variedade de tipos facilita a escolha, principalmente porque há muita superposição de faixa, havendo uma mesma faixa possível de ser medida por vários termopares.

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Variáveis Medidas

Fig. 4.10. Curvas dos vários tipos de termopar Os tipos mais utilizados comercialmente são 1. tipo J, de Ferro (+) e Constantant (-), com faixa de medição até 900 oC. Para a identificação, o Fe é o fio magnético. 2. tipo K, de Cromel (+) e Alumel (-), para a faixa de medição até 1.200 oC, sendo o Cromel levemente magnético. 3. tipo T, de Cobre (+) e Constantant (-), para faixa até 300 oC. É fácil a identificação do cobre por causa de sua cor característica. 4. tipo S, com a liga (+) de Platina (90%) + Ródio (10%) e Platina pura (-). Atinge até medição de 1.500 oC e para identificação, platina pura é a mais maleável. 5. tipo R, também liga (+) de Platina (87%) + Ródio (13%) e Platina (-), com a mesma faixa de medição até 1.500 oC e identificando-se a platina pura pela maior maleabilidade. Resistência detectora de temperatura A resistência elétrica dos metais depende da temperatura; este é o princípio de operação do sensor de temperatura a resistência elétrica (RTD - Resistance Temperature Detector). Quando se conhece a característica temperatura x resistência e se quer a medição da temperatura, basta medir a resistência elétrica. Essa medição é mais fácil e prática. Normalmente, a resistência metálica possui o coeficiente térmico positivo, ou seja, o aumento da temperatura implica no aumento da resistência elétrica. A resistência de material semicondutor (Si e Ge) e as soluções eletrolíticas possuem coeficientes térmicos negativos o aumento da temperatura provoca a diminuição da resistência. A resistência elétrica a semicondutor, com coeficientes negativos, é chamada de termistor e é usada também como sensor de temperatura e nos circuitos de

compensação de temperatura ambiente das juntas de referência do termopar. Os tipos mais comuns de resistência metálica são a platina, níquel e cobre. A platina (Pt) é usada para medição de faixas entre 0 e 650 oC. A característica resistência x temperatura é linear nesta faixa e apresenta grande coeficiente de temperatura. O sensor Pt 100 tem resistência de 100 Ω à 0 oC e de aproximadamente 139 Ω à 100 oC. Embora a mais cara, a platina possui as seguintes vantagens 1. Disponível em elevado grau de pureza, 2. Resistente à oxidação, mesmo à alta temperatura, 3. Capaz de se transformar em fio (dúctil).

Fig. 4.11. Curvas de resistência × temperatura

Acessórios Bulbo O bulbo termal serve para 1. encerrar o fluido de enchimento do sistema termal mecânico. Nessa configuração, o elemento de temperatura é formado pelo conjunto bulbo + capilar + elemento sensor de pressão. O sistema é totalmente selado, sem vazamento e sem bolhas de ar, 2. proteger o termopar ou o fio de resistência detectora de temperatura dos rigores do processo. Em qualquer situação o bulbo está em contato direto com o processo, quando não há poço. Os seus materiais de construção são o aço inoxidável AISI 316 e ligas especiais, como Monel®, Hastelloy® e metais nobres como Ti, Pt, Ta.

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Variáveis Medidas

Fig. 4.12. Bulbos de temperatura A geometria do bulbo de temperatura varia com o fabricante e com as exigências do processo. Há recomendações da Scientific Apparatus Manufacturer Association (SAMA) para normalizar os nomes das partes notáveis do bulbo: 1. parte sensível (X), é a parte que envolve o elemento sensor (termopar ou resistência) ou a parte que sente a temperatura, ficando em contato com o ponto que se quer medir a temperatura. A parte sensível pode ser ajustável (50 a 450 mm). 2. extensão (J) é a distância que vai do ponto onde é fixado o bulbo até o início da parte sensível. A extensão pode ser rígida ou dobrável. 3. inserção (U) é a soma da extensão e da parte sensível; é toda a parte que fica mergulhada ou no interior do processo. Tem-se U = X + J. 4. diâmetro (Y) do bulbo, ou mais precisamente, o diâmetro da parte sensível, que é função do tamanho do bulbo e da largura de faixa de temperatura medida, quando de enchimento termal. 5. união, que é opcional. Quando há união, ela pode ser fixa ou ajustável. A união é uma rosca macho e sua finalidade é a de fixar o bulbo na parede do processo ou no poço.

Poço de temperatura O poço de temperatura é um receptáculo metálico, rosqueado, soldado ou flangeado ao equipamento do processo, que recebe o bulbo de medição. Os objetivos do poço são os de 1. proteger o bulbo de medição da corrosão química e do impacto mecânico; 2. possibilitar a remoção do bulbo de medição sem interrupção do processo; 3. diminuir a probabilidade de vazamento nas tomadas de temperatura, aumentando também sua resistência mecânica; 4. tornar praticável a medição de fluidos de alta temperatura, corrosivos, sujos e tóxicos e submetidos à pressão elevada.

Fig. 4.14. Poços de temperatura

Fig. 4.13. Bulbo e suas dimensões

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Variáveis Medidas 4.4. Medição de Vazão

A condição normal se refere às condições de:

Conceito

Temperatura = 0 oC (173,15 K) Pressão = 101,325 kPa absoluta (14,696 psi a) Umidade relativa = 0%

Vazão ou fluxo é o deslocamento de volume, ou massa de um fluido, por unidade de tempo. A vazão é instantânea quando o intervalo de tempo tende para zero. Na industria de processo, a vazão mais comum ocorre através de tubulação fechada, com seção transversal circular. Nesta vazão, outra relação matemática importante mostra que a vazão instantânea é proporcional à velocidade do fluido e à área da seção reta da tubulação, onde o fluido se desloca:

Q= v×A v é a velocidade do fluido A é a área da seção da tubulação A maioria dos medidores industriais de vazão medem a vazão volumétrica, embora hoje há uma crescente aplicação com medidores mássicos. A transformação de vazão volumétrica em vazão de massa, quando necessária, é facilmente conseguida, desde que se conheça a densidade do fluido. (massa = volume/densidade) ou a pressão, temperatura e composição para gases.

Unidades As unidades no Sistema Internacional são, m3 1. vazão volumétrica: s kg 2. vazão mássica: s Também são usadas outras unidades não recomendadas pelo SI, como 1. LPM (litro por minuto), para se referir a vazão volumétrica de líquidos, 2. ton/h, para a vazão mássica de vapor, 3. m3/h (metro cubico por hora) para gases As unidades inglesas mais usadas são GPM (galões por minuto) e SCFM (pé cubico padrão por minuto), referentes à vazão volumétrica. A condição padrão para a norma ISO 51024 (1976) se refere às condições de:

Medidores de Vazão Sistema de Medição Os medidores de vazão consistem de duas partes distintas, cada uma exercendo uma função diferente: 1. elemento primário 2. elemento secundário O elemento primário está em contato direto com o fluido (parte molhada), resultando em alguma forma interação. Esta interação pode ser a separação do jato do fluido, aceleração, queda de pressão, alteração da temperatura, formação de vórtices, indução de força eletromotriz, rotação de impelidores, criação de uma força de impacto, criação de momento angular, aparecimento de força de Coriolis, alteração no tempo de propagação e muitos outros fenômenos naturais. O elemento secundário tem a função de medir a grandeza física gerada pela interação com a vazão do fluido e transformá-la em volume, peso ou vazão instantânea. O elemento secundário é finalmente ligado a um instrumento receptor de display, como indicador, registrador ou totalizador. As condições para a instalação apropriada e a operação correta, os erros e as outras características do elemento primário são independentes e diferentes das características do elemento secundário, de modo que eles devem ser tratados separadamente. O elemento primário se refere especificamente à medição de vazão e o elemento secundário se refere à instrumentação em geral. A placa de orifício é o elemento primário que mede a vazão gerando uma pressão diferencial e será estuda aqui. O transmissor de pressão diferencial, que é o elemento secundário associado a ela, será visto aqui muito superficialmente, para completar o estudo do sistema de medição. Este mesmo transmissor pode ser usado em outras aplicações, para medir nível ou pressão manométrica.

Temperatura = 15 oC (59 oF) Pressão = 101,325 kPa absoluta (14,696 psi a) Umidade relativa = 0%

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Variáveis Medidas Tipos de Medidores As classificações dos medidores de vazão se baseia somente no tipo do elemento primário ou no princípio físico envolvido. Os medidores de vazão podem ser divididos em dois grandes grupos funcionais: 1. medidores de quantidade 2. medidores de vazão instantânea. Os medidores de vazão podem ser ainda classificados sob vários aspectos, como 1. relação matemática entre a vazão e o sinal gerado, se linear ou não-linear; 2. tamanho físico do medidor em relação ao diâmetro da tubulação, igual ou diferente; 3. fator K, com ou sem 4. tipo da vazão medida, volumétrica ou mássica, 5. manipulação da energia, aditiva ou extrativa. Obviamente, há superposições das classes; por exemplo, a medição de vazão por placa de orifício envolve um medidor de vazão volumétrica instantânea, com saída proporcional ao quadrado da vazão, com diâmetro total, sem fator K e com extração de energia. O medidor de deslocamento positivo com pistão reciprocante é um medidor de quantidade, linear, com fator K, com diâmetro total e com extração de energia. O medidor magnético é um medidor de vazão volumétrica instantânea, com fator K, diâmetro total e com adição de energia. Quantidade ou Vazão Instantânea No medidor de quantidade, o fluido passa em quantidades sucessivas, completamente isoladas, em peso ou em volumes, enchendo e esvaziando alternadamente câmaras de capacidade fixa e conhecida, que são o elemento primário. O elemento secundário do medidor de quantidade consiste de um contador para indicar ou registrar a quantidade total que passou através do medidor. O medidor de quantidade é, naturalmente, um totalizador de vazão. Quando se adiciona um relógio para contar o tempo, obtém-se também o registro da vazão instantânea. No medidor de vazão instantânea, o fluido passa em um jato contínuo. O movimento deste fluido através do elemento primário é utilizado diretamente ou indiretamente para atuar o elemento secundário. A vazão instantânea, ou relação da quantidade de vazão por unidade de tempo, é derivada das interações do jato e o elemento primário por conhecidas leis físicas teóricas suplementadas por relações experimentais.

Relação Matemática Linear e Não Linear A maioria dos medidores de vazão possui uma relação linear entre a vazão e a grandeza física gerada. São exemplos de medidores lineares: turbina, magnético, área variável, resistência linear para vazão laminar, deslocamento positivo. O sistema de medição de vazão mais aplicado, com placa de orifício é não linear. A pressão diferencial gerada pela restrição é proporcional ao quadrado da vazão medida. Exemplo de outro medidor não-linear é o tipo alvo, onde a força de impacto é proporcional ao quadrado da vazão. A rangeabilidade do medidor, que é a relação entre a máxima vazão medida dividida pela mínima vazão medida, com o mesmo desempenho é uma função inerente da linearidade. Os medidores lineares possuem a rangeabilidade típica de 10:1 e os medidores com grandeza física proporcional ao quadrado da vazão possuem a rangeabilidade de 3:1. Exemplos típicos de medidores de vazão não lineares: placa de orifício, venturi, bocal, alvo, calha Parshall (exponencial); medidores lineares: turbina, deslocamento positivo, magnético, coriolis, área variável.

Fig. 4.15. Geradores de pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão (a) placa de orifício (b) tubo venturi (c) tubo Pitot (d) cotovelo (elbow) (e) loop (f) bocal

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

Fig. 4.17. Medidor vortex Medidores Volumétricos ou Mássicos A maioria dos medidores industriais mede a velocidade do fluido. A partir da velocidade se infere o valor da vazão volumétrica (volume = velocidade x área). A vazão volumétrica dos fluidos compressíveis depende da pressão e da temperatura. Na prática, o que mais interessa é a vazão mássica, que independe da pressão e da temperatura. Tendo-se a vazão volumétrica e a densidade do fluido pode-se deduzir a vazão mássica. Porém, na instrumentação, a medição direta e em linha da densidade é difícil e complexa. Na prática, medem-se a vazão volumétrica, a pressão estática e a temperatura do processo para se obter a vazão mássica, desde que a composição do fluido seja constante. Atualmente, já são disponíveis instrumentos comerciais que medem diretamente a vazão mássica. O mais comum é o baseado no princípio de Coriolis.

Fig. 4.16. Medidor de vazão volumétrica tipo turbina: linear, diâmetro total, intrusiva, com fator K, saída de pulsos

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

(a) Medidor

(b) Esquema de construção

Fig. 4.18. Medidor Coriolis: mássico, intrusivo, linear, saída freqüência, fator K, energia extrativa

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Variáveis Medidas Energia Extrativa ou Aditiva Em termos simples, os medidores de vazão podem ser categorizados sob dois enfoques diferentes relacionados com a energia: ou extraem energia do processo medido ou adicionam energia ao processo medido. Como o fluido através da tubulação possui energia, sob várias formas diferentes, como cinética, potencial, de pressão e interna, podese medir a sua vazão extraindo alguma fração de sua energia. Este enfoque de medição envolve a colocação de um elemento sensor no jato da vazão. O elemento primário extrai alguma energia do fluido suficiente para faze-lo operar. A vantagem desta filosofia é a não necessidade de uma fonte externa de energia. Porém, o medidor é intrusivo e oferece algum bloqueio a vazão, o que é uma desvantagem inerente a classe de medição.

interpretado de modo enganoso, como se os medidores baseados na adição da energia sejam piores ou menos favoráveis que os medidores baseados na extração da energia.

Fig. 4.20. Rotâmetro de área variável

Seleção dos Medidores

Fig. 4.19. Medidor magnético: energia aditiva, linear, volumétrico, fator K, não intrusivo Exemplos de medidores extratores de energia: placa de orifício, venturi, bocal, alvo, cotovelo, área variável, Pitot, resistência linear, vertedor, calha, deslocamento positivo, turbina e vortex. O segundo enfoque básico para medir a vazão é chamado de energia aditiva. Neste enfoque, alguma fonte externa de energia é introduzida no fluido vazante e o efeito interativo da fonte e do fluido é monitorizado para a medição da vazão. A medição com adição de energia é não intrusivo e o elemento primário oferece nenhum ou pequeno bloqueio a vazão. Como desvantagem, é necessário o uso de uma fonte externa de energia. Exemplos de medidores aditivos de energia: magnético, sônico, termal. O número de medidores baseados na adição da energia é menor que o de medidores com extração da energia. Isto é apenas a indicação do desenvolvimento mais recente destes medidores e este fato não deve ser

Quanto maior o número de opções, mais difícil é a escolha. A seleção do medidor de vazão é uma tarefa difícil e complexa, geralmente exigindo várias iterações para se chegar à melhor escolha. Para dificultar a escolha, a vazão é a variável do processo industrial que possui o maior número de diferentes elementos sensores e de medidores. São disponíveis tabelas relacionando os tipos dos medidores e as suas aplicações ideais, aceitáveis e proibidas. Porém, tais tabelas não são completas e não consideram todas as exigências e aplicações. Às vezes, elas são apresentadas pelo suspeito fabricante de determinado medidor e relacionam imparcialmente as principais vantagens do medidor especifico. A seleção do medidor é algo tão complicado que não deve-se limitar a uma tabela bidimensional. Os parâmetros que devem ser considerados na escolha e na especificação do medidor de vazão são os seguintes: Dados da Vazão Antes da seleção do medidor de vazão mais conveniente e para qualquer medidor escolhido é mandatório se ter todos os dados disponíveis da vazão de modo claro, confiável e definitivo. A vazão requer mais dados que a temperatura e a pressão, pois devem ser conhecidas as condições e instalações do processo e do fluido medido. É necessário o conhecimento dos seguintes dados da vazão 1. o tamanho da linha a ser usada. Este dado pode ser usado como verificação

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Variáveis Medidas

2.

3.

4. 5. 6. 7.

8.

do dimensionamento do medidor. Nunca se poderá ter um medidor de vazão com diâmetro maior que o diâmetro da linha onde ele será montado. Quando se obtém o diâmetro do medidor maior do que o da linha, geralmente há um erro relacionado com a vazão máxima do processo, que está superdimensionada. a faixa de medição vazão máxima, mínima e normal. A vazão é a variável de processo mais afetada pela rangeabilidade, que é a habilidade do medidor operar desde vazão muito pequena até vazão muito elevada, com o mesmo desempenho. A maioria dos erros de vazão é devida à medição de baixas vazões em um medidor dimensionado para elevada vazão máxima. a precisão requerida, que depende do uso da medição, se para uma verificação interna, se para compra e venda de produto. Deve ser bem determinado o que se está medindo (massa, velocidade ou volume), o que se está cobrando, quais as correções necessárias a serem feitas (temperatura, densidade), qual a classe de precisão e a rangeabilidade das medições (linear, não-linear). a função do instrumento indicação, registro, controle, totalização. a responsabilidade e a integridade do instrumento simples verificação, cobrança, ligado a segurança. o tipo de vazão se pulsante, constante, com golpe de aríete, turbulenta, laminar. as características e tipo do fluido medido (líquido, vapor ou gás), qualidade do vapor (saturado ou superaquecido), condições (sujeira, sólidos em suspensão, abrasividade), pressão estática, temperatura do processo, perda de carga permissível, velocidade, número de Reynolds correspondente, densidade, viscosidade, compressibilidade, peso molecular do gás ou do vapor e pressão de vapor do líquido. os efeitos de corrosão química do fluido, para a escolha dos materiais em contato direto com o processo,

Custo O custo do sistema de medição incluem os relativos a instalação, operação e manutenção. A maioria das pessoas só considera os custos diretos e imediatos da compra dos instrumentos, o que é incompleto. Por exemplo, os custos de um sistema de medição com placa de orifício incluem: 1. placa (dimensionamento, confecção) 2. instalação da placa: flange com furo ou furos na tubulação. 3. transmissor pneumático, eletrônico convencional ou inteligente. Se pneumático, ainda há custos do filtro regulador de pressão de alimentação, 4. tomada do transmissor à tubulação, com distribuidor de três ou cinco válvulas para bloqueio e equalização, 5. instrumento receptor com escala raiz quadrática ou com escala linear mais um instrumento ou circuito extrator de raiz quadrada. 6. se não houver trecho reto suficiente para a instalação da placa, deve-se adicionar um retificador de vazão, que é muito caro. 7. quando se quer uma maior precisão do sistema de medição, pode-se montar a placa em um trecho reto especial, com as tomadas prontas, com acabamentos especiais, com centralização garantida da placa, porém este kit de medição é caríssimo.

Fig.4.21. Medidor a deslocamento positivo: totalizador natural de vazão, intrusivo, volumétrico Quando a perda de pressão permanente provocada pela placa é muito grande, deve-se aumentar a pressão na entrada do sistema (que custa algo) ou então trocar a placa de orifício por um tubo venturi, que provoca uma perda de carga muito menor mas que custa muito mais que a placa. Existem ainda custos invisíveis relacionados com a manutenção futura e com as calibrações posteriores. Instrumentos sem peças móveis (p. ex., medidor magnético e vortex) normalmente requerem menos manutenção que instrumentos com peças móveis (p. ex.,

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Variáveis Medidas turbina e deslocamento positivo). A calibração do medidor de vazão pode requerer um padrão de vazão com classe de precisão superior a do medidor, que pode custar mais caro que o próprio medidor. O sistema com placa de orifício é calibrado em relação à pressão diferencial e por isso requer um padrão de pressão e não requer padrão de vazão. Quando se tem uma grande quantidade de medidores com fator K, que requerem calibrações periódicas, deve-se fazer um estudo econômico para implantação de um laboratório de vazão, em vez de enviar todos os medidores para o laboratório do fabricante ou um laboratório especializado. Função A função associada à vazão, a ser fornecida pelo instrumento receptor: indicação instantânea; registro para totalização posterior ou apenas para verificação; controle continuo ou liga-desliga ou a totalização direta da vazão, no local ou remotamente é um fator determinante na escolha do medidor. Medidores com saída em pulso são convenientes para totalização; medidores com saída analógica são mais apropriados para registro e controle. Para a indicação, é indiferente se o sinal é analógico ou digital. Medidores com deslocamento positivo são totalizadores naturais de vazão. Rotâmetros são adequados para indicação local e a indicação remota requer o uso do sinal de transmissão padrão. Desempenho A precisão do medidor inclui a repetibilidade, reprodutitividade, linearidade, sensibilidade, rangeabilidade e estabilidade da operação. A exatidão do medidor se refere à calibração e à necessidade de recalibrações ou aferições freqüentes. Existem medidores cuja precisão é expressa pelo fabricante como percentagem do fundo de escala, como percentagem do valor medido ou como percentagem da largura de faixa. A precisão expressa pelo fabricante é válida apenas para o instrumento novo e nas condições de calibração. A precisão total da malha é a resultante da soma das precisões do elemento sensor, do elemento secundário, do instrumento receptor, dos padrões de calibração envolvidos e das condições de calibração. Geralmente, quanto mais preciso o instrumento, mais elevado é o seu custo. O medidor mais preciso é a turbina medidora de vazão, usada como padrão de calibração de outros medidores. Porém, o mesmo tipo de medidor pode ter diferentes precisões em

função do fabricante, projeto de construção e materiais empregados. Geometria A geometria do processo inclui a tubulação fechada, esteira ou canal aberto; a disponibilidade de trechos retos antes e depois do local do medidor; a necessidade de uso adicional de retificadores de vazão e modificações das instalações existentes. Medidores diferentes requerem trechos retos a montante e a jusante do medidor diferentes. Geralmente o trecho reto a montante é maior que o trecho reto a jusante. Quando o trecho reto for insuficiente, deve-se usar retificadores de vazão. Quando o medidor é muito pesado, deve-se usar suporte para ele. Também, o medidor de vazão não pode provocar tensões mecânicas na tubulação onde ele é inserido. As dimensões e o peso do medidor estão relacionadas com a facilidade de armazenagem, a manipulação e a montagem do medidor na tubulação. A maioria dos medidores é instalada entre flanges e pelas especificações do fabricante, pode-se planejar os cortes na tubulação e a colocação das flanges adequadas para montar o medidor. É essencial que o medidor esteja alinhado com a tubulação, ou seja, que os eixos do medidor e da tubulação sejam coincidentes. Instalação A instalação do medidor inclui todos os acessórios, tomadas, filtros, retificadores, suportes e miscelânea do medidor. Antes de escolher o medidor, deve-se avaliar a facilidade da instalação na tubulação já existente, a simplicidade da operação futura e a possibilidade de retirada e de colocação do medidor sem interrupção do processo. Todo medidor de vazão deve ser montado em local de fácil acesso para o operador de campo do processo e principalmente, para o instrumentista reparador. Quando a retirada do medidor não pode afetar a operação do processo, deve-se prover um bypass para o medidor. Medidores de vazão para compra e venda de material não deve ter by pass. É disponível dispositivo para retirar e colocar placa de orifício na tubulação, sem interrupção do processo (válvula Daniel ou Pecos). Medidores frágeis, com peças móveis e que manipulem fluidos com sólidos em suspensão geralmente requerem filtros a montante. Os inconveniente do filtro são o seu custo em si e o aumento da perda de carga permanente.

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Variáveis Medidas Faixa de Medição A faixa de medição da vazão inclui os valores máximo e mínimo, largura de faixa, condições de pressão estática e de temperatura do processo. Embora toda faixa teórica de medição seja de 0 até a vazão máxima, a rangeabilidade do medidor define a vazão mínima que pode ser medida com a mesma precisão que a máxima. Os medidores lineares possuem maior rangeabilidade que os medidores com saída proporcional ao quadrado da vazão, como a placa de orifício. Os medidores digitais possuem maior rangeabilidade que os analógicos. O diâmetro do medidor de vazão é sempre menor que o diâmetro da tubulação; em raros casos ambos os diâmetros são iguais. Um medidor deve ser dimensionado ter capacidade de, no máximo, 80% da vazão máxima de projeto e a vazão normal de trabalho deve estar entre 75 a 80% da vazão máxima do medidor. Quanto maior a vazão medida, menor é o erro relativo da medição, principalmente quando o medidor tem precisão expressa em percentagem do fundo de escala. Medidor de vazão com peças móveis que trabalhe muito tempo em sua vazão máxima tem vida útil diminuída drasticamente. Quando o medidor trabalha próximo da sua capacidade máxima, a velocidade do fluido é a máxima e há maior chance de haver cavitação do fluido dentro do medidor, que pode destruí-lo rapidamente. Fluido As características químicas e físicas do fluido que entra em contato direto com o medidor: corrosividade, viscosidade, abrasividade, sólidos em suspensão, valor e perfil da velocidade são determinantes na escolha do medidor de vazão e dos seus materiais constituintes. O fluido serve para eliminar medidores. Por exemplo, o medidor magnético mede somente fluidos eletricamente condutores; a turbina mede somente fluidos limpos, o medidor ultrasônico mede somente fluidos com partículas em suspensão. Dependendo do tipo da sujeira e do medidor, a solução é usar filtro antes do medidor, com os seus inconvenientes inerentes. O problema da corrosão química pode ser eliminado com a escolha adequada do material das partes molhadas e do fluido. Na literatura técnica, são disponíveis tabelas com a lista de materiais recomendados, aceitáveis e proibidos para uso com determinados produtos. No aspecto de corrosão e compatibilidade com fluidos, o melhor medidor é o magnético, por causa da grande variedade do material de revestimento e dos eletrodos.

O problema de erosão física pode ser eliminado com o dimensionamento correto do medidor, que resulte em velocidades baixas. Às vezes, a solução também envolve o uso de filtro para eliminar partículas abrasivas em suspensão. Medidores com peça móvel e com elemento intrusivo geralmente são mais susceptíveis à erosão e desgaste que os medidores sem peça móvel e não intrusivos. O perfil de velocidade é muito importante quando se tem medidores de inserção, onde a posição do medidor deve ser matematicamente estabelecida. Perda de Carga A perda de carga permanente é a queda de pressão que o medidor provoca irrecuperavelmente na pressão estática da tubulação. Os medidores intrusivos provocam grande perda de carga e os medidores intrusivos provocam pequena ou nenhuma perda de carga. Quanto maior a perda de carga provocada pelo medidor, maior deve ser a pressão a montante do medidor e como conseqüência, maior a pressão de bombeamento. O medidor magnético praticamente não provoca queda de pressão adicional; o medidor ultra-sônico pode ser colocado externamente à tubulação (clamp on) para medir a vazão. O outro inconveniente de se provocar grande perda de carga, além da maior pressão a montante, é a possibilidade de haver cavitação no líquido, que pode destruir o medidor. A cavitação é provocada por baixa pressão. Tecnologia A tecnologia empregada está associada à manutenção, tradição e número de peças de reposição. É uma boa prática de engenharia padronizar um medidor de vazão, pois isso facilita a manutenção e diminui o número de peças de reposição. Nota-se que os medidores à base de energia extrativa são mais numerosos e mais usados que os medidores de energia aditiva. No Brasil, há medidores que tiveram um bom trabalho de marketing e são muito vendidos, como o medidor mássico coriolis. Outros medidores, com excelente desempenho, como o tipo vortex, são pouco conhecidos e pouco usados.

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Variáveis Medidas Medidor Universal Ideal de Vazão Não existe um medidor ideal para ser usado universalmente para qualquer aplicação. Todo medidor de vazão possui vantagens e limitações inerentes e para cada aplicação há um medidor mais conveniente, depois de analisados os aspectos técnicos e comerciais. Para cada conjunto de condições e exigências de processo há um medidor mais adequado que deve ser o escolhido. Isto obriga o engenheiro ou o técnico conhecer os princípios básicos de todos os medidores de vazão e a aplicação ótima para cada tipo. O ponto de partida para a escolha é o conhecimento prévio de todos os dados do processo da vazão. A escolha deve ser feita, baseada no compromisso entre o custo e o desempenho. Porém, a escolha do melhor medidor de vazão não é suficiente para a futura medição precisa e confiável. O instrumento escolhido deve ser montado corretamente, mantido em perfeitas condições e os dados fornecidos por ele devem ser interpretados e entendidos de modo exato e preciso. O medidor ideal teria as características 1. alta rangeabilidade, podendo medir com pequeno erro, grandes e altas vazões 2. sinal de saída linear com a vazão medida 3. sinais de saída analógico e digital 4. imunidade a ruídos e outras influências externas 5. medição da vazão sem influência da densidade, viscosidade, condutividade e outras variáveis modificadoras 6. perda de carga desprezível 7. sem obstrução, para manipular fluidos com sólidos em suspensão 8. sem peças moveis 9. alta resistência a fluidos abrasivos e corrosivos 10.capacidade de medir igualmente líquidos e gases, 11.capacidade de uso em altas e baixas temperaturas e altas pressões 12.disponibilidade em diferentes tamanhos para ser usado em tubulações grandes e pequenas. 13.capacidade de ser instalado e retirado do processo sem interrupção da operação 14.altíssima precisão (repetibilidade, linearidade, sem histerese e sem banda morta) 15.ausência de manutenção, 16.estabilidade, confiabilidade e integridade. 17.facilidade e retenção da calibração (calibração requerida em longos intervalos de tempo)

Medidores Favoritos Os medidores de vazão favoritos são os seguintes: 1. sistema de medição de vazão com elemento primário gerador de pressão diferencial. Os elementos mais usados são a placa de orifício, o venturi e o bocal e Pitot. É o sistema usado na maioria das aplicações industriais, 2. a turbina medidora de vazão, tangencial, de inserção e com eixo longitudinal. Usada para a medição precisa de fluidos limpos e com saída digital conveniente para a totalização. Menos usada, é a turbina de inserção, 3. o sistema de medição magnética da vazão, com excitação senoidal e corrente contínua pulsada. Usado para a medição de fluidos corrosivos e sujos, sem perda de carga adicional, 4. o medidor de vazão com deslocamento positivo, com pistão reciprocante, pistão oscilante, engrenagens ovais, impelidores, diafragmas e disco nutante. Usado para a totalização direta da vazão, 5. o medidor de área variável para a indicação local e barata da vazão de fluido sob baixa pressão e com pequena precisão, 6. o medidor com geração de vórtices de Von Karmann, chamado de vortex, 7. o medidor direto de massa de Coriolis, 8. o medidor ultra-sônico por efeito Doppler e por tempo de trânsito, disponível na versão portátil, onde é usado externamente à tubulação, 9. medidor tipo alvo (target) para medição de fluidos viscosos, 10.medidores de canal aberto, tipo calha, onde se tem a variação simultânea da área de passagem e do nível da superfície líquida, 11.o medidor térmico baseado nos efeitos de resfriamento ou aquecimento de elementos termais (princípio de operação mais usado em chave de vazão). Há outros medidores, mais raramente usados e pouco conhecidos, como o medidor com diluição, medidor óptico com raio laser, medidor de correlação, medidor linear com geração de pressão diferencial, medidor baseado na variação do momento angular e medidor nuclear.

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Variáveis Medidas 4.5. Medição de Nível

tão raro como o capacitivo, tão injustificadamente temido como o radioativo.

Conceito

Visor de nível Ao contrário das outras variáveis de processo que são invisíveis, como a temperatura e pressão, o nível de um líquido pode ser facilmente visto, desde que as paredes do recipiente sejam transparentes e o líquido não o seja. O visor é o medidor de nível mais simples possível e consiste de uma parede de vidro ou outro material transparente, geralmente com uma escala graduada. Um dos inconvenientes do visor é sua fragilidade, por ser construído de vidro. É comum o uso de armaduras e proteção metálicas, para aumentar a resistência mecânica do visor. Outra técnica é usar paredes mais grossas ou mesmo, usar materiais transparentes mais resistentes, como fibra de vidro e plásticos.

O nível pode ser considerado a altura da coluna de líquido ou de sólido no interior de um tanque ou vaso. O nível não se aplica a gases em tanque de teto fixo, pois o gás sempre ocupa todo o espaço. Em aplicações industriais, às vezes, se tem um único vaso com dois líquidos não miscíveis e tem-se o interesse na medição da interface desses dois líquidos que não se misturam.

Unidades A unidade de nível deveria ser a unidade de comprimento, pois o nível é a altura de uma coluna de líquido. Porém, é prática universal se referir ao nível como percentagem: o nível tem um nível que varia entre 0 e 100%, podendo assumir todos os valores intermediários.

Fig. 4.22. Medidores de nível de tanque

Mecanismos de medição Os métodos de medição de nível, como os relacionados com outras variáveis, são numerosos. Há dezenas de diferentes princípios de operação, alguns se sobrepondo a outros, ou seja, há alguns métodos que podem ser aplicados a diferentes casos e como conseqüência, há algumas aplicações que podem tem diferentes mecanismos de medição de nível. Comercialmente, os mecanismo básicos de medição de nível são os seguintes: 1. visor 2. medidor de nível a pressão diferencial 3. medição de nível com borbulhamento (também pressão diferencial) 4. nível medido através do deslocador, baseado na força de empuxo Há ainda outros métodos, tão simples como o tipo bóia, tão complicado como o ultra-sônico,

Medição com Pressão Diferencial As alterações do nível podem causar alterações proporcionais em outras variáveis de processo, mais facilmente detectáveis. Assim, também se pode medir o nível de um líquido por inferência, através da medição de outra variável de processo. Um dos métodos clássicos de medição de nível de líquido é aquele através da pressão exercida pelo líquido. A pressão hidrostática, resultante da coluna do líquido é diretamente proporcional ao valor dessa coluna de líquido. Em outras palavras, a pressão em um ponto do líquido é proporcional ao nível acima desse ponto de referência. A pressão hidrostática, no fundo de cada tanque, é independente do formato do recipiente e depende apenas da altura e da densidade do líquido. O princípio de operação é simples, o problema se resume na medição da pressão no fundo do tanque, quando aberto e na medição da pressão no fundo e no topo, quando o tanque é fechado e pressurizado. Assim, a medição do nível da coluna liquida se transfere para medição de pressão, manométrica ou diferencial, com todos os artifícios de selagem e purga, quando o fluido do processo é corrosivo, tóxico ou sujo.

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Variáveis Medidas

(a) Tanque aberto

(b) Tanque fechado

Fig. 4.23. Medição de nível com pressão diferencial Para esse tipo de medição de nível através da pressão diferencial, há vários tipos para a tomada de alta pressão, aquela próxima ao fundo do tanque: 1. tomada convencional, através de rosca fêmea, tipicamente 1/2" NPT. Quando o líquido é perigoso para a cápsula, utilizase uma coluna liquida de selagem, entre a tomada do tanque e o corpo do transmissor. 2. tomada tipo flange plana, quando a tomada do processo é do tipo flangeado e quando não há problema de decomposição de material na tomada. 3. tomada tipo flange com extensão, quando a tomada do processo é também flangeada e se deseja manter a superfície sensível da cápsula em contato direto com o processo, evitandose a deposição de produtos na reentrância da tomada. 4. tomada tipo flange, plana ou com extensão, porém ligada ao corpo do transmissor através de um capilar, de tamanho variável e dependente da geometria do sistema. Essa aplicação se refere a processos com alta temperatura. O capilar possibilita a montagem do transmissor distante do tanque.

exercida pela coluna hidrostática. É provavelmente o mais antigo e simples dispositivo de medição de nível, com indicação remota. O sistema de medição consiste de um tubo de material inerte ao líquido do tanque colocado verticalmente e mergulhado no interior do líquido, até quase atingir o seu fundo. Através de uma tubulação injeta-se um gás inerte, geralmente nitrogênio, ou ar comprimido. Aumenta se lenta e continuamente a pressão de suprimento do gás, até que se comece a borbulhar o gás. No momento limite que começa o borbulhamento, a pressão aplicada é exatamente igual à pressão exercida pela coluna liquida. Ou seja, a pressão aplicada para borbulhar o gás é proporcional ao nível que se quer medir. Quando o nível vária, a pressão a ser aplicada também vária. Por isso deve se utilizar uma válvula de controle de pressão diferencial, para manter contato a vazão do gás, qualquer que seja a pressão do nível e para garantir que a pressão aplicada é sempre igual à pressão da coluna liquida. Desde que se coloque um medidor dessa pressão regulada, tem-se a medição do nível do tanque. Ou também, pode-se colocar um transmissor de pressão manométrica, para o envio do sinal para indicação, registro ou controle distantes.

Fig. 4.25. Medição com borbulhamento

(a) Transmissor montado (b) Transmissor fora do processo

Fig. 4.24. Nível com transmissor e capilar Medição com Borbulhamento A medição de nível com borbulhamento também se baseia no princípio da pressão

Medição com Deslocador É também um método muito popular e conhecido. Seu princípio de funcionamento é a lei de Arquimedes, o da heureca: quando um corpo é submerso em um líquido, ele perde peso igual ao peso do líquido deslocado. O sistema de medição de nível por deslocador se resume na

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Variáveis Medidas detecção e medição de um peso e através de uma calibração, da medição de nível. Há quem chame esse sistema de medição de nível de medidor com flutuador. O nome é incorreto, pois, na realidade a ponta de prova não flutua, mas fica submersa no líquido cujo nível está sendo medido.

Fig. 4.26. Três montagens de medição por deslocador

Medidor com Bóia É um sistema de medição direta de nível, extremamente simples, usado em tanque aberto para a atmosfera. Tem-se a bóia ou flutuador, em contato direto com o líquido do processo por um cabo a um contrapeso, passando por uma polia. Medição Radioativa Os materiais radioativos, com alto peso molecular, tendem a se desintegrar naturalmente, gerando basicamente três formas de radiação: raios alfa, beta e gama, que diferem entre si, entre outras características, quanto à capacidade de penetrar em outros materiais. Foram desenvolvidos sistemas de medição de nível, utilizando-se a radiação, onde se tem: 1. fonte de material radioativo (Radio, Cobalto 60, Césio 137) que se desintegra continuamente, segundo uma equação exponencial simples e conhecida. 2. detetor da radiação, colocado dentro do campo radioativo da fonte. 3. material que se quer medir o nível, colocado entre a fonte e o detetor. Como a quantidade de material, portanto nível do material absorverá mais ou menos radiação, o valor da radiação detectada será proporcional ao nível do material.

APOSTILA\Platt

PLATT2.DOC

19 FEV 99 (Substitui 03 MAI 97)

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5 Controle de Processo 5.1. Introdução

5.2. Malha aberta ou fechada

Cada processo tem um fluxo de material, energia ou ambos. O fluxo de material ou energia é manipulado sob o comando de um controlador cujo objetivo é manter a variável do processo em um valor desejado; este valor é chamado de ponto de ajuste (set point). Por exemplo, um controlador de nível de um tanque manipula a vazão do líquido que entra no tanque, um controlador de pressão manipula a vazão de gás na entrada da esfera e um controlador de temperatura manipula a vazão de vapor de uma serpentina que passa no interior do vaso.

No capítulo da medição, foi visto como vários instrumentos são ligados juntos para formar malhas de medição e controle. A Fig. 5.1. mostra uma forma genérica de malhas de controle das Fig. 2.1 e 2.2. Todas estas figuras ilustram a informação do controle automático percorrendo um circuito fechado. Este arranjo é chamado de controle de malha fechada. O ponto de ajuste, que é ajustável, é colocado na unidade de soma, tipicamente por um operador

Ponto de ajuste (Valor desejado da variável)

(+) Soma

(-) Valor real da variável controlada

Transmissor

Elementos de medição

Controlador

Distúrbios Elementos de controle

Elemento final de controle Variável manipulada

a planta. A medição do valor real da variável controlada do processo é também colocada na unidade de soma. Esta unidade compara os dois valores do ponto de ajuste e da medição real e a saída resultante representa o erro de controle, a quantidade pela qual o valor real da variável controlada se desvia do valor ideal. Este erro é o que o controlador tenta eliminar ou, pelo menos, minimizar em controle de malha fechada. A unidade somadora, na maioria dos casos, está dentro do controlador e na minoria, está separada.

Sensor Ponto de ajuste

Medição

Processo Variável controlada

Controlador

Distúrbios

Elementos de controle

Fig. 5.1. Malha de controle fechada genérica

Elemento final de controle

Processo

Variável manipulada

Fig. 5.2. Malha aberta de controle genérica

Variável controlada

Controle de Processo Os elementos de medição, que podem ser separados ou combinados, são chamados de elementos de realimentação negativa (feedback) por que eles alimentam a informação do estado da variável controlada de volta para o somador de modo que haja ação corretiva. A maioria das malhas de controle na industria é do tipo de malha fechada. Outro tipo de malha, sem realimentação, é o de malha aberta. Este arranjo é conhecido como controle de malha aberta, mostrado de forma genérica na Fig. 5.2. O exemplo típico de controle de malha aberta é o controle manual. Um operador de processo pode encher um tanque, manter constante uma temperatura ou manter uma vazão através do controle manual. Ele tem sempre que se manter alerta, lendo a informação acerca do nível, temperatura ou vazão em algum instrumento de indicação próximo. Ainda é possível se ter controle de malha fechada sem a realimentação negativa mas baseado em outra estratégia. Um exemplo é o sistema de mistura automática de duas substâncias em uma proporção fixa, como 33% de A e 67% de B. O controlador recebe as medições das duas vazões, o operador ajusta no controlador a razão da mistura (1:3) e o controlador manipula a vazão de A, resultando em uma mistura das duas substâncias. O sistema não mede a composição da mistura para garantir que ela foi feita na proporção desejada. Tipicamente, um controlador automático possui uma estação manual associada de modo que o operador possa cortar o controle automático e passar para o controle manual do sinal de saída.

5.3. Controle Automático Para um controlador automático em uma malha fechada manter uma variável de processo igual ao ponto de ajuste, ele deve saber se a variável está no valor correto. Mas uma resposta SIM ou NÃO é insuficiente e o controlador deve saber, no mínimo, se a variável está acima ou abaixo do ponto de ajuste. Para um melhor controle, o controlador deve saber o valor da diferença entre a medição e o ponto de ajuste. Em outras palavras, o controlador deve saber o valor do erro. Para um controle melhor ainda, o controlador deve saber a duração do erro existente. E para um controle melhor possível, o controlador deve saber a velocidade de variação da variável controlada.

Estes vários refinamentos do controle implicam nos modos de controle, que podem ser os seguintes: 1. controle binário 2. controle proporcional 3. controle integral 4. controle derivativo.

Controle binário O controle binário, também conhecido como controle on-off, liga-desliga, de duas posições, é o mais simples de todos os modos de controle. Ele é o mais curto e o menos adaptável de todos os tipos de controle embora ele seja adequado para muitos casos e é freqüentemente usado em plantas de processo. Ele é também o controle mais barato e é o tipo quase sempre usado em controle de temperatura de geladeira e condicionador de ar ambiente. A saída de um controlador binário é ou ligada ou desligada. Seu valor depende dos seguintes fatores: 1. a direção do erro de controle 2. a ação do controlador, direta ou inversa. A unidade de soma da Fig. 5.1 determina a direção do erro de controle, positivo ou negativo. Seja o controle liga-desliga de temperatura do óleo de um tanque. O óleo é aquecido pelo vapor que passa por uma serpentina colocada dentro do tanque. Se a temperatura está baixa, o controlador abre totalmente a válvula de vapor; se a temperatura está alta, o controlador fecha totalmente a válvula. Não há vazão intermediária de vapor: a vazão é zero ou 100%. No controle binário, a diferença do processo, a banda de operação, entre as ações liga e desliga é geralmente pequena, como por exemplo, a temperatura ambiente na sala. Porém, há casos onde a banda liga-desliga é intencionalmente feita grande de modo a minimizar a freqüência de operação do equipamento, como o motor da bomba. Este controle é feito na pressão do compressor do borracheiro. Há um ponto para ligar o compressor, por exemplo, 70 psi e um ponto para desligar o compressor, como 150 psi. Este tipo de controle é chamado de controle de intervalo diferencial (differential gap). O controle binário é simplesmente uma ação de chaveamento e o mesmo instrumento pode ser usado para qualquer outra operação de chaveamento, como atuar um alarme. Assim o instrumento é identificado como uma chave e não como um controlador. Quase todos sistemas de controle operam com cargas variáveis de processo. A carga do processo é a quantidade de material ou energia

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Controle de Processo que deve ser manipulada para controlar a variável controlada. A carga depende se o sistema está operando na capacidade máxima, intermediária ou mínima e de todos os fatores que influem na variável controlada, exceto a variável manipulada. O controle binário é teórica e praticamente incapaz de manter a variável controlada dentro de uma dada faixa de operação para mais do que uma carga de processo. Para outras cargas, a banda se move para cima ou para baixo, dependendo se carga está aumentando ou diminuindo. O deslocamento da banda de controle é chamado de desvio permanente (offset ou droop, que é pequeno ou grande, dependendo do tamanho da variação da carga. O desvio permanente é a razão porque uma casa controlada por um termostato que tenha uma isolação ruim requer que o ponto de ajuste seja aumentando manualmente para manter a casa confortável quando o tempo se torna mais frio. O termostato é um controlador binário cuja banda de operação tem caído por que a carga de aquecimento da casa foi aumentada.

Controle Proporcional O controle proporcional, também conhecido como controle de uma única ação ou modo, fornece uma saída modulada que pode ter qualquer valor entre o mínimo (0%) e o máximo (100%) da faixa da saída. O valor depende de vários fatores, como: 1. direção e tamanho do erro de controle, 2. ganho ou sensitividade do controlador 3. ação de controle direta ou inversa. Os controladores e processos, como as pessoas, são sensíveis em diferentes graus. Quando se diz algo que não agrada uma pessoa e ela se irrita, ela é considerada muito sensível. Quando se diz a mesma coisa a outra pessoa e ela não se perturba, ela é menos sensível. Quanto maior a sensitividade, maior é a reação a um estímulo de entrada. Sensitividade é geralmente expressa em termos de ganho proporcional ou simplesmente ganho. Ganho é o equivalente à quantidade de reação dividida pela quantidade de estímulo. Ganho é definido como a variação da saída correspondendo a uma dada variação de entrada dividida pela variação da entrada. Para a maioria dos controladores, o ganho proporcional é ajustável. Em controladores analógicos, é comum se usar o termo banda proporcional em lugar de ganho proporcional. Banda proporcional é o inverso do ganho ou a divisão da entrada pela saída. A banda proporcional é expressa em percentagem. Um controlador cuja saída varia de 10% de seu valor inicial quando a entrada varia de 8%

do seu valor inicial tem um ganho de 1,25 ou banda proporcional de 80%. Se a mesma variação de entrada de 8% causa uma variação na saída de 4%, o controlador tem ganho de 0,5 e banda proporcional de 200%. O termo ganho se aplica a outros instrumentos diferentes do controlador. Uma malha fechada de controle também possui um ganho. A válvula de controle possui um ganho. O sinal de entrada da válvula vem da saída do controlador. Se o sinal de entrada da válvula varia de 5 para 7 psi (aumento de 40%) e causa uma variação de saída de 100 para 120 m3/h (aumento de 20%), então o ganho da válvula é de 0,5 ou 10 m3/h por psi. O processo também possui um ganho. Se a entrada de vapor para um aquecedor d'água varia de 10 000 para 12 000 kg/h causando uma variação da temperatura d'água de 100 a 200 oC, o ganho do processo (aquecedor) é 0,010 ou 1 oC por 100 kg/h. Substituindo o controlador binário da Seção 4.2.1. por um controlador proporcional, se a temperatura do óleo está um pouco baixa, o controlador faz a válvula de vapor abrir um pouco; se estiver muito baixa, o controlador faz a válvula abrir mais ainda. Se a temperatura estiver um pouco acima do valor desejado, o controlador faz a válvula fechar um pouco, se estiver muito acima, a válvula fecha muito. Nas condições normais, a saída do controlador é modulada, a válvula de controle modula a vazão de vapor e sempre há alguma vazão de vapor. Como o controlador binário, o controlador proporcional é sujeito ao desvio permanente (offset) e é incapaz de manter a variável controlada igual ao ponto de ajuste em mais do que uma carga de processo. O desvio permanente é a razão pela qual um sistema controlado por termostato esfria mais no inverno do que no verão. Neste caso, o termostato é um regulador auto-atuado que fornece somente controle proporcional.

Controle Proporcional mais Integral O controle proporcional mais integral é também conhecido como controle de dois modos, controle PI e controle automático com reset. O modo integral é também chamado de controle flutuante (floating control). Como para o controle proporcional, a saída do controlador é modulada, mas o valor da saída depende dos seguintes fatores: 1. a direção, magnitude e duração do erro de controle 2. o ganho do controlador, que depende do ganho proporcional e o ganho integral, ambos ajustáveis.

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Controle de Processo 3. a ação do controlador, direta ou inversa. Usando o controlador PI para a temperatura do óleo, este controlador faz o mesmo que o controlador proporcional mas ele tem uma característica a mais. Assumir que a temperatura do óleo esteja baixa. A saída do modo proporcional pede um aumento da vazão do vapor, que deve subir e levar a temperatura para o ponto de ajuste. Se a temperatura permanece baixa, o modo integral gradualmente se soma à saída e a válvula abre um pouco mais. Enquanto o erro permanecer, o modo integral se mantém somado à saída, a válvula se mantém abrindo e a temperatura finalmente atinge o ponto de ajuste. O erro de controle agora é zero, de modo que o controlador está satisfeito, a saída permanece constante e a vazão de vapor se mantém constante até que a temperatura do óleo seja perturbada de novo. Assim, o sistema de controle ainda responde ao desvio do ponto de ajuste. A ação adicional do modo integral reforça a ação do modo proporcional em qualquer direção, subindo ou descendo. Por causa da ação integral, este controlador não possui desvio permanente de controle. Em qualquer nova carga estável, o controlador retorna a variável controlada para seu ponto de ajuste., diferente do controle liga-desliga ou do controle proporcional.

Controle Proporcional mais Integral mais Derivativo O controle proporcional mais integral é também conhecido como controle de três modos ou controle PID. O modo derivativo é também chamado de controle de variação (rate control). Um controlador PID modula sua saída, cujo valor depende dos seguintes fatores: 1. a direção, magnitude e duração e taxa de variação do erro de controle 2. o ganho do controlador, que depende do ganho proporcional, ganho integral e ganho derivativo, todos ajustáveis. 3. a ação do controlador, direta ou inversa. Usando o controlador PID para a temperatura do óleo, este controlador faz o mesmo que o controlador PI mas ele tem uma característica a mais. O modo derivativo altera a saída do controlador de acordo com a velocidade de variação do erro de controle. Se o erro não estiver variando, a ação derivativa não faz nada. Se o erro varia lentamente, a ação derivativa muda a saída um pouco durante a variação do erro. Se o erro varia rapidamente, a ação derivativa faz uma grande variação na saída do controlador durante a variação do erro. O objetivo da ação derivativa é o de dar um reforço à ação corretiva do controlador, especialmente quando a variável

controlada estiver variando rapidamente. Portanto, a ação derivativa tende a evitar o erro se tornar muito grande antes que a ação proporcional e integral possam reganhar o controle. A ação derivativa é usada principalmente para sistemas lentos. Para controlar a temperatura do óleo com um controlador PID, se a temperatura cair abaixo do ponto de ajuste lentamente, o controlador age muito pouco, como um controlador PI. Se a queda é rápida, a ação para aumentar a abertura da válvula de vapor vem principalmente das ações proporcional e derivativa. Isto reduz a velocidade da queda e faz a ação derivativa se tornar menos importante. Enquanto isso, por causa do desvio prolongado do ponto de ajuste, a ação integral, que depende da duração do desvio, se torna mais importante. Finalmente, a temperatura é trazida de novo para o ponto de ajuste e permanece lá, o efeito derivativo cai para zero e a saída do controlador e a vazão de vapor se mantém em regime no ponto de ajuste.

Controlabilidade do processo Os quatro modos de controle discutidos: liga-desliga, proporcional, integral e derivativo são os mais comumente usados. Suas respostas estão resumidas na Tab. 4.1. A escolha do controle binário ou modulado e dos modos de controle proporcional depende da dificuldade de controle do processo. Quanto mais fácil é o processo para ser controlado, mais simples é o controlador usado para. Um processo que varia raramente é fácil de ser controlado e pode ser manipulado satisfatoriamente com controle manual, considerando a possibilidade má operação ou de não operação por causa da falha humana. Quanto mais difícil é o processo para ser controlado, mais complexos são o controlador e os seus ajustes. Os fatores que afetam a facilidade de controle estão mostrados na Tab. 4.2 e explicados abaixo. Os fatores de processo que influenciam a controlabilidade do processo são os itens 1 a 10. Os fatores do instrumento são os itens 11 a 13.

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Controle de Processo Tab. 41. Respostas ao erro do controlador Modo de controle Direção Magnitude Duração Taxa de variação Binário (on-off) * Proporcional (P) * * Integral (I) * * * Derivativo (D) * * * PI * * * PD * * * PID * * * * Tab. 4.2. Fatores Afetando a Controlabilidade do Processo Aumentando do fator do processo (1) Desvio permissível do ponto de ajuste (2) Magnitude da variação da carga (3) Taxa de variação da carga (4) Não linearidade do processo (5) Resistência (6) Capacitância (7) Tempo morto (8) Ruído do Processo (9) Variação do ambiente (10) Queda de pressão na válvula de controle Aumentando Fator do Instrumento (11) Não linearidade da medição (12) Característica errada da válvula (13) Ruído do sinal

Efeitos na facilidade de controle Ajuda Piora Piora Piora Piora Ajuda Piora Piora Piora Ajuda Efeitos na facilidade de controle Piora (maioria dos casos) Piora Piora

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Controle de Processo Fatores do Processo (1) Desvio permissível do ponto de ajuste O controle exato da variável controlada às vezes é importante e às vezes não é. Quanto menor a exigência, maior é o desvio permanente aceitável para o ponto de ajuste e mais fácil é o controle. Principalmente em controle de nível, um grande desvio do nível é geralmente planejado para possibilitar ao tanque absorver as variações bruscas não controladas na entrada e saída do tanque sem causar a vazão manipulada variar também bruscamente. Este tipo de controle é chamado de controle de média. (2) Magnitude da variação da carga Um processo tem vazão de material ou de energia. Quanto maior a faixa de variações da vazão entre o mínimo e o máximo, mais difícil é o controle. (3) Taxa de variação da carga Se a vazão de material ou energia variar muito rapidamente, o controle é mais difícil. (4) Não linearidade do processo Muitas bombas, trocadores de calor e processos químicos e malhas de controle operam de modo não linear. Isto significa que eles requerem quantidades variáveis da variável manipulada para manter a variável controle constante quando a carga de processo varia em quantidades iguais. As não linearidades existem porque as capacitâncias e resistências do processo variam com as variações de carga. As não linearidades são diferentes para processos diferentes. Selecionando a característica adequada da válvula permite ao processo ser mais linear e portanto mais fácil de ser controlado. Há também controladores PID não lineares específicos para sistemas de controle não lineares conhecidos, como o controle de pH. (5) Resistência Esta é a característica que impede a vazão de material ou energia. Todos os materiais permitem o calor passar através deles, mas não igualmente bem. Alguns materiais conduzem mal o calor, eles possuem alta resistência e são chamados de isolantes termais. Por exemplo: borracha e lã. Outros materiais conduzem bem o calor, eles possuem baixa resistência e são chamados de condutores termais. Por exemplo, fio de cobre e colher metálica. A resistência termal depende do tipo e quantidade de material do caminho da vazão de energia.

Do mesmo modo, existem isolantes e condutores para a eletricidade. O fluxo de materiais também pode ser inibido por uma resistência. Assim como uma rua estreita impede o fluxo do tráfico, assim uma tubulação com pequeno diâmetro oferece maior resistência à passagem do fluido no seu interior que uma tubulação com maior diâmetro. A resistência da vazão está relacionada com a queda de pressão na válvula [item (10) abaixo]. (6) Capacitância Capacitância é a propriedade de armazenar material ou energia. É definida como a variação da quantidade de material ou energia necessária para fazer uma variação unitária na variável do processo. Por exemplo, capacitância é o número de litros de água necessários para variar um nível do tanque por um metro. Em outras palavras, para fazer uma variação na variável controlada, alguma quantidade de variável manipulada deve ser fornecida ou removida; esta quantidade dividida pela variação é a capacitância. Capacidade é a máxima quantidade de material ou energia que pode ser armazenada em um equipamento ou sistema. A Fig. 5.3 mostra dois tanques tendo a mesma capacidade (72 m3) mas com alturas diferentes (6 metros e 4 metros). Suas capacitâncias são diferentes: a do tanque alto vale (72 m3/6 m = 12 3 m /m) a do tanque baixo vale (72 m3/4 m = 18 3 m /m) Quando se quer controlar o nível dos dois tanques, o processo é mais sensível no tanque alto (menor capacitância) do que no tanque baixo (maior capacitância). Para a mesma variação de volume em ambos os tanques, o nível no tanque alto terá uma maior variação. O tanque alto tem menor capacitância, resposta mais rápida e é mais difícil de ser controlado dentro de uma dada faixa. Aumentando a capacitância para uma dada faixa de controle melhora a estabilidade da variável controlada em resposta a um distúrbio.

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Controle de Processo controle degrada o controle porque a ação corretiva não pode começar durante o período do tempo morto. Enquanto isso, o erro de controle está aumentando. Em muitas aplicações, o tempo morto não é grande e não é realmente um problema. Em outros casos, especialmente em controle de análise, o tempo morto pode criar grandes dificuldades que requerem esquemas sofisticados de controle para superá-lo.

Capacidade = 6 × 4 × 3 = 72 metros cúbicos Capacitância = 72 m3 = 6m

12 m3/m

Tanque alto

Capacidade =4 × 6 × 3 = 72 m3 3

Capacitância = 72 m 18 m3/m 4m

Tanque baixo Para a mesma variação de volume do líquido em ambos os tanques, o nível no tanque baixo é mais estável

Fig. 5.3. Capacidade e capacitância do tanque

(7) Tempo morto O tempo morto é o período de atraso entre duas ações relacionadas e seqüenciais, tais como o início da variação da entrada e o início da variação da saída resultante. O tempo morto é chamado de tempo de transporte ou tempo de atraso. Seja uma pessoa que toma banho de chuveiro, com aquecimento central da água. Ela fica de lado e abre a torneira de água quente. A água chega imediatamente mas, infelizmente, ela está muito fria. Vinte segundos mais tarde, a água começa a ficar morna e depois quente. A pessoa ajusta a temperatura e entra debaixo d'água. Por que a pessoa tem de esperar tanto tempo para a água esquentar? É porque o chuveiro está distante do local onde está a água quente. Leva-se 20 segundos para água quente ir do tanque central para o chuveiro. Estes 20 segundos são o tempo morto. O mesmo acontece em processos de planta, onde o resultado de um distúrbio ou alteração da operação deve primeiro ser sentida e depois, uma vazão de material ou energia deve ser alterada de acordo para conseguir um resultado de controle. O tempo morto em qualquer parte da malha de

(8) Ruído do Processo Ruído é um distúrbio persistente que obscurece ou reduz a claridade ou qualidade de uma medição. Quando duas pessoas conversam em um ambiente com muito barulho (ruído) sonoro, é difícil o entendimento da conversa entre elas. Do mesmo modo, pode haver ruído na vazão ou nível que se quer medir. O ruído do processo é criado pela turbulência do fluido, correntes parasitas, ondas, alta velocidade, que causam uma medição com distúrbio, mesmo quando a vazão está em regime. Pode haver um ruído audível, mas este ruído não afeta a medição, exceto possivelmente para certos instrumentos que sentem o som. Quanto maior o ruído do processo, mais difícil é o controle. Para melhorar o controle de processos com muito ruído, pode-se colocar circuitos de filtro (supressão de ruído) na linha do sensor ou no circuito de medição. (9) Variação ambiental Variações de um céu com sol ou com nuvens, do dia para a noite e do verão para o inverno afetam o controle de alguns processos por causa das variações resultantes de esfriar a temperatura da água ou dos efeitos termais sobre o equipamento do processo montado ao ar livre. Variações no vento ou umidade atmosférica afetam o desempenho de equipamento que esfria a água por evaporação. Variações da pressão atmosférica afetam os instrumentos de pressão manométrica e assim afetam os valores de operação, especialmente em aplicações de baixa pressão. Tais variações afetam a carga do processo, afetando os efeitos do controle. (10) Queda de pressão na válvula de controle A facilidade de controle da válvula depende da queda de pressão permissível através dela. Quanto maior a pressão, mais fácil é o controle, porém, mais se gasta a energia do processo. Quanto menor a pressão através da válvula, maior é o

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Controle de Processo tamanho da válvula e mais difícil é o controle da malha. Fatores do Instrumento (11) Não linearidade da medição O ganho, ou a relação saída/entrada de um sensor pode ser ou não ser linear. A não linearidade é causada pela relação básica da variável com a saída do sensor e independe da precisão do instrumento. A relação não linear clássica da instrumentação é entre a vazão e pressão diferencial provocada pela placa de orifício. A vazão é proporcional à raiz quadrada da pressão diferencial provocada pela restrição. Instrumentos, circuitos ou programas de computadores podem ser usados para linearizar o sinal não linear. Linearizar um sinal não linear é aplicar a não linearidade inversa. Por exemplo, lineariza-se um sinal quadrático extraindo sua raiz quadrada; lineariza-se um sinal exponencial aplicando o logaritmo.

(13) Ruído do sinal O ruído do sinal, principalmente em sinais elétricos, degrada a qualidade da informação transportada pelo sinal, degradando a eficiência da malha de controle. O ruído elétrico pode ser causado pela interferência de outros sinais elétricos, linhas de alimentação, maquinas elétricas, disjuntores. Para eliminar ou diminuir o ruído elétrico, devem ser tomadas precauções, incluindo o uso de blindagem e aterramento, pares de fios trançados, cabos coaxiais, separação das fiações de alimentação e de sinal, afastamento das fontes de ruído e terminação A

B

(variável livre)

(variável controlada)

FT 11A

FT 11B

FFY 11

SP

A B

FFY e FFC podem ser um único instrumento com as duas funções

FFV 11

FFC 11

(Vazão A) (Vazão B = 12/5 A) (Mistura A + B)

correta da fiação.

5.3.6. Sintonia do Controlador Fig. 5.4. Sinais quadrático

(12) Característica incorreta da válvula A característica da válvula de controle é a relação entre sua abertura (em %) e a vazão correspondente (em %). As três características mais usadas são: linear, igual percentagem e abertura rápida. A escolha da característica da válvula depende da característica do processo, de modo que as não linearidades envolvidas sejam canceladas. Processo linear requer válvula com característica linear e processo não linear requer válvula com característica não linear inversa. Quando isto não ocorre, há problemas de não linearidades no processo final.

Um controlador proporcional deve ser sintonizado para sua aplicação específica. Sintonia é o procedimento de ajustar a sensitividade de cada ação de controle e dos elementos dinâmicos auxiliares usados, para que o sistema de controle, incluindo o processo, forneça o melhor desempenho possível. Há procedimentos matemáticos e estudos de processo que podem ser usados para estimar os melhores ajustes preliminares de sintonia para um dado controlador. Na prática, os controladores são ajustados no campo por tentativa e erro e pela experiência. Mesmo quando se usam métodos sofisticados, a sintonia final resultante deve ser confirmada por tentativa de campo, com o controlador interagindo com o processo. Atualmente são disponíveis controladores eletrônicos microprocessados com

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Controle de Processo capacidade de auto-sintonia automática. Ou seja, o controlador é colocado na malha de controle, interage com o processo dinâmico e se ajusta automaticamente, cada modo assumindo seu valor ótimo.

5.4. Controle Multivariável Os tipos de malhas de controle mostrados nas Fig. 5.1 e 5.2 são usados em várias combinações importantes, como segue: 1. Relação 2. Cascata 3. Auto-seletor 4. Faixa dividida (Split range) 5. Preditivo Antecipatório (Feedforward) Cada uma destas combinações podem ser usada em conjunto com uma ou mais de outras combinações.

O controle casta é aquele em que a saída de um controlador estabelece o ponto de ajuste de outro controlador. Seja o aquecedor de óleo que usa vapor para aquecer a serpentina para esquentar o óleo, como mostrado na Fig. 5.6(a). Este sistema pode fornecer um bom controle da temperatura do óleo se forem constantes: 1. pressão do vapor de aquecimento, 2. vazão de óleo 3. temperatura de entrada do óleo Fig. 5.6. Evolução para o controle cascata Vapor com pressão flutuante

Óleo quente

TC

Relação O controle de relação (ratio) é o controle da razão de duas variáveis de processo. Uma variável flutua livremente de acordo com as exigências do processo e chamada de variável livre (wild). A outra variável é proporcional à variável livre e é chamada de variável manipulada. Um processo como a mistura de gasolina (blending) usa o controle de relação para proporcionar vários componentes, usando diferentes relações para gasolina especial, gasolina aditivada ou gasolina premium.

PC

PV Outros usuários de vapor

Óleo frio

(b) Malha de controle cascata

Vapor com pressão flutuante

Óleo quente

TC

Fig. 5.5. Controle de Relação de Vazões A Fig. 5.5 mostra como um produto químico A é misturado com um produto B em uma proporção desejada. A é a variável livre e B é a vazão manipulada. As duas vazões são medidas por dois transmissores que informam a um computador analógico quais são as vazões instantâneas. O computador divide os dois sinais pneumáticos provenientes dos transmissores e envia a saída para um controlador, que representa a relação. O ponto de ajuste do controlador é ajustado para estabelecer uma relação fixa entre A e B, por exemplo 5/12. O controlador ajusta continuamente a vazão B, de modo que a mistura de A e B sempre contem 5 partes de A e 12 partes de B, independente de como a vazão A varia.

Cascata

Trocador de calor

Trocador de calor

TV Outros usuários de vapor

Óleo frio

(a) Malha de controle simples Assim, o controle de temperatura deve ajustar a válvula de controle para passar exatamente a quantidade correta de vapor para manter a temperatura de saída do óleo igual ao ponto de ajuste e deve existir equilíbrio no aquecedor. Porém, a pressão do suprimento de vapor flutua muito por causa do uso variável pelos

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Controle de Processo outros clientes. A taxa de transferência de calor do vapor para o óleo depende da diferença entre a temperatura do vapor e a temperatura do óleo. A temperatura do vapor depende da pressão do vapor no aquecedor: quanto maior a pressão, maior a temperatura. Quando a pressão do suprimento de vapor sobe ou cai, o efeito imediato é alterar a pressão do vapor dentro do aquecedor. Isto aumenta ou diminui a diferença de temperatura entre o vapor e o óleo e, como conseqüência, o óleo se torna mais frio ou mais quente. Nenhuma correção é feita até que a temperatura seja sentida e o controlador de temperatura comece a reagir. Neste intervalo de tempo, sempre há um erro no controle de temperatura. O controle de temperatura é usualmente lento, de modo que o erro pode se tornar grande e pode permanecer por muito tempo. O controle de temperatura pode ser melhorado pelo sistema de controle cascata, mostrado na Fig. 5.6 (b). Quando a pressão de vapor variar e causar variações na pressão interna do aquecedor, o controlador de pressão sente e reajusta rapidamente a válvula de pressão para levar a pressão para o ponto de ajuste. A malha de controle de pressão age mais rápido que a de temperatura e o retorno da temperatura para o ponto de ajuste é muito mais rápido. Assim, o efeito da flutuação da pressão de vapor é corrigido para uma dada carga do aquecedor. Mas, o que acontece se a carga do aquecedor variar, ou seja, se a exigência de transferência de calor variar? A carga depende da vazão de óleo e sua temperatura de entrada. O controlador de temperatura sente a variação na temperatura do óleo quente e diz ao controlador de pressão para ir e ficar em uma nova pressão do vapor. O controlador de pressão possui um ponto de ajuste remoto e automático. O controlador de pressão rapidamente altera a posição da válvula para uma nova pressão do vapor e ele continua a agir prontamente para corrigir a pressão sempre que ela flutuar. Porém, se as variações de carga são muito grandes e a exigência do controle é muito rigorosa, podese usar ainda outras estratégias de controle, como o controle preditivo antecipatório. O sistema de controle cascata tem dois controladores a realimentação negativa mas apenas um único elemento final de controle. No exemplo, o controlador de temperatura tipifica um controlador primário ou controlador mestre. O controlador de pressão tipifica um controlador secundário ou controlador escravo. A malha de controle secundaria para a pressão pode ser olhada simplesmente

como um elemento final de controle elaborado para o controlador de temperatura. Uma exigência geral para todo sistema de controle cascata é que a malha de controle secundário seja muito mais rápida que a malha de controle primária. Se a malha secundaria não for muito rápida, ela tende a desestabilizar a malha de controle primária em vez de estabilizar e aparece a oscilação.

Auto-seletor O controle seletivo ou auto-seletor usa dois controladores, mas somente uma válvula de controle ou outro elemento final, como o sistema de controle cascata, mas há uma grande diferença. O controle cascata possui um controlador que controla o outro. No controle seletivo, cada controlador é independente do outro. Qualquer um dos dois controladores pode estar em controle a qualquer tempo, mas quando um controlador está em operação, o outro está como reserva ou de stand by. O conceito de controle seletivo ou autoseletor é explicado pelo exemplo na Fig. 5.7, que mostra um tanque cujo nível é controlado pela modulação da válvula de controle na linha de dreno de saída. A vazão do dreno do tanque é controlada usando-se a mesma válvula. Há duas exigências do processo: 1. o nível não pode ficar muito baixo 2. a vazão não pode ser muito alta Quando o nível ficar muito baixo, o controlador de nível está normalmente em ação e corta a vazão. Quando a vazão estiver muito alta, o controlador de vazão está em ação e também corta o excesso de vazão. Sempre, a válvula toma a posição menos aberta dos comandos dos dois controladores. A escolha de qual controlador deve assumir o controle é feita automaticamente por um relé seletor, que faz uma transição suave de um sinal de entrada para outro. A função seletora deste relé pode ser incorporada ao circuito do controlador.

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Controle de Processo

Tanque

LC

Produto químico

LC

Tanque de reação

<

Vapor aquecedor

FC

LV-B Água refrigerante

Serpentinas Este esquema evita nível muito baixo e vazão muito elevada LV-A Efluente químico

Fig. 5.7. Controle seletivo

Faixa dividida (Split range) O controle de faixa dividida usa um controlador e duas válvulas de controle, ambas moduladas. A Fig. 5.8 (a) mostra um esquema de controle de temperatura para um processo batelada (batch), usando um tanque de reação química que requer a temperatura de reação constante. Para começar a reação o tanque deve ser aquecido e isto requer uma vazão de vapor através da serpentina. Depois, a reação exotérmica produz calor e o tanque deve ser resfriado e isto requer uma vazão de fluido refrigerante, através de outra serpentina (poderia ser a mesma). O controle suave da temperatura é conseguido pelo seguinte sistema básico: 1. a saída do controlador de temperatura varia gradualmente quando a temperatura do tanque aumenta 2. quando o controlador solicita que a válvula de aquecimento esteja totalmente aberta, a válvula de resfriamento deve estar totalmente fechada 3. quando o controlador solicita que a válvula de resfriamento esteja totalmente aberta, a válvula de aquecimento deve estar totalmente fechada 4. no meio do caminho, ambas as válvulas devem estar simultaneamente fechadas, de modo que não haja nem aquecimento nem resfriamento. 5. cada válvula se move de modo contrário e seqüencial à outra. Este arranjo de controle é chamado de faixa dividida ou split range.

(a) Sistema de controle de processo

Temperatura % span

100

0

Saída do controlador % span 100

0

Posição da válvula de água aberta

Posição da válvula de vapor fechada

fechada

fechada

fechada

aberta

(b) Operação da válvula de controle

Fig. 5.8. Controle de Faixa Dividida

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6 Elemento Final de Controle Qualquer malha de controle de qualquer tipo deve manipular uma vazão de material ou de energia para tornar a variável controlada igual ou próxima ao ponto de ajuste. Embora existam modos diferentes de manipular a vazão, o método predominante é por meio de uma válvula de controle.

6.1. Válvulas de Controle Aproximadamente 5% dos custos totais de uma indústria de processo químico se referem a compra de válvulas. Em termos de número de unidades, as válvulas perdem apenas para as conexões de tubulação. As válvulas são usadas em tubulações, entradas e saídas de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; as principais são as seguintes 1. serviço de liga-desliga 2. serviço de controle proporcional 3. prevenção de vazão reversa 4. controle e alívio de pressão 5. especiais 5.1. controle de vazão direcional 5.2. serviço de amostragem 5.3. limitação de vazão 5.4. selagem de saídas de vaso ou de tanque De todas estas aplicações, a mais comum e importante se relaciona com o controle automático de processos.

As funções da válvula de controle são: 1. Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das condições de operação. Como o fluido do processo passa dentro da válvula, ela deve ter características mecânicas e químicas para resistir à pressão, temperatura, corrosão, erosão, sujeira e contaminantes do fluido. 2. Responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão é aplicado ao atuador da válvula, que o converte em uma força, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior está o obturador, que varia a área de passagem do fluido pela válvula. 3. Variar a área de passagem do fluido manipulado. A válvula de controle manipula a vazão do meio de controle, pela alteração de sua abertura. 4. Absorver a queda variável da pressão da linha. Em todo o processo, a válvula é o único equipamento que pode fornecer ou absorver uma queda de pressão controlável.

Corpo O corpo da válvula de controle é essencialmente um vaso de pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o plug (obturador), que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador pneumático. A posição relativa entre o obturador e a sede, modulada pelo sinal que vem do controlador, determina o valor da vazão do fluido que passa pelo corpo da válvula, variando a queda de pressão através da válvula. No corpo estão incluídos a sede, obturador, haste, guia da haste, engaxetamento e selagem de vedação. O conjunto haste-plug-sede é chamado de trim.

Fig. 6.1. Malha com válvula de controle

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Elemento Final de Controle Fig. 6.3. Características da válvula Na prática, a maioria dos processos é

Fig. 6.2. Corpo da válvula contendo o fluido

Característica de Vazão Conceito A característica da válvula de controle é definida como a relação entre a vazão através dela e a posição da haste, variando ambas de 0 a 100%. A vazão na válvula depende do sinal de saída do controlador que vai para o atuador. Na definição da característica, admite-se que 1. o atuador da válvula é linear (o deslocamento da haste é proporcional à saída do controlador), 2. a queda de pressão através da válvula é constante, 3. o fluido do processo não está em cavitação, flashing ou na vazão sônica (choked) São definidas duas características da válvula: inerente e instalada. A característica inerente se refere à observada com uma queda de pressão constante através da válvula; é a característica construída e fora do processo. A instalada se refere à característica quando a válvula está em operação real, com uma queda de pressão variável e interagindo com as influências do processo não consideradas no projeto. Características da Válvula e do Processo Para se ter um controle eficiente e estável em todas as condições de operação do processo, a malha de controle deve ter um comportamento constante em toda a faixa. Isto significa que a malha completa do processo, definida como a combinação sensor-transmissor-controlador-válvulaprocesso-etc. deve ter seu ganho e dinâmicas os mais constantes possível. Ter um comportamento constante significa ser linear.

não-linear, fazendo a combinação sensortransmissor-controlador-processo não linear. Assim, deve-se ter o controlador não-linear para ter o sistema total linear. A outra alternativa é a de escolher o "comportamento da válvula" não-linear, para tornar linear a combinação sensor-transmissor-controladorprocesso. Se isso é feito corretamente, a nova combinação sensor-transmissorprocesso-válvula se torna linear, ou com o ganho constante. O comportamento da válvula de controle é a sua "característica de vazão". O objetivo da caracterização da vazão é o de fornecer um ganho do processo total relativamente constante para a maioria das condições de operação do processo. A característica da válvula depende do seu tipo. Tipicamente os formatos do contorno do plug e da sede definem a característica. As três características típicas são linear, igual percentagem e abertura rápida; outras menos usadas são hiperbólica, raiz quadrática e parabólica. Característica de Igual Percentagem Na válvula de igual percentagem, iguais percentagens de variação de abertura da válvula correspondem a iguais percentagens de variação da vazão. Matematicamente, a vazão é proporcional exponencialmente à abertura. O índice do expoente é a percentagem de abertura. O termo "igual percentagem" se aplica porque iguais incrementos da posição da válvula causam uma variação da vazão em igual percentagem. Quando se aumenta a abertura da válvula de 1%,, indo de 20 a 21%, a vazão ira aumentar de 1% de seu valor à posição de 20%. Se a posição da válvula é aumentada de 2%, indo de 60 a 61%, a vazão ira aumentar de 1% de seu

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Elemento Final de Controle valor à posição de 60%. A válvula é praticamente linear (e com grande inclinação) próximo à sua abertura máxima. A válvula de igual percentagem produz uma vazão muito pequena para grande variação da abertura, no inicio de sua abertura, mas quando está próxima de sua abertura total, pequenas variações da abertura produzem grandes variações de vazão. Ela exibe melhor controle nas pequenas vazões e um controle instável em altas vazões. Característica Linear Na válvula com característica linear a vazão é diretamente proporcional à abertura da válvula. A abertura é proporcional ao sinal padrão do controlador, de 3 a 15 psig, se pneumático e de 4 a 20 mA cc, se eletrônico. A característica linear produz uma vazão diretamente proporcional ao valor do deslocamento da válvula ou de sua posição da haste. Quando a posição for de 50%, a vazão através da válvula é de 50% de sua vazão máxima. A válvula com característica linear possui ganho constante em todas as vazões. O desempenho do controle e uniforme e independente do ponto de operação. Característica de Abertura Rápida A característica de vazão de abertura rápida produz uma grande vazão com pequeno deslocamento da haste da válvula. A curva é basicamente linear para a primeira parte do deslocamento com uma inclinação acentuada. A válvula introduz uma grande variação na vazão quando há uma pequena variação na abertura da válvula, no inicio da faixa. A válvula de abertura rápida apresenta grande ganho em baixa vazão e um pequeno ganho em grande vazão. Ela não é adequada para controle continuo, pois a vazão não é afetada para a maioria de seu percurso; geralmente usada em controle ligadesliga. Característica Instalada O dimensionamento da válvula se baseia na queda de pressão através de suas conexões, assumida como constante e relativa à abertura de 100% da válvula. Quando a válvula está instalada na tubulação do sistema, a queda de pressão através dela varia quando há variação de pressão no resto do sistema. A instalação afeta substancialmente a característica e a rangeabilidade da válvula. A característica instalada é real e diferente da característica inerente, que é teórica e de

projeto. Na prática, uma válvula com característica inerente de igual percentagem se torna linear, quando instalada. A exceção, quando a característica inerente é igual à instalação, ocorre quando se tem um sistema com bombeamento com velocidade variável, onde é possível se manter uma queda de pressão constante através da válvula, pelo ajuste da velocidade da bomba. A característica instalada de qualquer válvula depende dos seguintes parâmetros 1. característica inerente, ou a característica para a válvula com queda de pressão constante e a 100% de abertura, 2. relação da queda de pressão através da válvula com a queda de pressão total do sistema, 3. fator de super dimensionamento da válvula. É difícil prever o comportamento da válvula instalada, principalmente porque a característica inerente se desvia muito da curva teórica, há não linearidades no atuador da válvula, nas curvas das bombas.

Dimensionamento da Válvula Filosofia O dimensionamento da válvula de controle é o procedimento de calcular o coeficiente de vazão ou o fator de capacidade da válvula, Cv. Este método do Cv é bem aceito e foi introduzido pela Masoneilan, em 1944. Uma vez calculado o Cv da válvula e conhecido o tipo de válvula usada, o projetista pode obter o tamanho da válvula do catálogo do fabricante. O coeficiente Cv é definido como o número de galões por minuto (gpm) de água que flui através da válvula totalmente aberta, quando há uma queda de pressão de 1 psi através da válvula, a 60 oF. Desse modo, quando se diz que a válvula tem o Cv igual a 10, significa que, quando a válvula está totalmente aberta e com a pressão da entrada maior que a da saída em 1 psi e a temperatura ambiente é de 15,6 oC, sua abertura deixa passar uma vazão de 10 gpm. O Cv é basicamente um índice de capacidade, através do qual o engenheiro é capaz de estimar, de modo rápido e preciso, o tamanho de uma restrição necessária, em qualquer sistema de fluido. Mesmo que o método de Cv seja usado por todos os fabricantes, as equações para calcular o Cv difere um pouco de fabricante para fabricante. A melhor política é usar a recomendação do fabricante da válvula escolhida. O dimensionamento correto da

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Elemento Final de Controle válvula é feito através de formulas teóricas, baseadas na equação de Bernouilli e nos dados de vazão, ou através de ábacos, curvas, réguas de calculo especificas. Atualmente, a prática mais usada é o dimensionamento de válvula através de programas de computador pessoal. O dimensionamento correto da válvula, determinado por formulas, régua de calculo ou programa de computador pessoal, sempre se baseia no conhecimento completo das condições reais da vazão. Freqüentemente, uma ou várias destas condições são assumidas arbitrárias; é a avaliação destes dados arbitrários que realmente determinam o tamanho final da válvula. Nenhuma formula - somente o bom senso combinado com a experiência - pode resolver este problema. Nada substitui um bom julgamento de engenharia. A maioria dos erros no dimensionamento é devida a hipóteses incorretas relativas às condições reais da vazão. Na prática e por motivos psicológicos, a tendência é super dimensionar a válvula, ou seja, estar do lado mais "seguro". Uma combinação destes vários "fatores de segurança" pode resultar em uma válvula super dimensionada e incapaz de executar o controle desejado. Aqui serão apresentadas as equações de calculo da Masoneilan e da Fisher Controls para mostrar as diferenças em suas equações e seus métodos. A maior diferença ocorre nas equações de dimensionamento de fluidos compressíveis (gás, vapor ou vapor d'água) Válvulas para Líquidos A equação básica para dimensionar uma válvula de controle para serviço em líquido é a mesma para todos os fabricantes.

Q = C v f ( x)

Válvulas para Gases O gás é mais difícil de ser manipulado que o líquido, por ser compressível. As diferenças entre os fabricantes são encontradas nas equações de dimensionamento para fluidos compressíveis. Estas diferenças são devidas ao modo que se expressa ou se considera o fenômeno da vazão crítica. A vazão crítica é a condição que existe quando a vazão não é mais função da raiz quadrada da diferença de pressão através da válvula, mas apenas função da pressão à montante. Este fenômeno ocorre quando o fluido atinge a velocidade do som na vena contracta. Assim que o gás atinge a velocidade do som, na vazão crítica, a variação na pressão à jusante não afeta a vazão, somente variação na pressão a montante afeta a vazão.

Atuador Operação Manual ou Automática Os modos de operação da válvula dependem do seu tipo, localização no processo, função no sistema, tamanho, freqüência de operação e grau de controle desejado. Os modos possíveis são manual ou automático. A atuação manual pode ser local ou remota. A atuação local pode ser feita diretamente por volante, engrenagem, corrente mecânica ou alavanca. A atuação manual remota pode ser feita pela geração de um sinal elétrico ou pneumático, que acione o atuador da válvula. Para ser atuada automaticamente a válvula pode estar acoplada a mola, motor elétrico, solenóide, servo mecanismo, atuador pneumático ou hidráulico.

∆P ρ

onde Q = vazão volumétrica ∆P = queda de pressão através da válvula ou ∆P = P1 - P2 P1 = pressão a montante (antes da válvula) P2 = pressão a jusante (depois da válvula) ρ = densidade relativa do líquido Há outras considerações e correções devidas à viscosidade, flacheamento e cavitação, na escolha da válvula para serviço em líquido.

Fig. 6.4. Atuador pneumático da válvula Freqüentemente, é necessário ou desejável operar automaticamente a válvula, de modo continuo ou através de liga-desliga. Isto pode ser conseguido pela adição à válvula padrão um dos seguintes acessórios

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Elemento Final de Controle 1. atuador pneumático ou hidráulico para operação continua ou de liga-desliga, 2. solenóide elétrica para operação de liga-desliga, 3. motor elétrico para operação continua ou de liga-desliga. Geralmente, um determinado tipo de válvula é limitado a um ou poucos tipos de atuadores; por exemplo, as válvulas de alívio e de segurança são atuadas por mola; as válvulas de retenção são atuadas por mola ou por gravidade e as válvulas globo de tamanho grande e com alta pressão de processo são atuadas por motores elétricos ou correntes mecânicas. As válvulas de controle continuo são geralmente atuadas pneumaticamente e através de solenóides, quando se tem o controle liga-desliga. Geralmente estes mecanismos de operação da válvula são considerados acessórios da válvula. Atuador Pneumático Este tipo de operador, disponível com um diafragma ou pistão, é o mais usado. Independente do tipo, o princípio de operação é o mesmo. O atuador pneumático, com diafragma e mola é o responsável pela conversão do sinal pneumático padrão do controlador em força ou movimento ou abertura da válvula. O atuador pneumático a diafragma recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte numa força que irá movimentar a haste da válvula, onde está acoplado o obturador que irá abrir continuamente a válvula de controle. A função do diafragma é a de converter o sinal de pressão em uma força e a função da mola é a de retornar o sistema à posição original. Na ausência do sinal de controle, a mola leva a válvula para uma posição extrema, ou totalmente aberta ou totalmente fechada. Operacionalmente, a força da mola se opõe à força do diafragma; a força do diafragma deve vencer a força da mola e as forças do processo. Erradamente, se pensa que o atuador da válvula requer a alimentação de ar pneumático para sua operação; o atuador funciona apenas com o sinal padrão, de 3 a 15 psi. O atuador pneumático consiste simplesmente de um diafragma flexível colocado entre dois espaços. Uma das câmaras deve ser vedada à pressão e na outra câmara ha uma mola, que exerce uma força contraria. O sinal de ar da saída do controlador vai para a câmara vedada à pressão e sua variação produz uma força variável que é usada para superar a força

exercida pela mola de faixa do atuador e as forças internas dentro do corpo da válvula e as exercidas pelo próprio processo.

(a) Ar para abrir (b) Ar para fechar Fig. 6.5. Atuador pneumático da válvula O atuador pneumático deve satisfazer basicamente as seguintes exigências 1. operar com o sinal de 3 a 15 psig, 2. operar sem posicionador, 3. ter uma ação falha segura quando houver falha no sinal de atuação, 4. ter um mínimo de histerese, 5. ter potência suficiente para agir contra as forças desbalanceadas, 6. ser reversível. Ações do Atuador Basicamente, há duas lógicas de operação do atuador pneumático com o conjunto diafragma e mola 1. ar para abrir - mola para fechar, 2. ar para fechar - mola para abrir, Existe um terceiro tipo, menos usado, cuja lógica de operação é ar para abrir - ar para fechar. Outra nomenclatura para a ação da válvula é falha-aberta (fail-open), que eqüivale a ar-para-fechar e falha-fechada, igual a ar-para-abrir. A operação de uma válvula com atuador pneumático com lógica de ar para abrir é a seguinte quando não há nenhuma pressão chegando ao atuador, a válvula está "desligada" e na posição fechada. Quando a pressão de controle (típica de 3 15 psig) começa a crescer, a válvula tende a abrir cada vez mais, assumindo as infinitas posições intermediárias entre totalmente fechada e totalmente aberta. Quando não houver sinal de controle, a válvula vai imediatamente para a posição fechada,

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Elemento Final de Controle independente da posição em que estiver no momento da falha. A posição de totalmente fechada é também conhecida como a de segura em caso de falha. Quem leva a válvula para esta posição segura é justamente a mola. Assim, o sinal pneumático de controle deve vencer a força da mola, a força apresentada pelo fluido do processo, os atritos existentes entre a haste e o engaxetamento. O atuador ar-para-abrir necessita de pressão para abrir a válvula. Para pressões menores que 3 psig a válvula deve estar totalmente fechada. Com o aumento gradativo da pressão, a partir de 3 psig, a válvula abre continuamente. A maioria das válvulas é calibrada para estar totalmente aberta quando a pressão atingir exatamente 15 psig. Calibrar uma válvula é fazer a abertura da válvula seguir uma reta, passando pelos pontos (3 psig x 0%) e (15 psig x 100%) de abertura. A falha do sistema, ou seja, a ausência de pressão, deve levar a válvula para o fechamento total. Uma válvula com atuação ar-para-fechar opera de modo contrario. Na ausência de ar e com pressões menores que 3 psig, a válvula deve estar totalmente aberta. Com o aparecimento de pressões acima de 3 psig e seu aumento, a válvula diminuirá sua abertura. Com a máxima pressão do controlador, de 15 psig, a válvula deve estar totalmente fechada. Na falha do sistema, quando a pressão cair o 0 psig, a válvula deve estar na posição totalmente aberta. Certas aplicações exigem um válvula de controle com um diafragma especial, de modo que a falta do sinal de atuação faca a válvula se manter na ultima posição de abertura; tem-se a falha-última-posição.

ligas de níquel, materiais cerâmicos e plásticos especiais. Para serviço em alta pressão e/ou alta temperatura, deve-se considerar os vários tipos de aços, ligas de níquel, ligas de titânio e outros materiais de alta resistência. Para serviço em vapor d'água, considerar o aço carbono, bronze e metais similares. Em todos os casos de condições severas de uso, deve-se consultar a literatura dos fabricantes para determinar a conveniência de uma determinada válvula.

Materiais de Construção

Vantagens do Regulador A vantagem principal é o menor custo do regulador em relação ao custo total da malha convencional com o transmissor, o controlador e a válvula de controle. O regulador é mais barato no custo inicial, na instalação e na manutenção, principalmente quando as linhas de processo são pequenas. Quando as aplicações requerem válvulas maiores, a economia começa a tender para os sistemas completos. O regulador requer menor espaço e menor trecho da tubulação para a sua instalação e operação. A não necessidade de alimentação torna a válvula auto-operada mais conveniente para aplicações em lugares remotos e inacessíveis. O regulador não está sujeito a falta de alimentação e por isso o sistema é

O material de construção da válvula está relacionado diretamente com as propriedades de corrosividade e abrasividade do fluido que irá passar pela válvula. A escolha da válvula pode ficar limitada pela disponibilidade das válvulas em materiais específicos. Às vezes, por questão econômica, deve se considerar separadamente o material do corpo e dos internos (plug, haste, anel, disco .) da válvula. Para certos tipos de válvulas revestidas, como a diafragma, Saunders, o material do revestimento normalmente é diferente do diafragma elástico. A combinação da pressão, da temperatura de operação e das características do fluido determinam os materiais de construção permissíveis. Os líquidos e gases corrosivos normalmente requerem aços inoxidáveis,

6.2. Reguladores Conceito O regulador é uma válvula de controle com um controlador embutido. Ele é operado pela energia do próprio fluido sendo controlado e não necessita de fonte externa de energia. O regulador é chamado de válvula auto-operada, auto-regulada, reguladora.

Fig. 6.6. Válvula auto-regulada de temperatura

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Elemento Final de Controle mais seguro, porém o funcionamento da válvula auto-operada em si não é mais seguro ou confiável que o funcionamento da válvula de controle convencional. Como o regulador não requer fonte externa de energia ele é inerentemente seguro e pode ser usado em qualquer local perigoso, pois sua presença não compromete a segurança. As válvulas com atuador eletrônico requerem classificação elétrica especial, como prova de explosão, segurança intrínseca. Desvantagens do Regulador O ponto de ajuste é provido manualmente e não é possível o ajuste remoto. A precisão e a resolução do ajuste do ponto de ajuste são precárias. O controle só pode ser proporcional, com banda proporcional fixa. Não é possível a combinação com os outros modos, integral e derivativo. É limitado a poucas aplicações, podendo ser usado para o controle de pressão, temperatura e nível, em determinadas faixas e sob condições muito restritivas. É pouco preciso e não possui indicações da variável medida. É puramente mecânico e incompatível com os sinais elétricos de termopar, bulbo de resistência, contato . Há ainda a pequena flexibilidade com os acessórios, como o posicionador, a chave limite, o volante manual, a solenóide . Regulador de Pressão O regulador de pressão é o dispositivo para reduzir a pressão, para controlar o vácuo e a pressão diferencial. Ele pode ser aplicado a gases, líquidos e vapores. O diafragma é o componente básico responsável pela operação do regulador. O diafragma compara o ponto de ajuste, que é convertido em uma força pela compressão ajustável da mola com a pressão a ser regulada, que é convertida em outra força de diafragma em si e ajusta a abertura da válvula para reduzir o erro entre estas duas pressões. Assim o diafragma é, simultaneamente, o elemento de realimentação, o dispositivo de detecção de erro e o atuador. A ruptura do diafragma é a falha mais comum no regulador. A maioria dos reguladores falha na posição totalmente aberta quando o diafragma falha. Em aplicações críticas, uma solução seria o uso de dois reguladores em série, com o segundo regulador ajustado em um valor maior que o

primeiro, por exemplo, 20%. Ele ficará totalmente aberto em operação normal e será o responsável pela regulação somente durante a falha do primeiro. O regulador de pressão deve ser instalado com filtro a montante, com purgador ou separador de condensado, quando houver vapor. Deve haver trechos retos antes e depois do regulador. Regulador de Temperatura Um regulador de temperatura é um dispositivo controlador que inclui o elemento sensor termal, a entrada de referência e a válvula de controle. O sistema é auto-atuado a energia para a atuação da válvula é suprida pelo processo. Há basicamente dois tipos, conforme a atuação da válvula atuado diretamente e atuado por piloto. No tipo de atuação direta, a unidade de potência (diafragma, fole) do atuador termal está conectada diretamente a haste da válvula e desenvolve a força e o deslocamento necessários para abrir-fechar a válvula. O regulador atuado diretamente é mais simples, mais econômico e tem um controle mais proporcional. No tipo atuado por piloto, o atuador termal move uma válvula piloto, que controla o valor da pressão do fluido que passa pela válvula através de um diafragma ou pistão, que estabelece a posição da haste da válvula principal. O regulador com piloto possui bulbo menor, resposta mais rápida, maior ganho e pode atuar em válvulas de alta pressão. A instalação adequada inclui a correta localização do bulbo, onde as variações de temperatura são prontamente sentidas e onde não ha perigo de dano.

Fig. 6.7. Reguladora com piloto

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Elemento Final de Controle O regulador de nível é um instrumento que é atuado pela variação de nível do líquido do processo. Ele não necessita de suprimento de energia e por isso é autoatuado. Os principais tipos são do tipo bóia direta e bóia piloto. O mais simples regulador de nível consiste de uma alavanca atuada por uma bóia flutuadora e que atua diretamente na válvula de controle. O regulador com bóia piloto é mais versátil e sensível. Neste sistema a alavanca da bóia atua um relé pneumático. A válvula de controle é assim operada por pressão pneumática. Regulador de Vazão O regulador de vazão usa a energia do próprio líquido a ser medido, para sua operação. Ele normalmente possui uma restrição para provocar a pressão diferencial e utilizar esta mesma pressão diferencial para atuar em um pistão, que por sua vez, controla a vazão. O regulador contem em um único dispositivo os três elementos de controle primário-controlador-final. O ponto de ajuste é estabelecido externamente. Quando a vazão atinge o ponto de ajuste estabelecido, a válvula de controle integral impede qualquer acréscimo de vazão. O regulador é um dispositivo utilizado em sistemas onde a precisão não é crítica, como em sistemas de irrigação e distribuição de água. Conclusões Mesmo na época dos controladores a microprocessador, que serão a base do controle do próximo século, ainda há aplicações válidas para o regulador desenvolvido no século passado. O regulador ainda é usado para aplicações pouco exigentes e em locais onde não é disponível nenhuma fonte de energia. Ele justifica a sua aplicação, por causa de sua simplicidade e economia.

6.3. Outros Elementos Finais de Controle A malha de controle a realimentação negativa possui um elemento sensor, um controlador e um elemento final de controle. O sensor ou o transmissor envia o sinal de medição para o controlador, que o recebe e o compara com um ponto de ajuste e gera um sinal de saída para atuar no elemento final de controle. O elemento final de controle

manipula uma variável, que influi na variável controlada, levando-a para valor igual ou próximo do ponto de ajuste. O controle pode ser automático ou manual. O controle manual pode ser remoto ou local. A válvula de controle abre e fecha a passagem interna do fluido, de conformidade com um sinal de controle. Quando o sinal de controle é proveniente de um controlador, tem-se o controle automático da válvula. Quando o sinal de controle é gerado manualmente pelo operador de processo, através de uma estação manual de controle, tem-se o controle manual remoto. Na atual manual local, o operador atua diretamente no volante da válvula. Há vários modos de manipular as vazões de materiais e de energia que entram e saem do processo; por exemplo, por bombas com velocidade variável, bombas dosadoras, esteiras, motor de passo porém, o modo mais simples é por meio da válvula de controle. O controle pode ser feito de modo continuo ou liga-desliga. Na filosofia continua ou analógica, a válvula pode assumir, de modo estável, as infinitas posições entre totalmente fechada e totalmente aberta. Na filosofia digital ou liga-desliga, a válvula só fica em duas posições discretas ou totalmente fechada ou totalmente aberta. O resultado do controle é menos satisfatório que o obtido com o controle proporcional, porém, tal controle pode ser realizado através de chaves manuais, chaves comandadas por pressão (pressostato), temperatura (termostato), nível, vazão ou controladores mais simples. Neste caso, a válvula mais usada é a solenóide, atuada por uma bobina elétrica. O sinal de controle que chega ao atuador da válvula pode ser pneumático ou eletrônico. A válvula de controle com atuador pneumático é o elemento final de controle da maioria absoluta das malhas. Mesmo com o uso cada vez mais intensivo e extensivo da instrumentação eletrônica, analógica ou digital, a válvula com atuador pneumático ainda é o elemento final mais aplicado. Ainda não se projetou e construiu algo mais simples, confiável, econômico e eficiente que a válvula com atuador pneumático. Ela é mais usada que as bombas dosadoras, as alavancas, as hélices, os basculantes, os motores de passo e os atuadores eletromecânicos.

64

7 Controle Lógico 7.1. Conceito Controle lógico é o controle que causa as coisas serem feitas ou não feitas, dependendo de certas condições do processo, ações do operador ou ações que aconteceram ou não aconteceram no sistema. O controle lógico faz uso de um sistema lógico, que é uma combinação de elementos binários que decidem automaticamente por uma resposta apropriada em resposta a um determinado conjunto de condições. O conceito de controle lógico é esquematizado na Fig. 7.1. No controle lógico, cada parte do sistema lógico, cada evento de entrada, cada elemento de função lógica e cada resposta de saída é sim ou não, on ou off, verdadeiro ou falso, ligado ou desligado, 1 ou 0. O controle lógico é apropriado para qualquer sistema de processo que usa equipamentos liga-desliga para inicializar ou terminar operações normais ou de emergência.

7.2. Funcionamento Para entender um controle lógico, ao nível do chão, seja o planejamento de um picnic. Ivan e Ana querem ir a um picnic com Jerônimo e Márcia. Se eles não puderem ir todos juntos, então eles adiam o picnic para a próxima semana. O processo a ser cumprido é se preparar e ir. A Fig. 7.2 esquematiza algumas dessas possibilidades. A simbologia usada se baseia na norma ANSI/ISA S5.2 (1976): Binary Logic Diagrams for Process Operations. A figura é um diagrama lógico que mostra as seguintes exigências que devem ser satisfeitas para que o grupo vá ao picnic neste fim de semana: 1. Ninguém esteja doente. 2. Se (a) Ivan não tiver uma chamada de emergência para trabalhar no fim de semana na CPC ou

(b) ele é chamado mas é possível que o Clodion o substitua. 3. As comidas e bebidas estão preparadas. 4. Haja um carro disponível. 5. O tempo está de sol. Se cada uma dessas exigências é satisfeita, então o grupo vai para o picnic neste fim de semana. Se uma ou mais exigência não é satisfeita então o picnic é transferido para o próximo fim de semana. No próximo fim de semana, valem as mesmas regras. A função AND (E) na figura exige que todas suas entradas existam e continuem a existir para se ter e manter uma saída lógica; se qualquer uma das entradas for zero, a saída do AND é zero. A função OR (OU) na exige que pelo menos uma de suas entradas exista e continue a existir para se ter e manter uma saída lógica; se qualquer uma das entradas for um, a saída do OR é um. O círculo representa a função NOT (NÃO) que significa SE NÃO: se não há uma entrada lógica, então há uma saída lógica e se há uma entrada lógica, então não há uma saída lógica. A função NOT é um inversor. Cada uma dessas funções lógicas é chamada de porta (gate); por exemplo, porta AND e OR. No exemplo anterior, os sinais lógicos e os símbolos das funções existem somente nas cabeças das pessoas envolvidas, como Ivan e Vinícius. Porém, em uma planta de processo, o diagrama lógico usa equipamentos reais para executar a lógica, como descrito abaixo.

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Controle Lógico

Decisão

Evento

Certas condições do processo acontecem ou não acontecem Certas ações do operador acontecem ou não acontecem Certas ações do sistema de controle acontecem ou não acontecem

Resposta

Sistema de Controle Lógico Certos resultados do processo ocorrem ou não ocorrem

(contém elementos de funções lógicas)

Fig. 7.1. Conceito do Controle Lógico

(Sinais lógicos típicos )

(Entradas lógicas) Jerônimo, Márcia, Ivan e Ana não estão doentes Ivan tem uma chamada de emergência para trabalhar no fim de semana Clodion está disponível para substituir Ivan

NOT OR

(Saídas lógicas)

AND AND

Comidas e bebidas estão preparadas

Ir ao picnic

NOT

Esperar para a próxima semana

Há um carro disponível

O tempo está ensolarado Sistema lógico de controle Fig. 7.2. Ficar pronto para um picnic

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Controle Lógico Seja a seguinte situação de planta de processo: a planta possui uma bomba química que é ligada por uma botoeira. A bomba requer o suprimento de óleo lubrificante antes de partir. O suprimento de óleo pode ser ligado manualmente mas, por confiabilidade, ele é ligado automaticamente. A bomba do óleo lubrificante é ligada quando se aperta a botoeira da bomba química e a pressão do óleo deve se estabelecer dentro de 6 segundos. A seqüência lógica de operação é a seguinte: 1. Se a pressão de óleo é normal, ou seja, não é baixa, após 6 segundos a bomba química opera. Quando isso não acontece, a partida é cancelada automaticamente. 2. O operador pode parar a operação em qualquer momento apertando o botão STOP. Independente do operador, a operação para quando a pressão de óleo cai de um determinado valor de referência. 3. Quando a bomba química é comandada para parar, sua alimentação é cortada imediatamente e ela para mas a bomba de óleo continua a operar por 10 segundos e depois para. O atraso de 10 segundos garante que a bomba química continua sendo lubrificada enquanto estiver se desacelerando. 4. Enquanto a bomba química é solicitada para operar, um alarme PAL-64 é atuado se a pressão de óleo se torna baixa. Fig. 7.3 (a) esquematiza a lógica de partir e parar a bomba química normalmente e para proteger a bomba contra baixa pressão do óleo durante a operação. No diagrama, as linhas de operação na figura representam sinais lógicos e não sinais físicos. Agora, seja o caso em que o sistema é desligado e não há pressão de óleo, que é a situação normal quando a bomba química não estiver operando. Um alarme de pressão de óleo baixa é acionado, que é falso porque não há nenhum problema. Mesmo assim, o alarme requer uma ação de conhecimento pelo operador e a lâmpada de alarme continua acesa porque a condição de pressão baixa de óleo persiste, parecendo uma falha. Tal alarme falso é conhecido como alarme nuisance, que existe aqui porque a lógica do sistema não reconhece que o sistema está desligado. Alarmes nuisance são inconvenientes e, pior, é uma distração para o operador. Um alarme nuisance pode ser eliminado permitindo que o alarme seja atuado somente no caso de uma falha real ou anormalidade. No exemplo acima, a lógica do alarme deve ser a

seguinte, com a proteção contra nuisance mostrada em itálico: quando a bomba química é ligada, um alarme é atuado se a pressão de óleo estiver baixa depois de 6 segundos que o botão de partida tenha sido apertado. Assim, a bomba de óleo opera e há tempo para elevar a pressão antes que o alarme possa operar. A Fig. 7.3 (b) mostra a lógica para o sistema da bomba com o alarme nuisance bloqueado. Todas as condições e ações lógicas estabelecidas são de natureza binária: 1. a pressão de óleo está baixa ou não baixa, sinalizada pela saída de uma chave liga-desliga, PSL-64. 2. os elementos temporizadores tem ou não tem uma saída, dependendo se o tempo especificado expirou ou não, 3. a bomba química opera ou não opera. A situação é diferente quando há uma malha de controle analógico cuja ação é bloqueada em determinada circunstância. Por exemplo, a Fig. 7.4 (a) mostra uma malha de vazão modulante que controla o nível do líquido de um tanque. A saída do tanque é controlada pelo controlador de nível. Não se espera nível muito alto mas se isso ocorrer por causa de alguma falha, a vazão para o tanque deve ser desligada.

FY 65

LSH 66

S Falha aberta

FC 65

Tanque LC 67

FV 65

Falha fechada

(a) Esquema geral

Nível alto do tanque LSH-66

Permite controle da vazão Bloqueia controle da vazão

Fecha vazão FV-65

(a) Lógica binária básica Fig.7.3. Controle analógico com um intertravamento binário

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Controle Lógico O controlador de vazão passa através de uma solenóide que atua uma válvula piloto de três vias que normalmente deixa passa o sinal para a válvula de controle convencional. Quando o nível do tanque fica anormalmente alto, a saída da chave de nível alto passa a solenóide de ON para OFF, a válvula piloto interrompe o sinal do controlador que vai para a válvula. Sem ar, a válvula de controle fecha, cortando a vazão de alimentação do tanque. Agora, tem-se uma malha de controle binário - a chave de nível e a válvula piloto comandada pela solenóide - que sobrepõe um controlador analógico. A lógica básica é mostrada na Fig. 7.4 (b). A sobreposição, também chamada de intertravamento (interlock), interrompe a operação do processo parando a vazão que vai para o tanque. Este sistema é análogo ao controle auto-seletor, que usa dois controladores convencionais, sendo apenas um selecionado. Um exemplo caseiro de intertravamento de segurança é o forno de microondas que não opera até que sua porta esteja fechada.

7.3. Vantagens do Controle Lógico A diagramação lógica apareceu em resposta a uma necessidade de planejar sistemas lógicos complexos. As partes das descrições verbais escritas ou faladas de operações de intertravamento de processo são difíceis para se ligarem mentalmente para fornecer uma visão geral. Erros ou lacunas lógicas podem passar desapercebidos. O plano de controle lógico deve ser correto e claro antes de ser detalhado o projeto dos equipamentos para executar o plano. Deve-se fazer a coisa direito da primeira vez, com defeito zero. Os poucos símbolos lógicos junto com algumas palavras de linguagem vernácula permitem uma descrição coerente e explícita da lógica de operação a ser esquematizada. Após alguma experiência, a natureza gráfica do diagrama torna o diagrama relativamente fácil de ler e entender e as inconsistências lógicas são facilmente percebidas. O método é simples pois ele enfoca as exigências de operação do processo e não depende dos detalhes de qualquer equipamento. Por exemplo, a lógica depende se uma vazão é baixa ou alta e não depende se os contatos elétricos da chave de vazão estão abertos ou fechados. Os detalhes mecânicos da ação da chave são deixados para o especialista técnico. Ao mesmo tempo, o método pode apresentar as necessidades de operação com um maior ou menor grau de detalhe, dependendo de quem vai usar o diagrama. O nível de detalhe pode variar para o engenheiro

de projeto, engenheiro de processo, engenheiro de equipamento, operador de processo e pessoal de manutenção.

7.4. Realização do Controle Lógico Componentes do circuito lógico Todas funções de controle lógico podem ser executadas através de diferentes tipos de equipamentos isolados ou associados. O equipamento consiste de componentes individuais que são ligados juntos por condutores elétricos, tubos pneumáticos, circuitos impressos elétricos ou fibras ópticas para formar um sistema de controle lógico, como na Fig. 7.1. Os componentes de um sistema podem incluir os seguintes tipos: relés eletromecânicos, dispositivos elétricos a semicondutor, hidráulicos e ópticos. Relé eletromecânico O relé eletromecânico tradicional consiste de uma solenóide elétrica que, quando energizada ou desenergizada, move mecanicamente um ou mais contatos elétricos para abrir ou fechar os circuitos elétricos associados. Dispositivo elétrico a semicondutor O dispositivo elétrico a semicondutor ou a estado sólido executa as operações de chaveamento sem movimento mecânico. Ele usa o transistor elétrico discreto ou integrado e constitui a chave estática. Atualmente, ele substitui o relé eletromecânico, embora possua uma menor capacidade de corrente.

Controlador Lógico Programável O controlador lógico programável é designado abreviadamente como CLP ou PLC (programmable logic controller), embora o termo não esteja incluído na norma de identificação de instrumentos ANSI/ISA S5.1. Deve-se evitar o uso de PC para não confundir com personal computer. Um controlador lógico programável, CLP, é um instrumento eletrônico microprocessado programável que tem uma tela de vídeo e um teclado manual. Programar o instrumento é entrar as instruções nele para resolver um problema. Originalmente, o problema a ser resolvido era somente determinar e fornecer a saída binária apropriada de acordo com a lógicas das entradas binárias mas o escopo do problema foi muito aumentado, como descrito abaixo. A programação é feita através do teclado. Os resultados do programa são mostrados na tela.

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Controle Lógico Apertado o botão Partida HS-60A da bomba química Apertado o botão Parada HS-60B da bomba química

Operar bomba de óleo

S OR

DI 6s

R

OR AND

DT 10 s

AND

Operar bomba química

Pressão baixa de óleo da bomba PSL-64

NOT Pressão baixa de óleo da bomba química PAL-64

Notas: 1. Cada bomba pára de operar quando a lógica não diz para ela operar. 2. Esta configuração permite o alarme falso de pressão baixa. 3. Toda informação se move para a direita e para baixo, a não ser que seja observado diferente. (a) Lógica básica

Apertado o botão Partida HS-60A da bomba química Apertado o botão Parada HS-60B da bomba química

S OR

R

DI 6s

OR AND

DT 10 s

AND Pressão baixa de óleo da bomba PSL-64

Operar bomba de óleo

Operar bomba química NOT Pressão baixa de óleo da bomba química PAL-64

Notas: 1. Esta configuração elimina o alarme falso de pressão baixa. 2. A entrada para o alarme é relocada para fora da fonte mostrada em (a) (b) Lógica com alarme falso de baixa pressão eliminado Fig. 7.4. Operação lógica para uma bomba química

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Um controlador lógico programável é realmente um controlador lógico configurável por que ele já foi programado pelo fabricante. Ele simplesmente necessita ser configurado pelo usuário que escolhe algumas entre as muitas opções do programa que o fabricante fornece. A facilidade de configuração é o maior benefício do CLP. Depois que a lógica de controle de processo é definida por meio de um diagrama lógico, é necessário um diagrama de engenharia quando se usam relés eletromecânicos. Tal diagrama é chamado de diagrama ladder de relé, diagrama ladder ou diagrama esquemático elétrico. O CLP pode ser considerado um computador digital que pode executar as seguintes funções: 1. lógica 2. seqüencial 3. temporização 4. contagem 5. cálculo 6. controle analógico, incluindo PID 7. operação com outros CLPs no circuito 8. operação com outros equipamentos de controle microprocessados, como Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD), controladores single loop e analisadores.

Polos e Terminais Embora exista uma grande variedade de chaves elétricas, há vários termos que são comuns quando se descreve a construção de qualquer chave. A haste ou parte da chave que é movida para abrir ou fechar um circuito é chamada de polo da chave. Se uma chave tem somente um polo, ela é chamada de chave de único polo (single pole switch). Se ela possui dois pólos, é chamada de chave de duplo polo. As chaves podem ter também três, quatro ou qualquer outro número de pólos, quando é chamada de triplo polo, e multipolo. Se cada contato alternadamente abre e fecha somente um circuito, a chave é chamada de single throw. Quando o contato é de dupla ação, ou seja, abre um circuito enquanto simultaneamente fecha outro, a chave é chamada de duplo terminal. Assim, pode haver uma combinação de pólos e terminais; há chave simples polo, simples terminal(SPST), simples polo, duplo terminal (SPDT), duplo polo, duplo terminal (DPDT). Esta nomenclatura se aplica também aos contatos de relés (relé é uma chave operada pela ação magnética).

7.5. Chave Conceito A chave é um componente eletromecânico usado para ligar, desligar ou direcionar a corrente elétrica, através de um acionamento mecânico manual ou automático. A entrada de uma chave é uma força mecânica e a saída é uma tensão elétrica. A chave estática a semicondutor possui na entrada e saída sinais elétricos. A chave é adequada para teclados e para entrada de dados em sistemas digitais. A chave de duas posições é um componente binário de circuito simples e fundamental, com uma entrada e uma saída. A saída é alta quando a entrada for alta e a saída é baixa quando a entrada for baixa. Os tipos mais comuns de chaves manuais usadas em sistemas eletrônicos são os seguintes: 1. chave liga-desliga (toggle) 2. chave botoeira (push-button) 3. chave seletora

M

N

M

SPST NF

SPST NA M

N

M

O

SPDT

DPST NA

N

N C

O SPDT Centro off M

N M O

P

Q M R

M DPDT

Fig. 7.5. Arranjos de chaveamento A chave elétrica básica é a de simples polo e simples throw, abreviada como SPST. Quando a chave estiver na posição desligada (OFF), o circuito está eletricamente aberto entre M e N. Quando a chave é mudada para a posição ligada (ON), cria-se um circuito de ligação entre os pontos M e N. Esta chave pode ser normalmente aberta (NA) ou normalmente fechada (NF). A chave NF

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SPST é um curto-circuito entre M-N quando desligada e é um circuito aberto entre M-N quando ligada. É fundamental definir o tipo, NA ou NF, quando escolher a chave para uma aplicação. Outro tipo de chave possui polo simples, duplo throw, abreviada SPDT. O circuito de M é chaveada entre N e O, quando a chave é ligada ou desligada. Quando se quer ligar dois circuitos separados em ON e OFF simultaneamente. Pode-se usar duas chaves SPST. Na prática, usa-se a chave DPST. Ela consiste de duas chaves SPST em um único corpo. Quando se quer duas chaves simultaneamente em duplo polo, usa-se a chave DPDT. Este arranjo de chaveamento pode ser expandido para três pólos ou mais, como necessário.

Representação dos contatos Nos sistemas de segurança, os dispositivos detectores podem ser representados indicando-se a posição assumida por seus contatos quando o sistema está em operação normal, com as variáveis e condições críticas dentro dos limites estabelecidos ou indicando a posição destes contatos quando o sistema está parado, sem pressão, nível, temperatura e vazão. Deverá constar explicitamente nos desenhos o tipo de representação adotada. Nos sistemas de segurança, os contatos dos relés sempre serão representados na condição de prateleira (shelf position), ou seja, indicado a posição assumida por estes contatos quando a bobina do relé estiver desenergizada.

Chave Liga-Desliga (Toggle) A chave toggle possui uma haste ou alavanca que se move através de um pequeno arco fazendo os contatos de um circuito abrirem ou fecharem repentinamente. O fato do contato abrir ou fechar muito rapidamente reduz o arco voltaico e garante um curto-circuito seguro. O acionamento da chave toggle é retentivo, ou seja, a chave é ligada por um movimento mecânico e os contatos permanecem na posição alterada, até que a chave seja acionada no sentido contrario. A chave toggle tem uma pequena protuberância saindo do eixo. O eixo toggle é empurrado para cima ou para baixo para produzir o chaveamento.

Tab. 1. Símbolos usados em sistemas de segurança Contato elétrico, normalmente aberto (NA) Contato elétrico, normalmente fechado (NF) Chave de vazão, normalmente aberta (NA) Chave de vazão, normalmente fechada (NF) Chave de nível, normalmente aberta (NA) Chave de nível, normalmente fechada (NF) Chave de pressão, normalmente aberta (NA) Chave de pressão, normalmente fechada (NF) Chave de temperatura, normalmente aberta (NA) Chave de temperatura, normalmente fechada (NF) Chave limite, normalmente aberta (NA) Chave limite, normalmente fechada (NF) Lâmpada de sinalização Buzina Válvula solenóide de duas vias Válvula solenóide de três vias

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Chave Botoeira (Push-Button)

Critérios de Seleção

A chave botoeira ou push-button é projetada para abrir ou fechar um circuito quando acionada e retornar à sua posição normal, quando desacionada. O contato não é retentivo, ou seja, o contato só permanece na posição alterada enquanto a chave estiver acionada; o contato volta para a posição normal quando se tira a pressão da chave. O contato é momentâneo e o seu retorno é causado por uma mola. Normalmente aberto ou normalmente fechado significa que os contatos estão em uma posição de repouso, mantidos por uma mola e não estão sujeitos a nenhuma força externa mecânica ou elétrica. Em algumas chaves botoeiras os contatos permanecem abertos ou fechados após a chave ser desacionada; a chave é do tipo de ação alternativa. A chave deve ser acionada duas vezes para voltar à posição normal. A botoeira é usada em controle de motores, onde ela serve para partir, parar, inverter e acelerar a rotação do motor. Ela é disponível em várias cores, identificações, formatos, tamanhos e especificações elétricas. A chave botoeira é usada tipicamente em chaves de acionamento de campainha e chave de segurança de motores.

O tipo de chave escolhida para uma determinada aplicação depende de muitos fatores, como: 1. a configuração, que determina número de pólos e terminais. 2. a tensão a ser chaveada e o tipo de corrente (ca ou cc) 3. o valor da corrente a ser chaveada e a corrente a ser percorrida após o chaveamento 4. o ciclo de vida necessário em número de atuações 5. as considerações ambientes, como vibração, temperatura, umidade, agressividade do ambiente 6. a velocidade de atuação 7. opções, como lâmpada piloto embutida, chave de trava.

Chave Seletora A chave seletora ou rotatória fecha e abre circuitos quando é girada entre posições. O knob da chave é girado e não apertado, como nas chaves botoeira e pushbutton. Um contato fixo ao eixo gira por meio de um knob ligado à outra extremidade do eixo. O contato se move ao longo de um circulo de material isolante que possui tiras de material condutor colocadas ao longo da circunferência. Quando o eixo gira de uma posição para a próxima, o contato rotativo faz a ligação para as tiras condutoras. Isto fecha e abre contatos desejados. Há uma marcação externa no knob para localizar a posição da chave. A chave seletora é usada para selecionar duas, três, dez ou mais posições. Ela é usada tipicamente para selecionar diferentes faixas de medição de instrumentos, selecionar canais da televisão, selecionar funções de um amplificador.

Chaves Automáticas As chaves vistas até agora eram acionadas manualmente. Assim que o operador aperta o seu acionamento, seus contatos mudam de estado. Quando os contatos são retentivos, eles permanecem mudados quando o operador retira a pressão de acionamento. Quando são não retentivos, os contatos voltam a posição original quando a chave deixa de ser apertada. Existem chaves automáticas, cuja operação é determinada pela posição de algum dispositivo ou pelo valor de alguma quantidade física. Sistemas mais complexos podem ter chaves ligadas de um modo intertravado, tal que a operação final de uma ou mais chave depende da posição das outras chaves individuais. As principais chaves automáticas são: pressostato, termostato, chave de vazão, chave de nível, chave fim de curso. Pressostato Pressostato é uma chave comandada pela pressão. Uma chave elétrica muda os estados dos seus contatos quando a pressão atinge determinados valores críticos. Por exemplo, por economia e segurança, um compressor de ar deve ser desligado quando a sua pressão atingir um valor alto determinado e deve ser religado quando a pressão atingir um valor baixo determinado. Ajustes convenientes no pressostato permitem que o compressor opere entre estes dois valores críticos de pressão. O pressostato é um modo simples e barato de executar o controle liga-desliga de

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processos envolvendo pressão. O pressostato também pode servir de proteção de um sistema de controle de pressão. Um controlador convencional fornece uma pressão constante, dentro da banda proporcional. Quando, por algum problema do controlador ou do sistema, o controlador perde o controle e a pressão tende para um valor perigoso de alta pressão, um pressostato desliga o sistema.

O termostato é um modo simples e barato de executar o controle liga-desliga de processos envolvendo temperatura. O termostato também pode servir de proteção de um sistema de controle de temperatura. Um controlador convencional fornece uma temperatura constante, dentro da banda proporcional. Quando, por algum problema do controlador ou do sistema, o controlador perde o controle e a temperatura tende para valores perigosos de muito baixa ou muito alta temperatura, o pressostato desliga o sistema.

Fig. 7.6. Chave de pressão ou pressostato

Fig. 7.7. Chave de temperatura ou termostato

Deve-se diferenciar bem a proteção fornecida pelo pressostato e a proteção oferecida pela válvula de alivio ou de segurança. O pressostato protege o sistema de pressão desligando um motor elétrico que faz a pressão subir. A válvula de alivio e a de segurança protege o sistema de pressão diminuindo diretamente a pressão do sistema, jogando para a atmosfera o fluido de alta pressão. Como o pressostato é comandado pela pressão, ele deve ter um sensor de pressão, geralmente mecânico como o bourdon C, fole, espiral ou helicoidal.

Como o termostato é comandado pela temperatura, ele deve ter um sensor de temperatura, geralmente mecânico, como bimetal ou enchimento termal. Termóstatos são comuns em condicionadores de ar, geladeiras e motores.

Termostato Termostato é uma chave comandada pela temperatura. Uma chave elétrica muda os estados dos seus contatos quando a temperatura atinge determinados valores críticos. Por exemplo, por economia e segurança, um condicionador de ar deve ser desligado quando a temperatura do ambiente atingir um valor alto determinado e deve ser religado quando a temperatura atingir um valor baixo determinado. Ajustes convenientes no termostato permitem que o condicionador opere entre estes dois valores críticos de temperatura.

Chave de Vazão Chave de vazão (flow switch) é uma chave comandada pela vazão. Uma chave elétrica muda os estados dos seus contatos quando a vazão de um fluido atinge determinados valores críticos. Por exemplo, por segurança, um sistema de lubrificação com óleo pode ser desligado por uma chave de vazão, quando a vazão do lubrificante ficar menor que um valor critico ajustado na chave. Ajustes convenientes na chave de vazão permitem que o sistema de lubrificação opere de modo seguro acima de um valor critico da vazão do lubrificante. A chave de vazão é um modo simples e barato de executar o controle liga-desliga de processos envolvendo vazão. A chave de vazão também pode servir de proteção de um sistema de controle de vazão. Um controlador convencional fornece uma vazão constante, dentro da banda proporcional. Quando, por algum problema do controlador ou do sistema, o controlador perde o controle e a

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vazão tende para valores perigosos muito baixo ou muito alto, a chave de vazão desliga o sistema. Como a chave de vazão é comandada pelo vazão, ela deve ter um sensor de vazão ou ser acionada diretamente pela passagem do fluido. As chaves de vazão podem operar com líquidos ou com gases (airflow switch). Há chaves de vazão térmica ou mecânicas. A chave é inserida na tabulação de modo que a vazão do fluido passa em seu interior. Quando a vazão atinge valores críticos ajustados na chave, os seus contatos mudam para energizar bobinas de starter de motor de bomba ou de compressor.

perigosos muito baixo ou muito alto, a chave de nível desliga o sistema. Como a chave de nível é comandada pelo nível, ela deve ter um sensor de nível preferivelmente mecânico, como uma bóia flutuadora. A operação da chave pode ser controlada pelo movimento para cima ou para baixo de uma bóia que flutua na superfície do liquido. O movimento da bóia causa uma haste operar a chave. A chave acionada muda os seus contatos. Os contatos da chave fazem parte do sistema de alimentação do motor da bomba. O arranjo dos contatos, se NA ou NF, depende se a bomba está enchendo o tanque ou esvaziando-o, se o tanque é seguro quando vazio ou cheio.

Fig. 7.8. Chave de vazão mecânica Fig. 7.9. Chaves limite Chave de Nível Chave de nível (float switch) é uma chave comandada pelo nível. Uma chave elétrica muda os estados dos seus contatos quando a nível de um liquido atinge determinados valores críticos. Por exemplo, por segurança, um tanque aquecido pode ser desligado por uma chave de nível, quando o nível do liquido no seu interior ficar menor que um valor critico. Ajustes convenientes na chave de nível permitem que o nível do tanque varie dentro de uma faixa segura acima de um valor critico baixo e abaixo de um valor alto. A chave de nível é um modo simples e barato de executar o controle liga-desliga de processos envolvendo nível de liquido. A chave geralmente liga ou desliga motores de bombas quando o nível do liquido atinge valores críticos. A chave de nível também pode servir de proteção de um sistema de controle de nível. Um controlador convencional fornece uma nível constante, dentro da banda proporcional. Quando, por algum problema do controlador ou do sistema, o controlador perde o controle e o nível tende para valores

Chave Limite ou Fim de Curso A chave limite ou fim de curso é acionada automaticamente pelo movimento de alguma maquina ou dispositivo. Ela deve ter uma resposta instantânea e ser confiável. Em geral, a operação de uma chave limite começa quando uma peça em movimento bate em uma alavanca que atua a chave. Quando acionada, a chave muda os seus contatos. O tamanho, força de operação, percurso e modo de montagem são os parâmetros críticos na instalação da chave fim de curso. As especificações elétricas da chave devem estar de conformidade com a carga a ser acionada. As chaves fim de curso podem ser usadas como piloto em circuitos de controle de motores, como proteção ou emergência para evitar o funcionamento impróprio de maquinas. As chaves limites podem ter contatos momentâneos ou retentivos.

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8 Alarme e Desligamento Para algumas situações de monitoração de processo ou equipamento, é necessário conhecer o valor real da variável de processo. O objetivo é fornecer um alerta, às vezes combinado com ação automática, quando o valor da variável de processo ultrapassar um limite seguro de baixo ou de alta. Os sistemas de alarme de processo fazem esta função. Os sistemas de alarme vivem no mundo digital. Eles sofrem do engano, pelos projetistas, que como eles são relativamente simples e não requerem qualquer teoria de controle, então eles não precisam de nenhuma base para serem especificados ou projetados. De fato, há muitos aspectos de sistemas de alarme que devem ser considerados, se eles devem fazer o trabalho que o projetista e usuário querem que eles façam. Os sistemas de alarme desempenham uma importante função no processo e por isso não devem ser especificados indiscriminadamente. Muitos alarmes em um painel ou console de instrumentos inevitavelmente leva-os a serem ignorados.

8.1. Componentes Os sistemas de alarme de processo geralmente consistem de três componentes: 1. Uma unidade de chave de alarme com um sistema de medição que pode responder às alterações na variável de processo sendo monitorada. A unidade compara o valor medido da variável de processo com um ponto de alarme que foi calibrado ou programado nela. Se a variável de processo excede o valor seguro, a chave é ligada (tripped), produzindo um sinal digital. O sinal digital da saída da chave está associado a Liga ou Desliga, Seguro ou Inseguro, Pronto ou Não Pronto. 2. Um componente lógico que recebe o sinal de saída de uma ou mais chaves de alarmes e então decide, baseado em uma lógica preestabelecida, qual a saída que deve ser enviada ao anunciador e qual o

elemento final que deve ser automaticamente ligado ou desligado. 3. Um anunciador de alarme, possivelmente com um dispositivo final que irá produzir a ação apropriada em resposta às saídas da lógica. O anunciador de alarme pode ter lâmpadas intermitentes, placas iluminadas, mensagens em uma tela de vídeo (terminal de display de vídeo ou VDT) e outras formas visíveis. Também se usam alarmes de áudio, como sirene, buzina e campainha.

P T F L

Anunciador Chaves de alarme

Lógica Atuador final

Fig. 8.1. Diagrama de blocos do sistema de alarme Um dispositivo final causa um desligamento automático do equipamento sob operação. Tipos comuns de dispositivo final incluem: 1. Relé elétrico agindo como um segundo botão de Liga-Desliga no circuito de controle da partida de um motor elétrico. 2. Válvula de emergência operada por solenóide 3. Válvula piloto operada por solenóide, que pode ligar ou desligar um atuador pneumático com mola e diafragma em uma válvula de emergência. A válvula piloto geralmente é de três vias e pequena; a válvula de emergia pode ter qualquer tamanho. 4. Válvula motorizada, damper ou porta. Estes dispositivos não são tão práticos como o relé e a válvula solenóide pois eles não tem posição segura em caso de falha. É necessária potência para acionálos para seu estado seguro. Se a emergência envolve perda de potência, os dispositivos motorizados não podem responder.

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Alarme e Desligamento 8.2. Tipos de Sistemas de Alarme Os sistemas de alarme de processo podem ser de cinco tipos diferentes, que não são formalmente reconhecidos como tais na industria: Alarme do tipo 1 Estes não são alarmes no sentido estrito da palavra. O alarme do tipo 1 é realmente um indicador de status do processo ou do equipamento. As combinações de status podem ser Ligado ou Desligado, Aberto ou Fechado, Normal ou Anormal, Operando ou Parado ou qualquer outra variedade binária. Se este tipo de alarme é especificado, deve-se atribuir uma indicação positiva para cada estado. Uma lâmpada deve ser atribuída ao estado Ligado e outra para o estado Desligado. É perigoso atribuir uma única lâmpada para indicar ambos os estados, por exemplo, ligada para o estado Ligado e apagada para o estado Desligado. A lâmpada apagada poderia estar indicando a condição de processo desligada (informação correta) ou poderia estar queimada (informação errada). Um código para combinações de estados é: Branco = Ligado Azul = Desligado Branco = Aberto Azul = Fechado Verde = Operando Azul = Parado Alarme tipo 2 Um alarme tipo 2 é aquele cuja função é chamar a atenção do operador da planta para uma leitura anormal de um medidor acessível ao operador. O alarme é inicializado por uma chave de alarme atuada pelo sinal, provavelmente localizada na sala de controle. A chave de alarme é colocada no sinal de medição que vai para o instrumento do painel.

LSL

LAL

LT LIRC

Fig.8. 2. Sistema de alarme tipo 2

A Fig.8. 2 mostra um alarme do tipo 2: um transmissor de nível (LT) mede o nível do tanque e envia um sinal de medição para um indicador, registrador ou controlador de nível. Este sinal de medição do nível é tomado e enviado para uma chave de alarme (LSL) que ativa um anunciador (LAL) se um ponto de nível baixo é atingido. Quando se usam lâmpadas para sinalização do anunciador, o código de cor lógico usado é: amarelo = muito baixo vermelho = muito alto Evita-se o uso da cor verde, que é geralmente associada com uma situação segura ou normal. O código lógico de cores pode variar entre a Instrumentação e a Elétrica ou mesmo dentro da Instrumentação. Por exemplo, uma lâmpada vermelha ligada usualmente significa um equipamento elétrico ligado e com problema, por exemplo, com alta temperatura e nunca em operação normal. A grande limitação do alarme do tipo 1, muito usado em sistemas de controle digital distribuído, é que ele não fornece backup para uma falha da medição a qual ele está associado. Mesmo assim, ele é muito usado porque é fácil de ser implementado.

LT

LIRC

LSL

LAL

Fig. 8.3. Sistema de alarme tipo 3

Alarme tipo 3 Estes alarmes são especificados em vez de um medidor da variável do processo. A justificativa é que não se precisa conhecer o valor real da variável, desde que ela permaneça entro dos limites seguros. Se a variável de processo cruza os limites de segurança, inferior ou superior, um sinal de alarme é enviado. Muitos alarmes de painel de automóvel são deste tipo. Quando a pressão de óleo do motor cai abaixo de um

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Alarme e Desligamento valor limite, acende-se uma lâmpada vermelha do painel. Um alarme do tipo 3 é o mais simples. Ele requer uma chave de alarme operada diretamente pela condição do processo e localizada no ponto de medição. (Fig. 8.3). A saída liga-desliga da chave de alarme ativa o anunciador diretamente, Nenhuma outra lógica é usada. Também se inclui nesta categoria o alarme que sinaliza quando um sistema é desligado automaticamente. A chave de alarme de desligamento (SS) e alarme de desligamento (SA) são exemplos de alarme do tipo 3. O alarme não inicializa o desligamento; ele apenas sinaliza que o desligamento ocorreu. A chave de alarme é ligado na linha de alimentação elétrica ou pneumática do equipamento de desligamento automático e não na linha de sinal da medição. Alarme do tipo 4 Estes alarmes servem como um backup no caso de uma falha de um instrumento que mede a mesma variável de processo (Fig.8.4). O transmissor de nível (LT) fornece o sinal de medição para um controlador, indicador ou registrador. Um outro sensor de nível atua em uma chave de nível (LSL) que envia a sua saída digital para um alarme de nível (LAL) do anunciador. O sistema de medição é independente do sistema de alarme. Especificamente isto significa: 1. A chave de alarme (LSL) deve ter seu próprio sensor e não pode ser uma chave de alarme acionada pelo sinal, como do tipo 2 2. A chave de alarme deve ser operada diretamente pela condição do processo 3. Como uma possível razão da falha de um instrumento é a sua conexão, a chave de alarme deve ser sua própria conexão no processo. Alarme Tipo 5 O projeto de um sistema de alarme que automaticamente faz as coisas acontecerem é mostrado na Fig. 8.4. A chave de alarme de baixa pressão (PSL) detecta a condição de baixa pressão e envia o sinal para a lógica. A saída da lógica estabelece um alarme de baixa pressão (PAL). Uma segunda saída lógica é um sinal para o dispositivo final ser ativado, neste caso, uma válvula de desligamento que fecha. Um segundo alarme (SS e SA) avisa ao operador que o sinal de desligamento foi enviado para o equipamento final.

Um sistema de alarme do tipo 5 envolve vários fatores cujas importâncias devem ser entendidas. Em muitos casos, ação automática significa desligamento automático. Se uma máquina perdeu sua pressão de óleo lubrificante ou uma reator está operando muito quente, é necessário um desligamento automático. Porém, há casos em que a ação apropriada deve estar na partida automática. Por exemplo, a partida de um gerador de emergência no caso de perda da energia elétrica principal ou partida de uma bomba reserva se a bomba principal falhar. Mesmo assim, desde que o tipo de sistema de alarme descrito como tipo 5 é referido como desligamento automático, o nome também é usado quando se tem ligamento automático.

PAL

PSL

LÓGICA

SA

SS

Fig. 8.4. Sistema de alarme tipo 5 e desligamento

8.3. Regras de desligamento automático Quando se projeta um sistema com ação automática de emergência, há várias regras que devem ser seguidas: 1. O sistema deve ser projetado de modo que o operador da planta possa fazer manualmente o que o sistema faz automaticamente 2. A ação automática, desligamento ou partida, deve ser alarmada. A ação automática nunca deve ser tomada sem que o operador da planta fique sem saber do que está ocorrendo. 3. A ação automática deve ser bloqueada. O equipamento que foi desligamento automaticamente não deve ser automaticamente religado simplesmente por que a condição que causou o desligamento já voltou ao normal. Uma vez que ocorreu uma ação automática, ela deve ser mantida em seu status de desligamento até que o operador do processo saiba que a

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Alarme e Desligamento

4.

5.

6.

7.

situação que causou o desligamento tenha sido corrigida. O operador pode, então, em sua decisão própria, religar o equipamento usando o procedimento apropriado. Se o sistema tem mais do que uma entrada, geralmente chamada de permissão e qualquer entrada pode levar o equipamento ao desligamento ou evitar que ele seja partido, então esta entrada deve ser claramente identificada pelo sistema. Caldeiras e esteiras são dois exemplos de equipamentos que podem ter várias permissões, sendo qualquer uma delas capaz de evitar a partida do equipamento ou desligá-lo, em caso de alguma condição insegura. A pessoa que tem de fazer a pesquisa de defeito e corrigir a falha deve ser capaz de determinar imediatamente onde está a falha. Quando se gasta muito tempo para tentar localizar a permissão que evita a operação, a tendência do operador da planta é modificar o sistema para contornar as estas causas de modo que a produção retorne logo. Se as condições da planta são tais que o operador tenha perdido o controle da situação, então todos os dispositivos finais do tipo 5 devem ir para o status de emergência por sua conta. A perda do controle geralmente implica em perda completa da potência, elétrica e pneumática. Se as conseqüências de um desligamento não planejado, em perdas de produção ou perigo para o equipamento, são sérias, então devese incluir um alarme de preemergência do tipo 2 ou 3 que sejam disparados pelas mesmas variáveis de processo que provocaram o desligamento de emergência mas em um valor mais conservador. A idéia atrás do alarme de pre-emergência é alertar o operador para o fato de que há um perigo potencial tendendo a se desenvolver e para dar ao operador tempo para ele tomar decisão para corrigir o problema antes que seja ativado o desligamento automático do processo. Um item que não é considerado no projeto é a capacidade do operador da planta descomissionar um sistema de desligamento automático. Há casos onde isto é desejável e seguro e outros casos onde não é. Este aspecto

certamente deve ser considerado no estágio de projeto, mas com o devido cuidado dos problemas potenciais. Há casos registrados onde um sistema de emergência foi contornado por boa razão, talvez para fazer uma pequena emergência, mas ninguém se lembrou que o contorno não foi removido até que aconteceu uma emergência real e o sistema estava sem proteção. 8. Desde que qualquer permissão pode causar um desligamento, cada permissão que é adicionada aumenta a chance de ocorrência de um desligamento automático. Quando os projetistas consideram todas as circunstâncias desfavoráveis, algumas plantas acabam tão bem protegidas que elas são protegidas até contra a operação. 9. O desempenho dos operadores de processo geralmente é relacionada com a produção. Se a produção está sendo interrompida por circuitinhos eletrônicos automáticos, então a tentação é a de desligá-los. Melhor é correr o risco de operar sem proteção do que não operar de modo nenhum. O ponto é, o projetista do sistema deve ter a responsabilidade de se envolver nesta situação. A situação é realmente séria ou somente desagradável? A ação automática é realmente necessária ou o operador da planta pode ser capaz de administrá-la ao seu critério. É realmente necessário ter um desligamento automático ou um simples alarme de pre-emergência é adequado? Controle remoto, sistemas manuais Há um tipo de sistema que pode ser considerado para qualificar como um sistema de emergência, embora ele não funcione automaticamente. Ele funciona pela atuação do operador. Neste sistema, válvulas, dampers, portas, motores e outros dispositivos são operados por controle remoto da sala de controle. Se há um incêndio, por exemplo, ele pode ser necessário para fechar uma válvula crítica de um local remoto. Fechar a válvula manualmente pode ser demorado ou pode ser impossível por causa do incêndio. Este sistema pode ser implementado facilmente, o equipamento já está prontamente disponível. O que geralmente acontece, porém, é que depois que o sistema foi instalado, decidiu-se fazer modificações para operar a válvula remotamente. Esta

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Alarme e Desligamento modificação parece razoável, porém, além dos controles locais também são necessários os controles remotos e um sistema de seleção remoto ou local. Aí começam os problemas. Se a chave seletora é para ser localizada na sala de controle, então outro conjunto de fios deve correr do processo para a sala de controle. Isto é trabalhoso e caro e decide-se colocar a chave seletora no processo. O problema potencial é previsível e já aconteceu várias vezes. A chave seletora está na área do processo e quando há uma emergência, o operador que está na sala de controle é incapaz de atuar na válvula. Os controles foram bloqueados na estação seletora do campo. Obviamente, para evitar esta situação a estação de controle deve ser projetada para operar em paralelo, ou na chave da sala de controle ou na chave do local do processo. Este arranjo requer mais fios e tempo para instalação, mas mesmo estes custos são menores que o custo potencial resultante da impossibilidade do operador operar uma válvula crítica em emergência. Sistemas energizados e desenergizados Uma questão básica é se um sistema automático de desligamento deve ser projetado para operar normalmente energizado ou normalmente desenergizado. Aqui o termo normalmente significa quando as condições do processo ou da planta estão normais. Esta interpretação sem sempre está de acordo com o significado de normalmente que o pessoal da instrumentação e elétrica aceitam. As opiniões parecem ir em três direções: 1. Aqueles que estão totalmente convencidos de que os sistemas de emergência devam funcionar normalmente energizados 2. Aqueles que estão totalmente convencidos de que os sistemas de emergência devam funcionar normalmente desenergizados 3. Aqueles que não estão convencidos de que seja necessário ou mesmo desejável padronizar alguma das práticas acima. Tentar provar que qualquer uma das três posições acima é correta é totalmente inútil. Uma explicação dos fatores envolvidos é suficiente Em um sistema normalmente energizado, a corrente elétrica flui na entrada do circuito entre a chave de alarme e a lógica e na saída do circuito entre a lógica e o equipamento final quando as condições do processo são normais e seguras. Se uma condição anormal

aciona a chave de alarme, ela abre o circuito de entrada para quebrar a corrente elétrica. Isto alerta a lógica para a condição anormal. A lógica então quebra a corrente do equipamento final, que o leva para o status de emergência. Se o sistema de emergia opera com potência pneumática em vez de elétrica, o fluxo de corrente é substituído por pressão de ar. Um sistema normalmente desenergizado funciona do modo inverso. Quando as condições do processo estão normais, não há corrente fluindo ou há pressão pneumática zero, nos circuitos de entrada e de saída do sistema. Se é detectada uma condição anormal, aparece corrente elétrica ou pressão pneumática no circuito de entrada para alertar a lógica e então o circuito de saída é ligado para colocar o equipamento final em status de emergência. Os benefícios de uma filosofia são as fraquezas do outro. No sistema que opera normalmente energizado, os sinais de entrada e saída (ligado para normal, desligado para anormal) são transmitidos através de fios elétricos ou tubos pneumáticos. Às vezes, as linhas de sinais são quebradas. Como o sistema normalmente energizado reage a isto? No lado da entrada, um fio aberto ou um tubo quebrado tem o mesmo efeito que a abertura da chave de alarme. O fluxo de corrente é interrompido e o sistema tripa para emergência. No lado da saída, um fio aberto pára o fluxo de corrente e desliga o equipamento final. De novo, o sistema vai para emergência. Assim, um sistema normalmente energizado responde não somente a uma condição insegura do processo, como determinado pelos contatos da chave de alarme, mas também responde imediatamente à falha nas linhas de sinal de entrada e de saída. Um sistema energizado monitora não somente o status da chave de alarme mas também o status de suas linhas de comunicação. Para um sistema desenergizado, em que não há corrente ou pressão de ar quando as condições estão normais, uma linha de sinal pode ser interrompida, o sistema fica inoperante e ninguém toma conhecimento disto até que haja uma emergência real e sistema de proteção não responde. Além disso, em um sistema energizado, desenergizar o equipamento final o leva para um status de emergência. Se há um problema maior que desliga toda a alimentação elétrica e pneumática, então todos os equipamentos finais vão para emergência, como deviam. Neste aspecto, o

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Alarme e Desligamento sistema energizado segue a regra de segurança (em caso de falha, todos os equipamentos finais vão para o status de emergência por conta própria). O sistema normalmente desenergizado não segue esta regra por que é necessário energizar os equipamento finais para tripá-los no status de emergência. Se uma catástrofe desliga as fontes de alimentação, isto não pode acontecer. O sistema de emergência não faz nada para ajudar a situação e, às vezes, pode até piorar. Sendo assim, porque há ainda muitos sistemas de desligamento normalmente desenergizados? A resposta continua, ainda, na produção. Como é necessária a potência para sustentar um sistema energizado em seu estado normal, qualquer interrupção de potência, mesmo de curta duração, irá causar um trip para emergência. Como todos sabem, falta de energia pode ocorrer por razões que não tem nada a ver com a operação, como raio de tempestade, partida de grande máquina na planta vizinha, erros humanos de abrir ou fechar a chave errada e tudo isso pode fazer um sistema normalmente energizado desligar automaticamente uma planta, sem necessidade. O desligamento do processo por qualquer uma destas razões é chamado de desligamento sem sentido (nuisance shutdown). Eles são muito prejudiciais, pelos problemas de operação e perda de produção que provocam. Por causa disso, muitas pessoas vetam a instalação de sistema de emergência que opera normalmente energizado. O problema real com sistema normalmente energizado não é tanto a causa de desligamentos sem sentido, mas o fato dele não perdoar as falhas que podem ocorrer por razões naturais, operacionais ou impostas. Sob o ponto de vista global da planta, o sistema normalmente energizado é mais seguro porque ele está de conformidade com a regra de segurança que estabelece que todos os equipamentos finais devem ir para o status de emergência em caso de perda de controle da situação. Deve-se usar o sistema normalmente energizado e atacar os problemas associados a ele. Falhas que sejam naturais podem ser virtualmente eliminadas pela seleção de uma fonte de alimentação 100% confiável, usando-se backup de bateria e sistema de no break. Problemas devidos a falha humana podem ser minimizados através de melhor treinamento, melhor sinalização e tomandose mais cuidado.

Finalmente, quando se vai decidir entre um sistema de desligamento automático normalmente energizado ou desenergizado, deve-se preferir o energizado ou pensar cuidadosamente para optar pelo sistema normalmente desenergizado, prevendo as conseqüências da decisão. Equipamento O equipamento a ser usado no sistema de desligamento de emergência deve ser cuidadosamente selecionado. Se qualquer equipamento é localizado em área externa e é mantido em um estado energizado por um ano ou mais, pode-se ficar surpreso se ele operar quando for chamado para. Vários fatores podem impedir a operação normal do equipamento, como corrosão, sujeira, magnetismo residual, umidade, variações de temperatura e as intempéries do ambiente. Estes problemas podem ser diminuídos através de 1. Uso de chaves de alarme, válvulas solenóides e outros componentes de altíssima qualidade 2. Teste do sistema em uma base regular. Para testar completamente o sistema pode ser necessário instalar um bypass em torno do equipamento final. Se isto é realmente feito, deve-se instalar um alarme do tipo 1 no bypass para alertar o operador para o fato que o há um bypass e o equipamento final está sem proteção.

Apostilas\Platt

Platt3.doc

19 FEV 99 (Substitui 13 MAI 97)

80

9 Hierarquia do Controle 9.1. Objetivos da Planta Quando se focaliza a atenção no processo da planta, as tarefas importantes são: medir o que está acontecendo e controlar determinadas variáveis. Porém, a planta que se quer controlar é apenas um elemento de um sistema operacional maior, que inclui toda a organização do dono da planta, cujo objetivo global é operar um negócio lucrativo fabricando um produto em quantidade limitada pela capacidade da planta e com características que satisfaçam as exigências do mercado. Este é o motivo pelo qual o dono planta investiu seu esforço, tempo e dinheiro na estabelecimento da planta. A planta de produção é somente um meio para um determinado fim. Para a companhia, o processo de dar lucro é a produção e a venda dos bens, que é parte de um sistema de controle de malha fechada, como mostrado na Fig. 8.2. Esta malha é uma aplicação genérica da malha fechada de controle da Fig. 8.2. O ponto de ajuste da companhia é o lucro.

(+)

FRC

PI

61

62

(a) Aplicação de processo

FV 61

Local

Função

Instrumento

Campo

Ponto ajuste Controle Leitura Manipulação

FRC FRC FRC, PI FV

(b) Formato da malha Fig. 9.1. Controle de campo convencional

Ponto de ajuste (Valor desejado da variável)

Soma

processo de fabricação. Algumas informações, como produção e vendas, são usadas pelos gerentes também para definir o planejamento global da empresa.

9.2. Hierarquia do Controle

(-) Valor real da variável controlada

Transmissor

Elementos de medição

Controlador

Distúrbios

Elementos de controle

Elemento final de controle

Sensor

Medição

Processo

Variável manipulada

Variável controlada

Fig. 9.1. Malha de controle A parte da produção do processo envolve a obtenção e o uso da informação relativa ao

O sistema de controle de uma planta possui vários níveis de responsabilidade ou uma hierarquia de controle.

9.3. Formato das Malhas de Controle de Processo Os sistemas de medição e controle que são usados para o controle direto da planta tem diferentes formatos ou diferentes arranjos para separar e agrupar malhas ou funções de instrumentos em diferentes locais da planta. O formato do sistema é esquematizado abaixo. Porém, o campo da instrumentação está em constante mutação e hibridação dos instrumentos básicos e seus sistemas. É difícil cobrir todo o campo sem encontrar exceções.

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Hierarquia do Controle Instrumentação convencional Controle no campo O domínio da instrumentação de processo começou com apenas o controle de campo, que continua importante mas não exclusivo. O controle de campo continuará sendo usado em muitas aplicações do futuro. O controle de campo possui todos os instrumentos da malha montados no local, geralmente próximos dos equipamento associado da planta. O controle de campo fornece a informação para o operador de modo direto. O operador pode estar constantemente no local, ou pode fazer uma inspeção diária de rotina ou uma vez por turno. O controle de campo é também o sistema mais simples. Ele tem poucas ligações para quebrar na cadeia de instrumentos, tendo assim grande confiabilidade. Ele evita o alto custo de transmitir o sinal de um ponto local para uma distante sala de controle centralizada. O controle de campo é perfeitamente apropriado para muitas malhas que possuem um ponto de ajuste constante, como ocorre em sistemas de utilidades. Por exemplo, uma unidade que produz vapor a uma pressão de 20 kgf/cm2 e é usado sempre em 1 kgf/cm2. Uma malha de controle de pressão local que é ajustada para controlar sempre em 1 kgf/cm2 é mais conveniente que uma malha de controle montada na sala de controle centralizada, pois não há necessidade de nenhum ajuste do operador. Pode-se, para melhorar a segurança do sistema, colocar apenas um sistema de alarme na sala de controle para evitar as complicações de uma falha da malha de controle local. Antigamente, até os alarmes eram locais. A Fig. 8.3 mostra o arranjo da malha de controle local, mostrando como os instrumentos são usados e o formato do sistema. O controle é totalmente local e requer um operador local para supervisionar a malha de controle. Esta malha não requer otimização de controle e nem precisa ser incluída no programa de produção da organização.

FRC 63 PI

FT 63

62

FV

(a) Controlador stand alone Local Campo

Função Transmissão Manipulação Leitura Ponto ajuste Controle Leitura

Sala de controle

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Instrumento FT FV PI FRC FRC FRC

(b) Formato da malha FRK

FC

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64 PI

FT 64

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(a) Controlador modular Local Campo

Sala de controle

Função Transmissão Controle Manipulação Leitura Ponto ajuste Leitura

FV 64 Instrumento FT FC FV PI FRK FRK

(b) Formato da malha Fig. 9.2. Controle centralizado tradicional Controle centralizado Os locais das malhas de controle de campo estão muito espalhadas. Para reduzir o trabalho dos operadores e melhorar a coordenação das operações das várias partes da planta, os instrumentos devem ficar menos isolados através do agrupamento local. A solução final é agrupar todos os

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Hierarquia do Controle instrumentos em uma única sala de controle centralizada, responsável pelo controle de toda a planta. A sala de controle é projetada de modo que todas as operações importantes podem ser feitas de um único lugar tendo-se uma supervisão de tudo. Os instrumentos centralizados foram originalmente montados em fileiras em painéis de aço ou outros materiais. Os primeiros painéis eram verticais, com aproximadamente 2 metros de altura, colocados lado a lado em uma linha reta. Depois os painéis foram configurados em forma de U para diminuir as distâncias percorridas pelos operadores. Mesmo assim, as distâncias percorridas ainda eram grandes, porém nenhum operador chegou a usar patins para percorrê-las. Os instrumentos da sala de controle são muito menores que os correspondentes montados no campo. Os instrumentos são miniaturizados e os alarmes são agrupados em anunciadores para economizar eficientemente os espaços. A eletrônica facilitou esta miniaturização. A grande quantidade de instrumentos densamente montados em um único painel centralizado aumentou o volume de informação que o operador recebia. Para melhorar as tomadas de decisão dos operadores foram desenvolvidos painéis gráficos ou mímicos, que possuíam diagramas simplificados da planta. Outro desenvolvimento para ajudar a operação foi o console de controle, que consiste de um painel baixo com uma saliência. A teoria era que o operador sentado, através dos movimentos de braços e dedos, pudesse alcançar e operar todos os instrumentos do painel. O console de controle se aproximava de um painel de aviação, com altíssima concentração de instrumentos. Havia situações onde o operador precisava ter braços de gorila para poder alcançar um instrumento distante, sem se levantar. Mesmo assim, a filosofia do console permaneceu no sistema de controle distribuído. Os sistemas de aquisição de dados (data loggers) incluíam impressoras, calculadoras e alarmes apareceram na década de 1960. Na década de 1970 eles incorporam os terminais de vídeo com teclados. Este sistema eram essencialmente equipamentos melhorados que faziam as mesmas coisas antigas mas com maior habilidade e pompa. Porém, eles não causaram uma mudança básica no formato físico do controle ou das salas de controle.

A montagem de todos os instrumentos juntos na sala de controle requer o uso de transmissores para trazer as medições do processo do campo para a sala. É impraticável, caro e, às vezes, perigoso trazer as medições do processo diretamente para a sala de controle. É mais prático, econômico e seguro se comunicar com o campo através dos sinais padrão pneumático ou eletrônico que percorrem as grandes distâncias da planta. A Fig. 8.4 mostras duas variações de malhas de controle centralizadas tradicionais. A parte (a) mostra um controlador convencional contendo as funções de controle e de operação. As funções de controle incluem 1. as ações de controle PID (proporcional, integral e derivativo) e 2. os ajustes de configuração para sintonia das ações e escolha da ação do controlador: direta ou inversa. Um instrumento com estas funções é o controlador. Ele pode também conter outras funções. As funções do operador incluem 1. a indicação da variáveis de operação: medição, ponto de ajuste, saída do controlador, alarmes opcionais 2. ajustes do operador para o ponto de ajuste e seleção entre controle automático e manual e depois de escolhida a ação manual, a atuação da chave manual. Um instrumento que contem as funções do operador e não incluem as funções de controle é uma estação manual de controle. A maioria dos controladores contem as duas funções: de controle e de operador. Nos primeiros instrumentos pneumáticos estas duas unidades eram separadas, em uma arquitetura modular. Esta arquitetura dividida permitia que a função de controle ficasse próxima ao processo, encurtando os tempos de transmissão e a função de operador ficasse remotamente, na sala de controle centralizada. As salas de controle modernas usam instrumentos eletrônicos que não possuem atraso de transmissão e por isso não necessitam desta arquitetura dividida. Porém, a arquitetura modular continua sendo usada e justificada pelas seguintes razões: 1. maior flexibilidade de reconfiguração das malhas de controle, 2. economia de espaço, separando os instrumentos acessíveis e não acessíveis ao operador 3. segurança de operação, separando os instrumentos de operação dos instrumentos

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Hierarquia do Controle com ajustes que devem ser feitos por técnicos de instrumentação. A Fig. 8.4 (b) usa o mesmo esquema de controle da parte (a), exceto com arquitetura modular dividida. Se o controlador remoto é pneumático, sua localização é próxima da válvula de controle; se eletrônico, a localização é na sala de controle. O formato do controle centralizado convencional satisfaz as necessidades da operação do processo, medindo, controlando e fornecendo as funções de segurança do processo e também fornece um ambiente mais confortável para o operador. Este formato tende a reduzir o número de operadores (politicamente incorreto) e simplifica a operação para os que ficam.

Instrumentação inteligente A instrumentação inteligente é a que se baseia no microprocessador. Microprocessador é um elemento de computação eletrônico, com tamanho de alguns centímetros, que pode conter milhões de componentes eletrônicos integrados equivalentes a milhares de circuitos eletrônicos e cuja capacidade aumenta continuamente. O microprocessador provocou a segunda revolução industrial; a primeira foi a da máquina a vapor. Tudo começou com a invenção do transistor em 1947 e ainda não terminou. O microprocessador está incluído em relógios de pulso, máquina fotográfica, fornos de microondas, calculadoras, instrumentos de bordo de carro, avião, satélite. Na indústria de processo, o microprocessador melhorou o desempenho dos instrumentos individuais, tornando-os mais versáteis, confiáveis e capazes. Controle por computador Na década de 1950, apareceu o primeiro computador digital aplicado ao controle de processo. As primeiras instalações foram consideradas uma revolução virtual na tecnologia de controle e aqueles que não pensaram assim foram considerados pensadores negativos ou até técnicos obsoletos. Uma nova tecnologia é usualmente desenvolvida para eliminar os problemas associados com o modo antigo de fazer as coisas. Porém, esta nova tecnologia inevitavelmente traz com ela seu conjunto próprio de problemas peculiares. A questão atual que se apresenta é: as coisas estão melhores hoje, considerando-se todos os fatores, do que antes de se fazer a mudança? Esta é a questão que tem de ser respondida

quando se quer mudar um controle de local para a sala de controle, de pneumático para eletrônico, de painéis de instrumentos para consoles de vídeo, de analógico para digital, de sistema digital centralizado para distribuído. A questão a ser avaliada pelo projetista do controle de processo é: as coisas hoje estão melhores com o novo método e seus problemas do que antes, do modo antigo com seus problemas que já eram entendidos e já estavam sob controle? A resposta a esta pergunta nem sempre é absolutamente verdadeira. O fato que alguém tem um bom resultado em sua aplicação não significa que isso irá acontecer em outra aplicação. As circunstâncias tem uma grande influência. Entre as justificativas para se usar um computador digital no controle de processo, há dois argumentos que não são válidos: 1. argumento do estado da arte da revista, que se não se tem um computador em linha controlando seu processo ou se não tem um plano definitivo para instalar um, então se está na rabeira da tecnologia e se está perdido para seu concorrente. Qualquer pessoa razoável percebe que este argumento é idiota. Computadores em linha são caros para se obter e se manter. Instalações de processo com computadores envolvem milhões de dólares, requerem pessoas com alto salário para manterem e atualizarem o sistema. Um computador não necessariamente faz um melhor trabalho de monitorar, avaliar e controlar do que um ser humano. O objetivo é operar de um modo mais lucrativo e não ter um negócio de ponta que as revistas publicam artigos sobre ele. 2. O segundo argumento é mais sutil mas ainda inválido. Se um computador digital faz algum trabalho de controle, o computador digital faz todos os trabalhos de controle. A primeira parte deste argumento é 99% correta. A segunda parte é errada. Ela exige que o projetista do controle de processo consiga o melhor equipamento ou sistema para o trabalho. O campo de controle de processo parece atrair regras de bolo. Elas são usadas extensivamente por pessoas que são desinformadas ou que não estão inclinadas a gastar esforço ou dinheiro para fazer o trabalho certo. Todas as regras de bolo devem ser tratadas com restrição, todas exceto uma, que é provada ser verdade

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Hierarquia do Controle sempre: Simplicidade e confiabilidade andam juntas. Assim, a melhor decisão do projetista é optar pelo modo mais simples de conseguir os resultados desejados na medição e no controle. Computadores digitais não são os equipamentos mais simples. Especialistas em controle de processo com computador afirmam que o computador opera em tempo real. Que tipo de tempo é este?, é a reação de muitos instrumentistas. Este é apenas um exemplo de um jargão de computador que caracteriza a chegada dos computadores digitais no controle da planta. Muito instrumentista tem dúvida do significado de tempo real. Um sistema que funciona em tempo real processa sua informação de entrada tão rapidamente quanto a informação entra no sistema. Lembrando que o computador de processo tem entradas que são medições do processo e que regularmente altera seus valores, o sistema do computador age sobre um novo valor de qualquer entrada imediatamente. Ele não põe o novo valor na memória até que ele possa tratar dele. Às vezes, é fácil justificar a viabilidade econômica do uso do computador. Por exemplo, seja uma planta que produz 10 milhões de litros de um produto por dia, com um valor de $0,20 por litro. O valor da produção diária da planta é de $2 milhões por dia. Os proponentes do projeto do computador podem dizer, corretamente, que o uso do computador otimiza o processo e haverá um rendimento de 1%, logo o computador irá ganhar $20.000 por dia. Nesta proporção, se o custo do computador for de $1.000.000 (bem conservador), ele se paga em 50 dias. Qualquer gerente irá aprovar um investimento com este tipo de retorno e o projeto do computador se torna uma realidade. O problema é que depois que o computador está finalmente em funcionamento, depois de ter sido debugado, vários meses mais tarde, ninguém vai verificar se a promessa de 1% da produção se realizou. Raramente isto pode ser demonstrado, desde que a produção na maioria das plantas com grande saída é mais sensível a falhas mecânicas e erros de operação do que a qualquer otimização que um computador possa oferecer.

Fig.8.1. Planta com computador

Aplicações típicas Há algum benefício real a ser obtido de computadores de controle de processo quando eles são aplicados em circunstâncias certas. As aplicações bem sucedidas geralmente incluem: lógica, controle avançado, monitoração de alta velocidade, partida e desligamento com computador e otimização do controle. Lógica Uma das mudanças mais significativas que ocorreram em controle de processo é o aumento do uso de lógica programada. O termo lógica significa aqui: 1. Matemática em linha: adição, multiplicação (escalonamento), extração da raiz quadrada, elevação ao quadrado e geração de função para linearizar relações não lineares. A habilidade de fazer matemática em linha tem um grande vantagem em que ela torna possível monitorar e até controlar variáveis de processo que não podem ser medidas diretamente mas que podem ser computadas de outras variáveis medidas. Exemplos são circulação catalítica e eficiências de caldeiras e queimadores 2. Estabelecimento de limites em variáveis e sinais que as representam. Isto significa medições, saídas de controlador, pontos de ajustes, diferenças entre o valor real de uma variável de processo e seu ponto de ajuste. 3. Seleção de variáveis. Selecionando valor maior e o menor ou médio de mais de um sinal determinado para indicação, registro, alarme ou controle. 4. Movimentos condicionais. Se uma variável particular é maior ou menor que outra variável, então uma chave muda sua saída para fins de alarme ou controle.

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Hierarquia do Controle Quando se observa um diagrama P&I de um sistema de controle de caldeira é fácil ver que se tem muito controle lógico e pouco controle PID. A lógica é mais fácil de ser feita por circuitos digitais do que por cadeias de módulos analógicos. A lógica é mais de ser estabelecida e alterada, quando é feita por programação. Alterações de lógica feita por módulos analógicos requerem a adição ou retirada de módulos, com modificação da fiação correspondente. Finalmente e o mais importante: a lógica em um sistema digital é mais confiável porque ela nunca perde sua precisão. Desde que o controle PID pode ser feito digitalmente e quando a lógica predomina sobre o controle analógico em todo o esquema da planta, então um sistema totalmente digital é provavelmente a melhor escolha. Controle Avançado O sistema de controle com realimentação negativa não pode manter a variável controlada sempre igual ao ponto de ajuste. Ele pode apenas trazer a medição de volta ao ponto de ajuste depois que o sistema teve um distúrbio. Um sistema de controle a realimentação negativa dá resultado satisfatório se 1. Os distúrbios são mínimos em tamanho e número ou se eles se distribuem sobre um longo período de tempo. Isto é outro modo de dizer de que os distúrbios não são grandes ou repentinos. 2. O sistema de controle tem um curto período de oscilação e portanto um pequeno tempo de recuperação. Sob estas circunstâncias, os distúrbios não são realmente um problema porque o sistema de controle pode rapidamente compensá-los. Porém, quando está ausente uma destas condições, o sistema de controle à realimentação negativa tem um desempenho ruim e é necessário usar um esquema de controle mais elaborado. Estes esquemas mais elaborados de controle são chamados genericamente de controle avançado. Uma característica de todos esquemas de controle avançado é que eles requerem a capacidade de computação em linha. Podese dizer, portanto, que o advento do computador digital em linha tornou possível o uso de métodos de controle que não eram disponíveis antes. Desde que tais esquemas sejam corretamente projetados e sintonizados, tem-se uma melhora

considerável no desempenho dos sistemas de controle. Uma estratégia útil de controle, especialmente no caso de controle de fracionadores, é usar o computador para fazer balanço de materiais e energia do processo. Quando este método é usado, o computador é fornecido com um modelo do processo, do qual o computador pode calcular as alterações necessárias das variáveis manipuladas, em função dos distúrbios que afetam as variáveis controladas. As variáveis distúrbios e as manipuladas são todas medidas e se tornam entradas para o computador. Este esquema de controle é chamada de preditivo antecipatório (feedfoward). Monitoração de Alta Velocidade Por razões de rendimento, o tamanho ótimo das plantas tem aumentado e, paralelamente, o tamanho e custo das máquinas usadas nestas plantas. A produção contínua de produtos de alto valor muitas vezes depende do desempenho de grandes e caras bombas, compressores, motores, esteiras e outras máquinas de operação contínua. Outros equipamentos de processo podem não se mover mas também consomem grandes quantidades de energia cara. Algumas máquinas são tão caras que não é prático ter uma sobressalente como reserva. Para evitar paradas e perdas resultantes de produção, a operação do equipamento deve ser continuamente monitorada. Esta monitoração é conseguida pelo ser humano através da ajuda de indicadores e registradores. Esta monitoração deve ser constante, contínua e embora pareça inútil ela é necessária para conseguir a sobrevivência de equipamentos caríssimos. Um sistema de monitoração baseado em computador digital é uma solução prática, porque pode-se observar variáveis importantes na base de segundo a segundo. Seus valores podem ser comparados com limites de segurança programados e alarme pode ser acionado para chamar a atenção do operador para qualquer ocorrência anormal. Mais ainda, os valores passados podem ser armazenados e uma tendência pode ser computada como guia para a seriedade do desenvolvimento de uma situação ruim. Finalmente, se ocorrer algum acidente, o computador irá conter dados que podem levar à determinação da causa real. Partida e desligamento com computador

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Hierarquia do Controle Enquanto as capacidades de otimização de computadores supervisórios em linha para otimização do controle do processo foram bem desenvolvidas e aplicadas, pouca atenção parece ser dada ao uso possível em supervisão de partidas e paradas de plantas. Isto parece curioso, especialmente porque durante a partida e parada da planta, quando as variáveis estão em transitórios, há ocorrência dos maiores problemas e porque os computadores são usados para partida e lançamento de foguetes espaciais. As refinarias e plantas petroquímicas ainda parecem partir e desligar seus processos confiando apenas no conhecimento e habilidade seus operadores de processo, assistidos por manuais de instruções que estão guardados nas gavetas da mesa do operador. Um computador em linha pode visualizar um procedimento de partida em que toda a seqüência de partida é programada, passo a passo. O computador pode mostrar os passos a serem tomados, em sua seqüência, um passo por vez. Nenhum passo é indicado até que o precedente tenha sido feito corretamente e verificado por uma entrada manual do operador ou por um sinal que o computador recebe diretamente do processo. Além disso, o computador constantemente verifica o processo, não apenas os valores das temperaturas, pressões, vazões e níveis do processo, mas também as posições corretas das válvulas críticas e as operações de equipamentos críticos. No caso de algo não acontecer como o programado, o computador supervisório alerta o operador ou mesmo aborta a partida. Quando a operação de partida se completa e a unidade está em linha, o computador contem a documentação completa do que aconteceu. Se poderia concluir que um procedimento assistido por computador produz partidas e desligamentos mais seguros. Otimização do controle por Computador As primeiras aplicações de computadores digitais para controle de plantas de processo em tempo real foram tentativas ingênuas para mover computadores projetados para negócios de escritório em um ambiente industrial. Os esforços não foram bem sucedidos. Os computadores que eram usados por delicadas e lindas secretárias, com um toque gentil do teclado em um escritório limpo e com ar condicionado não ficaram muito felizes quando colocados na área industrial, para serem operados por pessoas com grandes dedos sujos, às vezes

dentro de luvas mais sujas ainda e escutando impropérios porque as coisas não aconteciam como deviam. Estes computadores também não gostaram de serem sujeitos a pó ou traços de ácido sulfídrico, cloro ou outros contaminantes que estavam presentes na atmosfera. Como resultado, o controle do processo feito pelo computador se deteriorava em curto intervalo de tempo. Controle distribuído Em um sistema de controle digital distribuído, chamado abreviadamente de SDCD, é separado em módulos discretos, cada um tendo uma função específica. Um módulo de controle pode controlar várias malhas PID, além de fazer uma quantidade de lógica, como linearizar sinais não lineares ou gerar um alarme quando alguma medição do processo atingir valores limites. Outro módulo pode gerar as telas necessárias para a operação da planta (interface HomemMáquina). Outros módulos regulam o fluxo de informação através de todo o sistema. Uma coisa que é comum a todos os módulos, porém, é que todos eles podem operar independentemente, por que a potência de processamento necessária para fazer suas funções está embutida em cada um deles. Isto é o que o microprocessador tornou possível. Antes da aplicação do microprocessador, a inteligência necessária para fazer estas funções requeria circuitos eletrônicos muito grandes, com numerosos componentes, gabinetes muito grandes e altíssimo custo. Um sistema distribuído consiste de vários módulos, todos ligados juntos por meio de um barramento de dados ou highway. Uma falha de componente em cada um dos módulos prejudica o sistema, no máximo, somente naquele módulo que fica perdido. No mínimo, a falha pode resultar na pede de apenas uma função dentro do módulo. Um ponto importante que não pode ser exagerado é que, desde que o sistema do computador é distribuído deste funcionalmente, ele também pode ser distribuído geograficamente. Isto significa que agora há uma alternativa para o conceito de uma grande sala de controle centralizada. Agora pode se ter várias pequenas salas de controle para cada unidade de operação. Todas as salas são interligadas juntas e os dados de processo de cada uma podem ser enviados, via barramento de dados, para um centro principal de operações para toda a planta.

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Hierarquia do Controle

Fig. 9.1. Controladores single loop Características

Fig. 8.2. Sistema Digital de Controle Distribuído As decisões de fazer o que deve ser feito para o bem da planta como um todo podem ser tomadas pelo centro principal (host), possivelmente suportado por um computador supervisório que também está ligado ao highway. Os resultados destas decisões, em termos de ação de controle, podem ser enviados de volta para o centro de controle apropriado e a malha de controle sobre o mesmo highway de dados, desde que o fluxo de informação seja bidirecional e ele o é, no SDCD Controle single loop O controlador single loop é o instrumento microprocessado com todas as vantagens relacionadas acima inerentes à sua natureza que pode ser usado para controlar uma única malha (daí o nome, single loop). É também chamado de single station. O controlador single loop resolve o algoritmo de controle para produzir uma única saída controlada. O seu baixo custo permite que ele seja dedicado a uma única malha. Por questão de marketing e por causa de sua grande capacidade, um único invólucro pode ter dois e até quatro controladores, porém, com o aumento de dificuldade da operação. O microprocessador pode ter qualquer função configurável e por isso, um mesmo instrumento pode funcionar como controlador, controlador cascata, controlador auto-seletor ou como computador de vazão com compensação de pressão e temperatura. A configuração pode ser feita através de teclados acoplados ao instrumento ou através de programadores separados (stand alone). Como a tecnologia do single loop é moderna, o instrumento incorpora todos os avanços da tecnologia eletrônica, microprocessadores, displays novos e programas criativos.

Tamanho Tem tamanho pequeno ou muito pequeno (menor que as dimensões DIN). Não necessariamente a mais importante, mas um das características mais notável da presente geração de controladores single loop é seu pequeno tamanho físico. A maioria dos controladores segue as dimensões européias DIN (Deutche Industrie Norm) para aberturas de painel: ¼ DIN - 96 x 96 mm (3,8 x 3,8 polegadas) 1/8 DIN - 96 x 48 mm (3,8 x 1,9 polegadas) 1/16 DIN - 48 x 48 mm (1,9 x 1,9 polegada) O mais popular é o 1/16 DIN. Funções de controle Muitos controladores chamados de single loop são dual loops. Através de microprocessadores no circuito, muitos controladores oferecem os formatos de ligadesliga e PID. Outros controladores incorporam funções matemáticas, ou no próprio circuito ou através de módulos funcionais opcionais incorporados na caixa. Estas funções matemáticas incluem: Somador - subtrator Ganho ajustável com polarização Desvio com ganho ajustável com polarização Multiplicador - divisor Compensador lead/lag (avanço/atraso) Filtro dual Limitador de rampa Limitador de sinal Rastreamento (tracking) analógico Extrator de raiz quadrada Seletor de sinal (alto/baixo) Seletor de sinal (médio Peak picker Conversor de sinal (termopares, RTD) Potenciômetro (não isolado e isolado)

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Hierarquia do Controle Auto sintonia Esta propriedade é disponível na maioria dos controladores single loop, exceto nos de baixo custo. Seqüencial e programação de tempo A maioria dos controladores single loop possui capacidade de programação temporal e sequenciamento de operações. A programação envolve quaisquer duas variáveis, porém o mais comum é se ter o tempo e a temperatura. Em siderurgias, é comum a aplicação de programas de temperatura, onde se tem uma rampa de aquecimento, a manutenção da temperatura em um patamar durante um determinado tempo e o abaixamento em vários degraus. Outras propriedades Os controladores single loop possuem ainda capacidade de auto/manual, ponto de ajuste múltiplo, autodiagnose e memória. São construídos de conformidade com normas para ser facilmente incorporado e acionado por sistemas SDCD. As aplicações típicas do single loop são em plantas pequenas e médias que não podem ou não querem operar, em futuro próximo, em ambiente com controle digital distribuído. Mesmo em sistemas de SDCD, há malhas críticas que, por motivo de segurança, são controladas por controladores single-loop.

3. maior flexibilidade com facilidade de mudanças no plano de controle, 4. menor quantidade de equipamento por causa da concentração das funções, 5. menor custos por linhas de sinais e equipamentos instalados, 6. maior confiabilidade por causa do uso extensivo de redundância e da semiautonomia das malhas locais de instrumentos; 7. sala de controle pequena. Os sistemas de controle tradicionais podem ser criados com instrumentos de diferentes fabricantes. Estes instrumentos tem um grande grau de compatibilidade e intercambiabilidade. A coisa é diferente para o controle distribuído. Exceto nos sistemas abertos, como o I/A da Foxboro, os componentes de um sistema distribuído de controle são proprietários e devem ser do mesmo fabricante para se ter compatibilidade de comunicação de sinais. Porém, o comitê SP50 da ISA, Signal Compatibility of Electrical Instruments, está trabalhando para desenvolver um padrão industrial para comunicação de dados digitais e para eliminar as incompatibilidades atuais.

Uma avaliação O advento do controle distribuído causou mudanças importantes no projeto e uso de sistemas de controle, especialmente em grandes plantas. Mas as melhorias resultantes no desempenho são uma questão de grau e não de tipo. O equipamento mais fantástico do mundo usado com uma estratégia de controle inferior terá resultados piores do que um equipamento mais simples e antigo usando a estratégia de controle correta. Há espaço para a ponta de lança da tecnologia mas não há substituto de um bom pensamento de controle, que é a base do controle de processo. Quando se assumem estratégias de controle iguais para o equipamento tradicional e para o sistema de controle distribuído, o SDCD tem as seguintes vantagens: 1. controle de processo melhorado pelo operador da planta, 2. melhor comunicação entre os níveis de controle, otimização de controle, planejamento,

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10 Influências Externas Os instrumentos e suas interligações com fios e tubos devem ser capazes de suportar, até um determinado grau aceitável, os efeitos das condições de processo que os afetam diretamente. Há influências do processo, como o fluido que passa no interior da válvula ou do sensor de vazão ou que está em contato com o sensor de pressão ou temperatura. Este contato pode sujeitar os instrumentos a condições severas, como extremos de temperatura, pressão, velocidade, corrosão e erosão. Todos estes fatores devem ser considerados quando escolher instrumentos e suas aplicações. Há ainda os fatores externos ou ambientais (ambiente significando vizinhança) que também devem ser considerados. Estes fatores podem independer ou podem ser indiretamente relacionados com o processo; por exemplo, uma tubulação pode estar muito quente e irradiar este calor para sua vizinhança. Todos estes fatores externos podem afetar os materiais do instrumento ou sua exatidão ou ambos.

10.1. Efeitos sobre os materiais Da temperatura Os ambientes onde os instrumentos estão colocados variam das temperaturas polares (50 oC) até as tropicais (60 oC). A mínima temperatura de um instrumento pode ser a mínima temperatura ambiente externa, porém a máxima temperatura pode ser muito maior que a ambiente, por causa do aquecimento provocado por outras fontes de calor. Por exemplo, numa indústria siderúrgica é comum ter instrumento montado em temperatura de 80 o C. A norma ISA S71.01-1985, Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems: Temperature and Humidity, estabelece classificações para localização e severidade da temperatura e umidade ambientais. Partes elétricas como circuitos a transistor e bobinais de solenóide são muito sensíveis à

alta temperatura que pode diminuir sua vida útil ou até danificar o componente. Os fabricantes estabelecem os limites de temperatura para operação e armazenagem dos instrumentos eletrônicos, como: 1. Para operação: +5 a +50 oC 2. Para armazenagem: -40 a +65 oC Para o instrumento pneumático de campo o fabricante especifica a faixa de temperatura ambiente, como -40 a +80 oC. Os metais perdem resistência e dureza quando aquecidos. Em alguma alta temperatura, sua estrutura cristalina muda, resultando em mudanças físicas que persistem mesmo quando a temperatura abaixa. Os metais requerem tratamento termal para recuperar suas propriedades originais e este tratamento é impraticável. Os metais também ficam mais frágeis e quebradiços quando resfriados a temperatura muito baixa. Quando a temperatura retorna ao normal, a facilidade de se quebrar desaparece. Os plásticos se deterioram mais rapidamente e tendem a ficar irreversivelmente quebradiços quando são aquecidos a temperatura muito elevada e se tornam reversivelmente quebradiços quando resfriados a baixa temperatura. A passagem do tempo também pode causar deterioração de muitos materiais, como tinta, cola, plástico e borracha. Este efeito de envelhecimento ocorre mais rapidamente em alta temperatura do que em baixa temperatura.

Da umidade Umidade é o conteúdo de vapor d'água no ar e é um parâmetro ambiental que o fabricante de instrumento deve especificar. Quando a água líquida se evapora, ela fica na forma invisível de gás (vapor). A quantidade de vapor d'água presente no ar é a umidade absoluta, expressa em kilogramas de vapor por metro cúbico. A umidade absoluta pode variar de zero a algum valor que depende da temperatura do ar; quanto maior a temperatura, mais umidade pode ser retida no ar. Este é o motivo pelo qual a umidade em uma sala quente se condensa

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Influencias Externas em uma janela com a temperatura externa mais fria. Em uma dada temperatura, o ar é chamado de saturado quando contem a máxima quantidade de vapor d'água que pode ser retida, nesta temperatura. Uma poça d'água cercada de ar saturado nunca irá secar. O ar atmosférico é usualmente não saturado, pois ele contem uma quantidade de água menor que a máxima para uma dada temperatura. Umidade relativa (RH - relative humidity) é a relação da quantidade real de vapor presente (por metro cúbico de ar) e a máxima quantidade de vapor que existiria se o ar fosse saturado. A umidade relativa é expressa em percentagem e pode variar de zero (ar seco) até 100% (ar saturado). A umidade relativa é normalmente o que o repórter da TV fala de umidade. É a umidade relativa, e não a absoluta, que nos faz sentir confortável ou não. Os fabricantes de instrumentos eletrônicos garantem que eles funcionam normalmente com umidade na faixa de 5 a 95% de umidade relativa, quando não há condensação. Uma atmosfera úmida dentro de um instrumento pode causar condensação e molhar os componentes, estragando-os ou provocando curtos-circuitos ou curto com o terra. Porém, um instrumento elétrico que esteja sempre energizado em operação normal recebe calor de seus componentes; o calor abaixa a umidade relativa do ar interno. Embora isso não abaixe a umidade absoluta, reduz a possibilidade de condensação. Uma atmosfera úmida também promove corrosão e deterioração de materiais susceptíveis. Alguns instrumentos que são projetados para uso em áreas úmidas (entre os trópicos de Câncer e de Capricórnio) são tropicalizados. Tropicalizar um circuito elétrico é envolve projeto e tratamento especiais para protegê-lo contra o ambiente, geralmente revestindo-o com um esmalte especial, de modo que fique insensível à umidade e não crie fungos e mofo.

Da explosão Certos vapores ou gases (como acetileno, hidrogênio, benzeno ou metano), ou pós de sólidos (como metais, carvão e agrícolas) ou fibras podem entrar em combustão ou explodir, quando misturados com ar e em contato com uma fonte de energia elétrica ou termal. As misturas de destes produtos com o ar são chamadas de flamáveis ou combustíveis, embora na prática elas sejam chamadas ilogicamente de inflamáveis. Para um vapor ou gás flamável queimar com o ar, deve haver uma mistura queimável. A queima é uma reação química. A explosão é

uma queima extremamente rápida. A concentração de cada substância flamável deve estar dentro de uma faixa específica para manter a queima. Os limites da faixa são somente aproximados por que eles dependem da temperatura, pressão, umidade e outros componentes da mistura. Existem tabelas mostrando os limites mínimo e máximo de flamabilidade de gases e pós. Para uma explosão começar em uma mistura, deve haver simultaneamente: 1. uma substância flamável 2. uma substância oxidante, como ar 3. mistura dentro da faixa flamável 4. fonte de ignição, elétrica ou termal. Uma das vantagens da instrumentação pneumática em áreas potencialmente explosivas é que os instrumentos não contem uma fonte de ignição, a não ser contenham dispositivos elétricos, como chaves ou motores de acionamento de gráfico. Certos instrumentos, como analisadores químicos, são inevitavelmente elétricos por projeto. Mas, mesmo quando inevitável, o perigo potencial de explosão não necessariamente descarta o uso de instrumento elétrico. O instrumento elétrico pode ser colocado dentro de invólucros à prova de explosão ou podem ser pressurizados com gás inerte ou pode ser tornado seguro, através de projeto e construção especiais. Os métodos de proteção contra possíveis perigos em uma planta que manipula substâncias flamáveis incluem os seguintes: 1. Uso de equipamento de processo projetado, construído e mantido especialmente com o objetivo de evitar o início do problema. 2. Uso de analisadores automáticos contínuos para detectar a substância perigosa na atmosfera, avisando logo a presença da substância, em caso de vazamento. O operador pode tomar ações protetoras antes que o limite mínimo de flamabilidade seja atingido. Obviamente, para confiar no analisador, ele deve ser mantido em bom estado de funcionamento. 3. Usa de instrumento pneumático, que elimina a presença da fonte de ignição na área perigosa. 4. Uso de instrumentos dentro de invólucros à prova de explosão ou à prova de chama. O invólucro à prova de explosão não impede a entrada da mistura flamável no seu interior e nem evita a faísca elétrica. Porém, quando há uma combustão ou explosão dentro do invólucro, a situação continua segura, por duas razões: a) a estrutura é suficientemente robusta para suportar a explosão, sem se danificar, sem se deformar e sem se

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Influencias Externas arrebentar e por isso a explosão não se propaga para a área externa, b) há aberturas cientificamente calculadas que resfriam os gases da combustão que vão para o exterior em vazões pequenas e por isso a combustão não se propaga para a área externa. 5. Evitar que a mistura explosiva entre em contato com a fonte de ignição, através de chaves ou peças elétricas hermeticamente selados (encapsulamento) ou através de uma pressão positiva com gás inerte (pressurização) ou uma pequena vazão de gás inerte (purga). 6. Uso de sistema intrinsecamente seguro, baseado no fato que uma mistura flamável deve ser aquecida até sua temperatura de ignição antes que a mistura possa explodir ou entrar em combustão. Qualquer mistura perigosa requer uma energia mínima para entrar em combustão; abaixo deste valor a fonte é inofensiva. No sistema com segurança intrínseca, colocam-se barreiras de energia elétrica que limitam a energia entregue pela área segura à área perigosa. É a técnica de proteção mais segura e econômica que existe, porém só se aplica a equipamentos que naturalmente manipulem baixos níveis de energia; ela não se aplica a equipamentos de potência (motores, geradores) ou que funcionem com grande energia (analisadores químicos, cromatógrafos). O NEC (National Electrical Code) estabelece categorias de locais perigosos, que são definidos como locais em que gás, vapor, pó ou fibra combustível pode estar presente em proporções explosivas e flamáveis. As classificações são: 1. Classe I - gases, Classe II - pós e Classe III - fibras. 2. Grupos A até D para gases e Grupos E até G para pós, baseados nos tipos específicos de substância perigosa que possa ser encontrada. 3. Divisão 1 e 2 baseada na probabilidade da presença das concentrações estarem presentes, em condições normais ou anormais.

Dos contaminantes Há vários tipos de contaminantes que podem afetar os instrumentos através de efeitos químicos, mecânicos, termais ou elétricos. Eles são os seguintes: Líquido Os líquidos podem ser levados para o instrumento e suas conexões através da chuva, neve, orvalho ou lavagens da planta.

Vapor Vapores d'água, solventes, lubrificantes e outros produtos químicos podem migrar através da atmosfera. Os vapores podem condensar dentro do instrumento em gotas ou poças. Aerosol Aerosol é a suspensão de pequenas gotas de líquido que forma uma nuvem contendo sais ou outras partículas sólidas. O aerosol pode ser criado em volta de torres de resfriamento, pela ação de ondas ou vento. Sólidos O pó é um contaminante universal do ar ambiente e outros gases. O pó pode se originar de várias fontes, como fibras têxteis, cinza de fornalha, plásticos, fumaça de fumo, resíduo de combustão. Alguns processos de fabricação eletrônica requerem salas com ar isento de pó. O trabalho é executado em sala limpa, que requer projeto especial e cuidados contínuos para se manter limpa. As peças de instrumentos e equipamentos que estejam em contato direto com oxigênio e outros oxidantes (cloro) também devem ser manipuladas de modo especial para ficar isentar de pó e de óleo. Gás Os poluentes químicos se originam de automóveis, ônibus, plantas, árvores e da casa, tais como produtos de cloro, compostos orgânicos, gases de combustão, amônia e álcoois. Biológicos Os fatores biológicos incluem 1. passarinhos e insetos que constróem ninhos dentro das linhas de vent 2. ratos e insetos que roem ou comem isoladores elétricos 3. insetos mortos, fungos e mofo que modificam a isolação elétrica. Logo depois da Segunda Guerra Mundial, um computador elétrico que usava relés e válvulas falhou e se descobriu que a falha foi provocada por um besouro (bug) morto que impediu o contato de relé. O circuito tinha um besouro dentro (bug in). Quando se removeu o besouro (debugging), o equipamento ficou normal. Os termos bug e debbug, relacionados com o defeito e a sua correção se tornaram universais e hoje fazem parte da linguagem eletrônica. Ter bug é ter problema em equipamento ou programa e debbug é eliminar o problema.

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Influencias Externas Os poluentes, sozinhos ou misturados com a umidade do ar, podem afetar o desempenho dos instrumentos e mesmo interromper seu funcionamento. Os efeitos dos poluentes incluem os seguintes tipos: 1. Químico, enfraquecendo a resistência mecânica de peças ou interrompendo trilhas de circuitos elétricos. 2. Mecânico, acelerando as partes móveis gastas, aumentando o atrito e interferindo com a detecção. 3. Termal, diminuindo a eficiência de transmissão de calor e muitas vezes entupindo os tubos de trocador de calor. 4. Elétrico, curto circuitando, aterrando ou interrompendo contatos elétricos. Para proteger os instrumentos contra os ataques da atmosfera e para garantir que o instrumento sobreviva e funcione no local onde ele está montado, estabeleceu-se classificação mecânica do invólucro, aplicável a instrumentos elétricos e não elétricos. Há basicamente duas normas: americana NEMA (National Electric Manufacturers Association) e a internacional IEC IP (International Electrical Commission Ingress Protection). A norma NEMA 1S 1.1-1975 estabeleceu classificações para invólucros, iniciando com o NEMA tipo 1, que é de uso geral e é para uso interno em uma atmosfera normalmente limpa. Os tipos 2 até 13 são para invólucros vedado a pó (dust-tight), à prova de respingo (drip proof), vedado a chuva (rain-tight), à prova de chuva (rain-proof), resistente a granizo (sleetresistant), à prova de granizo (sleet-proof), vedado a água (watertight), submersível, resistente a corrosão, imerso em óleo, vedado a óleo e para serviço inflamável.

Da radioatividade Radioatividade é a emissão de partículas nucleares. Ela é originada de substâncias radioativas da Terra, do Sol, que é uma grande fornalha nuclear e do espaço. Existe radioatividade de todos os corpos. Dependendo da intensidade e duração da dose, ela pode ser útil ou nociva à saúde das pessoas. Em instrumentação, a radioatividade é usada para medição de nível, vazão, espessura de material, qualidade de solda, densidade. Quando usada corretamente, ela não apresenta nenhum perigo adicional. Deve existir sinalização do uso de fontes radioativas. Os instrumentos usados na indústria de energia nuclear são de projeto e materiais especiais. Por exemplo, alumínio, mercúrio e zinco não são aceitos; aço inoxidável e aço carbono são aceitos, plástico de polipropileno é aceito, teflon  não é aceito.

Da vibração Os instrumentos são montados em suportes: pedestais, tubos de 50 mm (2"), painéis, paredes e equipamentos. Máquinas e motores vibram e causam vibração nas estruturas próximas e em tudo que esteja montado nestas estruturas. Uma tubulação pode vibrar quando o líquido no seu interior entrar em cavitação, que é a passagem da fase líquida para gasosa e depois, da gasosa para líquida, por causa da baixa pressão ou alta temperatura. Qualquer que seja a fonte de vibração, os instrumentos vibram em algum grau. A vibração desgasta mecanicamente as partes móveis do instrumento. A vibração pode causar fadiga, que resulta da tensão repetida e prolongada e que pode causar a quebra de peças. Para evitar o estrago do instrumento provocado por vibrações mecânicas e por terremotos, muitos instrumentos são projetados e construídos para suportar grandes choques e vibrações sem se danificar, usando-se absorvedores de choque. Os tubos pneumáticos, fios elétricos, bandejas e suportes devem agüentar as vibrações normais da planta. A habilidade de um sistema de instrumentos se manter funcionando depois de um terremoto é muito importante para plantas nucleares, por causa da segurança nuclear.

Do raio Instrumentos montados no campo podem requerer proteção contra o impacto e estrago provocados pelo raio. Todos os equipamentos elétricos, especialmente os externos, devem ter proteção contra estrago interno provocado por picos de voltagem causados pelo raio.

10.2. Efeitos na Exatidão Da temperatura A temperatura ambiente pode afetar as propriedades das peças mecânicas, como foles ou peças eletrônicas, resultando em diminuição da precisão e exatidão do instrumento. Geralmente, os fabricantes especificam a precisão e a temperatura associada; por exemplo: 1. ±0,25% do valor medido por variação de 30 oC baseado na temperatura de referência de 25 oC 2. ±0,25% da largura de faixa por variação de 30 oC. Os transmissores d/p cell e de pressão podem ser usados com linhas com líquido de

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Influencias Externas selagem. Estas linhas estão sujeitas às variações da temperatura ambiente diárias (dia e noite) e sazonais (verão e inverno) e portanto variam a densidade do líquido e a pressão sentida. Mesmo se o instrumento é mantido à temperatura constante ou protegido, o efeito na linha externa de selagem pode causar erros de medição. Variações na temperatura ambiente também provocam erros na medição de temperatura com sensor de enchimento termal e a solução é usar sistema de compensação automática. Todos os erros induzidos pela temperatura são reversíveis e tendem a desaparecer quando a temperatura ambiente está no seu valor de referência.

Da umidade A umidade ambiente pode causar vazamentos elétricos que não necessariamente interrompem o funcionamento do instrumento eletrônico mas que pode provocar erros de medição.

Da pressão A pressão ambiente afeta a precisão da manômetros.

Dos contaminantes

Da gravidade Certas medições, como de pressão e força, podem ter grande erro (típico de ±0,5% do valor medido) por causa das diferenças da gravidade. Isto ocorre quando o sensor é usado em local cuja aceleração da gravidade é muito diferente do local onde ele foi calibrado e se usam unidades de pressão que depende do local (kgf/cm2, psi). Isto pode ser evitado simplesmente usando pascal (Pa) como unidade de pressão. Quando se calibram instrumentos e usam-se padrões muito precisos, deve-se conhecer com grande precisão o valor da aceleração da gravidade do ponto de calibração (às vezes, é insuficiente o valor da aceleração da cidade ou do laboratório) e finalmente, faz-se a correção.

10.3. Fontes de Alimentação As fontes de alimentação, elétrica, pneumática ou hidráulica, são necessárias para fazer os instrumentos funcionar. A fonte fornece a energia necessária para o instrumento manipular corretamente os sinais. Para o instrumento funcionar corretamente, com o desempenho nominal, a fonte deve satisfazer os limites especificados pelos fabricantes.

Fonte elétrica

Os contaminantes do ar ambiente podem afetar a precisão do instrumento, causando vazamento de sinais elétricos, aumentando o atrito de peças mecânicas, interferindo com chaves elétricas, entupindo pequenos tubos e tornando a resposta dinâmica mais lenta.

Os valores típicos de alimentação elétricas para voltagem e freqüência são: 1. 120 V +10 a -15%, ca e 50/60 ±2 Hz 2. 125 V, +15 a -20 V cc 3. 24 ±2 V cc

Do raio e de outros fenômenos elétricos

Fonte pneumática

O raio da tormenta atmosférica pode causar picos ou perdas momentâneas da voltagem nos circuitos elétricos. Estes efeitos podem apagar memórias de circuito ou uma alteração na informação armazenada. A proteção contra raio inclui supressores de pico e fontes de alimentação reserva separadas. Os sistemas eletrônicos podem também ser afetadas pelo ruído elétrico próximo, também chamado de interferência de rádio freqüência (IRF) ou interferência eletromagnética (IEM). A interferência pode ser causada por cabos de potência, flutuações da linha ou ligamentodesligamento de máquinas, radiotelefones, walkie-talkies, operação de disjuntores e ferramentas portáteis. A proteção contra estes efeitos pode ser obtida através de filtros de sinais, prática correta de fiação (separação de sinal e de potência), blindagem, aterramento, separação e barreiras.

A especificação típica do fabricante de instrumento para alimentar a instrumentação pneumática é: 1. Normal: 33 kPa (5 psi) acima da máxima pressão do sinal manipulado 2. Mínima: 20 kPa (3 psi) acima da máxima pressão do sinal manipulado 3. Máxima: 330 kPa (50 psi). A pureza do ar de instrumentos é fundamental, especialmente porque o instrumento possui passagens de ar muito pequenas (bico do conjunto bico-palheta, relé aspirador). O ar comprimido vem de um compressor cuja descarga é relativamente úmida e às vezes carrega pequenas gotículas de óleo de lubrificação do compressor; este ar é o chamado ar de serviço ou ar da planta. As gotículas e pós podem coalescer ou se aglomerar, causando grandes problemas na

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Influencias Externas instrumentação pneumática, com entupimentos. A prática normal de instrumentação é ter um sistema de purificação do ar. Isto é necessário mesmo que a planta tenha instrumentação eletrônica, pois sempre haverá válvulas com atuação pneumática e alguns instrumentos pneumáticos montados no campo. A saída do sistema de purificação do ar é um ar seco e limpo, ou o ar de instrumento. O ar de instrumento deve ser suficientemente seco de modo a não haver condensação da umidade no mesmo na mais baixa temperatura da planta em que o ar está exposto. O sistema de purificação de ar possui filtros para remover mecanicamente líquidos e sólidos em suspensão e secadores para remover a água e outros vapores. Outra filosofia é ter um compressor para o ar de instrumentação separado do compressor de serviço. O compressor é menor e sem usar óleo de lubrificação. Mesmo assim, é necessário se ter um sistema de filtros e secadores, porém o ar manipulado tem muito melhor qualidade que o de serviço. A norma ISA S7.3-1975 (1981), Quality Standard for Instrument Air, estabelece os limites permissíveis para umidade, tamanho das partículas em suspensão, concentração de óleo e outros contaminantes. Há situações práticas onde o ar pode ser substituído por outros gases, como nitrogênio, que é quimicamente inerte e pode ser fornecido através de garrafas ou cilindros. Em locais distantes de produção de gás natural é também possível usar o gás no lugar do ar comprimido. O gás também deve ser filtrado e mesmo assim provoca muitos problemas de entupimento, porém é uma solução econômica e prática, quando não se tem ar comprimido disponível no local.

Fonte hidráulica Um sistema hidráulico usa um líquido hidráulico que deve ser mantido limpo e à pressão de operação especificada pelo fornecedor do sistema hidráulico.

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11 Seleção dos Instrumentos Já foi visto como os instrumentos de processo são usados, isolados ou em combinação com outros formando malhas. Porém, antes de escolher um determinado tipo de instrumento ou malha para medir ou controlar, há fatores de engenharia que devem ser considerados.

11.1. Exatidão da malha A exatidão de um instrumento ou de uma malha está associada com erro, inexatidão ou incerteza. Por clareza, no presente capítulo será usada a palavra erro em vez de exatidão. Um problema comum é determinar o erro resultante de uma medição feita por uma série de instrumentos, como as malhas LE-1, LT-1, LY-1C e LC-1 da Fig. 3.8. Se a malha existe fisicamente, o modo de determinar seu erro real é testando a malha. Isto é feito aplicando uma entrada no primeiro instrumento da malha e vendo a saída no último. Mede-se um valor real e compara-o com um valor verdadeiro convencional, dado por um padrão rastreado confiável. Porém, há casos onde se quer ou se necessita calcular o erro da malha. Sejam as seguintes incertezas obtidas dos catálogos dos instrumentos: Sensor Transmissor Transdutor Controlador

LE-1 LT-1 LY-1C LC-1

±0,50% do span ±0,25% do span ±0,75% do span ±0,40% do span

Por simplicidade, somente os erros nominais de catálogos serão considerados, desprezando-se os erros devidos à instalação, influências do ambiente, incertezas dos padrões usados na calibração, que deveriam ser acrescentados, em um enfoque mais rigoroso. O erro total resultante da malha acima pode ser calculado por um dos seguintes métodos: 1. soma algébrica 2. erro provável 3. erro estatístico

Erro Algébrico O modo mais simples de determinar o erro total de uma medição é pela soma do valor absoluto de todos os erros individuais, o que significa não considerar os símbolos ± dos erros. O erro algébrico é calculado pela seguinte expressão matemática: n

et = ∑ ei i=1

onde et é o erro total resultante ei é o erro individual Esta notação significa: o erro total et é igual à somatória dos erros individuais ei, i variando de 1 até n. Escrito de modo extenso, tem-se

et = e1 + e2 + e3 +...+ ei +...+ en No exemplo acima, o erro algébrico resultante vale: 0,50 + 0,25 + 0,75 + 0,40 = ±1,9% do span Este método é curto e grosso. Ele é também o mais rigoroso e portanto o mais seguro, pois ele faz duas hipóteses acerca dos quatro erros individuais: 1. O erros são todos positivos ou negativos e não misturados. 2. Cada erro está no limite extremo da faixa garantida pelo fabricante do instrumento. A probabilidade não funciona deste modo e é pouco provável que o pior caso assumido seja o que vai ocorrer na vida real. Se o erro total de ±1,9% do span é aceitável para a aplicação (que requer, por exemplo, ±3% do span), nada precisa ser feito adicionalmente. Porém, se a aplicação requer um erro total de, por exemplo, ±1,2% do span, então a malha de instrumentos instalada é inadequada ao uso e deve-se estimar o erro de modo mais exato.

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Seleção dos Instrumentos Uma alternativa, se a faixa de medição requerida cobre somente uma porção da faixa para um ou mais instrumentos, é calibrar o instrumento somente para a porção usada em vez de calibrá-lo para toda a faixa. Isto reduz o erro total, pois ele é expresso em percentagem da largura de faixa (span). Alguns erros de influência, devidos às condições ambientais e externas podem ser reduzidos pela modificação da instalação. Os erros de modificação podem ser diminuídos por compensação. Erro provável O método mais largamente usado e até recomendado por algumas normas para calcular o erro total é pelo erro provável, menor que o improvável e extremado erro algébrico. O erro provável é o que é esperado e não deve ser excedido. Ele é calculado pela seguinte relação matemática resumida:

et =

n

∑e i=1

2 i

ou de modo extenso:

ei = e12 + e22 + e32 +...+ ei2 +...+ en2 Para o exemplo anterior, tem-se

et = 0,50 2 + 0,252 + 0,752 + 0,40 2 = 1,0% Assim, o erro total calculado através deste novo algoritmo (relação matemática) é menor que o erro algébrico e agora esta malha pode ser usada quando se tem uma exigência de 1,2% do span. Quando se calcula o erro provável, eleva-se todo erro individual ao quadrado, significando que os erros negativo e positivo são considerados do mesmo modo. Os quadrados são somados e depois se tira a raiz quadrada, pois os erros foram elevados ao quadrado. Esta fórmula pode ainda ser refinada, atribuindo-se pesos diferentes a alguns erros mais críticos. Erro estatístico e erro probabilístico Em algumas aplicações, o erro provável pode ser inaceitavelmente grande e o erro algébrico é maior ainda. A solução é trocar os instrumentos da malha por outros mais precisos. Mas quando isto é impossível, então podem ser usados métodos mais refinados para determinar o erro total. Tais métodos são o método estatístico e o probabilístico, que envolvem testes especiais e

o falível julgamento humano. Eles são poucos usados na prática industrial. Eles podem ser considerados até como mais realísticos mas não são mais aceitáveis que os outros métodos.

11.2. Confiabilidade Conceito Confiabilidade é a probabilidade que um produto forneça um desempenho especificado quando funcionando sob condições de operação específicas para um intervalo de tempo especificado. A confiabilidade de um instrumento ou de uma malha de instrumentos é a consistência com que ele mede ou controla quando se supõe que hajam condições adequadas e de acordo com seu programa e ajuste. Há dois termos relacionados com confiabilidade: 1. MTBF, que significa Mean Time Between Fails (Tempo Médio Entre Falhas). O MTBF de um dado tipo de instrumento ou sistema é determinado por teste, experiência ou ambos. Um grande MTBF é bom e depende de o fabricante do instrumento usar materiais de alta qualidade, projeto correto e cuidado na fabricação e de o usuário aplicar o instrumento para o tipo de serviço para o qual ele foi fabricado e fazer a manutenção de rotina recomendada. 2. MTTR, que significa Mean Time To Repair (Tempo Médio Para Reparar). O MTTR é determinado pela experiência. Um pequeno MTTR é bom e depende de o fabricante projetar um instrumento de fácil manutenção e de o usuário ter estocado ou conseguir rapidamente peças de reposição e ter uma equipe de manutenção bem treinada e capacitada com facilidade de acesso ao equipamento que precisa ser reparado. A disponibilidade ou disponibilidade no tempo pode ser determinada dos parâmetros MTBF e MTTR. Disponibilidade é a fração de tempo que o instrumento ou sistema pode estar pronto para usar e para funcionar corretamente. Costuma-se definir a Disponibilidade, D, como a relação matemática:

D=

MTBF MTBF + MTTR

A disponibilidade de um instrumento aumenta quando o MTBF aumenta e o MTTR diminui. Um instrumento muito disponível é

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Seleção dos Instrumentos aquele que demora para falhar e quando falha, é rapidamente consertado. Às vezes, um fabricante não pode fornecer dados para o MTBF e MTTR para calcular a disponibilidade do instrumento, principalmente para equipamentos não eletrônicos. Porém, sempre pode-se tentar estimar a disponibilidade ou julgar a qualidade aparente dos equipamentos. Quando se considera a confiabilidade na escolha de um instrumento ou projeto de um sistema, obtém-se uma planta que tende a ter pequeno custo de manutenção e poucas paradas de produção por causa de falhas de instrumentos. Estes fatores devem ser considerados na escolha de determinado tipo de instrumento em favor daquele mais confiável e disponível, mesmo que seja o de mais custo inicial.

Número de componentes da malha A confiabilidade é melhorada pela redução de número de elos na corrente de instrumentos. Quanto menos instrumentos tiver a malha, mais confiável ela é, pois cada instrumento individual tem algum risco de falha e contribui para o risco da falha da malha. A precisão da malha de instrumentos também depende da quantidade de instrumentos componentes. Quanto mais instrumentos tiver a malha, maior é o erro total resultante, qualquer que seja o algoritmo de cálculo. O melhor projeto de malha de instrumentos é aquele que usa o mínimo número de instrumentos para executar a tarefa requerida. Seja o mais simples possível (em inglês: KISS: Keep it simple, stupid!)

não são totalmente independentes pois a falta de energia desliga os dois controladores. A falha de uma fonte de alimentação comum é um exemplo de falha de modo comum. A falha de modo comum pode também ser causada pela queda de um único objeto em cima de dois controladores redundantes, que desliga os dois canais. Para evitar este tipo de falha, os dois canais devem ser separados fisicamente um do outro. Outro modo de aumentar a confiabilidade da planta é pela diversidade. Diversidade é quando se tem dois canais fazendo a mesma coisa, mas de modos diferentes. É improvável que os diferentes canais sofram o mesmo tipo de falha. Por exemplo, a medição redundante de nível através de deslocador e de dispositivo a pressão diferencial: os dois sistemas são construídos diferentemente e tem princípios de funcionamento fisicamente diferentes.

LSH 66

LT 66

LIC 66

Bomba

(a) Menos confiável

LSH 67

Redundância Deve-se ter redundância quando a falha da instrumentação na planta resulta em um risco inaceitável de perigo físico ou perda momentânea. Redundância significa fornecer um segundo elemento alternativo para executar uma função, quando o primeiro falha. A redundância pode ser aplicada a qualquer tipo de equipamento: sensor, controlador, computador, fonte de alimentação, trocador de calor, sistema completo, tubulação, cabos de comunicação. Para uma redundância ser totalmente efetiva, cada canal deve operar totalmente independente do outro. Isto significa que nenhuma simples má operação, como abertura ou fechamento incorreto de uma chave e nenhuma simples falha, como a falha de uma fonte de alimentação, possa derrubar os dois canais. Quando dois controladores são alimentados por uma única linha elétrica, eles

Tanque

Trip da bomba

LC 67

LT 67

Tanque

Trip da bomba

Bomba

(b) Mais confiável

Fig. 10. 1. Evitando transbordamento do tanque Um bom princípio de projeto para seguir em todas as plantas é separar a função normal de controle da função de segurança. Separar significa ter diferentes sensores e transmissores. A Fig. 10.a (a) mostra como devem ser o sistema de controle e segurança de nível de um tanque. O controle é conseguido através de um transmissor de nível, controlador e válvula de controle. A segurança é conseguida através de uma chave de nível,

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Seleção dos Instrumentos que desliga o motor da bomba que enche o tanque. O controlador regula normalmente o nível do tanque e normalmente o tanque não derrama. No caso de haver alto nível por causa de um grande distúrbio, a chave de nível alto desliga a bomba e a vazão de entrada do tanque fica zero, evitando que o nível do fique excessivamente alto. O tanque não derrama. Todas as partes de um esquema provavelmente operam como o esperado. Porém, o esquema da Fig. 10.1 (a) tem uma fraqueza que pode potencialmente causar falha: tanto o controlador como a chave de nível dependem de um único transmissor e por isso ambos estão sujeitos a uma falha de modo comum. Na Fig. 10.1 (b) tem-se um sistema mais confiável para evitar que o tanque derrame. Quase tudo é a mesma coisa, exceto que agora a chave de nível sente o nível diretamente e independente do controlador. Agora, se a malha de controle falhar, a chave não é afetada. Quando a chave falhar, a malha de controle não é afetada. Um bom exemplo de redundância é o homem que usa cinto e suspensório para seguras suas calças. Se o cinto falha, o suspensório segura; se o suspensório falha, o cinto segura. Tem-se um sistema de segurança com redundância, diversidade e separação. Em sistemas de medição críticos, como na indústria nuclear, os sensores são redundantes. Tem-se três sensores separados e um sistema de votação. O sistema de alarme é inicializado pelo sistema de votação um-dostrês e o desligamento é feito pelo sistema doisdos-três. Se qualquer um dos três sensores é alto, o sistema de alarme toca para chamar a atenção do operador, que pode investigar e julgar qual ação deve ter tomada. Quando dois canais estirem altos, então o sistema é desligado automaticamente. A idéia deste sistema é que um único sinal alto pode ser aberração e falso e não deve ser considerado para se desligar o processo. Mas se a leitura alta é confirmada por uma segunda leitura, então ambas as leituras altas são consideradas válidas e o sistema é desligado automaticamente. Em sistemas mais conservativos pode-se usar um sistema de votação de dois-dos-quatro, que possuem quatro medições em vez de três. Há sistema que mede disparidades entre dois ou mais instrumentos de processo que deveriam dar a mesma indicação. Se a disparidade se torna excessiva, é atuado um alarme de disparidade, mesmo que não se detecte nenhuma falha no processo. Medições para aumentar a confiabilidade podem ser aplicadas a qualquer sistema de

processo com grande perigo potencial, embora elas sejam mais usadas na indústria de energia nuclear. Há um movimento no mundo da eletrônica, incluindo instrumentos, no desenvolvimento de equipamento tolerante a falha, que possui componentes ou circuitos internos redundantes. O efeito é possibilitar o instrumento ou sistema envolvido continuar funcionando corretamente mesmo se alguma peça do instrumento ou sistema falhar. Esta técnica é usada extensivamente em alguns sistemas de controle distribuído e controle lógico programado. Para sistemas de processo importantes, pode-se fazer uma análise de falha. Análise de falha é um estudo detalhado do que pode acontecer ao processo se as várias partes do sistema de equipamento e instrumento do processo falhar. O estudo pode revelar uma necessidade de equipamento reserva (backup), uma mudança na ação de falha segura ou outras mudanças ou pode simplesmente confirmar a adequação do sistema existente.

Vantagens da Instrumentação Como vantagens, o instrumento de medição e controle 1. não fica aborrecido ou zangado, 2. não fica distraído ou atraído por pessoas bonitas, 3. não assiste a um jogo de futebol na televisão nem o escuta pelo rádio, 4. não para almoçar ou para ir ao banheiro, 5. não fica cansado de trabalhar, 6. não tem problemas emocionais, 7. não abusa seu corpos ou sua mente, 8. não tem sono, 9. não folga do fim de semana ou feriado, 10.não sai de férias, 11.não reivindica aumento de salário. Porém, o instrumento de medição e controle 1. sempre apresenta erro de medição 2. opera adequadamente somente quando estiver nas condições previstas pelo fabricante, 3. requer calibrações periódicas, para se manter exato e as incertezas dos padrões de calibração podem afetar suas medições, 4. requer manutenção preventiva ou corretiva, para que sua precisão se mantenha dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante e se essa manutenção não for correta, ele se degrada ao longo do tempo, 5. é provável que algum dia ele falhe e pela lei de Murphy, esta falha geralmente acontece na pior hora possível e pode acarretar grandes complicações.

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Seleção dos Instrumentos A operação do processo pode ser projetada com cuidado e competência para se desenvolver com eficiência e segurança. O operador de processo, às vezes, deve decidir que o processo deve operar de modo diferente, sem conhecer os detalhes do projeto original e por isso faz alterações no sistema de controle. O processo se degrada por causa dessas alterações inadequadas. Os sistemas de instrumentos podem ser arranjados para manter o sistema seguro contra as conseqüências destas alterações.

11.3. Fatores humanos Antigamente (1940-60), os painéis de instrumentos eram simplesmente uma estrutura em que os instrumentos eram alojados, geralmente com algum grau de lógica e bom senso. Isto era feito de acordo com o caso individual e sem um enfoque sistemático para melhorar o desempenho da combinação homem-máquina. Depois (1960-1980), apareceram as salas de controle centralizadas com uma enorme quantidade de informações para um operador supervisionar. Finalmente (1980-1995), as informações, diagramas, gráficos apareceram em telas de vídeo ou monitores de sistemas digitais e de computadores. As indústrias de processo se tornaram mais envolvidas em uma disciplina conhecida por vários nomes, incluindo engenharia dos fatores humanos, engenharia humana, ergonomia e biotecnologia. As indústrias se tornaram capazes de usar os princípios desenvolvidos pela indústria militar, usando grandes quantidades de equipamentos técnicos e mão de obra de modo mais efetivo e eficiente. A engenharia dos fatores humanos se aplica a algo tão simples como o tamanho e formato de uma chave de fenda que possibilite o seu uso para apertar um parafuso de modo mais firme, confortável e seguro. A engenharia dos fatores humanos também se aplica a algo complexo como o projeto de uma sala de controle, habitat natural do operador de processo. O trabalho do operador na sala de controle envolve muitos fatores, incluindo os seguintes: Uso do corpo humano O uso do corpo humano é um assunto é coberto pela antropometria, que é o estudo das medidas do corpo humano, sua habilidade para ver e escutar, sua tendência à fadiga e a probabilidade de se cometer erros. Esta informação é baseada em extensa pesquisa e teste. Estas características do corpo humano mais a natureza, freqüência e dificuldade das tarefas

físicas e mentais que o operador deve executar, a posição de seu corpo e suas necessidades de mobilidade são importantes no projeto de painéis de instrumentos. Eles afetas as dimensões e disposição (layout) dos instrumentos no painel e até a aparência dos instrumentos. Pequenos detalhes podem afetar o desempenho do operador durante as suas 8 horas de turno. Por exemplo, para uma tela de monitor: a resolução das figuras, a altura de sua posição, a iluminação externa, luminosidade e contraste. Outros fatores antropométricos incluem: Ambiente físico Como ambiente físico consideram-se a temperatura e umidade ambiente, luminosidade, ruído e a quantidade de tráfico na sala. Arranjo dos instrumentos Princípios para arrumar os instrumentos no painel para beneficiar e facilitar o operador incluem os seguintes: 1. Os instrumentos devem ser agrupados de modo lógico para mostrar suas relações com o processo. 2. Os controladores e estações manuais de controle e suas indicações associadas devem ser próximos entre si, o mais prático possível. 3. Grupos semelhantes de instrumentos devem ser arrumados do mesmo modo, como ilustrado na Fig. 10.2. 4. Não devem ser colocados mais do que cinco instrumentos semelhantes em uma linha com espaçamento uniforme a não ser que haja um código de cor ou outra diferenciação chocante entre os grupos vizinhos de instrumentos. Fig. 10.2. Arranjo de grupos de instrumentos semelhantes

Apresentação da informação Em plantas muito grandes e complexas, é conveniente apresentar a informação por exceção, para tornar a vida do operador mais fácil. Informação que seja rotineiramente apresentada ao operador deve ser limitada ao que ele necessita para suas tarefas de rotina; mais do que isso é uma distração. Se aparece problema, então um segundo nível de informação deve estar disponível para a área com problema. A hierarquia de displays de vídeo - visão geral, grupo e detalhe - que pode ser apresentada em sistema de controle distribuído é útil pois permite ao operador

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Seleção dos Instrumentos

Recomendada (a) Mesma mão ou imagem repetida

Não recomendada (a) Mão oposta ou imagem espelho focalizar o que é importante em determinado momento. Vermelho é a cor padrão para problema; verde é a cor padrão a normalidade. No trânsito, vermelho significa parar ou perigo. Tinta vermelha na base de um gráfico de lucros e perdas para um negócio é má notícia. Dizer que uma firma está operando no vermelho significa que ela está tendo prejuízo. Por analogia, um painel de instrumento nunca deve mostrar qualquer lâmpada vermelha quando tudo estiver operando normalmente. Por exemplo, o vermelho não deve ser usada para uma lâmpada piloto para ligado como condição normal; deve-se usar outra cor, de preferência verde. Quando aparecer uma luz vermelha, ela deve ter somente um significado: problema e deve requerer uma ação corretiva imediata do operador. Outra ilustração de engenharia de fatores humanos em apresentar a informação é o uso de diferentes sons de alarme para diferentes grupos de processo. Por exemplo, usar uma sirene para um grupo de sistemas, uma buzina para um segundo grupo; som repicado para um terceiro grupo. Há recomendações da ISA e militares para fornecer informação mais detalhada sobre a engenharia de fatores humanos.

11.4. Padronização de equipamento Quando se especificam os instrumentos para compra, é conveniente limitar os tipos de instrumentos e seus fornecedores, para padronizar os equipamentos dentro da planta. Neste contexto, padronizar pode significar as seguintes coisas: 1. Quando for tecnicamente razoável, devese manipular situações semelhantes em uma planta do mesmo modo. Onde apropriado, medir as várias vazões da

planta com o mesmo tipo de instrumento, por exemplo, placa de orifício. Porém, outros fatores como custo, disponibilidade comercial, desempenho, características do fluido podem impedir a padronização e justificar a compra de instrumentos diferentes. 2. Quando for prático, deve-se especificar somente determinada marca de instrumento, quando prático. Ter instrumentos de um único fabricante oferece as seguintes vantagens: a) o estoque de peças reservas fica menor, economizando dinheiro e espaço de almoxarifado. b) Muitos instrumentos são intercambiáveis de modo que a necessidade súbita de substituição pode ser satisfeita por um instrumento já existente. c) o pessoal de instalação e manutenção trabalha com equipamentos já conhecidos, tendo menos necessidade de manuais e fazendo mais rapidamente o trabalho.

11.5. Especificações de instrumentos No planejamento e projeto de um sistema de instrumentação, em algum momento, é necessário se comprar um instrumento ou o sistema completo, com instrumentos e equipamentos auxiliares necessários para desempenhar as funções projetadas. Quando se quer comprar algo, deve-se informar aos fabricantes exatamente o que se quer comprar. Esta descrição do instrumento, geralmente já disponível em um documento pronto, chama-se especificação, folha de especificação, folha de dados (data sheet), requisição, lista de materiais. A documentação pode incluir outros: desenhos, listas, códigos, diagramas. Sempre que possível, deve-se evitar a repetição de detalhes em documentos diferentes, pois ela aumenta a possibilidade de ocorrer erros e inconsistências. O comprador de instrumentos, por sua vez, deve conhecer os catálogos de instrumentos dos fabricantes para saber o que já existe disponível, como características padrão do instrumento. Deve-se, quando possível, especificar o instrumento padrão, por razões práticas e técnicas. Quando o instrumento padrão possui, por exemplo, conexões de processo de 1/2" NPT qual a justificativa para se especificar 1/4" NPT? Se a alimentação default do instrumento é 120 V ca, por que solicitar 220 V ca? Somente se especificam características extras de instrumentos quando

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Seleção dos Instrumentos há benefícios evidentes e explícitos. Obviamente, tudo que se especifica pode ser fornecido pelo fabricante, porém tudo que não é padrão se torna uma ordem especial. As desvantagens de se pedir itens não padrão são: 1. aumento dos custos, 2. aumento do prazo de entrega, 3. maior probabilidade de erros pelo fabricante, 4. eliminar um bom fornecedor potencial de instrumento que não pode atender a especificação especial As regras válidas e inteligentes em uma especificação de instrumentos incluem a especificação de cada detalhe necessário e que pode causar problema se não for especificado. Seja claro e objetivo. Especifique que o invólucro deva ser IEC IP 65 ou NEMA 4 (à prova de tempo e vedado a pó) e não apenas que o instrumento deva ter um invólucro protegido. Especifique que o instrumento será usado em área de Classe I, Grupos B, C e D, Divisão 1 e não apenas que será usado em área classificada; 2. não especificar algo que não seja necessário. Não entre em mais detalhe do que o necessário. Resumindo, 1. pensar; 2. conhecer o que se precisa e 3. conhecer o que é disponível como padrão. 4. quando possível, aceitar o produto padrão do fabricante, a não ser que haja uma razão específica para não aceitar.

11.6. Considerações Gerenciais Benefícios de um novo sistema Quando se análise os benefícios de um novo sistema, as seguintes questões devem ser consideradas: Estabilidade O novo sistema deve fornecer melhor controle da operação da planta e reduzir o número e tamanho de distúrbios indesejáveis do processo. Qualidade O novo sistema deve ter melhor qualidade de produto, reduzindo ou eliminado o custo de retrabalhos e refugos de produção. O novo produto deve ter melhor qualidade e como conseqüência, poder ser vendido por maior preço. Produção

Deve haver aumento de produção e de vendas. Eficiência A eficiência da planta deve aumentar, resultando em maior produção e menor exigência de matéria prima e energia. Confiabilidade A operação da planta fica mais confiável, diminuindo a quantidade e duração das paradas e manutenções corretivas. Segurança O novo sistema deve ser mais seguro e mais limpo. Deve haver menos violações de leis e regulamentos. O custo do prêmio do seguro deve diminuir.

Custos do sistema proposto O outro lado da avaliação se refere aos custos do novo sistema, com as seguintes questões: Custo do projeto O projeto de um sistema pode ser feito diretamente pelo usuário, através de seu departamento de engenharia e projeto ou poderá ser feito por firma de engenharia contratada. Mesmo quando o projeto é feito por uma firma externa, deverá haver um acompanhamento contínuo pelo usuário, para evitar problemas no futuro, nos estágios de partida e operação. O usuário é o responsável pela coordenação das diferentes fases do trabalho. Na prática, o projeto de uma planta nova é feita por firma de engenharia especializada e o usuário compra o projeto como um pacote fechado (turn key). Pequenos projetos posteriores e modificações que não estejam previstas em garantias, são feitas pelo próprio usuário. Custo de compra O fornecimento do sistema de instrumentação pode ser feito pela firma projetista ou pelo próprio usuário. O custo de compra é o inicial para adquirir o sistema, incluindo os fretes, seguros, transportes até a planta, impostos de importação e outros aplicáveis. Este custo é talvez o mais explícito e geralmente é o único considerado na maioria das compras. Custo de instalação A instalação pode ser feita por firma de engenharia externa ou pelo próprio usuário. Quando se faz uma expansão ou

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Seleção dos Instrumentos modernização de uma planta existente, as modificações podem ser feitas com a planta existente operando ou parada. O custo de instalação inclui os custos de montagem, comissionamento e partida do sistema. Neste custo deve considerar se a instalação pode ser feita com a planta operando ou se o processo deve ser totalmente parado. Na partida, deve-se considerar a participação do fabricante do instrumento e verificar no contrato de compra se ele está envolvido.

treinamento dos operadores e, quando possível, simulação de processo.

Avaliação da proposta Foram vistos os benefícios e custos de um novo sistema de instrumentação para controle de processo. Se o sistema proposto mostra um retorno que é significativamente maior do que o retorno do sistema existente, então o novo sistema deve ser adquirido, desde que não haja nenhuma outra melhor alternativa

Custo de manutenção Alguns instrumentos requerem manutenção preventiva, todos os instrumentos reparáveis necessitam de manutenção corretiva e os instrumentos descartáveis devem ser substituídos, algum dia. Os custos de manutenção incluem os custos diretos de mão de obra própria ou contratada fora, peças de reposição. A retirada do instrumento deve considerar a possibilidade de o processo continuar operando sem ele ou a necessidade de substituição por um instrumento reserva. Se o processo fica parado durante a manutenção, o custo da parada deve ser considerado. Depois da manutenção, todo instrumento deve ser calibrado. Custo de Calibração Todo instrumento precisa ser calibrado, numa freqüência definida pelo usuário. Esta periodicidade deve considerar a recomendação do fabricante, experiência anterior, resultado das calibrações anteriores, tipo de instrumento, precisão requerida, conseqüências resultantes de instrumento descalibrado, penalidades de não conformidade. Toda calibração requer procedimento escrito, executante treinado, padrões rastreados, condições ambientais conhecidas e registro documentado. As calibrações podem ser feitas pelo próprio usuário ou devem ser feitas por laboratórios externos, em função das precisões, padrões e executantes disponíveis. Custo de expansões As plantas geralmente são modificadas, ampliadas, otimizadas ou alteradas ao longo de sua vida. Os custos relativos a estas alterações incluem: tubulações, fontes de alimentação, estruturas, suportes, painéis, fiações de campo Custo de Operação Os custos de operação incluem os custos diretos da operação, que dependem da quantidade e nível de especialização dos operadores envolvidos. Os custos incluem

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12 Documentos de Instrumentação 12.1. Introdução O desenvolvimento sistemático de sistemas de instrumentos para um projeto específico requer a preparação e uso de certos documentos. Alguns destes documentos são preparados ou iniciados pelos engenheiros de instrumentação, outros são desenvolvidos por outras disciplinas e são usados também pelos instrumentistas. Os documentos permitem aos engenheiros de instrumentação fazer o seguinte: 1. Listar o progresso de seu trabalho 2. Comunicar com outros participantes, clientes, fabricantes e seus representantes e o pessoal de construção. 3. Fornecer documentos de referência para si, pessoal de campo, engenheiros da planta, operadores e manutenção. Diferentes organizações fazem o mesmo tipo de trabalho de modo diferente de outras e sua documentação gerada pode ser levemente diferente. Porém, de um modo ou de outro, a documentação tem a mesma função. Para detalhes repetitivos de projeto, as organizações normalmente simplificam seu trabalho usando normas que eles produzem mais normas publicadas por sociedades de engenharia como ISA, ABNT. Uma norma é um modelo ou conjunto de regras que define as exigências para um projeto, especificação ou procedimento para um determinado objetivo. O uso de normas 1. acelera o trabalho por que as respostas a muitas questões relativas ao assunto já estão prontas nas normas. 2. melhora a qualidade do trabalho por que cada norma geralmente recebe revisões críticas antes de se tornar oficial e é um consenso de boas práticas de engenharia, a nível nacional ou internacional. Os documentos de engenharia típicos podem ser dos seguintes tipos: 1. Diagramas de Processo da Planta 2. Critérios de Instrumentos 3. Diagramas de Malhas

4. Diagramas de Controle Lógico 5. Especificações de Instrumentos 6. Documentos de Computador 7. Diagramas do Anunciador 8. Diagramas de construção 9. Requisições de Compra 10. Descrição do Sistema 11. Índice de Instrumentos

12.2. Diagramas de Processo da Planta Diagrama de Fluxo do Processo Estes desenhos servem para usar o processo. Eles são preparados pelo engenheiro de processo, que é pessoa que projeta o processo em cooperação com o engenheiro de instrumentação. O processo é a única razão para haver a planta, é o ponto de partida do projeto e a base para exigências de terra, energia, tipos e tamanhos de equipamentos e controles. O processo define também a operação posterior da planta. O desenho mostra os principais equipamentos e fluxos do processo, a composição, pressão, temperatura, vazão dos fluidos e outras condições essenciais de operação em diferentes locais e para diferentes casos de operação. O desenho mostra o mínimo dos instrumentos para indicar quais as variáveis de processo a serem medidas, controladas ou monitoradas. Diagramas de Piping and Instruments (P&I) O P&I (lê-se pienai) é uma versão expandida do diagrama de fluxo de processo mas sem os dados detalhados das condições de operação. Ele mostra 1. Todas as tubulações, maiores e menores, incluindo válvulas e outros equipamentos, 2. Todos os equipamentos para o processo e 3. Os sistemas de utilidade para a planta ar, vapor, óleo, eletricidade e outros. 4. Todos os instrumentos requeridos pelo processo, incluindo os menores como termômetros, manômetros. Os

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Documentos de Instrumentação instrumentos são incluídos para uso do engenheiro de instrumentação. Acessórios e instrumentos auxiliares, como filtro reguladores de instrumentos individuais, geralmente não são mostrados no P&I. Se um subsistema do processo, por exemplo, um sistema de tratamento de água, é comprado como um pacote, então o P&I pode representá-lo como um retângulo sem mostrar nenhum equipamento ou instrumento do processo. Em vez disso, a caixa dá uma referência para um desenho do fabricante que mostra todos os detalhes. O P&I informa ao projetista de tubulação esquematicamente onde colocar as conexões de instrumentos e os trechos retos necessários para a medição de vazão. O P&I é também usado por muitas disciplinas e pela operação como um desenho funcional geral da planta para discussões, referência pelos operadores e pessoal de manutenção.

12.3. Critérios de Instrumento Critérios de aplicação de instrumentos O engenheiro de instrumentação para um determinado projeto prepara um documento que estabelece as recomendações a serem seguidas para a seleção dos instrumentos. Estas recomendações tornam padrões do projeto para promover uniformidade e qualidade. Elas incluem itens como: 1. faixas de sinal padrão 2. tipos de sensores que geralmente são usados e limitações de seu uso 3. as variáveis que devem ser colocadas no computador da planta 4. o tipo de anunciador, tamanho de janela e código de cores e seqüência de alarme 5. o tamanho e a cor dos instrumentos a serem montados no campo e na sala de controle 6. marcas preferidas de fabricantes, baseando-se na experiência anterior e julgamento do pessoal envolvido 7. muitos outros pontos de filosofia e prática de aplicação de instrumentos. Critérios de instalação de instrumentos Este documento é preparado pelo engenheiro de instrumentação para um específico projeto para estabelecer as recomendações a serem seguidas para a instalação dos instrumentos. O documento cobre necessidades como: 1. válvulas de bloqueio e bypass de instrumentos - tipos e tamanhos 2. linhas de tomada - tamanhos, conexões de teste, disposição geral

3. materiais dos tubos de instrumentos e tamanho e tipo das conexões 4. tolerâncias das instalações.

12.4. Diagramas de Malha Um diagrama de malha mostra as ligações detalhadas dos instrumentos em uma malha e as conexões dos instrumentos com as fontes de alimentação.

12.5. Especificações de Instrumentos Estes documentos estabelecem as descrições e exigências dos instrumentos, sistemas de instrumentos e equipamentos auxiliares e serviços, como assistência de partida pelo fabricante do instrumento, que devem ser comprados. Há normas [p. ex., ISA S20 (1983)] que fornecem diferentes especificações prontas para instrumentos, sensores e sistemas de medição e controle.

12.6. Documentos de Computador Hoje, tudo está dentro do computador. Um computador da planta necessita de documentos de suporte que o engenheiro de instrumentação prepara, tais como: Lista de entrada e saída do computador, Esta lista inclui o seguinte: a) sinais de entrada e para cada sinal, sua fonte, endereço do computador, tipo (analógico, binário ou digital) e sua faixa e unidade de engenharia b) b) funções aplicáveis aos sinais, como conversão, cálculo, display de rotina ou anormal e alarme c) sinais de saída e para cada sinal, seu endereço do computador, destino, tipo (analógico, binário ou digital) e sua faixa e unidade de engenharia. Diagramas lógicos do computador. Um computador da planta é geralmente comprado com todos seus programas feitos pelo fornecedor de acordo com as necessidades de operação listadas pelo engenheiro de instrumentos nos diagramas lógicos de computador. O programa define o modo que computador executa o controle e as funções de informação que deveriam ser feitas por instrumentos convencionais, se não houvesse computador. Diagramas de display do computador. O vídeo do computador mostra listas, estados, desenhos ou uma combinação destes. A informação para estes displays é desenvolvida pelo engenheiro de

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Documentos de Instrumentação instrumentação e dada para o fornecedor para fazer o programa. Diagramas de Fiação do Computador O engenheiro de instrumento prepara os diagramas ou listas de fiação para possibilitar o projetista elétrico planejar a fiação entre o sistema de computador, instrumentos de processo associados e a fonte de alimentação. Os diagramas identificam os terminais elétricos do sistema de computador e mostra os equipamentos para os quais eles estão fiados.

12.7. Diagramas do Anunciador Estes diagramas mostram os arranjos para o anunciador , uma lista de janelas, seus pontos de fiação e as origens de seus sinais de entrada. Se o anunciador tiver saídas elétricas, elas e seus destinos são também listados. Atualmente, os sistemas de alarme estão incorporados aos terminais de vídeo do computador.

12.8. Diagramas de Construção Diagramas de localização do instrumento Estes diagramas indicam os locais e elevações dos instrumentos em relação às coordenadas da planta. Diagramas do painel dos instrumentos Estes diagramas mostram a lista dos painéis de instrumentos, como eles são cortados e como os instrumentos são dispostos. Atualmente, a configuração dos instrumentos é apresentada em vídeos de computador, nas estações de Sistemas Distribuídos de Controle ou em Sistemas Supervisórios. Diagramas de instalação dos instrumentos Estes diagramas mostram as tubulações para conexão dos instrumentos com o processo, com outros instrumentos e para a fonte de alimentação pneumática. Quando a instrumentação é elétrica, mostra as fiações de ligação dos instrumentos entre si e com a fonte de alimentação. Estes desenhos mostram detalhes de instalação e também instruções para calibração especial para instrumentos individuais do campo.

12.9. Requisição de Compra O engenheiro de instrumentação prepara uma requisição que é ordem escrita para a compra da instrumentação ou de serviços. A requisição contem uma referência para uma

especificação anexa para os itens e para outro material descritivo, se necessário. Uma requisição é normalmente a base para convites de cotação que são remetidas a todos os fornecedores cadastrados. Depois que o engenheiro de instrumentos revê as cotações, ele pode revisar a especificação e a requisição. O departamento de compra então emite um pedido de compra para o fornecedor escolhido.

12.10. Descrição do sistema Este documento é uma descrição do projeto e operação do processo da planta, preparado pelos engenheiros de processo, com material adicional escrito pelo engenheiro de instrumentação e outros. A contribuição do engenheiro de instrumentação é a de discutir os instrumentos e como eles são usados para medir e controlar o processo. A descrição do sistema é um documento de referência valioso para todas as pessoas envolvidas no trabalho da planta. Ele descreve a planta como ela foi construída e deve ser mantido atualizado, quando houver modificações.

12.11. Índice de instrumentos Este índice é uma tabulação que o engenheiro de instrumentação prepara para rastrear todos os instrumentos e seus documentos relacionados. Em sua forma pura, o índice não fornece nenhuma informação direta do instrumento mas é simplesmente um diretório que aponta onde a informação pode ser encontrada. Substantivamente, ele diz muito pouco, já que ele é um documento de trabalho importante para o engenheiro de instrumentação e outros durante o projeto, construção e operação da planta. A criação, expansão e uso do índice começa com a preparação do P&I, perto do início do projeto para trabalho na planta e continua através de todo o projeto. Deve-se listar um instrumento no índice antes de fazer qualquer trabalho de engenharia para garantir que isto não será esquecido mais tarde e que os números de identificação não são duplicados. Para um grande projeto, o índice pode consistir de centenas de páginas de computador. Hoje, o índice é feito no computador, facilitando a obtenção e atualização dos instrumentos comprados, entregues, montados, agrupados por unidade. A tabulação do índice pode incluir colunas com os itens listados abaixo. 1. Número de identificação do instrumento ou tag, por exemplo FT-1234.

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Documentos de Instrumentação 2. Serviço do instrumento, por exemplo, instrumento reserva. 3. Número do P&I. 4. Número da especificação 5. Número da ordem de compra, se diferente do número de especificação 6. Número do diagrama de malha 7. Número do diagrama de controle lógico 8. Número de lista de entrada/saída do computador 9. Número do diagrama do display de computador 10. Número do diagrama de fiação de computador 11. Número do diagrama esquemático elétrico 12. Número do desenho do anunciador 13. Número do desenho da tubulação ou equipamento do processo que mostra a conexão do sensor. 14. Número do diagrama de localização do instrumento 15. Número do desenho de instalação do instrumento 16. Números dos documentos do fabricante, como desenho de fiação, manual de instalação, manual de manutenção. 17. Observações.

APOSTILA\OPERADOR

PLATT.DOC

30 JUL 96 (Substitui 28 SET 95)

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Apêndice A Estilo e Escrita do SI 1. Introdução O Sistema Internacional de Unidades (SI) possui uma linguagem internacional da medição. O SI é uma versão moderna do sistema métrico estabelecido por acordo internacional. Ele fornece um sistema de referência lógica e interligado para todas as medições na ciência, indústria e comércio. Para ser usado sem ambigüidade por todos os envolvidos, ele deve ter regras simples e claras de escrita. Parece que o SI é exageradamente rigoroso e possui muitas regras relacionadas com a sintaxe e a escrita dos símbolos, quantidades e números. Esta impressão é falsa, após uma análise. Para realizar o potencial e benefícios do SI, é essencial evitar a falta de atenção na escrita e no uso dos símbolos recomendados. Os principais pontos que devem ser lembrados são: 1. O SI usa somente um símbolo para qualquer unidade e somente uma unidade é tolerada para qualquer quantidade, usando-se poucos nomes. 2. O SI é um sistema universal e os símbolos são usados exatamente da mesma forma em todas as línguas, de modo análogo aos símbolos para os elementos e compostos químicos. 3. Para o sucesso do SI deve-se evitar a tentação de introduzir novas mudanças, inventar símbolos ou usar modificadores. Os símbolos escolhidos foram aceitos internacionalmente, depois de muita discussão e pesquisa. Serão apresentadas aqui as regras básicas para se escrever as unidades SI, definindo-se o tipo de letras, pontuação, separação silábica, agrupamento e seleção dos prefixos, uso de espaços, vírgulas, pontos ou hífen em símbolos compostos. Somente respeitando-se estes princípios se garante o sucesso do SI e se obtém um conjunto eficiente e simples de unidades. No Brasil, estas recomendações estão contidas na Resolução 12 (1988) do Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial.

2. Maiúsculas ou Minúsculas 2.1. Nomes de Unidades Os nomes das unidades SI, incluindo os prefixos, devem ser em letras minúsculas quando escritos por extenso, exceto quando no início da frase. Os nomes das unidades com nomes de gente devem ser tratados como nomes comuns e também escritos em letra minúscula. Quando o nome da unidade fizer parte de um título, escrever o nome das unidades SI do mesmo formato que o resto do título. Exemplos: A corrente é de um ampere. A freqüência é de 60 hertz. A pressão é de 15,2 kilopascals. 2.2. Temperatura No termo grau Celsius, grau é considerado o nome da unidade e Celsius é o modificador da unidade. O grau é sempre escrito em letra minúscula, mas Celsius em maiúscula. O nome de unidade de temperatura no SI é o kelvin, escrito em letra minúscula. Mas quando se refere à escala, escreve-se escala Kelvin. Antes de 1967, se falava grau Kelvin, hoje, o correto é kelvin. Exemplos: A temperatura da sala é de 25 graus Celsius. A temperatura do objeto é de 303 kelvin. A escala Kelvin é defasada da Celsius de 273,15 graus 2.3. Símbolos Símbolo é a forma curta dos nomes das unidades SI e dos prefixos. Símbolo não é abreviação ou acrônimo. O símbolo é invariável, não tendo plural, modificador, índice ou ponto. Deve-se manter a diferença clara entre os símbolos das grandezas, das unidades e dos prefixos. Os símbolos das grandezas fundamentais são em letra maiúscula. Os símbolos das unidades e dos prefixos podem ser de letras maiúsculas e minúsculas. A importância do uso preciso de letras

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Estilo e Escrita do SI minúsculas e maiúsculas é mostrada nos seguintes exemplos: G para giga; g para grama K para kelvin, k para kilo N para newton; n para nano T para tera; t para tonelada e T para a grandeza tempo. S para siemens, s para segundo M para mega e M para a grandeza massa P para peta e Pa para pascal e p para pico L para a grandeza comprimento e L para a unidade litro. m para mili e m para metro H para henry e Hz para hertz W para watt e Wb para weber Os símbolos são preferidos quando as unidades são usadas com números, como nos valores de medições. Não se deve misturar ou combinar partes escritas por extenso com partes expressas por símbolo. 2.4. Letra romana para símbolos Quase todos os símbolos SI são escritos em letras romanas. As duas únicas exceções são as letras gregas µ (mi ) para micro (10-6) e Ω (ômega) para ohm, unidade de resistência. 2.5. Nomes dos símbolos em letra minúscula Símbolos de unidades com nomes de pessoas tem a primeira letra maiúscula. Os outros símbolos são escritos com letras minúsculas, exceto o símbolo do litro que pode ser escrito também com letra maiúscula (L), para não ser confundido com o número 1. Exemplos: A corrente é de 5 A. O comprimento da corda é de 6,0 m. O volume é de 2 L. 2.6. Símbolos com duas letras Há símbolos com duas letras, onde somente a primeira letra deve ser escrita como maiúscula e a segunda deve ser minúscula. Exemplos: Hz é símbolo de hertz, H é símbolo de henry. Wb é símbolo de weber, W é símbolo de watt. Pa é símbolo de pascal, P é prefixo peta (1015) 2.7. Uso do símbolo e do nome Deve-se usar os símbolos somente quando escrevendo o valor da medição ou quando o nome da unidade é muito complexo. Nos outros casos, usar o nome da unidade. Não misturar símbolos e nomes de unidades por extenso. Exemplo correto: O comprimento foi medido em metros; a medida foi de 6,1 m.

Exemplo incorreto: O comprimento foi medido em m; a medida foi de 6,1 metros. 2.8. Símbolos em títulos Os símbolos de unidades não devem ser usados em letra maiúscula, como em título. Quando for necessário, deve-se usar o nome da unidade por extenso, em vez de seu símbolo. Correto: ENCONTRADO PEIXE DE 200 KILOGRAMAS Incorreto: ENCONTRADO PEIXE DE 200 KG 2.9. Símbolo e início de frase Não se deve começar uma frase com um símbolo, pois é impossível conciliar a regra de se começar uma frase com maiúscula e de escrever o símbolo em minúscula. Exemplo correto: Grama é a unidade comum de pequenas massas. Exemplo incorreto: g é a unidade de pequenas massas. 2.10. Prefixos Todos os nomes de prefixos de unidades SI são em letras minúsculas quando escritos por extenso em uma sentença. A primeira letra do prefixo é escrita em maiúscula apenas quando no início de uma frase ou parte de um título. No caso das unidades de massa, excepcionalmente o prefixo é aplicado à grama e não ao kilograma, que já possui o prefixo kilo. Assim, se tem miligrama (mg) e não microkilograma (µkg); a tonelada corresponde a megagrama (Mg) e não a kilokilograma (kkg). Aplica-se somente um prefixo ao nome da unidade. O prefixo e a unidade são escritos juntos, sem espaço ou hífen entre eles. Os prefixos são invariáveis. Correto: O comprimento é de 110 km Exemplos incorretos: 110km (sem espaço entre número e símbolo) 110 kms (símbolo não tem plural) 110-km (hífen entre número e símbolo). 110 k m (espaço entre prefixo e símbolo). 110 Km (prefixo em maiúscula)

3. Pontuação 3.1. Ponto Não se usa o ponto depois do símbolo das unidades, exceto no fim da sentença. Pode-se usar um ponto ou hífen para indicar o produto de dois símbolos, porém, não se usa o ponto para indicar o produto de dois nomes. Exemplos corretos (incorretos): O cabo de 10 m tinha uma massa de 20 kg.

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Estilo e Escrita do SI (O cabo de 10 m. tinha uma massa de 20 kg..) A unidade de momentum é o newton metro (A unidade de momentum é o newton. metro) A unidade de momentum é o produto N.m A unidade de momentum é o produto N-m 3.2. Marcador decimal No Brasil, usa-se a vírgula como um marcador decimal e o ponto como separador de grupos de 3 algarismos, quando não se quer deixar a possibilidade de preenchimento indevido. Quando o número é menor que um, escreve-se um zero antes da vírgula. Nos Estados Unidos, usa-se o ponto como marcador decimal e a virgula como separador de algarismos. Exemplo (Brasil) A expressão meio metro se escreve 0,5 m. O valor do cheque é de R$2.345.367,00 Exemplo (Estados Unidos) A expressão meio metro se escreve: 0.5 m. O valor do cheque é de US$2,345,367.00

4. Plural 4.1. Nomes das unidades com plural Quando escrito por extenso, o nome da unidade SI admite plural, adicionando-se um s, 1. palavra simples. Por exemplo: amperes, candelas, joules, kelvins, kilogramas, volts. 2. palavra composta em que o elemento complementar do nome não é ligado por hífen. Por exemplo: metros quadrados, metros cúbicos. 3. termo composto por multiplicação, em que os componentes são independentes entre si. Por exemplo: amperes-horas, newtons-metros, watts-horas, pascalssegundos.

4.3. Zero A medição do valor zero fornece um ponto de descontinuidade no que as pessoas escrevem e dizem. Deve-se usar a forma singular da unidade para o valor zero. Por exemplo, 0 oC e 0 V são reconhecidamente singulares, porém, são lidos como plurais, ou seja, zero graus Celsius e zero volts. O correto é zero grau Celsius e zero volt. 4.4. Nomes das unidades sem plural Certos nomes de unidades SI não possuem plural por terminarem com s, x ou z. Exemplos: lux, hertz e siemens. Certas partes dos nomes de unidades compostas não se modificam no plural por: 1. corresponderem ao denominador de unidades obtidas por divisão. Por exemplo, kilômetros por hora, lumens por watt, watts por esterradiano. 2. serem elementos complementares de nomes de unidades e ligados a eles por hífen ou preposição. Por exemplo, anosluz, elétron-volts, kilogramas-força. 4.5. Símbolos Os símbolos das unidades SI não tem plural. Exemplos: 2,6 m -30 oC

oC

1m 0

oC

0,8 m 100

5. Agrupamento dos Dígitos

5.1. Numerais Todos os números são constituídos de dígitos individuais, entre 0 e 9. Os números são separados em grupos de três dígitos, em cada lado do marcador decimal (vírgula). Não se deve usar vírgula ou ponto para 4.2. Aplicação separar os grupos de três dígitos. Valores entre -2 e +2 (exclusive) são Deve-se deixar um espaço entre os grupos sempre singulares. O nome de uma unidade só em vez do ponto ou vírgula, para evitar a passa ao plural a partir de 2 (inclusive). confusão com os diferentes países onde o Exemplos: ponto ou vírgula é usado como marcador 1 metro 23 metros decimal. 8 x 10-4 metro 4,8 metros por segundo Não deixar espaço entre os dígitos e o 0,1 kilograma 1,5 kilograma marcador decimal. Um número deve ser tratado 34 kilogramas 1 hertz do mesmo modo em ambos os lados do 60 hertz 60 kilohertz marcador decimal.

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Estilo e Escrita do SI Exemplos: Correto 23 567 567 890 098 34,567 891 345 678,236 89 345 678,236 89

Incorreto 23.567 567.890.098 34,567.891 345.678,236.89 345 678,23 689

5.2. Números de quatro dígitos Os números de quatro dígitos são considerados de modo especial e diferente dos outros. No texto, todos os números com quatro ou menos dígitos antes ou depois da vírgula podem ser escritos sem espaço. Exemplos: 1239 1993 1,2349 2345,0 1234,56 1 234,567 9 78 8

espaços, barras, parêntesis e outros símbolos aplicáveis podem ser usados para preencher os espaços e evitar fraudes. Exemplos: R$ 21.621,90 dinheiro (real) 16HHC-656/9978 número de peça 610.569.958-15 CPF (071) 359-3195 telefone

5.5. Gráficos Os números colocados nos eixos do gráficos (abcissa e ordenada) são puros ou adimensionais. As unidades e símbolos das quantidades correspondentes são colocadas nos eixos, uma única vez. A figura abaixo mostra um gráfico complexo.

5.3. Tabelas As tabelas devem ser preenchidas com números puros ou adimensionais. As suas respectivas unidades devem ser colocadas no cabeçalho das tabelas. Por exemplo, uma tabela típica de dados relacionados com algumas propriedades do vapor pode ser escrita como: Tab.1. Variação da temperatura e volume específico com a pressão para a água pura Pressão, P kPa 50,0 60,0 70,0 80,0

Temperatura, T

K 354,35 358,95 362,96 366,51

Volume, V

m3/kg 3,240 1 2,731 7 2,364 7 2,086 9

Normalmente, em tabelas ou listagens, todos os números usam agrupamentos de três dígitos e espaços. Adotando este formato, se diminui a probabilidade de erros. Assim, a primeira linha da tabela significa que pressão P = 50,0 kPa temperatura T = 354,35 K volume específico V = 3,240 1 m3/kg 5.4. Números especiais Há certos números que possuem regras de agrupamento especificas. Números envolvendo números de peça, documento, telefone e dinheiro, que não devem ser alterados, devem ser escritos na forma original. Vírgulas,

Fig. 1. Variação da viscosidade com a temperatura e a pressão

6. Espaçamentos 6.1. Múltiplos e submúltiplos Não se usa espaço ou hífen entre o prefixo e o nome da unidade ou entre o prefixo e o símbolo da unidade. Exemplos corretos kiloampere, kA (a maioria das pessoas escreve o prefixo kilo, k, com letra maiúscula. Ou então, usa minúscula para kg mas usa KB para kilobyte). milivolt, mV megawatt, MW 6.2. Valor da medição da unidade

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Estilo e Escrita do SI A medição é expressa por um valor, uma unidade, sua incerteza e os limites de probabilidade. O valor é expresso por um número e a unidade pode ser escrita pelo nome ou pelo símbolo. Deve-se deixar um espaço entre o número e o símbolo ou nome da unidade. Os símbolos de grau, minuto e segundo são escritas sem espaço entre os números e os símbolos de grau. Exemplos: 670 kHz 670 20 kilohertz mm 10 N 36’ 36 oC 6.3. Modificador da unidade Quando uma quantidade é usada como adjetivo, pode-se usar um hífen entre o valor numérico e o símbolo ou nome. Não se deve usar hífen com o símbolo de ângulo (o) ou grau Celsius (oC). Exemplos: Pacote de 5-kg Filme de 35-mm Temperatura de 36 oC 6.4. Produtos, quocientes e por Deve-se evitar confusão, principalmente em números e unidades compostos envolvendo produto (.) e divisão (/) e por . O bom senso e a clareza devem prevalecer no uso de hífens nos modificadores. 6.5. Símbolos algébricos Deve-se deixar um espaço de cada lado dos sinais de multiplicação, divisão, soma e subtração e igualdade. Isto não se aplica aos símbolos compostos que usam os sinais travessão (/) e ponto (.). Não se deve usar nomes de unidades por extenso em equações algébricas e aritméticas; usam-se os símbolos. Exemplos: 4 km + 2 km = 6 km 6N x 8 m = 48 N.m 26 N : 3 m2 = 8,67 Pa 100 W : (10 m x 2 K) = 5 W/(m.K) 10 kg/m3 x 0,7 m3 = 7 kg 15 kW.h

7. Índices 7.1. Símbolos São usados índices numéricos (2 e 3) para indicar quadrados e cúbicos. Não se deve usar abreviações como qu., cu, c. Quando se escrevem símbolos para unidades métricas com expoentes, como metro quadrado, centímetro cúbico, um por segundo, escrever o índice imediatamente após o símbolo.

Exemplos: 10 metros quadrados = 10 m2 14 centímetros cúbicos = 14 cm3 1 por segundo = s-1 7.2. Nomes de unidades Quando se escrevem unidades compostas, aparecem certos fatores com quadrado e cúbico. Quando aplicável, deve-se usar parêntesis ou símbolos exclusivos para evitar ambigüidade e confusão. Por exemplo, para kilograma metro quadrado por segundo quadrado, o símbolo correto é kg.m2/s2. Seria incorreto interpretar como (kg.m)2/s2 ou (kg.m2/s)2

8. Unidades Compostas As unidades compostas são derivadas como quocientes ou produtos de outras unidades SI. As regras a serem seguidas são as seguintes: 1. Não se deve misturar nomes extensos e símbolos de unidades. Não usar o travessão (/) como substituto de por, quando escrevendo os nomes por extenso. Por exemplo, o correto é kilômetro por hora ou km/h. Não usar kilômetro/hora ou km por hora. 2. Deve-se usar somente um por em qualquer combinação de nomes de unidades métricas. A palavra por denota a divisão matemática. Não se usa por para significar por unidade ou por cada (além do cacófato). Por exemplo, a medição de corrente de vazamento, dada em microamperes por 1 kilovolt da voltagem entre fases, deveria ser escrita em microamperes por cada kilovolt da voltagem entre fases. No SI, 1 mA/kV é igual a 1 nanosiemens (nS). Outro exemplo, usa-se metro por segundo quadrado e não metro por segundo por segundo. 3. os prefixos podem coexistir num símbolo composto por multiplicação ou divisão. Por exemplo, kN.cm, kΩ.mA, kV/mm, MΩ, kV/ms, mW/cm2. 4. os símbolos de mesma unidade podem coexistir em um símbolo composto por divisão. Por exemplo, kWh/h, Ω.mm2/m. 5. Não se misturam unidades SI e não-SI. Por exemplo, usar kg/m3 e não kg/ft3. 6. Para eliminar o problema de qual unidade e múltiplo deve-se expressar uma quantidade de relação como percentagem, fração decimal ou relação de escala. Como exemplos, a inclinação de 10 m por 100 m pode ser expressa

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Estilo e Escrita do SI como 10%, 0.10 ou 1:10 e a tensão mecânica de 100 µm/m pode ser convertida para 0,01 %. 7. Deve-se usar somente símbolos aceitos das unidades SI. Por exemplo, o símbolo correto para kilômetro por hora é km/h. Não usar k.p.h., kph ou KPH. 8. Não se usa mais de uma barra (/) em qualquer combinação de símbolos, a não ser que haja parêntesis separando as barras. Como exemplos, escrever m/s2 e não m/s/s; escrever W/(m.K) ou (W/m)/K e não (W/m/K. 9. Para a maioria dos nomes derivados como um produto, na escrita do nome por extenso, usa-se um espaço ou um hífen para indicar a relação, mas nunca se usa um ponto (.). Algumas unidades compostas podem ser escritas como uma única palavra, sem espaço ou hífen. Por exemplo, a unidade de momento pode ser escrita como newton metro ou newton-metro e nunca newton.metro. Também, é correto escrever watt hora, watt-hora ou watthora, mas é incorreto watt.hora. 10. Para símbolos derivados de produtos, usa-se um ponto (.) entre cada símbolo individual. Não usar o ponto (.) como símbolo de multiplicação em equações e cálculos. Exemplos: N.m (newton metro) Pa.s (pascal segundo) kW.h ou kWh (kilowatthora) 11. Deve-se ter cuidado para escrever unidades compostas envolvendo potências. Os modificadores quadrado e cúbico devem ser colocados após o nome da unidade a qual eles se aplicam. Para potências maiores que três, usar somente símbolos. Deve-se usar símbolos sempre que a expressão envolvida for complexa. Por exemplo, kg/m2 , N/m2 12. Para representações complicadas com símbolos, usar parêntesis para simplificar e esclarecer. m.kg/(s3.A)

9. Uso de Prefixo 1. Deve-se usar os prefixos com 10 elevado a potência múltipla de 3 (10-3, 10-6, 103, 106). Deve-se usar a notação científica para simplificar os casos de tabelas ou equações com valores numéricos com vários dígitos antes do marcador decimal e para eliminar a ambigüidade da quantidade de dígitos significativos. Por exemplo, usam-se: mm (milímetro) para desenhos.

kPa (kilopascal) para pressão Mpa (megapascal) para tensão mecânica kg/m3 (kilograma por metro cúbico) para densidade absoluta. 2. Quando conveniente escolhem-se prefixos resultando em valores numéricos entre 0,1 e 1000, porém, sem violar as recomendações anteriores. 3. Em cálculos técnicos deve-se tomar muito cuidado com os valores numéricos dos dados usados. Para evitar erros nos cálculos, os prefixos devem ser convertidos em potências de 10 (exceto o kilograma, que é uma unidade básica da massa). Exemplos: 5 MJ = 5 x 106 J 4 Mg = 4 x 103 kg 3 Mm = 3 x 106 m 4. Devem ser evitados prefixos no denominador (exceto kg). Exemplos: Escrever kJ/s e não J/ms Escrever kJ/kg e não J/g Escrever MJ/kg e não kJ/g 5. Não se misturam de prefixos, a não ser que a diferença em tamanho seja extrema ou uma norma técnica o requeira. Exemplos: Correto: A ferramenta tem 44 mm de largura e 1500 mm de comprimento. Incorreto: A ferramenta tem 44 mm de largura e 1,5 m de comprimento. 6. Não se usam unidades múltiplas ou prefixos múltiplos. Por exemplo, Usa-se 15,26 m e não 15 m 260 mm; usa-se miligrama (mg) e não microkilograma (µkg) 7. Não usar um prefixo sem a unidade. Usar kilograma e não kilo Usar megohm e não megs

10. Ângulo e Temperatura 1. Os símbolos de grau (o) e grau Celsius (oC) devem ser usados quando se escreve uma medição. Quando se descreve a escala de medição e não uma medição, deve-se usar o nome por extenso.Exemplos: Os ângulos devem ser medidos em graus e não em radianos. O ângulo de inclinação é 27o. 2. Não se deve deixar espaço entre o e C, devendo se escrever oC e não o C. 3. A maioria das temperaturas é dada na escala Celsius; a escala Kelvin é usada somente em aplicações científicas. Exemplo: A temperatura normal do corpo humano é 36 oC.

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Estilo e Escrita do SI 4. Quando se tem uma série de valores de temperatura ou uma faixa de temperatura, usar o símbolo de medição somente após o último valor. Exemplos: A temperatura em Salvador varia de 18 a 39 oC. As leituras do termômetro são: 100, 150 e 200 oC. 5. É tecnicamente correto usar prefixos SI com os nomes e símbolos, como grau Celsius (oC), kelvin (K) e grau angular (o). Porem, é preferível evitar esta prática, pois os nomes resultantes são confusos e difíceis de serem reconhecidos. É preferível ajustar o coeficiente numérico para não usar o prefixo. 6. Um método simples para comparar altas temperaturas Celsius com temperaturas Farenheit é que o valor Celsius é aproximadamente a metade da temperatura Farenheit. O erro percentual nesta aproximação é relativamente pequeno para valores Farenheit acima de 250. Para valores menores, subtrair 30 antes de dividir por 2; isto fornece uma precisão razoável até valores Farenheit de -40.

3. Sempre deixar espaço após o símbolo da unidade SI e qualquer informação adicional. Exemplo: Usar 110 V c.a. ou 110 V (ca) e não 110 VCA ou 110 Vca, para voltagem de corrente alternada. 4. A potência e a energia são medidas em uma unidade SI determinada e não há necessidade de identificar a fonte da quantidade, desde que 100 watts é igual a 100 watts, independente da potência ser elétrica, mecânica ou térmica. Exemplos: Usar MW e não MWe (potência elétrica ou megawatt elétrico). Usar kJ e não kJt (kilojoule termal).

11. Modificadores de Símbolos As principais recomendações relacionadas com os modificadores de símbolos são: 1. Não se pode usar modificadores dos símbolos SI. Quando é necessário o uso de modificadores das unidades, ele deve ser separado do símbolo ou então escrito por extenso. Por exemplo, não se usam Acc ou Aca, para diferenciar a corrente contínua da alternada. O correto é escrever 10 A cc ou 10 A ca, com o modificador separado do símbolo. Como o modificador não é SI, pode ser escrito de modo arbitrário, como cc., c.c., dc ou corrente contínua. 2. Nas unidades inglesas, é comum usar sufixos ou modificadores nos símbolos e abreviações para dar uma informação adicional. Por exemplo, usam-se psia e psig para indicar respectivamente, pressão absoluta e manométrica. Psia significa pound square inch absolute e psig significa pound square inch gauge. No sistema SI, é incorreto colocar sufixos para identificar a medição. Exemplos: Usar pressão manométrica de 13 kPa ou 13 kPa (manométrica) e não 13 kPaG ou 13 kPag. Usar pressão absoluta de 13 kPa ou 13 kPa (absoluta) e não 13 kPaA ou 13 kPaa.

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