Nocoes de Instrumentacao

NOÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO

Autora: Andréa Manhães Gomes

NOÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO

NOÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO

Autora: Andréa Manhães Gomes

Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Reconhecer a simbologia de instrumentação e controle empregados nas indústrias de petróleo; • Interpretar os fluxogramas de engenharia de processo e uma matriz de causa e efeito; • Reconhecer as principais técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos empregados nas indústrias de petróleo.

Programa Alta Competência

Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades profissionais na Companhia. É com tal experiência, refletida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desafios com os quais ela se depara no Brasil e no mundo. Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P. Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia. O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos. Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é. Programa Alta Competência

Como utilizar esta apostila

Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso. No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.

ATERRAMENTO DE SEGURANÇA

Autor

Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Identificar procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas; • Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

Objetivo Geral

O material está dividido em capítulos. No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específicos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.

Capítulo 1

48

Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Ao final desse capítulo, o treinando poderá:

• Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

No final de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem. Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.

a maior fonte sária, além das ole, a obediência nça.

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Alta Competência

mo está relacionada a

e do tipo de es durante toda na maioria das mantê-los sob is, materiais ou

Objetivo Específico

• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos;

1.6. Bibliografi a Exercícios 1.4.

1.7. Gabarito

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas 1) Que relação podemos estabelecer entre elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – aterramento de segurança? Elétrica, 2007.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

riscos elétricos e

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.

_______________________________________________________________ COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. _______________________________________________________________ Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.

2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

Apresentamos, seguir, trechos de Normas Técnicas que Norma Petrobras N-2222. 2) Projeto de aterramentoa de segurança em unidades marítimas. Comissão de abordam Normas Técnicas - CONTEC, 2005. os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos.

A) Risco de incêndio e explosão

Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme,

Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação o caso: Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

A) Risco Proteção de incêndio e explosão B) Risco Norma Brasileira ABNT NBR-5419. de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. ( )

24

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

de contato

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

(A)

“Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

(B)

“Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

(A)

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certificação.”

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser

Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em projetadas e executadas de modo que seja possível eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: - Acesso em: 14 mar. 2008. elétrico e todos os outros tipos de acidentes.” NFPA 780. Standard for the Installation Protection Systems. National ( ) of Lightining “Nas instalações elétricas de Fire Protection Association, 2004.

áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção,

como alarme e seccionamento automático para Manuais de Cardiologia. Disponível em: - Acesso em: 20 mai.sobretensões, 2008. prevenir sobrecorrentes, falhas de

B) Risco de contato

(B)

21

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas

isolamento, aquecimentos ou Mundo Educação. Disponível em: - Acessoanormais em: 20 mai. 2008. de operação.”

outras condições

( ) “Nas partes das instalações elétricas Mundo Ciência. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008.

( )

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir:

sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

(V)

O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

(F)

Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

(V)

Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas

(V)

Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fio terra”.

25

3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

T

odas as Unidades de Exploração e Produção possuem um plano de manutenção preventiva de equipamentos elétricos (motores, geradores, painéis elétricos, transformadores e outros).

A cada intervenção nestes equipamentos e dispositivos, os Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas mantenedores avaliam a necessidade ou não da realização de inspeção definos nições disponíveis glossário. sistemasestão de aterramento envolvidosno nestes equipamentos.Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente Para que o aterramento de segurança possa cumprir corretamente o identifi cados, pois estão em destaque. seu papel, precisa ser bem projetado e construído. Além disso, deve ser mantido em perfeitas condições de funcionamento.

Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.

49

3.1. Problemas operacionais Os principais problemas operacionais verificados em qualquer tipo de aterramento são: • Falta de continuidade; e • Elevada resistência elétrica de contato. É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 define o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.

Alta Competência

Capítulo 3. Problemas operaciona

3.4. Glossário

3.5. Bibliografia

Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica.

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIAN elétricos - inspeção e medição da re Elétrica, 2007.

Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica.

COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos – Curso técnico de segurança do trab

Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.

NFPA 780. Standard for the Installation Fire Protection Association, 2004.

Norma Petrobras N-2222. Projeto de marítimas. Comissão de Normas Técn

Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instala Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

56

Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Pr atmosféricas. Associação Brasileira d

Norma Regulamentadora NR-10. Seg eletricidade. Ministério do Trabalho www.mte.gov.br/legislacao/normas_ em: 14 mar. 2008.

86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 98 100 102 104 105 106 108 110 112 114 115

Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografia ao final de cada capítulo.

Alta Competência

NÍVEL DE RUÍDO DB (A)

1.6. Bibliografia

1.7. Gabarito

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.

2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

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Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: - Acesso em: 14 mar. 2008.

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.

A) Risco de incêndio e explosão

B) Risco de contato

(B)

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

(A)

“Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

(B)

“Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

NFPA 780. Standard for the Installation of Lightining Protection Systems. National Fire Protection Association, 2004.

Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos. Manuais de Cardiologia. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008. Mundo Educação. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008. Mundo Ciência. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008.

(A)

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certificação.”

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir: (V)

O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

(F)

Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

(V)

Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

(V)

Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fio terra”.

(F)

A queimadura é o principal efeito fisiológico associado à passagem da corrente elétrica pelo corpo humano.

A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado Alta deCompetência um determinado item do capítulo.

É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.

?

Os riscos VOCÊ elétricosSABIA? de uma instalação são divididos em dois grupos principais:

14

MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL 8 horas 7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos 8 minutos 7 minutos

Uma das principais substâncias removidas em poços de

petróleo pelo pig de limpeza é adas parafina. questões Devido às “Importante” é um lembrete essenciais do baixas temperaturas do oceano, a parafina se acumula nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode conteúdo tratadovirno capítulo. a bloquear o fluxo de óleo, em um processo similar

85 86 87 88 89 90 91 92 93 25 94 95 96 98 100 102 104 105 106 108 110 112 114 115

Capítulo 1. Riscos elét

Trazendo este conhecimento para a realid observar alguns pontos que garantirão o incêndio e explosão nos níveis definidos pela durante o projeto da instalação, como por ex

• A escolha do tipo de aterramento fu ao ambiente;

• A seleção dos dispositivos de proteção

• A correta manutenção do sistema elét

O aterramento funcional do sist como função permitir o funcion e eficiente dos dispositivos de pro sensibilização dos relés de proteçã uma circulação de corrente para a por anormalidades no sistema elétr

ao da arteriosclerose.

Observe no diagrama a seguir os principais ris à ocorrência de incêndio e explosão:

1.1. Riscos de incêndio e explosão IMPORTANTE! Podemos definir os riscos de incêndio e explosão da seguinte forma: É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na Situações associadas à presença de sobretensões, sobrecorrentes, sua Unidade. Informe-se junto a ela! fogo no ambiente elétrico e possibilidade de ignição de atmosfera potencialmente explosiva por descarga descontrolada de eletricidade estática.

ATENÇÃO Os riscos de incêndio e explosão estão presentes em qualquer instalaçãoÉ e muito seu descontrole se traduz em os danos importante que principalmente você conheça específicosoperacional. para passagem de pig pessoais, procedimentos materiais e de continuidade em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

RESUMINDO...

Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador; • Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs; • Lançadores e recebedores deverão ter suas

7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos 8 minutos 7 minutos

ao da arteriosclerose.

IMPORTANTE! É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

ATENÇÃO

Já a caixa de destaque é uma É muito “Resumindo” importante que você conheça os versão compacta procedimentos específicos para passagem de pig dos principais pontos no capítulo. em poços abordados na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

RESUMINDO...

?

MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL 8 horas 7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos elétricos e o aterramento de segurança 8 minutos 7 minutos

A)

de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

ATENÇÃO É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

RESUMINDO...

Recomendações gerais

• Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs;

funcional mais adequado

• Lançadores e recebedores deverão ter suas

Aproveite este material para o seu desenvolvimento profissional!

ção e controle;

elétrico.

s riscos elétricos associados

Em “Atenção” estão destacadas as informações que não IMPORTANTE! devem ser esquecidas. É muito importante que você conheça os tipos de pig

Todos os recursos• Antes didáticos presentes nesta apostila têm do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador; como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo.

alidade do E&P, podemos o controle dos riscos de pelas normas de segurança r exemplo:

sistema elétrico tem ionamento confiável proteção, através da teção, quando existe ra a terra, provocada létrico.

Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig, inspecione o VOCÊ SABIA? interior do lançador; Uma das principais substâncias removidas em poços de • Apóspelo a retirada um pig, inspecione internamente petróleo pig dede limpeza é a parafina. Devido às baixas temperaturas do oceano, a parafina se acumula o recebedor de pigs; nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode • Lançadores e recebedores deverão ter suas vir a bloquear o fluxo de óleo, em um processo similar ao da arteriosclerose.

15

Sumário Introdução

17

Capítulo 1 - Instrumentação nos processos industriais Objetivos 1. Instrumentação nos processos industriais 1.1. Breve histórico da instrumentação 1.2. Simbologia dos instrumentos 1.2.1. Classificação de instrumentos de medição 1.2.2. Simbologia em fluxogramas de engenharia 1.2.3. Fluxograma de engenharia 1.2.4. Matriz de causa e efeito

1.3. Terminologia dos instrumentos 1.4. Exercícios 1.5. Glossário 1.6. Bibliografia 1.7. Gabarito

19 21 23 27 29 40 41 48

51 54 57 59 60

Capítulo 2 - Medição de pressão Objetivos 2. Medição de pressão 2.1. Conceitos básicos 2.1.1. Estados físicos 2.1.2. Massa específica ou densidade absoluta (ρ) 2.1.3. Densidade Relativa (ρrelat) 2.1.4. Peso Específico (γ)

2.2. Medição de pressão 2.2.1. Definição de pressão 2.2.2. Tipo de pressão medida

2.3. Unidades de pressão 2.4. Elementos sensores 2.4.1. Elementos sensores mecânicos 2.4.2. Elementos sensores elétricos

2.5. Acessórios de proteção para instrumentos de pressão 2.6. Exercícios 2.7. Glossário 2.8. Bibliografia 2.9. Gabarito

63 65 65 65 66 66 67

67 68 70

71 73 74 83

86 91 93 94 95

Capítulo 3 - Medição de nível Objetivos 3. Medição de nível 3.1. Medição direta 3.1.1. Medidores de nível tipo régua 3.1.2. Visores de nível 3.1.3. Bóia ou flutuadores 3.1.4. Medidor de nível com flutuador externo

3.2. Medição indireta 3.2.1. Medidor tipo deslocador ou de empuxo 3.2.2. Medidor tipo pressão diferencial 3.2.3. Medidor tipo ultrassônico 3.2.4. Medição de nível por radar 3.2.5. Medidor capacitivo

3.3. Exercícios 3.4. Glossário 3.5. Bibliografia 3.6. Gabarito

97 99 100 100 101 107 108

109 110 112 117 118 119

121 124 125 126

Capítulo 4 - Medição de temperatura Objetivos 4. Medição de temperatura 4.1. Elementos sensores de temperatura 4.1.1. Elementos sensores mecânicos 4.1.2. Elementos sensores elétricos

4.2. Poços de proteção 4.3. Exercícios 4.4. Glossário 4.5. Bibliografia 4.6. Gabarito

129 131 131 132 136

143 144 145 146 147

Capítulo 5 - Medição de vazão Objetivos 5. Medição de vazão 5.1. Medição de vazão - instrumentos 5.2. Medição de vazão - definições 5.3. Medidores de vazão - tipos e características 5.4. Exercícios 5.5. Glossário 5.6. Bibliografia 5.7. Gabarito

149 151 151 152 154 169 171 172 173

Capítulo 6 - Desempenho dos instrumentos de medição Objetivos 6. Desempenho dos instrumentos de medição 6.1. Especificações 6.1.1. Especificações elétricas 6.1.2. Especificações mecânicas 6.1.3. Especificações de temperatura

6.2. Integridade dos instrumentos 6.2.1. Classificação mecânica

6.3. Segurança no uso dos instrumentos 6.3.1. Tipos de proteção 6.3.2. Métodos de prevenção e seus princípios 6.3.3. Aplicação dos métodos de proteção

6.4. Exercícios 6.5. Glossário 6.6. Bibliografia 6.7. Gabarito

175 177 177 178 178 180

181 181

182 183 183 189

190 193 194 195

Capítulo 7 - Transmissão Objetivos 7. Transmissão 7.1. Vantagens da telemetria 7.2. Caracterização dos sistemas de transmissão 7.3.Transmissores 7.3.1. Transmissão pneumática 7.3.2. Transmissão eletrônica

7.4. Exercícios 7.5. Glossário 7.6. Bibliografia 7.7. Gabarito

197 199 199 200 200 201 203

208 210 211 212

Capítulo 8 - Sistemas de controle de processo Objetivos 8. Sistemas de controle de processo 8.1. Tipos de controle 8.2. Controle em malha aberta e malha fechada 8.3. Atrasos no processo - fatores 8.3.1. Tempo morto 8.3.2. Capacitância 8.3.3. Resistência

213 215 217 219 220 221 221 222

8.4. Algoritmo de controle 8.4.1. On-off (liga-desliga) 8.4.2. Ação proporcional (ação P) 8.4.3. Ação integral - Ação I 8.4.4. Ação derivativa (ação D)

8.5. Ação Proporcional + Integral + Derivativa (PID) 8.6. Quadro comparativo entre o tipo de desvio e a resposta de cada ação 8.7. Modos de acionamento 8.8. Estratégias de controle automático 8.8.1. Malha de controle tipo feedback 8.8.2. Controle em cascata 8.8.3. Controle Feed-forward 8.8.4. Controle tipo split-range

8.9. Tecnologias dos controladores 8.10. Sintonia do controlador PID 8.11. Exercícios 8.12. Glossário 8.13. Bibliografia 8.14. Gabarito

222 223 226 231 235

237 238 239 240 240 241 241 241

242 243 244 249 250 251

Capítulo 9 - Válvulas Objetivos 9. Válvulas 9.1. Válvula de controle 9.1.1. Atuador 9.1.2. Castelo 9.1.3. Corpo

9.2. Válvula-globo 9.3. Válvula de três vias 9.4. Válvula Saunders 9.5. Válvula-borboleta 9.6. Exercícios 9.7. Glossário 9.8. Bibliografia 9.9. Gabarito

255 257 257 258 263 267

267 269 270 271 272 275 276 277

Introdução

V

ai longe o tempo em que um pequeno grupo social era capaz de produzir, artesanalmente, todos os itens necessários à sua sobrevivência e ao nível mínimo de conforto possível.

17 EPS 0,1%

A complexidade da produção industrial contemporânea pode ser avaliada pela quantidade e sofisticação de processos e equipamentos envolvidos. No processo produtivo contemporâneo, as estratégias de planejamento, acompanhamento, avaliação e controle desempenham um papel importantíssimo, tanto na racionalização quanto na produção e no controle da qualidade do que é produzido. Instrumentação é a ciência que desenvolve e aplica técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos de fabricação, visando à otimização da eficiência desses processos e à segurança das pessoas e das instalações.

CORPORATIVA

CORPORATIVA

Capítulo 1 Instrumentação nos processos industriais Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar, graficamente, a instrumentação responsável pela monitoração, controle e segurança de processos industriais em fluxogramas de engenharia; • Reconhecer as funções, tipo de montagem e tipo de sinal de interligação da instrumentação para monitoração, controle e segurança utilizados nos processos industriais; • Reconhecer a formação de malha de controle e de segurança que representa a instrumentação.

CORPORATIVA

Alta Competência

20

CORPORATIVA

Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

1. Instrumentação nos processos industriais

O

uso da instrumentação nos processos industriais visa, além da otimização da eficiência e da segurança desses processos, à obtenção de um produto de melhor qualidade, com menores custos e tempos de produção. A aplicação da instrumentação, através de instrumentos de monitoração, controle e segurança, permite-nos: • Medir a quantidade do produto, isto é, da variável de processo; • Incrementar e controlar a qualidade do que é produzido;

21 • Aumentar a produção e o rendimento; • Obter e fornecer dados seguros sobre a matéria-prima e a quantificação da produção, além dos relativos à economia e à segurança dos processos; • Proteger o meio ambiente. 1

2

3 4

5

Válvulas e posicionadores da planta piloto da UN-BC

CORPORATIVA

Alta Competência

Na ilustração anterior podemos observar alguns instrumentos utilizados na monitoração e controle de processo da planta piloto. Eles estão numerados. Observe: 1 - Transmissor indicador de pressão, utilizado para monitoração e controle da variável de processo pressão relativa; 2 - Medidor de vazão com elemento sensor para a medição da quantidade de vazão e água; 3, 4 e 5 - Elementos finais de controle ou válvulas de controle com seus acessórios, que nos permitem controlar as variáveis de processo que, neste caso são: temperatura, vazão e pressão.

22

Painel sinótico - sala de controle da plataforma de Pampo

O painel sinótico também é conhecido como Interface Humano Máquina (IHM) e representa, de forma simplificada, o fluxo de processo para os técnicos de operação na sala de controle, possibilitando realizar operações de monitoração, controle e de segurança das plantas de processo.

CORPORATIVA

Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

Estações de controle, operação e supervisão - Sala de controle da plataforma P-19

?

VOCÊ SABIA? Também conhecida como Interface Humano Máquina, as estações de controle, operação e supervisão ECOS - substituíram os painéis sinóticos em algumas unidades, mas possuem a mesma função dos antigos painéis: possibilitar aos técnicos de operação a visão da planta de processo, favorecendo as operações de monitoração, controle e segurança das mesmas.

1.1. Breve histórico da instrumentação A incorporação da máquina à vapor ao processo industrial, a partir do século XVIII, gerou impacto significativo na fabricação de bens e na organização do trabalho. Antes do processo fabril, que a máquina à vapor inaugurou, a produção se dava, em geral, de forma artesanal. Dependendo do nível de complexidade do processo e do produto, um só artesão poderia realizar todas as etapas da produção. O ritmo ditado pela produção em série, em decorrência da mecanização do processo fabril, acarretou uma divisão de trabalho baseada na capacidade de produção do maquinário visando à otimização das rotinas, à preservação dos equipamentos e ao controle da produção.

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Contemporaneamente, agregam-se a preocupação com a preservação de equipamentos e melhoria da qualidade de processos e produtos, discussões sobre a minimização de danos à saúde dos trabalhadores, dos consumidores e do meio ambiente. Preocupações desse tipo geraram a necessidade de desenvolver técnicas de medição e controle cada vez mais sofisticadas, de acordo com as tecnologias disponíveis. Os primeiros instrumentos de controle tinham como objetivo indicar a pressão de vapor nas caldeiras, visando à diminuição do número de acidentes em decorrência de explosões. No final da década de 1930, mais precisamente em 1938, começaram a surgir os primeiros instrumentos pneumáticos de controle e as primeiras teorias de controle automático.

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Com o advento da eletrônica dos semicondutores, no início dos anos 1950, surgiram os instrumentos eletrônicos analógicos. Os instrumentos pneumáticos, muito usados desde então, foram sendo substituídos gradativamente pelos eletrônicos analógicos. Instrumentos pneumáticos de controle, ainda em funcionamento em algumas aplicações nos processos industriais, estão sendo substituídos gradativamente por instrumentos eletrônicos analógicos para uso em área classificada, que além de apresentarem manutenção mais fácil e disponibilizarem de forma centralizada as informações do processo na sala de controle, facilitam a operação do processo, pois a decisão dos técnicos de operação é baseada em informações em tempo real.

?

VOCÊ SABIA? Hoje, no Brasil, as atividades relacionadas a caldeiras e vasos sob pressão são reguladas pela Norma NR-13, exigida pelo Ministério do Trabalho, aprovada pela Portaria 3.214 de 08/06/78, da Lei 9.514 de 22/12/77 de Segurança e Medicina do Trabalho. A responsabilidade pela manutenção e pelo treinamento adequado de técnicos de operação de caldeiras é da instituição empregadora.

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Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

Observe as ilustrações a seguir: Tecnologia dominante Pneumático

1940

Analógico

1960

1980

Digital

2000

Tempo

Evolução da tecnologia de instrumentação

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Transmissor pneumático

Transmissor eletrônico digital inteligente

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Vistas as imagens, observe que os últimos equipamentos apresentam um grau bastante elevado de precisão e complexidade e são conhecidos como instrumentos digitais inteligentes, o que permite diagnosticar com mais facilidade suas próprias falhas. Atualmente, as indústrias têm optado por instrumentos para controle analógico e monitoração que medem as variáveis de processo e informam os valores das mesmas, com sinal eletrônico (analógico) e instrumentos para o sistema de intertravamento e segurança (controle discreto) que sentem a variável de processo e atuam, baseados em valores pré-determinados, abrindo ou fechando um contato, como um interruptor de uma lâmpada.

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Estes instrumentos são interligados aos sistemas eletrônicos como o Controlador multi-malha (multi-loop), o Controlador Lógico Programável (CLP) e o Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD). A seguir é apresentada a representação básica do controle analógico de pressão no interior do vaso separador de produção bifásico, isto é, fase líquido/gás e do controle discreto para ligar e desligar uma bomba, através da atuação de uma chave de nível muito baixa (LSLL). Veja a ilustração a seguir:

Controle analógico de pressão do vaso separador e controle discreto de nível para ligar e desligar a bomba

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1.2. Simbologia dos instrumentos A simbologia de instrumentação é a identificação padronizada dos instrumentos de uma planta de processo, que são representados por símbolos gráficos que definem o tipo de montagem, sinal de transmissão e por letras que definem a função dos instrumentos. A simbologia utilizada nos fluxogramas de engenharia, nas telas das estações de controle, e nos painéis sinóticos e semigráficos precisa ser reconhecida por todos os envolvidos nos processos de controle. A padronização é garantida por órgãos normativos como, por exemplo, no Brasil, a ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. A Petrobras, especificamente, se baseia na norma Internacional da ISA S5.1 (Instrumentation Symbols and Identification) para a elaboração dos fluxogramas de engenharia, que define: • A representação gráfica para a montagem e o sinal de transmissão da instrumentação; • A identificação composta de letras que definem a variável de processo e função dos instrumentos.

IMPORTANTE! Para a identificação completa dos instrumentos, além da representação gráfica e da identificação por letras é necessário um código seqüencial que define o local onde os instrumentos encontram-se instalados e o número da malha à qual o instrumento pertence. Nas unidades de produção offshore, como nas plataformas da Unidade de Negócios da Bacia de Campos (UN-BC), o código seqüencial se baseia na norma Contec N-1710 - Codificação de Documentos Técnicos de Engenharia - para a definição da área de atividades, e em um sistema automático para controle do seqüencial da malha dos instrumentos.

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Para entender melhor a simbologia de instrumentação utilizada nos fluxogramas de engenharia é necessário observar atentamente a ilustração a seguir: PI Vaso separador

PIT

Transm LSLL

PV

Chave

CPL de controle PIC (Control)

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CPL de segurança Controle analógico de pressão do vaso separador no CLP de controle com controlador virtual e controle discreto de nível no CLP de segurança para abrir e fechar a SDV e ligar e desligar a bomba

A partir da imagem, podemos perceber: • A necessidade de monitorar e controlar a variável de processo que é a pressão no interior do vaso e a variável de processo responsável pela segurança, evitando que se atinja um nível muito baixo de líquido; • As variáveis do processo - pressão, temperatura, vazão e nível - que necessitamos monitorar e controlar, a fim de garantir a segurança; • A instrumentação responsável pela malha de segurança, com a abertura ou fechamento total de uma válvula de Shutdown (SDV), a partir da atuação de uma chave de nível muito baixo (LSLL);

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• A instrumentação responsável pela malha de controle, para manter a variável de processo no valor desejável, com a medição da variável de processo pressão através do Transmissor Indicador de Pressão (PIT), controle do valor desejado da variável de processo pressão através do Controlador Indicador de Pressão (PIC) e a manipulação da vazão de saída de gás através da válvula de controle de pressão (PV); • A instrumentação do sistema de monitoração que indica a variável de processo pressão através do Indicador de Pressão (PI). 1.2.1. Classificação de instrumentos de medição Para iniciarmos a definição da simbologia de instrumentação para monitoração, controle e segurança de processo é fundamental que tenhamos em mente que os instrumentos no processo industrial são caracterizados através do:

29 a) Tipo de montagem da instrumentação (representação gráfica); b) Tipo de sinal com que a instrumentação mede a variável de processo (representação gráfica); c) Tipo de variável de processo e da função da instrumentação no processo (identificação). a) Tipo de montagem - representação gráfica A instrumentação pode ser representada graficamente de acordo com sua montagem, que irá apontar a sua localização. Os instrumentos podem ser montados: • No campo; • Em salas de controle.

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Os instrumentos montados em campo são aqueles que pela função desempenhada, só podem ser montados próximos ou em contato direto com o processo. Normalmente, são mais robustos e têm sua parte física preparada para suportar as agressões naturais do meio externo. Os montados em salas de controle podem ser localizados na sala de controle central ou na sala de controle local. Geralmente, os instrumentos são dispostos em painéis de controle ou segurança padronizados. Com a implantação dos sistemas eletrônicos, a instrumentação pode ser montada virtualmente, isto é, ter somente sua função implementada e, neste caso, os instrumentos são considerados virtuais e sua representação gráfica corresponde ao tipo de sistema eletrônico.

30 ATENÇÃO Particularmente, para os instrumentos de vazão, os elementos primários são representados de forma diferenciada nos fluxogramas de engenharia. Veja a seguir a, representação gráfica dos instrumentos de acordo com o seu local de montagem. Representação gráfica do tipo de montagem Instrumento físico montado no Campo.

Instrumento físico montado na Sala de Controle Central.

Instrumento virtual implementado na Interface Humano Máquina (ECOS ou ESC) localizada na Sala de Controle Central.

Computador de vazão instalado no campo.

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Representação gráfica do tipo de montagem

Computador de vazão instalado na Sala de Controle Central.

Instrumento virtual implementado no CLP localizado na sala de Controle Central.

Instrumento virtual implementado no CLP localizado na Sala de Controle Local.

Representação gráfica dos elementos primários de vazão ou dos elementos sensores de vazão.

31 Elementos primários de vazão Simbologia

Descrição Símbolo geral para elementos primários de vazão. Conexões para teste tipo tomada no flange ou no canto (sem placa de orifício). Placa de orifício com tomadas no flange, no canto ou na vena contracta. Dispositivo para troca rápida de placas de orifício. Tubo pitot simples. Tubo venturi. Tubo pitot de média ou annubar. Canal aberto. Vertedor. Medidor de vazão tipo turbina.

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Elementos primários de vazão Simbologia

Descrição Medidor de vazão tipo deslocamento positivo. Medidor de vazão tipo área variável ou rotâmetro. Medidor de vazão tipo magnético. Medidor de vazão tipo sônico. Sensor de vórtice ou vortex. Sensor tipo alvo ou target. Bocal de vazão.

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Retificador de fluxo ou “straightening” (FX).

b) Representação gráfica - tipo de sinal A instrumentação, quando instalada nos processos, pode ser interligada aos sistemas eletrônicos ou pneumáticos por meio de diversos tipos de sinais de interligação. Agrupados conforme o tipo de sinal onde o elemento sensor mede a variável de processo e é informado aos sistemas eletrônicos ou pneumáticos através de transmissores ou chaves, os sinais mais comumente usados para representação gráfica são: • Sinal de transmissão pneumático - instrumentação cuja alimentação é pneumática e o sinal padrão de transmissão é a pressão de 3-15psig. Este sinal é oriundo de instrumentos que transmitem as variáveis de processo com sinal pneumático; • Sinal de transmissão eletrônico - instrumentação cuja alimentação é a tensão elétrica e o sinal padrão transmissão é a corrente de 4-20 mA ou a tensão (1-5 Vcc). Este sinal é oriundo de instrumentos que transmitem a variável de processo com sinal eletrônico;

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• Sinal hidráulico - instrumentação cuja alimentação é o fluido hidráulico; • Sinal digital - designação aplicada a um instrumento ou sinal que utiliza dígitos binários para representar valores contínuos ou estados; • Sinal discreto ou binário - termo aplicado a um dispositivo ou sinal que tem somente posições ou estados. Quando usado na sua forma mais simples, como em “sinal binário” (oposto a sinal analógico) o termo representa os estados “liga/ desliga” ou “alto/baixo”, isto é, não representa uma variação contínua; • Os sinais discretos podem ser binário - elétrico ou binário pneumático. O sinal binário-elétrico é oriundo de instrumento que tem a função de chave conforme exemplo abaixo. A chave de nível muito alta (LSHH), quando atuada, sua tensão vai para 0 Vcc e comanda o fechamento da válvula de parada de emergência (SDV).

ATENÇÃO Os sinais de transmissão são considerados analógicos, pois representam variações contínuas da variável de processo. Os sinais digitais podem ser considerados analógicos, se os mesmos representarem também variações contínuas da variável de processo. Os sinais analógicos são tipicamente oriundos dos transmissores.

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Como exemplo, no gráfico a seguir, a variação do nível é acompanhada pela variação da corrente elétrica em mA. Observe:

Variação de sinal analógico

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Na ilustração a seguir, que representa o controle de pressão do vaso separador e o controle discreto de nível, observamos que a variável de processo-pressão tem seus valores correspondentes em corrente (mA), representadas graficamente de forma contínua, isto é, a variação de corrente corresponde à mesma variação da pressão.

Vaso separador

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Na ilustração de controle de pressão do vaso separador e controle discreto de nível, observamos, ainda, que a variável de processo de nível tem seu valor de referência fixado em um ponto de ajuste. Quando o nível atinge este determinado ponto de ajuste, a chave atua e o circuito abre. Analogamente, podemos comparar a atuação da chave com a de um interruptor de lâmpada, isto é, ou o circuito é alimentado pela tensão de 24 Vcc ou o circuito fica sem a alimentação. Esta atuação é representada graficamente pela linha verde. Representação gráfica dos sinais de interligação dos instrumentos Linha de suprimento ou impulso (conexão ao processo).

Sinal pneumático (3 15psig).

Sinal elétrico (4-20 ma, pulsos, sinal elétrico indefinido, quando o sinal for diferente de 4-20 ma, deve ser informado no fluxograma de engenharia).

Sinal hidráulico.

Tubo capilar.

Sinal sônico ou eletromagnético que inclui calor, ondas de rádio, radiação nuclear (transmissão guiada). Sinal eletromagnético ou sônico (transmissão não guiada). Ligação configurada internamente ao sistema (ligação de software). Ligação mecânica. Sinal binário pneumático (sinal de saída das solenóides para as válvulas on-off).

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Representação gráfica dos sinais de interligação dos instrumentos Sinal binário elétrico (sinal das chaves). Sinal a ser definido.

c) Identificação - tipo de variável de processo e função do instrumento A instrumentação é identificada em função da variável de processo que desejamos medir e da função dos instrumentos nos processos industriais.

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Existem definições fundamentais para iniciarmos o entendimento da identificação dos instrumentos, que são representadas nos fluxogramas de engenharia por letras padronizadas pela norma ISA S5.1. A norma ANSI/ ISA – S 5.1-1984, de abrangência mundial, oferece uma padronização de simbologia e identificação de instrumentos e equipamentos de processo. Esta norma deve ser utilizada na elaboração dos seguintes documentos: • Fluxogramas de processo e mecânico; • Diagramas de sistemas de instrumentação; • Especificações, listas de instrumentos; • Identificação de instrumentação e funções de controle.

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Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

O conjunto de letras possui a seguinte formação: 1º Grupo de letras

2º Grupo de letras

Variável medida ou iniciadora

Função

1º Letra

Passiva ou de informação

Modificada

Ativa ou de saída

Modificadora

Identificação da função do Instrumento

P

T

1223

01

Variável de processo

Função do Instrumento

Área de atividades

Nº sequencial da malha

Identificação sequencial da malha Identificação completa do instrumento

Sufixo (quando aplicável)

Identificação funcional

O primeiro grupo de letras representa a variável medida ou modificadora. O segundo grupo de letras representa a função. O seqüencial é determinado por sistema automático da Petrobras, que define o local de instalação no processo industrial e o seqüencial da malha. A seguir apresentamos as principais letras usadas na identificação dos instrumentos.

Letras

1° grupo de letras Variável medida ou inicializadora

A

D

Análise Chama, Queimador (Burner), Combustão Condutividade elétrica Densidade

E

Tensão

F

Vazão

B

C

Modificadora

2° Grupo de letras Passiva ou de informação

Ativa ou de saída

Modificadora

Opção do usuário

Opção do usuário

Alarme Opção do usuário

Controlador Diferencial Sensor (Elemento Primário) Razão (Fração)

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2° Grupo de letras

Letras

1° grupo de letras Variável medida ou inicializadora

G

Opção do Usuário

H

Manual

I

Corrente Elétrica

J

Potência

Varredura ou seleção manual

K

Tempo ou temporização

Taxa de variação com o tempo

L

Nível

M

Umidade

N

Opção do Usuário

Opção do Usuário

O

Opção do Usuário

Orifício de Restrição

P

Pressão, Vácuo

Conexão para ponto de teste

Q

Quantidade

R

Radiação

S

Velocidade, Freqüência

T

Temperatura

Transmissor

U

Multivariável

Multifunção

V

Vibração, Análise Mecânica

Válvula ou defletor

W

Peso, Força

X

Sem classificação

Y

Evento, Estado ou Presença

Modificadora

Posição, Dimensão

Ativa ou de saída

Modificadora

Dispositivo de visualização Alta Indicador

Estação de controle Lâmpada Piloto

Baixo Médio ou Intermediário

Instantâneo

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Z

Passiva ou de informação

Opção do Usuário

Opção do Usuário

Integração ou totalização Registrador Segurança

Chave

Poço ou ponta de prova Eixo X

Sem classificação

Sem classificação

Eixo Y

Relé, relé de computação, conversor ou solenóide

Eixo Z

Acionador, atuador, para elemento final de controle

Sem classificação

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Usando a tabela anterior apresentamos alguns exemplos de codificação de instrumentos e os respectivos significados.

PT-122302

Transmissor de pressão instalado na área 1223 (produção de óleo), que é a 2° malha de controle de pressão.

PC-122302

Controlador de pressão, que faz parte da malha de controle do PT-122302.

PV-122302

Válvula de controle de pressão, que faz parte da malha de controle do PC-122302.

LIT-122301

Transmissor indicador de nível instalado na área 1223 (produção de óleo), que é a 1° malha de monitoração de nível.

LSHH-122301

Chave de nível muita alta, instalada na área 1223 (produção de óleo), que é a 1° malha de segurança de nível.

Observe a seguir a definição de instrumentos classificados, segundo sua função.

Malha

Combinação de um ou mais instrumentos interligados entre si, gerando um sistema de monitoração, controle ou de segurança do processo industrial.

Variável de processo

Grandeza física mensurável, também denominada Variável Medida ou Variável Controlada. Tipicamente iremos considerar as variáveis: pressão, temperatura, vazão e nível.

Elemento sensor

Tipo de dispositivo que “sente” a variável de processo e a transforma em uma grandeza física ou elétrica. O elemento sensor pode ser ou não parte integrante de um transmissor. Também conhecido como elemento primário, quando não é parte integrante do transmissor.

Transmissor

Instrumento que mede a variável de processo e a transmite à distância com um sinal padronizado de 4-20 mA, 3-15psig ou Digital.

Controlador

Instrumento que recebe um sinal proporcional à variável medida compara-o com um valor desejado (set-point) e, em função da diferença entre estes dois valores (erro), exerce uma ação de correção no elemento final de controle (variável manipulada).

Conversor

Instrumento que recebe um sinal padrão de entrada pneumático ou eletrônico e o converte em um sinal de saída padrão, eletrônico ou pneumático, de forma equivalente.

Elemento final Dispositivo que modifica diretamente o valor da variável manipulada de controle em uma malha de controle ou numa malha de segurança.

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Chave

Instrumento que liga e desliga ou abre e fecha os seus contatos, baseado em valores pré-determinados da variável de processo.

Indicador

Instrumento que nos fornece uma indicação visual da situação das variáveis no processo. Um indicador se apresenta na forma analógica ou digital.

Registrador

Instrumento que registra a variável através de traço contínuo, pontos em um gráfico etc.

Supervisório (ESC/ECOS)

A ESC/ECOS consiste em Estações de Supervisão e Controle que servem para indicar, registrar e controlar processos industriais, informando aos técnicos de operação na sala de controle os eventos que estão ocorrendo. Estas estações são computadores dotados de monitores de vídeo e teclado, mouse, através dos quais o técnico de operação executa as operações.

Multi-loop

Controlador multiprocessado que controla diversas variáveis de processo. Ou seja, com apenas um controlador é possível controlar, simultaneamente, uma malha de pressão, uma malha de temperatura, uma malha de nível e TC.

CLP

O CLP é um Controlador Lógico Programável, que executa funções de controle e lógica de inter-travamento em uma planta de processo.

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1.2.2. Simbologia em fluxogramas de engenharia Identificar e representar graficamente os instrumentos implica em utilizar um conjunto de símbolos previamente definidos para entendermos claramente como o processo industrial opera. Os fluxogramas de engenharia elaborados nos projetos subsidiam os técnicos na elaboração de projetos básicos e de detalhamento, montagem das obras e na operação das plataformas. O fluxograma de engenharia deve, no mínimo, conter as seguintes informações: fluxo de processo, equipamentos, funcionalidade (lógica de segurança -ESD e controle) e hardware (tecnologia de instrumentação e automação utilizada). Esta representação possibilita que os instrumentos sejam facilmente reconhecidos e identificados nos fluxogramas de engenharia e na tela das estações de supervisão.

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Estes instrumentos são representados em uma malha gráfica, que consiste no desenho de um grupo de instrumentos interligados com o objetivo de controlar a variável de processo. Na ilustração a seguir, estão representados instrumentos de uma malha de controle de pressão de um vaso separador, composta de: • Um transmissor de pressão (PT-122301); • Um controlador de pressão (PC-122301); • Uma válvula de controle (PV-122301).

PC-122301

PV 122301

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Vaso separador

PT-122301

Transmissor

Vaso separador 122301

Malha gráfica

O controle de pressão do vaso é feito através de uma malha de controle de pressão composta de transmissor de pressão (PT122301) que possui um elemento sensor incorporado ao mesmo, um controlador de pressão (PC-122301) onde é definido o valor de referência ou set-point e o elemento final de controle ou válvula de controle (PV-122301). 1.2.3. Fluxograma de engenharia Nos fluxogramas de engenharia, as simbologias dos instrumentos indicam a representação gráfica dos instrumentos, identificando:

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• O local onde o instrumento está montado; • Onde sua função é executada ou implementada; • Qual o tipo de sinal utilizado pelo instrumento para medir e monitorar, controlar ou cuidar da segurança da variável de processo. Antes de observarmos um fluxograma de engenharia completo, veremos separadamente algumas malhas de monitoração, controle e segurança do processo. a) Malha de monitoração da pressão de chegada dos poços

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Para a monitoração da pressão da linha de produção do poço iremos instalar um indicador de pressão com a seguinte representação no fluxograma de engenharia: PI 1223001

Observe que sua simbologia é composta da representação gráfica do tipo de montagem de campo, de um conjunto de letras que representam a função do instrumento, de um código seqüencial que define o local onde o instrumento está montado e a malha à qual o mesmo pertence. Então, este instrumento é um indicador de pressão montado no campo, na área de produção de óleo e que tem a função de indicar a pressão. Este tipo de instrumento também é conhecido como manômetro.

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b) Malha de monitoração/medição de vazão de óleo exportado Para a medição da vazão na linha de saída de óleo exportado da unidade utilizaremos um Transmissor de vazão (FT) com elemento primário de vazão (FE) tipo deslocamento positivo interligado ao CLP através de sinal de saída tipo pulsos, com totalização de vazão (FQI) no CLP e indicação da vazão totalizada (FQI) e instantânea (FI) na Interface Humano Máquina (IHM). FQI

FQI

FI PULSOS

FT

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FE

Medidor de vazão

Observe pela representação que o elemento primário de vazão (FE) é parte integrante do transmissor de vazão (FT) e que esta malha de medição é responsável pela medição da quantidade de produto que passa pela tubulação. Esta medição da vazão que passa instantaneamente na tubulação é transmitida para o CLP através de um par de fios que levam esta informação através de sinal de pulsos para o CLP, que totaliza a vazão (FQI) disponibilizando estas informações - vazão totalizada e instantânea (FQI e FI) para IHM através de um sinal digital.

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c) Malha de Controle de Pressão Para mantermos a pressão na tubulação, por exemplo, em 10 kgf/ cm2, será instalada uma malha de controle de pressão, composta de um transmissor indicador de pressão eletrônico montado no campo (PIT), um controlador indicador virtual de pressão (PIC); isto é, a função de controle será implementada no CLP, a indicação virtual da pressão (PI) na estação de supervisão e uma válvula de controle de pressão (PV).

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Transmissor de pressão

Observe pela representação gráfica que o transmissor de pressão é responsável pela medição da variável de processo pressão e envio desta pressão para o CLP através de um sinal de saída analógico de 4-20 mA. O valor da variável de processo pressão é então comparado com o valor de referência ou set-point, no controlador virtual (PIC) implementado no CLP. Após está comparação entre o valor da variável de processo e o set-point o PIC tem um sinal de saída proporcional para a válvula de controle que fará uma correção de forma a eliminar a diferença entre o valor da variável de processo e o set-point.

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d) Malha de segurança de pressão da tubulação de uma planta de processo Para a segurança da tubulação, do meio ambiente e dos seres humanos, a variável de processo pressão muito baixa, é monitorada através da instalação de uma chave de pressão muito baixa (PSLL) a ser interligada com a sala de controle, através de um sinal discreto ou elétrico-binário para participar da lógica de intertravamento. Este intertravamento ocasionará o fechamento da válvula de parada de emergência (SDV) e a conseqüente parada de produção daquele poço.

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Malha de segurança de pressão

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Dentre as malhas estudadas até o momento a de segurança é a responsável pela segurança nas plantas de processo. Observe no exemplo acima que a malha de segurança de pressão muito baixa da tubulação é composta de: • Chave de pressão muito baixa (PSLL); • Iniciador de lógica de emergência shutdown nível 2 (ESD-2); • Iniciador de lógica de parada manual de emergência Handswitch (HS); • Válvula de parada de emergência (SDV).

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O PSLL está interligado fisicamente ao CLP através de um sinal discreto. No CLP está implementada toda a lógica de intertravamento, incluindo os elementos virtuais de segurança que fazem parte da mesma. A partir da ocorrência de eventos como pressão muito baixa na tubulação (PSLL), atuação da chave virtual manual pelo técnico de operação na sala de controle (HS) e do iniciador da lógica de emergência shutdown (ESD-2), o CLP atuará na válvula de parada de emergência (SDV) colocando-a na posição de segurança, que é fechada.

ATENÇÃO Os acessórios das válvulas de parada de emergência não necessitam de representação nos fluxogramas de engenharia.

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Fluxograma de engenharia

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No fluxograma de engenharia anterior podemos encontrar a representação gráfica dos instrumentos físicos ou virtuais, de acordo com sua montagem e tipo de sinal e as suas funcionalidades, de acordo com as suas aplicações ao processo. No fluxograma de engenharia é também representada a lógica de segurança, mas é a matriz de causa e efeito que consolida toda a lógica que ocasiona parada de produção total ou parcial numa unidade. Esta parada de produção acontece em diversos níveis, desde o nível de emergência e shutdown 1 até o 4 (ESD-1, ESD-2, ESD-3 e ESD-4), conforme listado a seguir: Níveis de shutdown • ESD-1 - parada de um equipamento ou processo sem a paralisação de utilidades;

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• ESD-2 - parada total do processo sem a paralisação de utilidades com despressurização manual pela BDV e fechamento somente das Wings e Master das Árvores-de-Natal-Seca (ANS) e Molhada (ANM); • ESD-3 P - parada total do processo e parcial de utilidades da área afetada por fogo ou gás com fechamento das Wings e Master das ANSs e ANMs; em algumas plataformas o PSLL do ar de alimentação dos instrumentos; • ESD-3 T - parada total das utilidades e de processo por fogo ou gás na área do TG, ar comprimido e MG/TG parado; • ESD-4 - parada manual total, visando ao abandono da plataforma. Para o perfeito entendimento e simplificação do fluxograma de engenharia, consideraremos a funcionalidade, o fluxo de processo e os equipamentos como sendo as informações mais importantes que devem estar no fluxograma de engenharia. O hardware e as funcionalidades mais complexas devem ser simplificadas no fluxograma de engenharia, devendo ser referenciados os documentos complementares, como por exemplo: matriz de causa e efeito. 1.2.4. Matriz de causa e efeito

ABRE BDV-02

Causa

FECHA SDV-02

Efeito

FECHA SDV-01

Esse documento contempla toda a lógica de segurança e intertravamento da unidade. A matriz de causa e efeito a seguir está relacionada com o fluxograma de engenharia anterior.

ALARME SALA DE CONTROLE

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PSHH-01 PSLL-02 PSHH-03 PSHH-04 Matriz de causa e efeito referente ao fluxograma anterior

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ABRE BDV-02

FECHA SDV-02

Causa

FECHA SDV-01

Efeito

ALARME SALA DE CONTROLE

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PSLL-05 LSHH-06 LSLL-07 LSLL-08 ESD-03 Matriz de causa e efeito referente ao fluxograma anterior

A matriz anterior indica algumas lógicas, exemplificadas a seguir: a) Nível de shutdown 1 A atuação do PSHH-1 e PSLL-02 geram o nível 1 de shutdown (ESD-1) e fechamento da válvula de parada de emergência SDV-01.

Representação do ESD - 1 no fluxograma exemplificado

b) Nível de shutdown 2 A atuação do PSHH-03, PSHH-04, PSLL-05, LSHH-06, LSLL-07, LSLL-08 geram o nível 2 de shutdown (ESD-2) e ocasionam o fechamento das válvulas de parada de emergência SDV-01 e SDV-02 e abre a BDV-01.

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ESD-2

Representação do ESD - 2 no fluxograma exemplificado

c) Nível de shutdown 3 A confirmação de fogo ou gás de uma determinada área da planta de processo geram o nível 3 de shutdown e ocasiona o fechamento da SDV-01 e SDV-02.

50

OU

ESD3

Representação do ESD-3

d) Nível de shutdown 4 O abandono da plataforma se dará de forma manual através da atuação também manual do gerente da planta e ocasionará a abertura da válvula blowdown, para despressurização da planta. Isso ocasionará automaticamente o nível ESD-2 e ESD-1, pois hierarquicamente o nível ESD-4 é superior ao ESD-3, que é superior ao ESD-2, que é superior ao ESD-1.

Representação do ESD-4

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Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

1.3. Terminologia dos instrumentos Os instrumentos são dispositivos que medem, monitoram, controlam e cuidam da segurança e intertravamento. Existem alguns termos muitos comuns que utilizamos para os instrumentos e que são fundamentais para que iniciemos o entendimento sobre os princípios de funcionamento dos mesmos. Vejamos os termos mais comuns da terminologia dos instrumentos. a) Faixa de medida (Range) - é o campo de medição e refere-se aos limites mínimos e máximos da medição. Na malha de monitoração de pressão, por exemplo, onde iremos instalar um indicador de pressão (PI-122301), para medir a pressão no interior do vaso separador com pressão normal de operação em 10 kgf/cm2, qual seria o range do instrumento, isto é, qual o campo de medição do elemento sensor do PI-122301? Observe a imagem a seguir: PV

PI Vaso separador

PIT

Transm LSLL

CPL de controle PIC (Control)

Chave

SDV

Bomba

CPL de segurança Controle analógico de pressão do vaso separador implementado no CLP de controle com controlador virtual e controle discreto de nível no CLP de segurança para abrir e fechar a SDV e ligar e desligar a bomba

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51

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O range ideal para o PI-122301 ou manômetro é o de 0-20 kgf/ cm2, pois a pressão normal ficaria em 50% do campo de medição ou range do instrumento. Seriam aceitáveis também ranges onde a pressão normal fique entre 25% e 75%. Esta diretriz é válida para elementos sensores cujo princípio de funcionamento se baseia na deformação elástica dos materiais, devido à histerese e às fases elástica e plástica do material. b) Alcance (Span) - é a diferença algébrica entre os valores máximo e mínimo do campo de medição ou faixa (range), por exemplo no range 0-20 kgf/cm2 o span ou alcance do manômetro é de 20 kgf/cm2.

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c) Ponto de ajuste (Set-point) - valor de referência ou valor desejado, isto é, valor ajustado no instrumento controlador de uma malha de controle ou em um instrumento que faz parte de uma malha de segurança para que no caso da ocorrência de uma anormalidade o instrumento atue. d) Histerese (Hysteresis) - diferença máxima que se observa nos valores indicados pelo instrumento para um mesmo valor qualquer da faixa de medida, quando a variável percorre toda a escala, tanto no sentido crescente como no decrescente. A histerese geralmente é expressa em porcentagem do alcance (span). e) Precisão (Accuracy) - é tolerância de medição ou de transmissão do instrumento. Define o limite de erro desvio observado em um instrumento sob condições de laboratório, expresso em: • % span; • % limite Superior do Range/ Upper Range Limit (URL) etc. Agora, observe um exemplo do uso do termo precisão na instrumentação.

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Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

Vamos supor que o sistema de separação trifásica necessite de um transmissor de pressão para controle e monitoração da pressão no interior do vaso separador. Foi então especificado um transmissor indicador de pressão (PIT-1223002), cujo range do instrumento deverá ser capaz de medir a pressão de 0 a 14 kgf/cm2, sendo a pressão normal de operação 10 kgf/cm2 e a pressão máxima de trabalho admissível do vaso 14 kgf/cm2. Foi então selecionado um instrumento com range de medição de 0 a 20 kgf/cm2, com o span de 20kgf/cm2. O fabricante definiu que o instrumento tem uma precisão de 0,075% do span . A precisão calculada é de +/- 0,015 kgf/cm2, isto é, o quando o instrumento estiver indicando 10 kgf/cm2 a pressão pode estar em 9,985 kgf/cm2 ou 10,015 kgf/cm2.

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ATENÇÃO O termo precisão NÃO deve ser mais empregado em relatórios formais para designar a qualidade do instrumento ou para traduzir a palavra em inglês “accuracy”. O Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM) recomenda a palavra “exatidão” para traduzir “accuracy”. E acrescenta que exatidão é um termo qualitativo. Uma das criticas ao termo precisão como quantitativo era que, a maiores precisões, corresponderiam valores menores: precisão de +/- 0,1% maior que precisão de +/- 1%. O termo imprecisão teria sido mais apropriado, mas não seria aceito pelos usuários. Daí a se recomendar exatidão como qualitativo (somente boa exatidão, melhor exatidão que... etc.). Entretanto, folhetos técnicos-comerciais da maioria dos fabricantes de instrumentos ainda empregam o termo precisão em termos quantitativos para tratar a qualidade de exatidão dos seus produtos.

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1.4. Exercícios 1) Correlacione as figuras, identificando na coluna da esquerda a sua respectiva definição. ( 1 ) Instrumento físico montado no Campo. ( )

( 2 ) Instrumento físico montado na Sala de ( ) Controle Central. ( 3 ) Instrumento virtual implementado na ( ) Interface Humano Máquina (ECOS ou ESC) localizada na Sala de Controle Central.

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( 4 ) Computador de vazão instalado na ( ) Sala de Controle Central. ( 5 ) Instrumento virtual implementado ( ) no CLP localizado na sala de Controle Central.

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Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

2) Relacione os instrumentos listados na primeira coluna com as definições apresentadas na segunda coluna, conforme o modelo. 1 - Elemento final de controle

( ) Instrumento com um sinal de saída que pode ser alterado para manter a variável do processo (pressão, temperatura, vazão, nível e etc.) dentro do valor desejado "set-point".

2 - Indicador

( ) Instrumento que recebe uma informação na forma de um sinal, altera a forma da informação e o emite como um sinal de saída proporcional ao da entrada.

3 - Conversor

( ) Dispositivo que modifica diretamente o valor da variável manipulada em uma malha de controle.

4 - Controlador ( ) Tipo de dispositivo que “sente” a variável de processo e a transforma em uma grandeza física ou elétrica. O elemento sensor pode ser ou não parte integrante de um transmissor. 5 - Elemento sensor

( ) Estações de supervisão e controle que servem para indicar, registrar e controlar uma planta de processo informando para os técnicos de operação na sala de controle os eventos que estão ocorrendo na planta de processo.

6 - ESC/ECOS

( ) Instrumento que nos fornece uma indicação visual da situação das variáveis no processo. Um indicador se apresenta na forma analógica ou digital.

3) Complete as lacunas descrevendo a identificação funcional e seqüencial correspondente à identificação completa do instrumento. P

T

Identificação Funcional

1223

01 Sufixo (quando aplicável)

Identificação seqüencial da malha

Identificação completa do ________________

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55

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4) Explique o significado dos termos abaixo. a) A range de um instrumento. ____________________________________________________________ _____________________________________________________________ b) O Span de um instrumento. ____________________________________________________________ _____________________________________________________________

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Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

1.5. Glossário ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. ANM - Árvore de Natal Molhada. ANSI - American National Standards Institute. ANS - Árvores de Natal Seca. BDV - Blowdown - válvula blowdown. Caldeira - equipamento utilizado para a produção de vapor. CLP ou PLC - Controlador Lógico Programável. Contec N-1710 - codificação de documentos técnicos de engenharia. ECOS - Estação Central de Operação de Sistema.

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ESC- Estação de Supervisão e Controle. ESD - Emergency Shutdown - desligamento de emergência. FE - Elemento primário de vazão. Flange - disco, em forma de aro, adaptado ou fundido na extremidade de um tubo com que se faz ligação a outro tubo idêntico. FI - Indicação de vazão instantânea. FQI - Totalização de vazão. FT - Transmissor de vazão. Hardware - parte física do computador, ou seja, é o conjunto de componentes eletrônicos, circuitos integrados e placas, que se comunicam através de barramentos. HS - Hand-switch. IHM - Interface Humano Máquina. ISA - Instrumentation Symbols and Identification. LSHH - chave de nível muito alta. LSLL - chave de nível muito baixa.

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Multi-loop - são instrumentos capazes de controlar malhas, sem a necessidade do uso do CLP. NR - norma regulamentadora. Offshore - localizado ou operado no mar. PC - Controlador de Pressão. PI - Indicador de Pressão. PIC - Controlador Indicador de Pressão. PIT - Transmissor Indicador de Pressão. PSLL - Chave de pressão muito baixa. PT - Transmissor de Pressão. PV - Válvula de Controle de Pressão.

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Range - corresponde a faixa ou campo de medição de uma variável. SDCD - Sistema Digital de Controle Distribuído. SDV - válvula de shutdown. Semicondutor - elemento tratado quimicamente para transmitir uma corrente elétrica. Sua condutividade é considerada intermediária entre condutores e isolantes. São empregados na fabricação de componentes eletrônicos (diodos e transistor). Set-point - ponto de ajuste. Shutdown - parada de produção em um processo industrial. Span - diferença algébrica entre os valores máximo e mínimo de um campo ou faixa de medição. Vaso - equipamento utilizado para processamento de petróleo, normalmente pressurizado. VIM - Vocabulário Internacional de Metrologia.

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Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

1.6. Bibliografia ALVES, José Luiz loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2005. ANSI/ ISA S5.1 . Instrumentation Symbols and Identification, 1984. Apostila do Controle e automação de processos módulo 4 do SENAI – RJ e Petrobras Abastecimento, 2000. Apostila do Curso de Controle automático de processos da UN-BC/ENGP-AUT. Petrobras, 2000. BEGA, E.A. (Org.). et al. Instrumentação Industrial. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. BORGES Filho, Álvaro de Miranda. CARVALHO, Sérgio Pires de. Apostila de Controle Automático de Processos. UNBC. Petrobras, 1998. Contec N-1710 - Codificação de Documentos Técnicos de Engenharia. DELMÉE, Gerard Jean. Manual de Medição de Vazão. 3ª edição. São Paulo: Edgard blücher, 2003. GOMES, Andrea Manhães. Peixoto, Luiz Eduardo Godói. Curso de formação em operadores de produção. Petrobras/ PSP/SC-1. 2001. ISA-S5.1. Instrumentation Symbols and Identification,1984. LIPTÁK, Béla G. Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. Norma regulamentadora NR-13 do MTE - Ministério do Trabalho e Emprego é condição legal para se operar Caldeiras e Vasos de Pressão em toda e qualquer unidade industrial ou em outro ambiente. PEREIRA, J.P.P. Apostila do Curso de Operador - Automação e instrumentação. Petrobras, 2006. RIBEIRO, Marco Antônio. Apostila Instrumentação. Salvador, 2005. SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Apostila de Instrumentação Industrial. Vitória, 1999. SILVA, Luiz Carlos da. A importância da Temperatura do Petróleo Armazenado em Tanques. In: Metrologia e Instrumentação. Disponível em: . Acesso em: 12 abr 2008. THOMAS, José Eduardo (Org.). et al. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2004.

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1.7. Gabarito 1) Correlacione as figuras, identificando na coluna da esquerda a sua respectiva definição. ( 1 ) Instrumento físico montado no Campo.

(2)

( 2 ) Instrumento físico montado na Sala de ( 3 ) Controle Central.

( 3 ) Instrumento virtual implementado na In- ( 5 ) terface Humano Máquina (ECOS ou ESC) localizada na Sala de Controle Central. ( 4 ) Computador de vazão instalado na Sala ( 1 ) de Controle Central.

60 ( 5 ) Instrumento virtual implementado no ( 4 ) CLP localizado na sala de Controle Central. 2) Relacione os instrumentos listados na primeira coluna com as definições apresentadas na segunda coluna, conforme o modelo. 1 - Elemento final de controle

( 4 ) Instrumento com um sinal de saída que pode ser alterado para manter a variável do processo (pressão, temperatura, vazão, nível e etc.) dentro do valor desejado "set-point".

2 - Indicador

( 3 ) Instrumento que recebe uma informação na forma de um sinal, altera a forma da informação e o emite como um sinal de saída proporcional ao da entrada.

3 - Conversor

( 1 ) Dispositivo que modifica diretamente o valor da variável manipulada em uma malha de controle.

4 - Controlador

( 5 ) Tipo de dispositivo que “sente” a variável de processo e a transforma em uma grandeza física ou elétrica. O elemento sensor pode ser ou não parte integrante de um transmissor. ( 6 ) Estações de supervisão e controle que servem para indicar, registrar e controlar uma planta de processo informando para os técnicos de operação na sala de controle os eventos que estão ocorrendo na planta de processo.

5 - Elemento sensor

6 - ESC/ECOS

( 2 ) Instrumento que nos fornece uma indicação visual da situação das variáveis no processo. Um indicador se apresenta na forma analógica ou digital.

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Capítulo 1. Instrumentação nos processos industriais

3) Complete as lacunas descrevendo a identificação funcional e correspondente a identificação completa do instrumento. P

T

1223

01

Variável de processo pressão

Função do Instrumento transmissor

Área de Atividades produção de óleo

N° seqüencial da 1ª malha pressão

Identificação Funcional

Identificação seqüencial da malha

seqüencial

Sufixo (quando aplicável)

Identificação completa do instrumento 4) Explique o significado dos termos abaixo. a) A range de um instrumento. É o campo de medição e refere-se aos limites mínimos e máximos da medição. b) O Span de um instrumento. É o alcance, ou seja, a diferença entre o valor máximo e mínimo da medição.

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Capítulo 2 Medição de pressão

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Reconhecer a relevância da medição da pressão nos processos industriais; • Identificar tipos de sensores utilizados na medição de pressão dos processos industriais e seus acessórios.

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Capítulo 2. Medição de pressão

2. Medição de pressão

A

s técnicas de instrumentação são normalmente baseadas em princípios físicos e ou físico-químicos que transformam a variável de processo em grandezas mecânicas ou elétricas. Na medição destas grandezas utilizam-se avançadas tecnologias de fabricação a fim de viabilizar os diversos tipos de medição de variáveis de processo industriais.

2.1. Conceitos básicos A compreensão desses processos envolve o conhecimento de alguns conceitos básicos que serão brevemente abordados a título de revisão.

65

2.1.1. Estados físicos Os diferentes tipos de matérias podem, em função das condições de pressão e temperatura, assumir alguns estados físicos comuns e importantes para a compreensão dos processos relacionados com a medição.

Sólido

A matéria cuja forma não muda facilmente quando submetida a uma força.

Líquidos

A matéria cuja forma pode ser modificada facilmente quando submetida a uma força, porém sem mudar o volume.

Gás

É assim definida toda matéria cuja forma e volume podem ser alterados facilmente quando submetida à força.

Fluidos

São materiais cuja forma pode ser modificada sendo, por isso, capazes de se deslocar. O ato de se deslocar é caracterizado como escoamento e caracteriza os fluidos. Líquidos e gases são exemplos de fluidos.

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2.1.2. Massa específica ou densidade absoluta (ρ) A massa específica também chamada de densidade absoluta é a relação entre a massa e o volume de uma determinada substância. É representada no Sistema Internacional (SI) pela unidade (kg/m3) e definida pela razão entre a massa de um material e o volume por ele ocupado, conforme a equação a seguir: = m V Onde: ρ = densidade absoluta ou massa específica; m = massa;

66 V = volume. 2.1.3. Densidade Relativa (ρrelat) Relação entre massa específica de uma substância A e a massa específica de uma substância de referência, tomadas à mesma condição de temperatura e pressão. ρ=

ρ densidade absoluta de A ρ substancia de referência

Para líquidos, a densidade de uma substância tem como referência a água destilada a 4ºC e 1 atm cujo valor foi convencionado ser igual à unidade. Por outro lado, para gases e vapores a densidade de uma substância tem como referência o ar a 15ºC e 1 atm cujo valor foi convencionado ser igual à unidade.

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Capítulo 2. Medição de pressão

2.1.4. Peso Específico (γ) Relação entre peso (P) e o volume (V) de uma determinada substância. Unidade: kgf/m3.

Onde: ρ = densidade absoluta ou massa específica; m = massa;

67

V = volume; g = aceleração da gravidade.

2.2. Medição de pressão Dentre estas variáveis encontra-se a pressão cuja medição possibilita não só sua monitoração, controle e segurança dos processos industriais como também a medição indireta de outras variáveis, tais como: nível, vazão, densidade. Assim, por ser sua compreensão básica necessária para o entendimento de outras áreas da instrumentação, iniciaremos nosso estudo revisando alguns conceitos físicos importantes para a medição de pressão.

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IMPORTANTE! Nas unidades industriais, é freqüente a medição de pressão em linhas, vasos ou sistemas contendo produtos corrosivos, impuros, fluidos com pressões pulsantes, instalações com alto índice de vibrações, produtos pesados com tendência a se solidificarem à temperatura ambiente, vapores superaquecidos, dentre outros, exigindo muito cuidado com a proteção dos equipamentos. 2.2.1. Definição de pressão

68

Pressão é a força que atua em uma determinada unidade de área. Pode ser expressa em diferentes unidades de medida como, por exemplo, Kgf/cm²; Psig; N/m2 (Pa). Observe que na definição anterior aparecem algumas unidades de medida usadas no cálculo da pressão. Por exemplo, 10 kgf/cm2 representa 10 quilograma força (kgf) por 1 centímetro quadrado. 10 Kgf

1 cm

P=

F A

1 cm

a) Pressão estática É a pressão exercida em um ponto, em fluidos estáticos, que é transmitida integralmente em todas as direções. A pressão estática do processo é a pressão transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou dos vasos de pressão.

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Capítulo 2. Medição de pressão

b) Pressão hidrostática Pressão hidrostática é a pressão exercida por líquidos no interior de vasos e tanques. Neste caso, a pressão é normal à superfície que contém o líquido. No mesmo plano horizontal, as pressões em um líquido são iguais.

B

A

C

Vaso comunicante

IMPORTANTE! No vaso comunicante representado ao lado as pressões no ponto A, B e C são iguais. c) Pressão Dinâmica (Pd) É a pressão exercida por um fluido em movimento paralelo à sua corrente. A pressão dinâmica é representada pela seguinte equação: Pd =

1   V2 2

d) Pressão total É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento. e) Pressão ambiente É a pressão que envolve um instrumento.

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f) Pressão atmosférica É a pressão exercida na superfície da terra pelos gases que a circundam. A pressão atmosférica varia principalmente com a altura. Também chamada de pressão barométrica. g) Pressão faixa composta É aquela que tem pressões de vácuo e pressões positivas em sua faixa de medição. Por exemplo, a faixa de -200 a 200 mm H2O. h) Pressão de vapor

70

Quando há evaporação dentro de um espaço fechado, a pressão parcial criada pelas moléculas do vapor é chamada de pressão de vapor. A pressão de vapor de um líquido ou sólido é a pressão em que há equilíbrio vapor-líquido ou vapor-sólido. A pressão de vapor depende da temperatura e aumenta quando a temperatura aumenta. 2.2.2. Tipo de pressão medida A pressão medida pode ser representada pela pressão absoluta, barométrica ou atmosférica, manométrica ou relativa. A escolha de uma destas três depende do objetivo da medição. A seguir abordaremos cada um desses tipos. a) Pressão absoluta É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito. Pode ser obtida como a soma da pressão atmosférica do local e a pressão manométrica. Geralmente se usa a letra “a” após a unidade para representar esse tipo de pressão. Ex: psig, kgf/cm2a

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Capítulo 2. Medição de pressão

b) Pressão manométrica ou relativa É a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo ser negativa ou positiva. Uma pressão negativa em relação à atmosférica é denominada de pressão de vácuo ou vácuo parcial. Geralmente se usa a letra “g” após a unidade para representar essa pressão. Ex: psig , kgf/cm2g. c) Pressão diferencial É o resultado da medição de duas pressões medidas em dois pontos de um sistema. IMPORTANTE!

71

A medida da pressão manométrica é extremamente importante na indústria. É a medida do esforço com que um fluido contido em um vaso tende a vazar.

2.3. Unidades de pressão Desde 03 de maio de 1978, pelo decreto n° 81.621, o sistema de unidades oficialmente adotado no Brasil é o Sistema Internacional de Unidades (SI). O SI possui unidades bases que são: Pa = N/ m2

kgf/cm2

atm

bar

PSIG

Torr = mm Hg

cm H2O

Pa= N/ m2

1

1,02.10-5

9,87. 10-6

10-5

1,45.10-4

75. 10-4

1,02. 10-2

kgf/cm2

98,100

1

0,987

0,981

14,22

726

1000

atm

101,330

1,033

1

1,013

14,7

760

1033

bar

10

1,02

0,987

1

14,5

750

PSIG

7,16 .10

7,03.10

6,94.10-2

6,89.10-2

1

5,10.10

Torr = mm Hg

133,33

1,36.10-3

1,032. 10-3

1,33. 10-3

1,93. 10-2

1

1,36

cm H2O

98,1

10-3

9,68.10-4

9,81.10-4

1,42. 10-7

0,736

1

5 3

-2

1020 1

7,03.101

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Grandeza Comprimento Massa Tempo Corrente Temperatura termodinâmica Quantidade de matéria Intensidade luminosa

Unidade metro quilograma segundo ampére kelvin mol candela

Símbolo (m) (kg) (s) (A) (K) (mol) (cd)

Todas as unidades deste sistema são deduzidas, direta ou indiretamente, a partir das unidades de base. Em geral são utilizados para medição de pressão, as unidades Pa (N/ m²), kgf/cm², mHg, mH2O, lbf/pol2, Atm e bar. Sendo que a unidade adotada pelo SI é Pa (N/m²).

72

A pressão pode também ser medida e representada em alturas de colunas líquidas, tais como: cm H2O; mm Hg; INH2O; INHg etc. A seguir apresentamos uma tabela que registra algumas correlações e equivalência entre unidades de medida de pressão.

Pres são absoluta = Pressão atm + manométrica Pressão manométrica positiva Pressão atmosférica Pressão barométrica

Pressão manométrica negativa Vácuo perfeito

Relação entre os diferentes tipos de pressão

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Capítulo 2. Medição de pressão

2.4. Elementos sensores A medição de uma variável de processo é sempre elaborada com base em princípios físicos ou químicos e nas modificações que sofrem as matérias quando sujeitas às alterações impostas por essa variável. A medição da variável pressão pode ser realizada baseada em vários princípios, cuja escolha está sempre associada às condições da aplicação. Para que a medição seja realizada necessitamos de um elemento sensor primário capaz de coletar dados. Como o próprio termo revela, um elemento sensor tem como objetivo medir uma variável, de modo que se possa monitorá-la, controlá-la ou assegurar a segurança do processo. Por princípio, o elemento sensor não interfere na variável medida. Em um automóvel, por exemplo, há sensores para nível de combustível, de óleo, de funcionamento de freios, de luzes etc. Em geral, é o motorista quem interpreta e toma decisões sobre os dados monitorados. Nas indústrias, a função do motorista é exercida pelos técnicos de operação. Contudo, muitas das decisões sobre o controle das operações é feita de forma automatizada, cabendo ao técnico de operação receber as informações do sistema de controle e, caso necessário, assumir a planta manualmente, tomando decisões sobre a continuidade operacional. A tabela a seguir apresenta os elementos sensores mais utilizados na indústria do petróleo, onde observamos que as técnicas de medição se baseiam em princípios diferentes. Podemos medir nos baseando nas deformações elásticas dos materiais ou na alteração de suas propriedades elétricas e, ainda, equilibrando colunas de líquidos.

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Tipos de elementos sensores • Tubo em “U” Tipo “coluna líquida”

• Tubo reto • Tubo inclinado • Tubo Bourdon

a) Mecânico Tipo “elástico”

• Diafragma • Fole • Cápsula • Cristal piezoelétrico

b) Elétrico

• Strain gauge • Capacitivo Fonte - Pereira, 2006

IMPORTANTE!

74

Os elementos sensores mecânicos e elétricos são utilizados nos instrumentos indicadores de pressão (manômetros), chaves de pressão (pressostatos), transmissores, controladores. 2.4.1. Elementos sensores mecânicos Os sensores mecânicos são mecanismos que transformam a variável de processo a ser medida em grandezas mecânicas, como deformação elástica, movimento ascendente ou descendente de hastes. Em ambiente Petrobras, os tipos de manômetros mais usados são os de tubo Bourdon do tipo C. a) Manômetros tipo tubo Bourdon No grupo que se baseia em deformação elástica, o manômetro de tubo de Bourdon é um dos mais utilizados, com ampla faixa de aplicação na indústria. Esta preferência deve-se a sua inerente robustez, simplicidade e custo relativamente baixo.

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Capítulo 2. Medição de pressão

O Bourdon é constituído por um tubo metálico com seção paralelística, encurvando em forma de C, tendo uma das extremidades fechada e livre e a outra fixa a um suporte (soquete) que serve de conexão ao ponto de medida. O tubo de Bourdon é o elemento sensível do instrumento que entra em contato direto com o fluido do qual se deseja medir a pressão. • Funcionamento A pressão desconhecida P, quando aplicada ao interior do tubo, promove um deslocamento que é proporcional à força resultante. Observe: F = K.x...

75

Onde: F = força Resultante; K = constante de elasticidade do tubo; x = deslocamento da extremidade livre. Como:

F = P.A Onde : P = pressão e A = área ou seção da tubulação.

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Temos, então que:

P.A = K.x Logo podemos concluir que: X≈P

ATENÇÃO A pressão exercida no elemento sensor é proporcional ao deslocamento.

76

A pressão aplicada ao tubo de Bourdon, se for superior à pressão externa ou à pressão atmosférica, faz com que o tubo mude o seu formato para uma seção transversal mais circular. As tensões criadas no tubo tendem a endireitar a curvatura em forma de C. Como uma extremidade do tubo é fixa ao soquete, a ponta livre se movimenta. Este movimento é pequeno (1,5 a 12 mm) sendo necessário amplificálo. Esta amplificação é feita através de um conjunto mecânico chamado “máquina”. A máquina é constituída de: • Pinhão; • Eixo; • Setor; • Dentado; • Barra de acoplamento (link); • Mola espiral.

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Capítulo 2. Medição de pressão

A máquina amplifica o pequeno movimento da extremidade livre do tubo e posiciona o ponteiro numa escala conveniente, graduada em unidades de pressão.

Tubo de Bourdon

77

• Materiais Os materiais mais empregados na construção dos tubos são: • Aço inoxidável; • Aço liga; • Bronze fósforo etc. A escolha do material depende da natureza e das condições do trabalho a que serão submetidos os tubos. Os materiais e as ligas dos tubos Bourdon, o tratamento térmico a eles aplicados e as soldas efetuadas são de grande importância, uma vez que seu comportamento é em grande parte resultante desses fatores. O tubo deve resistir à máxima pressão para a qual foi projetado por longo período, e também à fadiga de sucessivas solicitações ou vibrações exteriores.

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• Aplicações É bastante comum o emprego do manômetro de tubo Bourdon para medir pressões numa faixa que vai de 1 Kgf/ cm² g de vácuo até 1.000 Kgf/cm² g e sobrepressão de 2000 kgf/cm2. • Manômetros de Bourdon tipo hélice e espiral

78

São praticamente tubos de Bourdon enrolados em hélice cilíndrica ou espiral de vários passos. A configuração em hélice ou espiral proporciona maior sensibilidade e um deslocamento da extremidade livre bem maior em comparação ao tubo de Bourdon. Assim sendo, não é necessário amplificar o movimento do elemento sensível, sendo este ligado diretamente ao mecanismo de identificação ou registradores de pressão, transmissores ou controladores de caixa retangular de campo. A precisão desse elemento atende às medições industriais e situa-se em 1% da escala total.

Tubo de Bourdon - tipo espiral

ATENÇÃO Seção A-A é um corte da figura, à direita, mostrando que a espiral do Bourdon é oca.

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Capítulo 2. Medição de pressão

Manômetro

Tipo espiral

Tipo hélice

Construção

O Bourdon espiral é usado quando o movimento da extremidade livre do C-Bourdon não é suficientemente grande (pequenas variações de pressão, por exemplo). Com a construção em espiral, são obtidos grandes movimentos do extremo livre, o que dispensa, na maioria dos casos, os mecanismos de ampliações e aumenta a precisão.

A construção da hélice Bourdon é similar à da espiral, porém o elemento é disposto em forma de hélice. Com isto, conseguese um aumento ainda maior do deslocamento da extremidade livre do sensor. Neste tipo de manômetro, o ponteiro indicador pode ser conectado diretamente à hélice através de um eixo, pois os movimentos serão proporcionais à pressão. O número de passes dependerá do range a ser medido.

Utilização

São usados para medidas de pressões relativas positivas e negativas. Usados para indicação local ou transmissão remota.

São usados para medir pressão manométrica onde tenhamos necessidade de grandes ranges, e altas pressões a medir. Usados para indicação local ou transmissão remota.

Faixa de Uso

200 A 15.000psig (14 a 1000 Kg/cm² g)

Vácuo até 4.000 psi (300 Kg/cm² g)

Precisão

0,5 % do span

De 0,5 a 1 % do span.

IMPORTANTE! Nos manômetros industriais, a precisão dos instrumentos é normalmente de ± 1% da faixa total e o campo de medida aconselhado é de 1/3 a 2/3 do fim de escala. b) Manômetros tipo diafragma O manômetro de cápsula de diafragma também é empregado para medir pressão diferencial. Neste caso, uma das pressões é aplicada no interior do elemento sensor. A segunda pressão é aplicada ao alojamento da cápsula, que deve ser hermeticamente fechada e aberta sobre a parte externa do diafragma. A diferença entre as duas pressões provoca o deslocamento da cápsula de modo a oferecer uma indicação da pressão diferencial aplicada.

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Alta Competência

Os elementos também podem ser dispostos de modo a medir a pressão absoluta, fazendo vácuo no alojamento em redor da cápsula ou em se tratando de manômetro de diafragma, em um dos lados do mesmo.

P Exemplo de cápsula de Diafragma

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Esse tipo de manômetro consiste de um disco circular utilizado para medir pressões geralmente de pequenas amplitudes. É uma membrana fina de material elástico, metálico ou não. No manômetro tipo diafragma esta membrana fica sempre oposta a uma mola. Ao aplicar-se uma pressão no diafragma haverá um deslocamento do mesmo até um ponto onde a força da mola se equilibrará com a força elástica do diafragma. Este deslocamento resultante é transmitido a um sistema com indicação (ponteiro) que mostra a medição efetuada. Tipo liso

Tipo liso

Tipo corrugado

Tipos de construções para superfícies de diafragmas

Os diafragmas podem ser lisos ou corrugados. Os dois tipos de diafragma podem ser usados como discos simples ou unidos dois a dois, formando cápsulas. Podem ser utilizadas, ainda, várias cápsulas, o que permite a obtenção de movimentos mais sensíveis.

Tipo corrugado

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Capítulo 2. Medição de pressão

5

in H2 O

+ 20 + 15

4 3

+ 10 + 5 0

2 - 5

1 1 - diafragma 2 - mola

Pressão a medir

3 - corrente 4 - ponteiro

- 10 - 15

5 - escala

Cápsulas

Para medição de pressões absolutas, as cápsulas devem ser evacuadas. Para medidas de pressões muito próximas à atmosfera, como triagem de fornos e caldeiras, são usados os manômetros construídos com diafragmas frouxos (slack diaphragm), onde as forças de pressão são equilibradas por molas. Estes instrumentos são conhecidos como medidores de triagem (draft gauge) e são bastante sensíveis. • Materiais Alguns dos materiais empregados em cápsulas e diafragmas são o bronze, latão, cobre, berílio, aço inox. • Aplicações Geralmente, cápsulas e diafragmas são usados para medir pressões baixas na faixa de 0 a 25 mm de mercúrio e até 0 a 25 Kgf/cm² g. São usados, também, para medir baixo vácuo (0 a 25 mmHg) podendo, porém, medir vácuo até 760 mmHg. Para pressões até 0,7 Kgf/cm² g, os manômetros de diafragma são geralmente melhores do que os manômetros de fole ou Bourdon.

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As aplicações típicas dos manômetros de diafragmas incluem manômetros de baixa pressão, de pressão absoluta, depressão ou baixo vácuo, manômetros padrões e manômetros de pressão diferencial. c) Fita extensiométrica (Strain gage) O fole é um elemento elástico, geralmente formado a partir de um tubo de paredes finas, sem costura, com parede externa corrugada. O fole trabalha normalmente contra uma mola que limita seus movimentos ao mesmo tempo em que confere proporcionalidade entre o sinal de pressão aplicado e o deslocamento obtido.

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Uma unidade de fole duplo permite medir pressão absoluta. Um dos foles é então evacuado a um vácuo quase perfeito. Um fole de medição colocado no extremo oposto de um braço de alavanca sensível à pressão sobre medição desloca o sistema, permitindo uma indicação. Uma variação na pressão atmosférica faz com que o fole evacuado se contraia ou se distenda ligeiramente, movimentando a alavanca para compensar a tendência de falseamento da leitura. Os manômetros de fole geralmente medem pressões baixas. Como o tamanho dos foles varia de 0 até 30 mm de diâmetro, eles podem ser bastante sensíveis e, contudo, potentes. • Aplicações Geralmente, são aplicados em faixas de pressão de 0 a 25 mmHg até 0,07 a 2 Kgf/cm² g de sobrepressão e vácuo de 760 mmHg.

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Capítulo 2. Medição de pressão

P Link to pointer

Bellows

Spring

P

Manômetro tipo fole

• Utilização Os elementos tipo fole são usados para medir pressão manométrica, pressão diferencial e pressão absoluta. Neste último caso, são utilizados dois foles e em um deles é produzido vácuo total. São usados para indicação local ou transmissão remota. • Faixa de utilização São usados em geral para medidas de pressões médias e baixas. O range usual é de 5” H2O a 40psig ( 3 Kgf/cm² g). Podem, entretanto, medir pressões diferenciais tão altas quanto 400psig com pressões estáticas de 6.000psig ( ± 400 Kg/cm²). • Materiais de construção São geralmente construídos de latão, bronze, fósforo e monel. 2.4.2. Elementos sensores elétricos Os elementos sensores elétricos ou eletrônicos utilizam vários princípios físicos relacionados com a variação de pressão, isto é, transformam a variável de processo em grandezas elétricas conhecidas. Estes elementos sensores são basicamente utilizados em instrumentos para monitoração controle e segurança que necessitam transmitir o valor da variável de processo aos sistemas eletrônicos, como a um Controlador Lógico Programável (CLP) e Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD).

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Sendo assim, estes elementos sensores são utilizados em transmissores. Tipos de elementos sensores elétricos para medição de pressão a) Célula capacitiva; b) Cristal piezoelétrico; c) Fita extensiométrica (Strain gage). a) Célula capacitiva - Sensor capacitivo

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O sensor capacitivo converte a variável de processo medida em uma variação da capacitância elétrica. É o sensor mais utilizado em transmissores de pressão. Nele, um diafragma de medição se move entre dois diafragmas fixos. Entre os diafragmas fixos e móveis, existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico. Como os capacitores de placas paralelas, são constituídos por duas placas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço de pressão, o diafragma móvel, que vem a ser uma das placas do capacitor tem sua distância em relação ao diafragma modificada. Isso altera a capacitância do circuito de medição e então é possível obter a medição de pressão. Para que ocorra a medição, o circuito eletrônico é alimentado por um sinal DC, através de um oscilador e então a freqüência ou a amplitude do sinal é modulada, em função da variação de pressão para se ter a saída em corrente ou digital. Como líquido de enchimento, utiliza-se normalmente silicone ou Fluor-oil.

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Capítulo 2. Medição de pressão

Diafragma sensor Diafragma isolador Fluido de enchimento Cerâmica Superfície metalizada Vidro Aço

b) Sensor piezoelétrico A medição de pressão, utilizando este tipo de sensor, se baseia no fato de que cristais assimétricos, ao sofrerem uma deformação elástica ao longo do seu eixo axial, produzem internamente um potencial elétrico, causando um fluxo de carga elétrica em um circuito externo. A quantidade elétrica é proporcional à pressão aplicada. Essa relação linear facilita sua utilização. Outro fator importante para sua utilização está no fato de se utilizar o efeito piezoelétrico de semicondutores, reduzindo assim o tamanho e o peso do transmissor. c) Fita extensiométrica (Strain gage) As fitas extensiométricas consistem em dispositivos que medem a deformação elástica sofrida pelos sólidos quando estes são submetidos ao esforço de tração ou compressão. São, na realidade, fitas metálicas fixadas adequadamente nas faces de um corpo a ser submetido ao esforço de tração, ou nas faces de um corpo a ser submetido a um esforço de tração ou compressão, e que tem sua seção transversal e seu comprimento alterado devido ao esforço imposto ao corpo. +

F

F

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Essas fitas são interligadas em um circuito do tipo ponte wheatstone ajustada e balanceada para a condição inicial. Ao ter os valores de resistência da fita modificados pela pressão, os sensores sofrem um desbalanceamento proporcional à variação desta pressão.

2.5. Acessórios de proteção para instrumentos de pressão Na indústria, em especial na do petróleo, a proteção dos instrumentos utilizados na medição de pressão é imprescindível. Veremos a seguir os procedimentos de proteção contra condições adversas. IMPORTANTE!

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Nas unidades industriais é freqüente a medição de pressão em linhas, vasos ou sistemas contendo produtos corrosivos, impuros, fluidos com pressões pulsantes, instalações com alto índice de vibrações, produtos viscosos com tendência a se solidificarem à temperatura ambiente, vapores superaquecidos, dentre outros, exigindo muito cuidado com a proteção dos equipamentos. a) Proteção contra fluidos corrosivos Para alguns fluidos corrosivos o uso de Bourdon de aço inoxidável ou com inclusão de monel é suficiente, resolvendo de forma simples o problema. Em outros casos, é necessária a utilização de um selo diafragma. Lembre-se que o selo diafragma é constituído por duas câmaras separadas por um diafragma metálico de aço inoxidável. Uma das câmaras se comunica com o elemento sensor do instrumento e é totalmente preenchida a vácuo com líquido que ocupa todo o espaço. A outra câmara entra em contato direto com a variável de processo. As pressões são transmitidas pelo líquido ao sensor que as converte em indicação. Tanto o diafragma como as tampas da cápsula são construídos de material resistente à corrosão.

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Capítulo 2. Medição de pressão

Para aplicações onde o fluido do processo pode causar entupimentos, cristalizações, congelamentos ou ataques corrosivos ao material do mesmo, o selo diafragma é constituído basicamente de três partes: • Flange superior; • Membrana de selagem; • Flange Inferior. Apenas as partes em contato direto com o processo é que deverão apresentar resistência corrosiva ao fluido (membrana de selagem e flange inferior). Qualquer alteração de pressão no processo será imediatamente transmitida ao tubo Bourdon, uma vez que este e todo o flange superior ficam totalmente preenchidos com glicerina ou silicone.

Selo diafragma

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IMPORTANTE! Os flanges podem ser trocados por flanges padrão ANSI de 1” até 3” nas classes de 150 até 1500 LBS. Outros padrões exigem consulta.

b) Proteção contra solidificação à temperatura ambiente O selo diafragma é também utilizado quando o produto apresenta facilidade de solidificação à temperatura ambiente, como é o caso de óleos pesados e parafinas derivadas do petróleo. Nestes casos, além do selo diafragma é necessário um outro sistema de proteção. São utilizados, portanto, dois sistemas:

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• O aquecimento das tomadas de impulso, inclusive o selo diafragma, com vapor superaquecido que circula através de tubulações de cobre que envolve as tomadas e tubulações (steam-tracing); • O aquecimento através de resistências elétricas (heat-tracing). c) Proteção contra pulsações A proteção contra pulsações freqüentes do fluido sob medição é feita pela utilização de restrições e amortecedores que evitam o desgaste prematuro das articulações do instrumento. Estes acessórios, quando utilizados com óleo pesado e parafina, podem entupir e provocar falha na instrumentação. Os amortecedores de pulsação são acessórios instalados em conjunto com o manômetro, cuja finalidade é restringir a passagem do fluido do processo a tal ponto que a freqüência de pulsação se torne nula ou quase nula, deixando assim de provocar oscilações no ponteiro.

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Capítulo 2. Medição de pressão

d) Proteção contra temperaturas elevadas Esse problema é freqüente quando da medição de pressão em linhas de vapor. A proteção recomendada é a utilização de um sifão. Um tubo sifão é um acessório indispensável para instalações onde a temperatura supera a capacidade do instrumento de pressão. O sifão guarda uma pequena quantidade de condensado que protege as partes mais delicadas do instrumento. Devido ao seu formato, o tubo sifão cria, em sua curvatura, uma bolha d’água que elimina o contato do vapor com o tubo Bourdon do manômetro, evitando, assim, avarias no instrumento causadas pelo efeito da temperatura.

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Cachimbo

Trombeta

Bobina

Variações no formato de sifão

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e) Proteção contra desgaste prematuro Um meio de reduzir ao mínimo o desgaste dos dentes de engrenagens e de outros pontos críticos é o uso de plástico auto-lubrificante nas partes mais expostas ao desgaste. A maior parte dos manômetros de pressão pode também ser preenchida com óleo de silicone ou outro fluido para amortecimento dos pulsos de pressão e resistência à corrosão que possam danificar o mecanismo.

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Capítulo 2. Medição de pressão

2.6. Exercícios 1) Observando o gráfico, defina os termos a seguir.

Pres são absoluta = Pressão atm + manométrica Pressão manométrica positiva Pressão atmosférica Pressão barométrica

Pressão manométrica negativa Vácuo perfeito

Relação entre os diferentes tipos de pressão

a) Pressão absoluta. _____________________________________________________________ ______________________________________________________________ b) Pressão relativa. _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ______________________________________________________________ 2) Vimos que a medida da pressão relativa é extremamente importante na indústria. Explique por quê. _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3) Explique o princípio de funcionamento dos indicadores de pressão tipo Bourdon. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

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4) Complemente as lacunas, a seguir, de modo a descrever o instrumento apresentado na ilustração.

Tubo de Bourdon - tipo espiral

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Trata-se de um ___________________ tipo __________ ____________, um dos mais utilizados na indústria por sua robustez, simplicidade e custo relativamente baixo. É constituído por um tubo metálico em forma de “C”, com uma das extremidades fechada e livre e a outra fixa a um suporte (soquete) que serve de conexão ao ponto de medida. O tubo de _____________________é o elemento sensível do instrumento que entra em contato direto com o fluido do qual se deseja medir a pressão. 5) Marque V (verdadeiro) ou F (falso) para cada uma das afirmativas. ( ) Os elementos sensores mecânicos e elétricos são utilizados nos instrumentos indicadores de pressão (manômetros), chaves de pressão (pressostatos), transmissores e controladores. ( ) Os manômetros de fole geralmente são aplicados em faixas de pressão acima de 2 Kgf/cm² de sobrepressão . ( ) Nos manômetros industriais, a precisão dos instrumentos é normalmente de ± 1% da faixa total e o campo de medida aconselhado é de 1/3 a 2/3 do fim de escala.

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Capítulo 2. Medição de pressão

2.7. Glossário ANSI - American National Standards Institute. CLP - Controlador Lógico Programável. Dielétrico - propriedade da substância que possui alta resistência ao fluxo da corrente elétrica, ou seja, se comporta como isolante elétrico. Flange - disco, em forma de aro, adaptado ou fundido na extremidade de um tubo e com que se faz ligação a outro tubo idêntico. Fluor-oil - óleo lubrificante utilizado para reduzir o atrito. Monel - denominação de um conjunto de ligas metálicas compostas de níquel (6570%) e cobre (20-30%), com adição de outros elementos, como ferro, manganês, silício, enxofre, titânio e alumínio que apresenta de alta resistência física e química, além de ter um ponto de fusão acima de 2000ºC. Piezoelétrico - efeito que aparece em alguns materiais capazes de converter energia elétrica em energia mecânica e vice-versa. Ponte wheatstone - dispositivo elétrico usado como medidor de resistências elétricas. Range - corresponde à faixa ou ao campo de medição de uma variável. SDCD - Sistema Digital de Controle Distribuído. SI - Sistema Internacional. Span - diferença algébrica entre o valor máximo e o mínimo de um campo ou faixa de medição. Vaso - equipamento utilizado para processamento de petróleo, normalmente pressurizado.

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2.8. Bibliografia ALVES, José Luiz loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2005. ANSI/ ISA S5.1. Instrumentation Symbols and Identification, 1984. Apostila do Controle e Automação de Processos - módulo 4 do SENAI – RJ e Petrobras Abastecimento, 2000. Apostila do Curso de Controle Automático de Processos da UN-BC/ENGP-AUT. Petrobras, 2000. BEGA, E.A. (Org.). et al. Instrumentação Industrial. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. DELMÉE, Gerard Jean. Manual de Medição de Vazão. 3ª edição. São Paulo: Edgard Blücher, 2003.

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GOMES, Andrea Manhães. Noções Básicas de Instrumentação e Controle. Petrobras, 2006. LIPTÁK, Béla G. Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. PEREIRA, J.P.P. Apostila do Curso de Operador - Automação e Instrumentação. Petrobras, 2006. RIBEIRO, Marco Antônio. Apostila Instrumentação. Salvador, 2005. SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Apostila de Instrumentação Industrial; Vitória, 1999. SILVA, Luiz Carlos da. A Importância da Temperatura do Petróleo Armazenado em Tanques. In: Metrologia e Instrumentação. Disponível em: . Acesso em: 12 abr 2008. THOMAS, José Eduardo (Org.). et al. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência. 2004.

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Capítulo 2. Medição de pressão

2.9. Gabarito 1) Observando o gráfico, defina os termos a seguir. Pres são absoluta = Pressão atm + manométrica Pressão manométrica positiva Pressão atmosférica Pressão barométrica

Pressão manométrica negativa Vácuo perfeito

Relação entre os diferentes tipos de pressão

a) Pressão absoluta. É a pressão medida no ponto A da ilustração. É aquela em que o valor zero de referência corresponde ao zero absoluto. b) Pressão relativa. É a pressão medida no ponto B da ilustração. Corresponde à diferença entre os valores das pressões absoluta e atmosférica no local onde se realiza a medição. 2) Vimos que a medida da pressão relativa é extremamente importante na indústria. Explique por quê. A medida da pressão relativa corresponde ao esforço com que um fluido contido em um vaso tende a vazar. 3) Explique o princípio de funcionamento dos indicadores de pressão tipo Bourdon. Os indicadores de pressão tipo Bourdon são compostos por material elástico que se deforma sob a ação de força proveniente do fluido medido. Esta deformação movimenta um mecanismo que aciona o ponteiro indicador.

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4) Complemente as lacunas, a seguir, de modo a descrever o instrumento apresentado na ilustração.

Tubo de Bourdon - tipo espiral

Trata-se de um manômetro tipo tubo Bourdon, um dos mais utilizados na indústria por sua robustez, simplicidade e custo relativamente baixo.

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É constituído por um tubo metálico em forma de “C”, com uma das extremidades fechada e livre e a outra fixa a um suporte (soquete) que serve de conexão ao ponto de medida. O tubo de Bourdon é o elemento sensível do instrumento que entra em contato direto com o fluido do qual se deseja medir a pressão. 5) Marque V (verdadeiro) ou F (falso) para cada uma das afirmativas. (V)

Os elementos sensores mecânicos e elétricos são utilizados nos instrumentos indicadores de pressão (manômetros), chaves de pressão (pressostatos), transmissores e controladores.

(F)

Os manômetros de fole geralmente são aplicados em faixas de pressão acima de 2 Kgf/cm² de sobrepressão. Justificativa: Os manômetros de fole geralmente são aplicados em faixas de pressão de 0 a 25 mmHg até 0,07 a 2 Kgf/cm² de sobrepressão e vácuo de 760 mmHg.

(V)

Nos manômetros industriais, a precisão dos instrumentos é normalmente de ± 1% da faixa total e o campo de medida aconselhado é de 1/3 a 2/3 do fim de escala.

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Capítulo 3 Medição de nível

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Reconhecer os principais métodos de medição de nível; • Identificar os principais instrumentos de medição de nível utilizados na indústria do petróleo.

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Capítulo 3. Medição de nível

3. Medição de nível

A

medição de nível, embora tenha conceituação simples, requer, por vezes, artifícios e técnicas apuradas.

O nível é uma variável importante na indústria, não somente para a operação do próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário. Os sistemas de medição de nível variam em complexidade, desde simples visores para leituras locais até a indicação remota, registro ou controle automático. Os processos industriais exigem medições tanto de nível de líquidos como de sólidos. Para facilitar a compreensão, costuma-se definir nível como sendo a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido. Em aplicações industriais, podemos ter um vaso com dois líquidos não miscíveis onde se queira medir a interface desses dois líquidos. Neste caso, consideramos a medição de nível de interface ou a medição do nível total. O nível é, portanto, a altura da coluna de líquido ou de sólido no interior de um tanque e sua medição pode ser direta ou indireta, isto é, poderemos medir ou visualizar o nível de forma direta ou inferir indiretamente, conforme listado a seguir. Existem dois métodos de medição usados nos processos em geral: • Método de medição direta - é a medição que se faz tendo como referência a posição do plano superior da substância medida. Os principais instrumentos são: • Réguas; • Visores de nível; • Bóias ou flutuadores.

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• Método de medição indireta - é o tipo de medição que se faz para determinar o nível em função de uma segunda variável. Os principais tipos de medidores são: • Por empuxo; • Por pressão diferencial (diafragma/célula capacitiva); • Capacitivos; • Ultrassônicos; • Por radar.

3.1. Medição direta 100

A seguir detalharemos os métodos de medição citados anteriormente. 3.1.1. Medidores de nível tipo régua Consiste de uma régua ou fita graduada que tem o comprimento conveniente para ser introduzido no reservatório onde o nível será medido. 500 499

Fita Graduada

498 497

2

1

Fita graduada

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Capítulo 3. Medição de nível

3.1.2. Visores de nível Aplica-se nestes instrumentos o princípio dos vasos comunicantes. Um tubo transparente é colocado a partir da base do reservatório até o seu ponto mais alto, permitindo a leitura do nível do líquido, em vasos, colunas, reatores, tanques etc., submetidos ou não à pressão. A forma mais simples, precisa e mais largamente empregada para se medir nível em vãos de processamento contínuo é a utilização dos chamados visores de nível. Esse tipo de visor apresenta algumas características básicas. Leia atentamente. • São utilizados na quase totalidade dos casos de monitoração do nível de líquido ou da interface entre dois líquidos imiscíveis, com exceção dos casos onde a pressão e a temperatura sejam excessivas e impeçam a sua utilização; • Têm baixo instrumentos;

custo

em

comparação

com

outros

tipos

de

• São de fácil manutenção e construídos de maneira a oferecer segurança na operação. É comum encontrarmos os visores de nível (LG) mesmo em locais onde esteja sendo utilizado outro tipo de medidor. Os visores de nível são muito utilizados para aferir instrumentos mais complexos. Para atender às mais variadas aplicações em diversos processos, existem, atualmente, os visores do tipo tubular, de vidro plano, magnéticos, e os visores especiais para o uso em caldeiras.

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a) Visores de vidro tubular Estes visores são normalmente fabricados com tubos de vidro retos com paredes de espessura adequada a cada aplicação. Estes tubos são fixados entre duas válvulas de bloqueio de desenho especial através da união e juntas de vedação apropriadas a cada especificação de projetos. São fornecidas para proteção do tubo de vidro contra eventuais choques externos, hastes protetoras metálicas colocadas em torno do tubo de vidro ou com tubos ou chapas plásticas envolvendo o mesmo.

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Hastes protetoras

Visores tubulares com hastes protetoras

Os tubos de vidro têm diâmetros normalizados onde para cada dimensão estão relacionados valores de pressão e temperatura máximas permissíveis. Devido às características construtivas, os visores de vidro tubular não suportam altas pressões e temperaturas, bem como apresentam alta probabilidade de quebra acidental do vidro por choque externo. Devido às limitações quanto a sua resistência à segurança, os visores de vidro tubular são recomendados para uso em processos que não apresentam pressões superiores a cerca de 2,0 bar e em temperaturas que não excedam a 100º Celsius.

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Capítulo 3. Medição de nível

Não se recomenda o seu uso com líquidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos, visto que a fragilidade destes instrumentos aumenta a possibilidade de perda de produto contido no equipamento. Recomenda-se que o comprimento do tubo não exceda os 750 mm. Caso seja necessário cobrir faixas de variação de nível maiores, recomenda- se usar dois ou mais visores com sobreposição de faixas visíveis. b) Visores de vidro plano Os vidros planos substituíram, ao longo dos anos, quase a totalidade dos visores tubulares. Esse fato decorre da inerente falta de segurança apresentada pelos visores tubulares em aplicações com pressões elevadas. Atualmente, os visores planos representam cerca de 90% das aplicações de visores de nível em plantas industriais. Os visores de vidro plano têm o aspecto mostrado na ilustração a seguir:

Visor de nível plano com três sessões

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São compostos de um ou vários módulos onde se fixam barras planas de vidro. Estes módulos são conhecidos como seções dos visores. Apesar da diversidade de modelos e fabricantes, cada seção apresenta uma altura variando de 100 a 350 mm e, dependendo do desnível a ser medido, os visores podem ser compostos de várias seções (visor multisseção). Contudo, recomenda-se que cada visor tenha, no máximo, quatro seções. Ultrapassando esse limite, o peso da unidade torna-se excessivo e o visor pode deixar de ser auto sustentável, necessitando de suportes adicionais. Caso sejam previstas variações amplas na temperatura do fluido, o visor deverá ser provido com loops de expansão para possibilitar a dilatação ou contração resultantes.

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A principal desvantagem dos visores multisseções são as regiões de não visibilidade entre seções adjacentes que medem normalmente 38 mm. A especificação dos materiais das diversas partes depende da aplicação (temperatura, pressão, tipo de fluido etc.), mas de um modo geral, pode-se dizer que seus componentes são: • Vidro - é de borossilicato temperado capaz de suportar choques térmicos e mecânicos. Devido à sua própria natureza, não deverá ser aplicado qualquer esforço que resulte em flexão; • Corpo de visor - a câmara por onde passa o fluido é geralmente em aço carbono usinado. Para fluidos corrosivos ou alta pressão deverá ser utilizado aço inoxidável (AISI 304 ou 316); • Espelho - a tampa frontal, que deve suportar altas tensões, é fabricada em ferro modular ou aço carbono inoxidável, a fim de suportar pressões médias e elevadas; • Juntas - as juntas de vedação são em papelão hidráulico e as juntas almofadas de amianto (grafitado).

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Capítulo 3. Medição de nível

Existem ainda alguns tipos de visores planos: • Visor plano reflex O visor plano reflex possui um vidro com ranhuras prismáticas na face de contato com o líquido cujo nível se deseja medir. Seu funcionamento baseia-se na lei ótica da reflexão total da luz. A superfície interna do vidro é composta de prismas normais no sentido longitudinal do visor. Os raios normais de luz à face do visor atingem a superfície do prisma com um ângulo de 45º, sofrendo reflexão total, pois o ângulo crítico é ultrapassado para a superfície vidro-ar; o ângulo crítico é de 42º. Nesta condição, o visor apresenta-se para o observador uma cor prata brilhante. Na região do visor onde existe líquido não ocorre a reflexão total, pois o ângulo não é ultrapassado (para a superfície vidro-água é de 62º). Conseqüentemente é possível ver a superfície que se apresenta na cor negra. Os visores reflex NÃO devem ser utilizados nas seguintes aplicações: • Na presença de fluidos corrosivos ao vidro. Neste caso, inclui-se também o vapor d’água saturado a pressões superiores a 30 bar. Tais aplicações requerem que a superfície interna do vidro seja protegida contra o ataque do agente corrosivo (geralmente mica), prejudicando a ação dos prismas; • Fluidos viscosos, pois um agarramento do fluido sobre o vidro torna ineficaz a ação dos prismas; • Iluminação insuficiente no local de instalação; • Detecção da interface de dois líquidos imiscíveis e de mesma cor, caso em que o visor ficaria escurecido por igual na região onde qualquer dos dois líquidos imiscíveis estivesse presente.

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• Visor plano transparente Utiliza dois vidros localizados um na parte posterior do visor e outro na parte anterior. Os dois vidros vão permitir a transparência do visor à luz. O raio luminoso entrará por um dos vidros e será absorvido parcial ou totalmente pelo fluido no interior do visor. A parte com vapor absorverá menos luz que a com líquido, proporcionando assim um contraste ao observador. Para melhorar a visibilidade, pode-se dotar o visor de lâmpadas, localizadas na parte posterior. Os visores transparentes podem ser utilizados: • Em fluidos coloridos, viscosos ou corrosivos ao vidro; • Na supervisão da interface entre dois líquidos;

106

• São usados ainda quando o fluido no interior do visor for corrosivo ao vidro (como por exemplo, a água de caldeira a pressões superiores a 30 bar). Nesse caso, é necessário instalar um material transparente protetor (geralmente mica) entre o vidro e a junta de vedação. A seleção desse material deverá ser criteriosa para não prejudicar a visibilidade do instrumento. Alguns plásticos, por exemplo, tornamse translúcidos com a ação da luz solar e devem ser evitados.

IMPORTANTE! Os visores de vidro devem ser instalados em posição que permita ao técnico de operação uma boa visibilidade e fácil acesso para manutenção do tubo de vidro, das válvulas e juntas. O vidro deve ser mantido sempre limpo e as condições das juntas de vedação e válvulas de bloqueio devem ser verificadas periodicamente.

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Capítulo 3. Medição de nível

c) Visor de nível tipo bóia magnética Estes visores são normalmente fabricados com tubos antimagnéticos fixados externamente aos vasos ou tanques. Pelo princípio de vasos comunicantes uma bóia com imã permanente desliza dentro do tubo, acompanhando o nível do tanque. Palhetas bicolores ou flutuadores são acionados pelo imã da bóia, através da parede do tubo. Estas palhetas magnéticas são posicionadas em um tubo de vidro hermeticamente selado.

107

Visor de nível magnético

3.1.3. Bóia ou flutuadores O medidor de nível tipo bóia ou flutuador livre indica a variação de nível do líquido através do movimento ascendente e descendente do flutuador ligado por meio de uma fita metálica ou corrente a um peso.

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Alta Competência

Escala

Contrapeso

Boia

Boia Líquido (a)

(b)

Medidores de nível com flutuador ligado a uma fita metálica (b) e ligado a um peso (a)

3.1.4. Medidor de nível com flutuador externo

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Neste tipo de medidor o flutuador é colocado em uma câmara montada do lado de fora do tanque. Conforme varia o nível, o flutuador movimenta-se verticalmente. Este, por sua vez, transmite esta variação ao elemento indicador através de um sistema de alavancas. Com este tipo de medidor pode-se obter nível em tanques/ vasos pressurizados. É indicado especialmente para os casos em que a instalação de um flutuador tipo bóia dentro do tanque de medição não for recomendada. Nas plataformas marítimas de produção, os vasos separadores de produção utilizam este tipo de elemento sensor nas chaves de nível para alarme e segurança, conforme ilustração a seguir:

Medidor de nível com flutuador externo

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Capítulo 3. Medição de nível

109

Chave de nível tipo flutuador instalada externamente nos vasos

3.2. Medição indireta A variação do nível do fluido de processo é determinada utilizando elementos indiretos que permitem a medição de uma segunda variável como, por exemplo, peso aparente, pressão, capacitância etc. Os principais tipos de medidores são: • Deslocador ou de empuxo; • Pressão diferencial (diafragma/célula capacitiva); • Capacitivos; • Ultrassônicos; • Radar.

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3.2.1. Medidor tipo deslocador ou de empuxo Este medidor de nível é provido de um elemento sensor que utiliza o princípio de Arquimedes. Relembremos: "Um corpo imerso em um líquido sofre uma força empuxo vertical de baixo para cima que é igual ao peso do volume do líquido deslocado."

a) Princípio do instrumento tipo empuxo Considerando o princípio de Arquimedes, o empuxo é igual ao peso do fluido deslocado. E = Pf

110

Como o peso do fluido é igual à massa multiplicada pela aceleração da gravidade, então: Pf = m.g Considerando que a massa é o produto do volume pela massa específica. m = V. ρ Temos que:

Onde: E = força empuxo; Pf = peso; V = volume do cilindro;

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Capítulo 3. Medição de nível

A = área do cilindro; ρ = massa específica; h = altura do cilindro; g = aceleração da gravidade. Neste tipo de medidor, empregamos um elemento de forma cilíndrica, alongado, também conhecido como displacer ou deslocador, cujo empuxo varia proporcionalmente com as variações de massa específica do fluido de processo e indiretamente em relação à variação do nível do tanque. O corpo (displacer) é suportado por uma mola e, à medida que o nível varia, o peso aparente do corpo se modifica, solicitando mais ou menos a mola. Os deslocamentos resultantes, proporcionais às variações do nível, são então convenientemente aproveitados para promover uma forma qualquer de indicação, ou ainda, acionar dispositivos pneumáticos ou eletrônicos para transmissão de informações.

0

4 3

1

3 Ib

0

4 3

2

1

2 Ib

0

4 3

2

1

1 Ib

2

2.25 in. diameter, 14 in long

14-in. water level

7-in. water level 0-in. water level (A)

(B)

(C)

Princípio de funcionamento do medidor tipo empuxo

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111

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A variação do peso aparente do displacer ou deslocador pode ser usada para transmitir este movimento para um sistema mecânico ou pneumático tipo tubo de torção ou a um sistema elétrico com movimentos ascendentes e descendentes do núcleo de uma bobina. A seguir, vejamos a imagem de transmissores (medidores) de nível, tipo displacer, que utilizam o tubo de torção.

112 Transmissor elétrico e transmissor pneumático, respectivamente

3.2.2. Medidor tipo pressão diferencial Estes instrumentos, quando utilizados em medição de nível, medem a pressão gerada pela coluna líquida em determinado ponto dos equipamentos (vasos, tanques, coletores, torres etc.) cujo nível se deseja medir. • Princípio de funcionamento Este medidor de nível é baseado na lei de Stevin, conforme a equação a seguir:

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Capítulo 3. Medição de nível

Onde: Pb = pressão num ponto “b” qualquer; Patm = pressão atmosférica; ρ = massa específica; g = aceleração da gravidade; h = altura do líquido. Quando realizamos a medição de nível em tanques ou vasos, a pressão exercida pela coluna líquida, em um determinado ponto, é medida utilizando-se os medidores de pressão diferencial.

113 Geralmente, a medição da pressão diferencial proporcional ao nível do tanque é feita através de elementos sensores tipo diafragma utilizados nos transmissores de célula capacitiva. Para esse tipo de medição de nível através da pressão diferencial há a necessidade de instalação de tomadas nos tanques. O princípio mais comum de funcionamento dos transmissores de pressão diferencial do tipo diafragma é o princípio de equilíbrio de forças. O elemento sensor tipo diafragma possui duas tomadas de pressão, situadas em lados opostos, estanques entre si. Estas pressões, atuando sobre o elemento sensor, produzem forças de mesma direção e sentidos opostos, gerando uma deformação do diafragma. Essa força resultante provoca uma variação de capacitância proporcional à pressão diferencial que é convertida e amplificada, proporcionando um sinal de saída, em corrente, na saída do transmissor, que é normalmente de 4 - 20 mA. Esse tipo de medidor de pressão diferencial pode ser utilizado em tanques atmosféricos e pressurizados.

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a) Tanque atmosférico O lado de alta pressão do transmissor de pressão diferencial é ligado pela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão é aberto para a atmosfera. A pressão estática é diretamente proporcional ao peso do fluido, uma vez que a pressão atmosférica atua nas duas tomadas, sendo anulada. Logo o medidor de pressão diferencial mede a pressão estática. O transmissor de pressão diferencial é usualmente montado em uma posição que corresponde ao nível mínimo de medição.

114

Transmissor de nível de pressão diferencial para pressão atmosférica

Transmissor tipo falange

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Capítulo 3. Medição de nível

O cálculo da altura do líquido, quando montado em uma posição que corresponde ao nível baixo de medição, pode ser determinado pela equação: P = .g.h ou P h = .g Onde: ΔP = variação da pressão (P1 - P0 ); P0 = pressão atmosférica; P1 = peso do Fluido + P0;

115

ρ = massa específica; h = altura; g = aceleração da gravidade. b) Tanque pressurizado No tanque pressurizado as tomadas de alta (H) e baixa pressão (L) dos transmissores são conectadas individualmente na parte baixa e alta do tanque, respectivamente. A diferença de pressão é proporcional ao nível fluido, sendo:

Transmissor de nível de pressão diferencial com duas tomadas de alta (high) e baixa (low) pressão

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P1 h P2

H L

Onde: ΔP = variação da pressão (P2 - P1); P1 = pressão de topo;

116

P2 = peso do fluido + P1; ρ = massa específica; h = altura; g = aceleração da gravidade. c) Para tanque fechado com vapor Quando se necessita medir nível em tanque fechado contendo vapor, se faz necessário preencher a tomada de alta pressão com um líquido, que normalmente é a água. Isso evita que a formação de uma coluna condensado, que se acumularia no interior do tanque, provoque uma medição falsa. Neste caso, na calibração do transmissor deve-se fazer a calibração para a correção do efeito desta coluna.

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Capítulo 3. Medição de nível

Selagem com coluna de água

P1 h P2

H L

P3

Onde: ΔP = P3 – P2; P3 = P1 + coluna de água;

117

P2 = peso do fluido no tanque + P1; ρ = massa específica; h = altura; g = aceleração da gravidade. 3.2.3. Medidor tipo ultrassônico É a medição através de um tipo de medidor de nível contínuo, que utiliza a onda sonora (mecânica). Os instrumentos ultra-sônicos têm como princípio de operação a reflexão da onda gerada pelo emissor da onda quando esta encontra a superfície do produto cujo nível se deseja medir.

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Instrumento de medição de nível ultrassônico

3.2.4. Medição de nível por radar

118

É realizada por um tipo de medidor de nível contínuo que utiliza para tal a onda eletromagnética. Os instrumentos tipo radar têm como princípio de operação a reflexão da onda gerada pelo transdutor, quando encontra a interface com o produto cujo nível se deseja medir ou, mais precisamente, o tempo gasto pela onda desde o instante em que é gerada, até o instante em que retorna àquele transdutor, depois de refletir-se na superfície.

Medidor de nível por radar

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Capítulo 3. Medição de nível

O sinal eletromagnético emitido pela antena é refletido ao incidir, perpendicularmente, sobre a superfície de um líquido ou sólido com constante dielétrica diferente do meio gasoso, usualmente o ar existente acima do produto. O sinal refletido (ECO) é captado pela própria antena emissora e é utilizado na medição do nível do líquido ou sólido existente no interior, por exemplo, de um tanque. Os medidores do tipo radar possuem antenas onde ocorrem a emissão e a recepção das ondas eletromagnéticas. Estas antenas podem ser do tipo cônica ou corneta, parabólica, haste, por exemplo. IMPORTANTE! O medidor de nível do tipo TDR (Reflectometria no Domínio do Tempo), também conhecido como radar de onda guiada, é um outro medidor tipo radar, que utiliza onda eletro magnética guiada através de hastes ou cabos em lugar da antena. O medidor TDR é instalado no topo do tanque e envia pulsos de um sinal eletromagnético guiado através de dois condutores ou haste que é refletido ao incidir sobre a superfície de um líquido, com constante dielétrica diferente do ar existente acima do produto.

3.2.5. Medidor capacitivo Estes medidores são utilizados para medição contínua de nível de líquido e são instalados no topo dos tanques ou vasos. Sua estrutura consiste basicamente de uma sonda cilíndrica, inserida verticalmente no vaso em que se deseja medir o nível. A sonda capacitiva pode ser isolada ou não, e serve com uma das placas do capacitor, enquanto as paredes do vaso formam a outra placa e o fluido comporta-se como o dielétrico. O valor da capacitância é função da área do capacitor, da distância entre as placas e da constante dielétrica que depende do fluido a ser medido.

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119

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Amplificador

Indicador

Sonda capacitativa

Medidor capacitivo

120

O valor da capacitância é medido através de um circuito amplificador, excitado por um circuito oscilador de alta freqüência (0,5 a 1,5 MHz). Quando varia o nível no interior do vaso, alteram-se as proporções entre líquido e vapor. Como a constante dielétrica da maioria dos líquidos é maior que a dos vapores, as variações de nível no interior do vaso traduzem-se em variações quase lineares do valor da capacitância. Este tipo de medidor pode ser usado para a medição de interface entre dois líquidos que apresentem constantes dielétricas diferentes.

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Capítulo 3. Medição de nível

3.3. Exercícios 1) Responda ao que se pede. a) O que é método de medição direta? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ______________________________________________________________ b) O que é método de medição indireta? _____________________________________________________________ ______________________________________________________________ 2) Escreva D para os principais instrumentos utilizados nos métodos de MEDIÇÃO DIRETA e I, para os tipos mais aplicados nos métodos de MEDIÇÃO INDIRETA.

121

( ) Réguas. ( ) Por empuxo. ( ) Ultrassônicos. ( ) Visores de nível. ( ) Por radar. ( ) Por pressão diferencial. ( ) Bóias ou flutuadores. ( ) Capacitivos.

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3) Faça a correlação entre alguns tipos de medidores e suas descrições. Medidor Medidores de ( ) nível tipo régua

Descrição Indica a variação de nível do líquido através do movimento ascendente e descendente do flutuador ligado por fita metálica ou corrente a um peso.

2.

Medidor tipo ( ) pressão diferencial

Medem a pressão gerada pela coluna líquida em determinado ponto dos tanques ou vasos.

3.

Medidor tipo ( ) deslocador ou de empuxo

Neste tipo de medidor, o flutuador é colocado em uma câmara montada do lado externo do tanque. Com a variação do nível, o flutuador movimenta-se verticalmente, transmitindo esta variação.

4.

Bóia ou flutu- ( ) adores

Régua ou fita graduada que tem o comprimento adequado, a fim de ser introduzido no reservatório para medir o nível.

5.

Medidor de ní- ( ) vel com flutuador externo

Este medidor de nível é provido de um elemento sensor que utiliza o princípio de Arquimedes.

1.

122

4) Identifique os instrumentos de medição de nível representados a seguir:

_____________________________________

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Capítulo 3. Medição de nível

_________________________________________

123

Hastes protetoras

_______________________________________

_______________________________________

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3.4. Glossário AISI - Aço inoxidável. Exemplo:O AISI 304 é um aço austenítico não magnético com pelo menos 18% de Cromo (Cr) e 8% de Níquel (Ni), elemento que lhe confere superioridade no que tange à sua propriedade anti-corrosiva em relação ao AISI 430, um aço ferrítico magnético com 16% de Cromo (Cr) na sua composição. Dielétrico - propriedade da substância que possui alta resistência ao fluxo da corrente elétrica, ou seja, se comporta como isolante elétrico. Imiscível - materiais ou substâncias que ao serem misturados sempre acabam formando misturas heterogêneas com duas fases. Miscível - materiais ou substâncias que, ao serem misturados, acabam formando uma mistura homogênea monofásica. TDR - reflectometria no domínio do tempo.

124

Transdutor - termo genérico que designa um dispositivo que recebe informação na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica a informação, a sua forma ou ambas e envia um sinal de saída resultante.

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Capítulo 3. Medição de nível

3.5. Bibliografia ALVES, José Luiz loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de processos. Rio de Janeiro: LTC, 2005. ANSI/ ISA S5.1.Instrumentation Symbols and Identification, 1984. Apostila do Controle e automação de processos módulo 4 do SENAI – RJ e Petrobras Abastecimento, 2000. Apostila do Curso de Controle Automático de Processos da UN-BC/ENGP-AUT. Petrobras, 2000. BEGA, E.A. (Org.). et al. Instrumentação Industrial. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. DELMÉE, Gerard Jean. Manual de Medição de Vazão. 3ª edição. São Paulo: Edgard Blücher, 2003. GOMES, Andrea Manhães. Noções Básicas de Instrumentação & Controle. Petrobras, 2006. LIPTÁK, Béla G. Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. PEREIRA, J.P.P. Apostila do Curso de Operador - Automação e Instrumentação. Petrobras, 2006. RIBEIRO, Marco Antônio. Apostila Instrumentação. Salvador, 2005. SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Apostila de Instrumentação Industrial. Vitória, 1999. SILVA, Luiz Carlos da. A Importância da Temperatura do Petróleo Armazenado em Tanques. In: Metrologia e Instrumentação. Disponível em: . Acesso em: 12 abr 2008. THOMAS, José Eduardo (Org.). et al. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2004. VAN DE KAMP, W. The Theory and Practice of Level Measurement. Naarden, Holland. Endress+Hauser, 2001.

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125

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3.6. Gabarito 1) Responda ao que se pede. a) O que é método de medição direta? Método de medição direta refere-se à medição que se faz tendo como referência a posição do plano superior da substância medida. b) O que é método de medição indireta? Trata-se de um método que se faz para determinar o nível em função de uma segunda variável. 2) Escreva D para os principais instrumentos utilizados nos métodos de MEDIÇÃO DIRETA e I, para os tipos mais aplicados nos métodos de MEDIÇÃO INDIRETA. (D) Réguas. ( I ) Por empuxo. ( I ) Ultra sônicos.

126

(D) Visores de nível. ( I ) Por radar. ( I ) Por pressão diferencial. (D) Bóias ou flutuadores. ( I ) Capacitivos. 3) Faça a correlação entre alguns tipos de medidores e suas descrições. Medidor

Descrição

1.

Medidores de nível tipo régua

(4)

Indica a variação de nível do líquido através do movimento ascendente e descendente do flutuador ligado por fita metálica ou corrente a um peso.

2.

Medidor tipo pressão diferencial

(2)

Medem a pressão gerada pela coluna líquida em determinado ponto dos tanques ou vasos.

3.

Medidor tipo deslocador ou de empuxo

(5)

Neste tipo de medidor, o flutuador é colocado em uma câmara montada do lado externo do tanque. Com a variação do nível, o flutuador movimenta-se verticalmente, transmitindo esta variação.

4.

Bóia ou flutuadores

(1)

Régua ou fita graduada que tem o comprimento adequado, a fim de ser introduzido no reservatório para medir o nível.

5.

Medidor de nível com flutuador externo

(3)

Este medidor de nível é provido de um elemento sensor que utiliza o princípio de Arquimedes.

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Capítulo 3. Medição de nível

4) Identifique os instrumentos de medição de nível representados a seguir:

Instrumento de medição de nível ultra-sônico

127

Medidor de nível tipo pressão diferencial

Hastes protetoras

Visores tubulares com hastes protetoras

Medidor de nível com flutuador externo CORPORATIVA

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Capítulo 4 Medição de temperatura

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Reconhecer os principais elementos sensores utilizados em processos de medição de temperatura na indústria do petróleo; • Distinguir processos de medição de temperatura utilizados em condições distintas.

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130

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Capítulo 4. Medição de temperatura

4. Medição de temperatura

A

temperatura é uma grandeza que mede a capacidade que um corpo possui para transferir calor entre ele e outro corpo. A medição de temperatura é muito difícil por ser facilmente influenciada por fatores externos aos dispositivos de medida ou pela inércia térmica inerente ao sistema em si. Podemos imaginar a importância do controle da temperatura nos processos industriais, em especial, na indústria do petróleo. A medição e o controle dessa variável são de importância vital, pois o petróleo varia suas características de viscosidade e, conseqüentemente, de escoamento, em função da variação da temperatura. Vejamos, então, os elementos sensores mais usados na monitoração, controle e segurança da variável temperatura em diversas fases do processo de produção do petróleo.

?

VOCÊ SABIA? O volume ocupado pelo petróleo e os seus derivados no interior dos tanques sofre forte influência da temperatura. A faixa de variação do coeficiente de dilatação térmica é de 0,06% a 0,30% por grau Celsius. Isto significa que uma variação de 10º C na temperatura pode provocar variações de até 3% no volume ocupado pelo produto no interior do tanque. (Silva, 2008)

4.1. Elementos sensores de temperatura Os medidores de temperatura podem ser divididos em dois grupos: o que utiliza um sistema mecânico e o outro que utiliza um sistema elétrico. Ambos transformam a variável de processo temperatura em grandezas físicas (mecânico) ou grandezas elétricas.

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131

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4.1.1. Elementos sensores mecânicos Baseiam-se na dilatação ou contração dos corpos a partir de uma força ou movimento no mecanismo do sistema de medição. Estes elementos sensores são comumente utilizados nos Indicadores de Temperatura ou Termômetros (TI) e nos Transmissores de Temperatura (TT), dos sistemas de monitoração e de controle e segurança, respectivamente. Os termômetros desse sistema podem ser classificados em: • Termômetro tipo fluido de enchimento; • Termômetros de haste de vidro;

132

• Termômetros bimetálicos. a) Termômetro de fluido de enchimento Este tipo de termômetro é composto de um bulbo e de um elemento semelhante ao sensor de pressão, tubo de Bourdon, interligados por um capilar, sendo o sistema todo preenchido por um fluido. O bulbo é posicionado no local onde se deseja medir a temperatura. Quando há uma variação de temperatura no local de medição, a pressão interna do sistema também varia. Essa variação de pressão é captada pelo tubo de Bourdon. Basicamente, teremos um medidor de pressão com escala calibrada para temperatura. O conjunto bulbo + capilar + elemento receptor é cheio de um fluido. O tipo do fluido determina a classe ou o grupo do sistema termal. A classificação estabelecida pela Scientific Apparatus Manufacturer Association (SAMA) é a seguinte: Classificação Classe I Classe II Classe III

Enchimento Um líquido não volátil Um líquido volátil Um gás

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Capítulo 4. Medição de temperatura

Os sistemas de enchimento termal possuem as seguintes características, divididas entre vantagens e desvantagens. Leia atentamente. Vantagens

Desvantagens

• É um método simples e de uso comprovado; • Não requer nenhuma fonte de alimentação, a não ser que haja transmissão; • Possuem construção robusta e insensível às vibrações e aos choques mecânicos; • Há uma boa seleção de faixas calibradas e larguras de faixas de medição estreitas;

• Tempo lento de resposta; • Falha no bulbo requer a substituição do instrumento completo, constituído de bulbo + capilar + elemento sensor de pressão.

• São mecânicos, portanto seguros mesmo em atmosfera perigosa.

133

b) Termômetro de haste de vidro O termômetro de haste de vidro é classificado como Classe I e usa como enchimento líquido não volátil. O princípio de funcionamento é a dilatação do líquido. A variação da temperatura medida faz o fluido se dilatar, alterando a pressão interna do sistema. A pressão e suas variações são sentidas pelo elemento receptor de pressão.

F 240 220 200 180

230 210 190

160

170

140

150

120

130

100

110

80

90

60

70 50

40

30

Termômetro com haste de vidro

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Líquidos termométricos mais comuns Substância Mercúrio Xilol Álcool

Faixa de medição - 25 a 540 ºC - 40 a 400 ºC - 5 a 150 ºC

Observe na tabela a seguir as vantagens e desvantagens do uso do termômetro de haste de vidro. Vantagens

Desvantagens • Leitura difícil;

• Baixo custo;

• Confinamento ao local de medição;

• Simplicidade;

• Não adaptável para transmissão, registro ou controle automático;

• Grande durabilidade, se manipulado corretamente.

134

• Susceptível à quebra, pois é de vidro e frágil sistema de transmissão.

c) Termômetros bimetálicos Os termômetros bimetálicos são construídos com duas tiras finas de metais diferentes que são fixadas uma na outra em toda a sua extensão. Estes metais possuem coeficientes de dilatação diferentes e, ao serem aquecidos, expandem-se em proporções e velocidades diferentes. Nos termômetros industriais estas tiras unidas tomam freqüentemente a forma de uma espiral ou helicóide. A espiral é formada colocando-se o metal com maior coeficiente de expansão do lado externo. Quando o calor é aplicado à haste do termômetro, a espiral se enrola e este movimento faz girar o eixo do ponteiro.

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Capítulo 4. Medição de temperatura

Cabeçote

Termômetro Bimetálico

Instrumento de Montagem Eixo

Espiral Bi-Matálica

Haste

Seção Transversa Bi-Metálica

Visor de Vidro

Dois Metais com Coeficientes de Expanção Diferentes

Escala Ponteiro

Termômetro bimetálico

Pares metálicos utilizados em termômetros bimetálicos Metal A

Metal B

Coeficiente de deflexão**

Latão

Invar*

14 x 10-6

Ni - Cr - Fe

Invar

13,7 x 10-6

Mn - Ni - Cu

Invar

19,6 x 10-6

** Liga de níquel e ferro, cujo coeficiente de dilatação é praticamente zero. ** O coeficiente de deflexão k é uma constante.

O movimento da chapa bimetálica tem grande força e pode ser utilizada para acionar um dispositivo qualquer de regulação, como, por exemplo, fazer girar o ponteiro do mostrador de um termômetro ou acionar um circuito elétrico de resistência de um forno, estufa etc. Deve ser sempre utilizado um poço metálico para evitar a corrosão, dar proteção mecânica e permitir a retirada em operação. Esses termômetros têm aplicação similar às dos termômetros de vidro, porém, por serem resistentes, admitem condições de trabalho mais pesadas. São utilizados para medir temperaturas na faixa de -50 ~ + 500 ºC. Veja, na tabela a seguir, as vantagens e desvantagens do uso desse tipo de termômetro.

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Vantagens • É relativamente barato; • A construção é robusta; • Facilidade de instalação e manutenção; • Não exige equipamento adicional ou fonte de energia externa.

Desvantagens • Não permite indicação a distância; • Não é muito exato; • Não opera sobre uma faixa muito grande; • Todos os metais têm limitações físicas e estão sujeitos a deformações permanentes.

4.1.2. Elementos sensores elétricos Os elementos sensores elétricos para medição de temperatura são amplamente utilizados nas plataformas de produção, devido à sua precisão e simplicidade de operação.

136

Baseiam-se na variação de grandezas elétricas, como força eletromotriz (f.e.m) e resistência, sentidas por um circuito eletrônico, que é proporcional à variação de temperatura. Estes elementos sensores são comumente utilizados nos transmissores de temperatura (TT). Os elementos sensores desse sistema podem ser classificados em:

Sensores que variam resistência Sensores que variam força eletromotriz

Termoresistência Termistor Termopar

4.1.2.1. Elementos sensores de resistência Basicamente consiste de um metal que possui a característica de variar a resistência em função da variação da temperatura produzida pelo fluido de processo. Podem ser utilizados para medir temperaturas próximas de zero absoluto (- 273 ºC) até cerca de 850 ºC. O elemento sensor pode assumir duas formas: • Bulbo de resistência (RTD); • Termistor.

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Capítulo 4. Medição de temperatura

a) Bulbo de resistência Também conhecida como termoresistência, os bulbos de resistência são constituídos de um fio enrolado sobre um material isolante recoberto por outra camada isolante. Os materiais isolantes são usualmente vidro, cerâmica ou mica. O bulbo é, em geral, montado dentro de um tubo de proteção com um cabeçote contendo um bloco de conexão, semelhante ao de um termopar. O conjunto pode ainda ser colocado em um poço de proteção. Os metais que melhor atendem a esse tipo de sensor são platina, níquel e cobre. A seguir, incluímos uma tabela com informações básicas sobre esses metais.

137

Materiais utilizados nos resistores Material

Faixa de uso (Range)

Características • Mais utilizado;

Platina

- 258 a 960º C

• Boa estabilidade térmica; • Boa resistência à corrosão. • Mais barato que os resistores de platina;

Níquel

- 150 a 300º C

• Estabilidade térmica e resistência à corrosão menor do que o de platina. • Características de resistência e temperatura praticamente linear;

Cobre

- 200 a 120º C

• Resistividade menor que os de platina e de níquel e, conseqüentemente, exige o uso de instrumentos mais sensíveis.

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IMPORTANTE! O bulbo de resistência é o instrumento padrão recomendado pela Comissão Internacional de Pesos e Medidas, para a medição de temperatura entre -259,34 ºC (ponto triplo de hidrogênio) e +630,74 ºC (ponto de solidificação do antimônio), de acordo com a nova escala internacional prática de temperatura, adotada em 1968 (ITPS-68).

138

A norma alemã DIN 43760, de uso corrente no Brasil, estabelece que o bulbo pt 100 deve ter uma resistência de 100,00 ohms a 0 ºC, e de 138,50 ohms a 100 ºC. Seu coeficiente médio de variação é de 0,00385 ºC entre 0 e 100 ºC. Para cada ºC a resistência aumenta em média 0,385 ohms. A relação resistência x temperatura é ligeiramente nãolinear. Em alguns instrumentos há a possibilidade de compensar essa não-linearidade. Podemos apresentar como principais vantagens dos bulbos de resistência: • Quando comparados a termômetros com enchimento de líquido, gás ou vapor, demonstram maior facilidade de manuseio e eventual substituição; • Quando comparados com termopares, demonstram melhor estabilidade e possibilidade de ligação ao instrumento com fios de cobre; • Não necessitam compensação de junta fria nem de fonte estabilizada nos circuitos de balanceamento contínuo; • Utilizam instrumentos menos sensíveis; • Apresentam resistência à corrosão.

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Capítulo 4. Medição de temperatura

Representação de um termoresistência (RTD)

ATENÇÃO

139

A utilização de 2, 3 ou 4 fios para um RTD tem o objetivo de compensar a queda de tensão nos fios de ligação que influencia a qualidade da medição. b) Termistores O termistor é um material semicondutor, feito de óxidos de metais, como cobalto, níquel, ou manganês, por exemplo, bons condutores de eletricidade, e seu funcionamento é semelhante aos bulbos de resistência, porém neste a resistência diminui com o aumento da temperatura. Por este motivo o termistor é chamado também de resistência NTC (Negative Temperature Coefficient). São utilizados onde necessitam de sensores de pequenas dimensões; aplicações de pesquisas militares e industriais - medidas de superfícies por técnicas de radiação; dados meteorológicos, temperaturas em motores de automóveis. O uso do termistor é cada vez mais freqüente em aeronaves, satélites artificiais e outros aparelhos eletrônicos, com a tendência de miniaturização.

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Os termistores são encontrados na forma de bolha de 0,04 cm de diâmetro, na forma de discos, variando de 0,5 a 2,5 cm de diâmetro e na forma de hastes com diâmetros entre 0,08 a 0,06 cm e comprimento de até 5 cm. Vantagens de uso

Desvantagens de uso

• Podem ser feitos em pequenas dimensões; • Possuem alta sensibilidade e rapidez de reposta (os termistores permitem a medição com intervalos de 1 oC, o que não é possível com um termômetro de resistência normal);

• Menos exatos que os termômetros de resistência; • São relativamente caros.

• Não necessitam da compensação do fio; • São exatos em baixas temperaturas.

4.1.2.2. Elementos sensores de força eletromotriz

140

a) Termopares Termopar é o dispositivo de medição de temperatura mais usado atualmente na indústria. Possui ampla gama de aplicação, é versátil e utiliza o efeito termoelétrico dos metais. O princípio de funcionamento dos termopares se baseia em um fenômeno simples denominado efeito Seebeck que, por sua vez, é conseqüência dos efeitos Peltier e Thomson. O termopar é um dispositivo capaz de gerar eletricidade a partir da diferença de potencial, da ordem de milivolts, gerada pela diferença de temperatura entre dois fios condutores desde que unidos em uma de suas extremidades.

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Capítulo 4. Medição de temperatura

O chamado efeito termoelétrico foi descoberto em 1821, por Thomas Johann Seebeck. Ele observou que quando duas junções de dois metais distintos são submetidas a temperaturas diferentes (T1 e T2) uma força eletromotriz é gerada (f.e.m.) da ordem de milivolts. A diferença de potencial varia, de forma previsível, conforme aumenta a diferença de temperatura, permitindo predizer a temperatura a partir de uma tabela determinada experimentalmente. Os metais envolvidos também influenciam na variação da produção da tensão elétrica. Na ilustração a seguir, temos um circuito fechado formado por dois condutores metálicos A e B. A diferença de temperatura entre T1 e T2 produz uma força eletromotriz (f.e.m.), que gera uma corrente elétrica (I).

141

Representação esquemática de um termopar

Seebeck observou ainda que: I) A f.e.m. é tanto maior quanto a diferença entre as temperaturas; II) A f.e.m. depende da natureza dos metais A e B. Mais tarde, Peltier estudou circuitos desse tipo e constatou que cada uma das duas junções é sede de f.e.m. Um termopar deve possuir as seguintes propriedades: • f.e.m. termal relativamente grande; • Precisão de calibração; • Resistência à corrosão e oxidação; • Relação f.e.m./ temperatura aproximadamente linear.

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• Precisão de termopares Os termopares são geralmente fornecidos na forma de pares de fios casados e devem obedecer a certas normas de precisão estabelecidas por associações de normas técnicas como a norma ISA - Instrument Society of American, por exemplo. Entende-se por precisão de um termopar o máximo desvio que um instrumento, supostamente perfeito e adequadamente calibrado, pode apresentar. A precisão pode ser dada em graus de temperatura ou porcentagem de temperatura medida. Os fabricantes podem fornecer também fios de termopar de qualidade premium (especial), com maior precisão (metade da precisão do termopar normal).

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• Tipos de termopares Embora quaisquer pares de metais possam ser utilizados como termopar, alguns alcançaram maior aceitação na prática industrial. Os termopares são classificados de acordo com suas faixas de temperatura e de f.e.m. avaliáveis em tipo K, E, J, N, B, R e T. Esse último tipo é predominante nos ambientes da Petrobras. Industrialmente, são usados, em geral, os tipos indicados na tabela a seguir: Tipo T J K R S E

Pólo positivo Cobre Ferro Chromel Platina Rodio 13% Platina Rodio 10% Chromel

Pólo negativo Constantan Constantan Alumel Platina Platina Constantan

T. MIN (ºC) - 200 (- 184) 0 (+24) 0 (+24) 0 (+24) 0 -184

T. MAX (ºC) + 400 (+316) + 800 (+ 760) + 1.200 (+ 1.204) + 1.600 (+1.482) + 1.600 + 871

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Capítulo 4. Medição de temperatura

4.2. Poços de proteção Poços de proteção consistem em camisas de aço ou de outro metal que têm o objetivo de proteger os elementos sensores mecânicos ou elétricos contra desgastes abrasivos, choques mecânicos, corrosão e, ainda, para a retirada do elemento para manutenção preventiva. Dois aspectos são fundamentais na medição de temperatura com elementos sensores inseridos em poços de proteção: 1 - As dimensões do elemento sensor e do poço de proteção devem ser equivalentes, não havendo folga excessiva entre a extremidade da ponta do sensor e o fundo do poço. A Norma Petrobras N -1882 de 2004 (revisão c) - Critérios para elaboração de projeto de instrumentação, que estabelece critérios para a utilização de poços de proteção; 2 - As dimensões dos poços de proteção devem ser compatíveis com o diâmetro da tubulação, de forma que a extremidade do elemento sensor esteja posicionada na metade do diâmetro da tubulação.

Poços de proteção

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4.3. Exercícios 1) Complete as lacunas. a) O instrumento padrão recomendado pela Comissão Internacional de Pesos e Medidas, para a medição de temperatura entre -259,34 ºC (Ponto triplo de hidrogênio) e + 630,74 ºC (Ponto de solidificação do antimônio), de acordo com a nova escala internacional prática de temperatura, adotada em 1968 (ITPS-68), é o ________________________ . b) O __________ é um dispositivo constituído por um semicondutor, com um coeficiente de variação de resistividade geralmente negativa e bastante elevada, quando comparado aos metais comuns.

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c) O dispositivo de medição de temperatura mais usado atualmente na indústria, que possui ampla gama de aplicação, é versátil e utiliza o efeito termoelétrico dos metais e mede temperaturas na faixa de -200 a + 1.700 ºC é o ____________. d) As camisas de aço ou outro metal que têm como objetivo proteger termopares em situações de pressão ou de relação pressão / temperatura elevada são chamadas de _______________________. 2) O que são elementos sensores mecânicos? _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3) Quais são os elementos sensores utilizados nos transmissores de temperatura com sinal de saída eletrônicos? ________________________________________________________________ 4) O bulbo de resistência e o termistor são sensores elétricos para medição de temperatura, amplamente utilizados nas plataformas de produção por sua precisão e simplicidade de operação. Qual a principal diferença entre eles? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

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Capítulo 4. Medição de temperatura

4.4. Glossário DIN - norma regulamentadora alemã correspondente a padronização representante do ISO no país. F.e.m - força eletromotriz. ISA - Instrument Society of American. NTC - Negative Temperature Coefficient. RTD - sensor de temperatura. SAMA - Scientific Apparatus Manufacturer Association. Termoelétrico - efeito de variação de temperatura a partir da variação de temperatura. TI - Indicadores de Temperatura ou Termômetros.

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TT - Transmissores de Temperatura.

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4.5. Bibliografia ALVES, José Luiz loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de processos. Rio de Janeiro: LTC, 2005 ANSI/ ISA S5.1.Instrumentation Symbols and Identification, 1984. Apostila do Controle e automação de processos módulo 4 do SENAI – RJ e Petrobras Abastecimento, 2000. Apostila do Curso de Controle Automático de Processos da UN-BC/ENGP-AUT. Petrobras, 2000. BEGA, E.A. (Org.). et al. Instrumentação Industrial. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. DELMÉE, Gerard Jean. Manual de Medição de Vazão. 3ª edição. São Paulo: Edgard Blücher, 2003.

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GOMES, Andrea Manhães. Noções Básicas de Instrumentação & Controle. Petrobras, 2006. LIPTÁK, Béla G. Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. PEREIRA, J.P.P. Apostila do Curso de Operador - Automação e Instrumentação. Petrobras, 2006. RIBEIRO, Marco Antônio. Apostila Instrumentação. Salvador, 2005. SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Apostila de Instrumentação Industrial. Vitória, 1999. SILVA, Luiz Carlos da. A Importância da Temperatura do Petróleo Armazenado em Tanques. In: Metrologia e Instrumentação. Disponível em: . Acesso em: 12 abr 2008. THOMAS, José Eduardo (Org.). et al. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2004. VAN DE KAMP, W. The Theory and Practice of Level Measurement. Naarden, Holland. Endress+Hauser, 2001.

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4.6. Gabarito 1) Complete as lacunas: a) O instrumento padrão recomendado pela Comissão Internacional de Pesos e Medidas, para a medição de temperatura entre -259,34 ºC (Ponto triplo de hidrogênio) e + 630,74 ºC (Ponto de solidificação do antimônio), de acordo com a nova escala internacional prática de temperatura, adotada em 1968 (ITPS-68), é o bulbo de resistência . b) O termistor é um dispositivo constituído por um semicondutor, com um coeficiente de variação de resistividade geralmente negativa e bastante elevada, quando comparado aos metais comuns. c) O dispositivo de medição de temperatura mais usado atualmente na indústria, que possui ampla gama de aplicação, é versátil e utiliza o efeito termoelétrico dos metais e mede temperaturas na faixa de -200 a + 1.700 ºC é o termopar. d) As camisas de aço ou outro metal que têm como objetivo proteger termopares em situações de pressão ou de relação pressão / temperatura elevada são chamadas de poços de proteção. 2) O que são elementos sensores mecânicos?

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São mecanismos de detecção que emitem sinal elétrico (ou pneumático) quando em contato com o objeto a ser detectado. 3) Quais são os elementos sensores utilizados nos transmissores de temperatura com sinal de saída eletrônicos? Elementos de temperatura tipo termoresistência e termopar. 4) O bulbo de resistência e o termistor são sensores elétricos para medição de temperatura, amplamente utilizados nas plataformas de produção por sua precisão e simplicidade de operação. Qual a principal diferença entre eles? No bulbo de resistência, o elemento sensível é um semicondutor, cuja resistência elétrica, via de regra, aumenta com temperatura. Já o termistor é constituído por material semicondutor, cuja resistência elétrica diminui com o aumento de temperatura.

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Capítulo 5 Medição de vazão

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Reconhecer os principais elementos sensores utilizados em processos de medição de vazão na indústria do petróleo; • Distinguir processos de medição de vazão utilizados em condições distintas. • Reconhecer a adequada aplicação dos diferentes processos de medição de vazão.

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Capítulo 5. Medição de vazão

5. Medição de vazão

O

que chamamos de vazão refere-se ao volume de um líquido que escorre através de uma secção em função de uma determinada unidade de tempo.

Vazão é uma das grandezas mais utilizadas na indústria e as aplicações relacionadas a esse conceito, incontáveis, o que inclui a medição de vazão de água residencial e em estações de tratamento, a medição de gases industriais e de combustíveis e outras relacionadas até a medicina. O controle realizado da vazão é o que chamamos de medição de vazão. A medição de vazão de fluidos é de grande importância na indústria do petróleo e sem ela seria impossível quantificar a produção dos processos industriais.

?

VOCÊ SABIA? A importância comercial da medição de vazão é de grandes proporções. Vejamos o exemplo do gasoduto Bolívia-Brasil, que leva gás natural da Bolívia até São Paulo. Ele foi projetado para transportar, diariamente, milhões de metros cúbicos de gás natural. Se houver um erro sistemático de apenas 1% em um medidor de vazão, isso pode representar prejuízos da ordem de U$ 150.000 por dia.

5.1. Medição de vazão - instrumentos Estão disponíveis no mercado diversos elementos sensores para a medição de vazão. Cada elemento sensor possui uma aplicação para a medição de vazão de fluidos e são utilizados para monitoração, medição, controle e segurança. Na medição de vazão os elementos sensores de vazão que entram em contato direto com a variável de processo são considerados elementos sensores primários de vazão e possuem representação gráfica específica, conforme tratado no capítulo sobre simbologia.

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A medição de vazão é uma área da Metrologia e possui aplicações adequadas às condições impostas pelo processo. Geralmente, o que se mede é a vazão de um líquido, de um gás ou do vapor. Como os elementos sensores medem a vazão instantânea, usualmente os valores de vazão são transmitidos para computadores que irão totalizar, indicar e registrar os resultados das vazões. Os computadores de vazão podem ser instrumentos físicos ou podem ser implementados em PLC. A medição de vazão é regulamentada pela Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), que publicou uma portaria em conjunto com o INMETRO.

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A Portaria Conjunta Nº 1 da ANP/INMETRO estabelece, no item nº 5, critérios gerais de medição. Um dos mais importantes é definido através do texto a seguir: Os equipamentos e sistemas de medição devem ser projetados, instalados, operados, testados e mantidos em condições adequadas de funcionamento para medir, de forma acurada e completa, as produções de petróleo e gás natural para fins fiscais e os volumes para controle operacional da produção, transporte, estocagem, importação e exportação de petróleo e gás natural.

Metrologicamente, a medição de vazão envolve conceitos que não serão tratados neste material. Iremos definir, basicamente, o princípio de funcionamento de alguns elementos sensores aplicados à medição de processo na área de produção de petróleo.

5.2. Medição de vazão - definições Sabemos que vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através da seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo.

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Capítulo 5. Medição de vazão

A vazão também pode ser obtida pelo resultado da multiplicação da área seccional pela média da velocidade do fluido. Vejamos as respectivas definições. a) Vazão volumétrica É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma certa seção em um intervalo de tempo considerado. Q = V/t Unidades - m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM, Nm3/h e SCFH. Na medição de vazão volumétrica, é importante referenciar as condições básicas de pressão e temperatura, principalmente para gases e vapor, pois o volume de uma substância depende da pressão e temperatura a que está submetido. b) Vazão mássica É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por unidade de tempo. Qm = m/ t Unidades: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h. c) Vazão gravitacional É a quantidade em peso que passa por uma certa seção por unidade de tempo.

Unidade : kgf/h e lbf/h.

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5.3. Medidores de vazão - tipos e características Os medidores de vazão podem ser classificados segundo os seus princípios de funcionamento. As condições de serviço dos medidores de vazão são extremamente diversificadas. Como os fluidos medidos podem ser viscosos, abrasivos, corrosivos ou carregados de impurezas, para cada caso corresponde um tipo de medidor, isto é, um tipo de elemento sensor. Semelhante aos medidores de nível, os medidores de vazão podem ser classificados de acordo com sua forma e características especiais, conforme apresentados na tabela a seguir: Classificação dos medidores Tipo de medidor

Princípio

Elemento sensor

154 Indireto

Perda de carga variável

Placa de orifício

Diretos de volume do fluido passante

Deslocamento positivo do fluido

Engrenagens ovais

Turbina Eletromagnético Especiais

Ultrassom Mássico ou Coriolis _

* Nos medidores especiais os elementos sensores são as partes que entram em contato direto com o fluido. O elemento sensor é o próprio princípio

a) Medidores indiretos Esse tipo de elemento sensor utiliza variáveis específicas de processo para a medição da vazão de fluidos. A pressão diferencial pode ser enviada para registradores, transmissores eletrônicos ou pneumáticos que farão a relação da pressão diferencial com a vazão instantânea. A totalização da vazão é feita nos computadores de vazão ou diretamente no PLC, que possuem uma função de extração de raiz, pois a medição de vazão pela pressão diferencial quadrática.

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Capítulo 5. Medição de vazão

Elemento sensor - placa de orifício De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial (perda de carga) e assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor custo e, portanto, a mais empregada. Considerando-se uma tubulação com um fluido passante, chama-se perda de carga dessa tubulação a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. No caso apresentado na ilustração temos representadas uma placa de orifício e a queda de pressão produzida.

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Placa de orifício

Relacionando essa perda de pressão com a vazão, determina-se a medição de vazão pela seguinte equação:

Onde: Q = vazão do fluido do local do estreitamento; K = constante;

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P1 = pressão medida; Pp = pressão de projeto; T1 = temperatura medida; Tp = temperatura de projeto; ΔP = perda de carga entre o fluxo, a montante e jusante do estreitamento.

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A placa de orifício consiste, basicamente, de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha, indo desde 1/16” até 1/4”. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque se ficarem gastas, corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. Os pontos de tomada da leitura de pressão são dispostos em lugares adequados, um junto a montante da placa e outro em um ponto no qual a velocidade, devido à restrição, seja máxima. Este ponto não é o do próprio orifício, porque devido à inércia do fluido, a área de sua secção transversal continua a diminuir após passar através dele, de forma que sua velocidade máxima está a jusante do orifício, na vena contracta. É neste ponto que a pressão é mais baixa e a diferença de pressão revela-se mais acentuada. As placas de orifício são costumeiramente fabricadas com aço inoxidável, monel e latão. A escolha depende da natureza do fluido a medir. Como a placa de orifício provoca uma queda de pressão na tubulação, para medirmos esta queda de pressão são utilizados transmissores de tipo pressão diferencial, que possuem elementos sensores para medir a diferença de pressão.

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Capítulo 5. Medição de vazão

Os transmissores de vazão por pressão diferencial se baseiam nos mesmos princípios físicos utilizados na tecnologia de medição de pressão. Assim, são utilizados os tipos piezoelétrico, strain-gauge, célula capacitiva e outros. Como a pressão diferencial é relativamente baixa, as faixas de medição destes transmissores são expressas normalmente em mmH2O, kPa ou polegada de água. b) Medidores diretos de volume do fluido passante Estes tipos de elementos sensores medem diretamente a vazão do fluido pela quantidade que escoa através do medidor por volumes discretos e pela contagem desses volumes, que são contados por sistemas mecânicos ou transmitidos a distância para os computadores de vazão ou diretamente no CLP. A leitura da vazão é totalizada pelos contadores destes tipos de medidores.

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Elemento sensor - engrenagens ovais É o tipo mais utilizado. Existe uma incontável variedade de desenhos de medidores, porém os mais aplicados são os do tipo helicoidal (helical) e os de lóbulos rotativos ou ovais. Sua principal vantagem é a possibilidade de medir fluidos não perfeitamente limpos, o que os torna adequados para óleo cru. Os medidores de deslocamento positivo podem ser utilizados para líquidos e gases, embora em projetos distintos. Em comum, esse tipo de medidor, devido às suas características mecânicas, possui resistência por fricção que tem de ser vencida pelo próprio fluido.

Medidor com engrenagens ovais

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Seu funcionamento se baseia no movimento de engrenagens a partir da passagem do fluido pelo interior do medidor. De modo geral, há três componentes básicos nesse tipo de medidor: I) Uma câmara de trabalho, que é preenchida pelo fluido; II) Um dispositivo ou efeito de deslocamento movido pela ação do próprio fluido; III) E um dispositivo transdutor para ler o número de vezes em que ocorre deslocamento do volume da câmara e isso é traduzido em sinais de saída do tipo pulsos.

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A ilustração a seguir, mostra o funcionamento típico de um medidor volumétrico do tipo deslocamento positivo. Fases de medição do medidor de deslocamento positivo de engrenagens Fase de isolamento

Fase de escape

Fase de isolamento

Fonte: Silva (2004, p. 214)

c) Medidores especiais Também conhecidos como medidores lineares, os medidores de vazão especiais produzem um sinal de saída que é diretamente proporcional à vazão, com um fator de proporcionalidade constante ou aproximadamente constante.

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Capítulo 5. Medição de vazão

O elemento sensor primário e o transmissor formam, usualmente, um conjunto a ser adquirido de um único fornecedor. A seleção dos medidores depende da incerteza da medição requerida, da disponibilidade de trechos retos, do produto a ser medido. Veremos a seguir alguns tipos de medidores especiais. • Medidor tipo turbina Um medidor de vazão tipo turbina, conforme ilustrado na ilustração a seguir, consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo na direção do fluxo.

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Medidor tipo turbina

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O rotor do medidor tipo turbina é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo. A velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluido, que, por sua vez, é proporcional à vazão do volume. Uma bobina sensora, localizada na parte externa do corpo do medidor detecta o movimento do rotor e é alimentada, produzindo um campo magnético. Como as palhetas do rotor são feitas de material ferroso, cada palheta, ao passar em frente à bobina, corta o campo magnético e produz um pulso. O sinal de saída é uma seqüência de pulsos de tensão, em que cada um deles representa um pequeno volume determinado de líquido. Embora a teoria básica de um medidor de turbina seja muito simples, o projeto detalhado é muito trabalhoso e complexo. O desempenho final depende de numerosos fatores, tais como: ângulo da palheta, o tipo de mancais, o número de palhetas, bem como a usinagem e montagem dentro das tolerâncias rígidas.

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a) Fator do medidor O número de pulsos por unidades de volume é denominado fator do medidor. Fator de medidor = n° de pulsos / volume Analise o exemplo a seguir: Se uma turbina gera 15.000 pulsos, quando estivermos escoando pela mesma 3,0 m3 de um produto qualquer, seu fator será: Fator de medidor = 15 000 /3,0 = 5.000 pulsos/ m3 • Medidor de vazão por eletromagnetismo Durante seu movimento dentro de um campo magnético, um condutor produz uma força eletromotriz (f.e.m.) proporcional à sua velocidade.

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Suponhamos que nós temos um campo magnético com densidade de fluxo magnético igual a B (gauss), aplicado a uma seção de uma tubulação com diâmetro D (m). Se a velocidade média do fluido que passa pela tubulação é igual a V (cm/seg), quando colocamos um par de eletrodos em uma posição perpendicular ao fluxo magnético, teremos uma força eletromotriz E (V) induzida nestes eletrodos, e a sua amplitude dada por:

E = B. D. V N

B  Densidade do fluxo magnético [weber/m2]

E = BDV

B

D  Distância entre os eletrodos [m] V  Velocidade do fluxo [m/s]

V

E  Tensão induzida [Volts] S

D

A vazão de um fluido é dada por:

(

(

Q = . D². V 4

161

Q = . E . D 4 B

Medidor de vazão eletromagnético

Todos os detectores são ajustados de maneira que a relação da tensão induzida (E) pela densidade de fluxo magnético (B) seja mantida em um valor proporcional, somente à velocidade média do fluxo, independente do diâmetro, alimentação e freqüência.

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ATENÇÃO No caso de uso dos medidores eletromagnéticos, algumas considerações devem ser feitas: 1 - É de suma importância que a parede interna da tubulação não conduza eletricidade e que a parte do tubo ocupada pelo volume definido pelas bobinas não provoque distorções no campo magnético. 2 - As medições por meio de instrumentos magnéticos são independentes das propriedades do fluido, tais como a densidade, a viscosidade, a pressão, a temperatura ou mesmo o teor de sólidos.

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3 - Que o fluxo a ser medido seja condutor de eletricidade.

Exemplos de medidores de vazão eletromagnéticos

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Capítulo 5. Medição de vazão

• Medidor de vazão por ultrassom O medidor de vazão ultrassônico se fundamenta no princípio da propagação de som em um líquido. Os pulsos sonoros são gerados, em geral, por um transdutor piezoelétrico, que transforma um sinal elétrico em vibração, que é transmitida no líquido como um trem de pulsos. Quando um pulso ultra-sônico é dirigido a jusante, sua velocidade é adicionada à velocidade da corrente. Quando um pulso é dirigido a montante, a velocidade do impulso no líquido é desacelerada pela velocidade da corrente. Baseado nessas informações, é possível determinar a vazão de fluidos por ultrassom. • Medidores por tempo de passagem ou tempo de trânsito; • Medidores a efeito DOPPLER. a) Medição por tempo de passagem ou tempo de trânsito Estes medidores não são adequados para medir fluidos que contém partículas. Seu funcionamento se baseia na medição da diferença de velocidade de propagação dos pulsos ultra-sônicos, quando aplicados a jusante ou a montante. Essa diferença de velocidade acarreta uma diferença de tempo na passagem dos dois sentidos. A diferença dos tempos de passagem é proporcional à velocidade do fluxo e também à vazão, conhecida a geometria do fluxo.

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Por esta razão, instalam-se sobre a tubulação duas unidades transmissoras / receptoras de ultra-som (unidades 1 e 2 da ilustração) de tal forma que a sua linha de ligação, de comprimento L, forme um ângulo α com o vetor de velocidade de fluxo no tubo, admitindo-se que a velocidade média de fluxo seja V.

Tubulação e unidades transmissoras e receptoras de ultrassom

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• Princípio da medição ultrassônica por tempo de passagem O tempo de passagem de um sinal ultra-sônico de 2 para 1 no sentido da corrente (a jusante) é calculado a partir da seguinte fórmula:

No sentido de contracorrente (a montante), o pulso acústico necessita de um tempo maior de passagem, ou seja:

Onde: Co = velocidade do som no fluido medido; L = comprimento do feixe medidor; α = ângulo de inclinação do feixe medidor em relação ao vetor de V; V = velocidade média do fluido.

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A diferença dos tempos de passagem T (ΔT = T12 - T21) é proporcional à velocidade do fluxo V bem como à velocidade do som (Co) no fluido.

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Medidor ultrassônico - tipo tempo de trânsito

b) Medidores a efeito DOPPLER A freqüência de uma onda sofre alterações quando existe movimento relativo entre a fonte emissora e um receptor. A variação da freqüência em função da velocidade é chamada de efeito DOPPLER. Quando uma partícula refletora se movimenta em relação a um receptor igualmente estacionário, a variação da freqüência é proporcional à velocidade relativa entre o emissor e o receptor, ou seja, entre a partícula refletora e o receptor, conforme ilustração abaixo: A

B

φ

V

Partícula refletora

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Este processo pode servir igualmente para a medição da velocidade média do fluxo e, conseqüentemente, da vazão em uma tubulação, desde que o fluido a medir contenha partículas refletoras em quantidade suficiente, tais como sólidos ou bolhas de gás, e desde que a distribuição destas partículas dentro do fluido permita tirar conclusões quanto à velocidade média do fluxo. Vejamos agora, como é feita esta medição: • O emissor e o receptor de ultrassom estão alojados lado a lado, dentro de um cabeçote medidor; • O sinal de medição com freqüência e amplitude constantes, é transmitido do emissor para o vetor V, da velocidade do fluxo, no ângulo ϕ.

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• A posição do emissor e do receptor é ajustado de tal forma que suas características direcionais formem um ângulo ϕ. • Quando o sinal emitido incide numa partícula conduzida pelo fluxo, a reflexão faz sua freqüência alterar-se de acordo com a fórmula a seguir:

Onde: fo = freqüência de emissão; ϕ = ângulo de entrada do feixe; Co = velocidade do som no fluido medido; V = velocidade média do fluxo.

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Desta forma, temos que a variação de freqüência ΔF é diretamente proporcional à velocidade do fluido e, conseqüentemente, à vazão. A utilização do método de medição por efeito DOPPLER implica em uma concentração mínima de 5% de partículas refletoras ou bolhas de ar dentro da corrente do fluido. • Medidor Coriolis A massa, ao lado do comprimento e do tempo, constitui a base para toda medida física. Como um padrão fundamental de medição, a massa não deriva suas unidades de medida de qualquer outra fonte. As variações de temperatura, pressão, viscosidade, densidade, condutividade elétrica ou térmica e o perfil da velocidade não afetam a massa. O medidor Coriolis opera pela aplicação da Segunda Lei de Newton. Força é igual à massa vezes a aceleração (F = m.a). Ele usa esta lei para determinar a quantidade exata de massa fluindo através do medidor. Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de medição e transmissor. Um sistema magnético faz com que o tubo sensor vibre em sua freqüência natural, quase imperceptível a olho nu. Observe a ilustração a seguir.

O fluido que passa através do tubo é forçado a seguir seu movimento vertical. Quando, durante o correspondente semi ciclo, o tubo se move para cima, como na ilustração a seguir, o fluxo que entra resiste ao movimento e força o tubo para baixo. Tendo sido forçado para cima, o fluido que sai do tubo resiste, com seu impulso, neste sentido, reduzido, tendendo a deslocar o tubo para cima.

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B

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Com isto, o tubo sofre uma torção, como pode ser observado na ilustração que se segue. No outro semi ciclo (para baixo), a torção se dará em sentido oposto. De acordo com a segunda lei de Newton, a magnitude da torção é proporcional à taxa de vazão da massa através do tubo sensor. São instalados em cada lado do tubo transdutores que enviarão as informações à unidade eletrônica, onde serão processadas e transformadas em sinal elétrico proporcional à vazão de massa.

C O medidor não exige cuidados especiais de montagem não tendo restrições de trechos retos mínimos e apenas recomenda-se que o medidor esteja sempre cheio e, na prática, observa-se os seguintes tipos de montagem orientados aos diferentes tipos de fluidos: os circuitos eletrônicos do medidor de vazão mássica essencialmente medem esta pequena força vibratória induzida pela vazão do fluido. Esta força do fluido é proporcional à vazão mássica.

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Capítulo 5. Medição de vazão

5.4. Exercícios 1) Explique o que é vazão. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) O que é medição de vazão e a que área de conhecimento está relacionada? _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3) Qual o órgão regulamentador da medição de vazão? _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4) Complete as lacunas do texto da Portaria Conjunta Nº 1 da ANP/ INMETRO, que estabelece, no item nº 5, critérios gerais de medição. “Os equipamentos e _____________________________ devem ser projetados, instalados, operados, testados e mantidos em condições adequadas de funcionamento para medir, de forma ______ __________________________, as produções de petróleo e gás natural para _________________________ e os ____________________, ______________, ________________, _____________________________ de petróleo e gás natural.” 5) Relacione os tipos de vazão às suas respectivas definições: (1)

Tipo de vazão Vazão volumétrica

( )

(2)

Vazão gravitacional

( )

(3)

Vazão mássica ( )

Definição Quantidade em peso que passa por certa seção por unidade de tempo. Quantidade em volume que escoa através de uma certa seção em um intervalo de tempo determinado. Quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por unidade de tempo.

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6) Podemos classificar os medidores de vazão considerando seu princípio de funcionamento, forma e características. Leia as afirmativas a seguir e faça o que se pede. a) Sobre os medidores indiretos, assinale com um X a única afirmativa correta. ( ) Seu elemento sensor utiliza variáveis específicas de processo para a medição da vazão de massa. ( ) A pressão diferencial pode ser enviada para registradores, transmissores eletrônicos ou pneumáticos que farão a relação da pressão diferencial com a vazão instantânea. ( ) A totalização da vazão é feita nos computadores de vazão ou diretamente no PLC, que possuem uma função de extração de potência, pois a medição de vazão é feita pela pressão diferencial cúbica.

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b) Sobre os medidores diretos de volume do fluido passante podemos afirmar que todas as afirmativas estão corretas, EXCETO uma. Assinale-a. ( ) Os tipos de elementos sensores medem diretamente a vazão do fluido pela quantidade que escoa através do medidor por volumes discretos e pela contagem desses volumes. ( ) O volume é contado por sistemas mecânicos ou transmitidos a distância para os computadores de vazão ou diretamente no PLC. ( ) A leitura da vazão é totalizada pelos sensores desse tipo de medidor.

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Capítulo 5. Medição de vazão

5.5. Glossário ANP - Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. CLP ou PLC - Controlador Lógico Programável. F.e.m - força eletromotriz. Flange - disco, em forma de aro, adaptado ou fundido na extremidade de um tubo e com que se faz ligação a outro tubo idêntico. INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. Monel - denominação de um conjunto de ligas metálicas compostas de níquel (6570%) e cobre (20-30%), com adição de outros elementos, como ferro, manganês, silício, enxofre, titânio e alumínio que apresenta de alta resistência física e química, além de ter um ponto de fusão acima de 2000ºC. Piezoelétrico - efeito que aparece em alguns materiais capazes de converter energia elétrica em energia mecânica e vice-versa. Transdutor - termo genérico que designa um dispositivo que recebe informação na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica a informação, a sua forma ou ambas e envia um sinal de saída resultante.

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Alta Competência

5.6. Bibliografia Lipták, Béla G. “Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis”. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. ANSI/ ISA S5.1 - Instrumentation Symbols and Identification, 1984. BEGA, E.A. (Org.). et al. Instrumentação Industrial. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. DELMÉE, Gerard Jean. Manual de Medição de Vazão. 3ª edição. São Paulo: Edgard Blücher, 2003.

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Capítulo 5. Medição de vazão

5.7. Gabarito 1) Explique o que é vazão. Chamamos de vazão ao volume de um líquido que escorre através de uma secção em função de uma determinada unidade de tempo ou ainda como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através da seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. 2) O que é medição de vazão e a que área de conhecimento está relacionada? Medição de vazão é o controle realizado da vazão e é uma das áreas da Metrologia. 3) Qual o órgão regulamentador da medição de vazão? A medição de vazão é regulamentada pela Agência Nacional de Petróleo (ANP). 4) Complete as lacunas do texto da Portaria Conjunta Nº 1 da ANP/INMETRO, que estabelece, no item nº 5, critérios gerais de medição. “Os equipamentos e sistemas de medição devem ser projetados, instalados, operados, testados e mantidos em condições adequadas de funcionamento para medir, de forma acurada e completa, as produções de petróleo e gás natural para fins fiscais e os volumes para controle operacional da produção, transporte, estocagem, importação e exportação de petróleo e gás natural.” 5) Relacione os tipos de vazão às suas respectivas definições: Tipo de vazão

Definição

(1)

Vazão volumétrica

(2)

Quantidade em peso que passa por certa seção por unidade de tempo.

(2)

Vazão gravitacional

(1)

Quantidade em volume que escoa através de uma certa seção em um intervalo de tempo determinado.

(3)

Vazão mássica

(3)

Quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por unidade de tempo.

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6) Podemos classificar os medidores de vazão considerando seu princípio de funcionamento, forma e características. Leia as afirmativas a seguir e faça o que se pede. a) Sobre os medidores indiretos, assinale com um X a única afirmativa correta. (

) Seu elemento sensor utiliza variáveis específicas de processo para a medição da vazão de massa. Correção: seu elemento sensor utiliza variáveis específicas de processo para a medição da vazão de fluidos.

( X ) A pressão diferencial pode ser enviada para registradores, transmissores eletrônicos ou pneumáticos que farão a relação da pressão diferencial com a vazão instantânea. (

174

) A totalização da vazão é feita nos computadores de vazão ou diretamente no PLC, que possuem uma função de extração de potência, pois a medição de vazão é feita pela pressão diferencial cúbica. Correção: a totalização da vazão é feita nos computadores de vazão ou diretamente no PLC, que possuem uma função de extração de raiz, pois a medição de vazão é feita pela pressão diferencial quadrática.

b) Sobre os medidores diretos de volume do fluido passante podemos afirmar que todas as afirmativas estão corretas, EXCETO uma. Assinale-a. (

) Os tipos de elementos sensores medem diretamente a vazão do fluido pela quantidade que escoa através do medidor por volumes discretos e pela contagem desses volumes.

(

) O volume é contado por sistemas mecânicos ou transmitidos à distância para os computadores de vazão ou diretamente no PLC.

( X ) A leitura da vazão é totalizada pelos sensores desse tipo de medidor. Correção: A leitura da vazão é totalizada pelos contadores desse tipo de medidor.

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Capítulo 6 Desempenho dos instrumentos de medição

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Reconhecer as principais especificações dos instrumentos; • Distinguir as principais características e condições para o desempenho dos instrumentos.

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Alta Competência

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

6. Desempenho dos instrumentos de medição

Q

uando falamos do desempenho dos instrumentos de medição, estamos nos referindo ao seu adequado comportamento, ou seja, se estão cumprindo suas funções da forma esperada.

A fim de determinar o desempenho dos instrumentos de medição, é necessário estabelecer critérios de especificação.

6.1. Especificações A especificação é uma descrição quantitativa das características requeridas de um equipamento, máquina, instrumento, estrutura, produto ou processo. Em engenharia, as especificações são uma lista organizada de exigências básicas para materiais de construção, composições de produto, dimensões ou condições de teste ou um número de normas publicadas por normas nacionais e estrangeiras ou pelas próprias especificações. As especificações descrevem formalmente o desempenho do produto. As especificações também definem as condições a que um produto pode ser submetido sem afetar permanentemente o seu desempenho ou causar estrago físico. Estas condições podem ser climáticas, eletromagnéticas (como susceptibilidade eletromagnética), mecânicas, elétricas ou referir-se a precondições de operação, como tempo de aquecimento ou intervalo de calibração. As especificações do instrumento podem vir agrupadas de diversos modos, como por exemplo, especificações de desempenho, condições de operação, especificações funcionais, especificações físicas, especificações de segurança e dimensões nominais.

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6.1.1. Especificações elétricas Nas especificações onde são estabelecidos os valores de tensão de alimentação e impedância da malha para sinal analógico e digital, são também considerados: condições de operação de referência, condições de operação normal, limites de operação e de armazenagem e transporte. Condições de transporte, armazenamento e operação

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Influência

Condições de operação de referência

Condições de operação normal

Tensão de alimentação

30 ± 0,5 V cc

12,5 a 42 V cc ver fig. 1.4.11

12,5 a 42 V cc ver fig. 1.4.11

Não aplicável

Carga de saída com saída de mA

650 Ω

0 e 1450 Ω ver figura

0 e 1450 Ω ver figura

Não aplicável

Vibração

1 m/s2 (0,1 “g”)

0 a 30 m/s2 (0 a 3 “g”) de 5 a 500 Hz

30 m/s2 (3 “g”) de 5 a 500 Hz

11 m/s2 (1,1 “g”) (na embalagem)

Posição de montagem

Horizontal ou para cima

Horizontal ou para cima

Sem limite

Não aplicável

Limites de operação

Lilites de armazenagem e transporte

6.1.2. Especificações mecânicas Nesta categoria de especificações estão incluídas as indicações referentes a: a) Limites de faixa ou range, largura de faixa e sobrefaixa aceitável, sem danificar o instrumento.

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

Limites de largura de faixa Sensor

kPa

inH2O

B

0,87 e 50

3,5 e 200

C

7 e 210

28 e 840

Limites de faixa Sensor

kPa

inH2O

B

-50 e +50

-200 e +200

C

-210 e +210

-840 e +840

Nota 1. O sinal (-) significa que há uma pressão maior no lado de Baixa do que no lado de Alta. Nota 2. O sinal (+) significa que há uma pressão maior no lado de Alta do que no lado de Baixa.

179 b) Limites da pressão estática do instrumento, para os diferentes sensores. c) Tempo de resposta do instrumento, depois de ligado. Atualmente, poucos instrumentos eletrônicos requerem tempo de aquecimento (warm up) para operar em regime permanente. d) Posição de montagem - instrumentos mecânicos ou cujo princípio de funcionamento envolve a aceleração da gravidade devem ter definida a posição de uso. A calibração do instrumento deve ser feita na mesma posição em que ele irá operar no processo, quando a posição afeta seu desempenho. e) Materiais - são listados os materiais do sensor, das partes em contato com o processo (partes molhadas), dos invólucros, tampas, parafusos, fluidos de enchimento e de selagem, conexões com o processo. Os sensores geralmente estão em contato direto com o fluido do processo e o seu material deve ser compatível com o fluido, para não haver corrosão.

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Partes molhadas - as partes molhadas pelo processo são geralmente os elementos sensores, selos, poços de temperatura, bulbos, internos das válvulas e o interior de alguns medidores de vazão. As partes molhadas devem suportar temperatura e pressão extremas e devem resistir ao ataque corrosivo dos produtos químicos manipulados. Os materiais devem ser resistentes à corrosão e paralelamente devem satisfazer as necessidades funcionais, tais como resistência mecânica, constante de mola, flexibilidade, ductilidade e elasticidade. O projeto correto garante também que não haverá erosão, cavitação e desgaste físico. O material mais usado para construir sensores é o aço inoxidável AISI 316. Outros materiais usados incluem ligas especiais como Co-Ni-Cr, Hastelloy C, monel, tântalo, prata, platina.

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O material dos invólucros pode ser metal ou plásticos reforçados com fibra de vidro. O material padrão é uma liga metálica de cobre e alumínio, que tenha pequeno peso e seja resistente mecanicamente. Os invólucros geralmente são pintados ou revestidos de epoxy e outros materiais plásticos resistentes à corrosão. Também devem ser definidos os materiais de gaxetas e juntas de tampas de instrumentos, que devem ser compatíveis com a atmosfera contaminante do ambiente. Buna-N é o material padrão para anéis-O (Oring). 6.1.3. Especificações de temperatura Nas especificações onde são estabelecidos os valores de temperatura do processo, temperatura ambiente, umidade relativa, são considerados: condições de operação de referência, condições de operação normal e limites de operação. As condições de operação de referência são aquelas em que o instrumento foi testado e calibrado. As especificações de desempenho do instrumento são válidas para estas condições de referência.

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

6.2. Integridade dos instrumentos Integridade é a propriedade de um instrumento de se manter inteiro, completo, resistente e firme no seu funcionamento. A integridade do instrumento é ameaçada pelo ambiente onde o instrumento está montado e por isso ela é garantida através da especificação correta da classificação mecânica do seu invólucro, em conformidade com as normas existentes. 6.2.1. Classificação mecânica A operação de um instrumento pode ser afetada pela temperatura ambiente, umidade, interferência eletrônica, vibração mecânica e atmosfera circundante. Normalmente, os instrumentos de medição e controle de processo são montados ou na sala de controle ou na área industrial. Quando usada ao ar livre, a caixa do instrumento fica exposta aos efeitos da luz ultravioleta, da chuva, da umidade, do orvalho, da poeira, dos respingos dos líquidos de processo e da sujeira contaminante que circula no ar. Eles estão ainda submetidos a grandes e rápidas variações de temperatura durante o dia, podendo haver um gradiente de temperatura entre o sol e a sombra do instrumento exposto. Por esses motivos, os invólucros dos instrumentos devem ser de alta qualidade, cuidadosamente testados e precisamente classificados de acordo com normas concernentes, de modo que possam prover proteção contra ambientes potencialmente adversos. Os invólucros dos instrumentos, mesmo montados em ambientes nocivos, devem protegê-los, de modo que aumentem sua durabilidade ao máximo e que o ambiente não interfira na sua operação. Existem, basicamente, duas normas para a classificação mecânica dos invólucros dos instrumentos: IEC (International Electrotechnical Comission) e NEMA (National Eletrical Manufacturers Association).

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Estas normas definem a proteção inerente, capaz de evitar, principalmente, danos físicos às pessoas (ex.: choque elétrico, ferimentos causados por partes móveis etc.) e danos ao próprio equipamento, quer seja pela penetração de corpos estranhos, quer seja pela penetração de água. A norma IEC define o grau de proteção IP (INDEX OF PROTECTION) de instrumentos. Esta classificação é composta basicamente de 02 dígitos. Vamos ver o exemplo de 1 instrumento com grau de proteção IP 56, estes dígitos representam que: Dígito 5 - instrumento é protegido contra poeira e contato a partes internas ao invólucro; Dígito 6 - instrumento protegido contra ondas do mar.

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NOTA: Embora esses dígitos não sejam específicos para instrumentos elétricos de usos em atmosferas inflamáveis, ela poderá constar como uma adicional para determinados tipos de proteção.

6.3. Segurança no uso dos instrumentos Nos processos industriais, surgiram áreas consideradas de risco devido à presença de substâncias potencialmente explosivas, que confinavam a instrumentação à técnica pneumática, pois os instrumentos eletrônicos anteriormente baseados em válvulas elétricas e grandes resistores de potência, propiciavam o risco de incêndio devido à possibilidade de faíscas elétricas e temperaturas elevadas destes componentes.

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

Somente com o advento dos semicondutores (transistores e circuitos integrados), tornou-se possível reduzir a potência dissipada e as tensões nos circuitos eletrônicos e viabilizar a aplicação de técnicas de limitação de energia, que podem ser implantadas de maneira simples nos equipamentos de instrumentação, dando origem, assim, ao que chamamos de Segurança Intrínseca. O conhecimento da classificação da área é fundamental e é o ponto de partida para a especificação correta dos instrumentos. A especificação do instrumento, encaminhada do fabricante pela firma de engenharia ou pelo pessoal do processo da planta, deve determinar claramente qual a classificação do local onde será montado o instrumento. A idéia de classificação das áreas de risco visa a agrupar as diversas áreas que possuem graus de riscos semelhantes, tornando possível utilizar equipamentos elétricos projetados especialmente para cada área. Visando à padronização dos procedimentos de classificação das áreas de risco, cada país adota as recomendações de Normas Técnicas. No Brasil a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) utiliza a coletânea de Normas Técnicas da IEC (International Electrotechnical Comission). 6.3.1. Tipos de proteção Todo equipamento elétrico a ser instalado em atmosfera explosiva deve ser especificado e construído de forma a garantir que não haja risco da ignição e explosão. Existem métodos de prevenção, que definem a forma de construção dos instrumentos. 6.3.2. Métodos de prevenção e seus princípios Existem vários métodos de prevenção, que permitem a instalação de equipamentos elétricos geradores de faíscas elétricas e temperaturas de superfícies capazes de detonar a atmosfera potencialmente explosiva. Os princípios de prevenção definem as características construtivas dos equipamentos.

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Estes métodos de proteção baseiam-se em um dos princípios indicados na tabela a seguir. Observe: Métodos

Princípios

Confinamento

Este método evita a detonação da atmosfera, confinando a explosão em um compartimento capaz de resistir à pressão desenvolvida durante uma possível explosão, não permitindo a propagação para as áreas vizinhas. Exemplo: equipamentos à prova de explosão.

Segregação

É a técnica que visa a separação física da atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ignição. Exemplo: equipamentos pressurizados, imersos e encapsulados.

Prevenção

Trata-se de um método no qual a fonte de ignição é controlada de forma a não possuir energia elétrica e térmica suficientes para detonar a atmosfera explosiva. Exemplo: equipamentos intrinsecamente seguros.

184 6.3.2.1. À prova de explosão (ExD) Este método de proteção baseia-se totalmente no conceito de confinamento. A fonte de ignição pode permanecer em contato com a atmosfera explosiva e, conseqüentemente, ocorrer uma explosão interna no equipamento. Um invólucro à prova de explosão deve suportar a pressão interna desenvolvida durante a explosão, impedindo a propagação das chamas, gases quentes ou temperaturas de superfície. Desta forma, o invólucro à prova de explosão deve ser construído com um material muito resistente, normalmente alumínio ou ferro fundido, e deve possuir um interstício estreito e longo para que os gases quentes liberados durante uma possível explosão possam ser resfriados, garantindo a integridade da atmosfera ao redor. Os cabos elétricos que entram e saem do invólucro devem ser conduzidos por eletrodutos metálicos, pois também são considerados como uma fonte de ignição.

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

Para evitar a propagação de uma explosão interna, através das entradas e saídas de cabo do invólucro, devem ser instalados unidades seladoras. IMPORTANTE! Unidades Seladoras consistem em um tubo roscado destinado à união do eletroduto com o invólucro, sendo preenchidos com uma massa especial que impede a propagação das chamas através dos cabos. O uso dos invólucros à Prova de Explosão é PROIBIDO em zonas de alto risco (Zona 0), pois a integridade do grau de proteção depende de uma correta instalação e manutenção dos equipamentos envolvidos. Esse tipo de proteção, entretanto, é indispensável nas instalações elétricas em atmosferas explosivas, principalmente nos equipamentos de potência, tais como: painéis de controle de motores, luminárias, chaves de comando e outros. 6.3.2.2. Pressurizado (ExP) A técnica de pressurização é baseada nos conceitos de segregação, onde o equipamento é construído de forma a não permitir que a atmosfera potencialmente explosiva penetre no equipamento que contém elementos faiscantes ou de superfícies quentes, que poderiam detonar a atmosfera. A atmosfera explosiva é impedida de penetrar no invólucro devido ao gás de proteção (ar ou gás inerte) que é mantido com uma pressão levemente maior que a da atmosfera externa. A sobrepressão interna pode ser mantida com ou sem fluxo contínuo, e não requer nenhuma característica adicional de resistência do invólucro. Recomenda-se, entretanto, a utilização de dispositivos de alarme capazes de detectar qualquer anormalidade na pressão interna do invólucro e promovendo a perda imediata de energia dos equipamentos depois de detectada a falha.

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Esta técnica pode ser aplicada a painéis elétricos de modo geral e principalmente como uma solução para salas de controle, que podem ser montadas nas proximidades das áreas de risco. O processo de diluição contínua deve ser empregado quando a sala pressurizada possuir equipamentos que produzam a mistura explosiva, tais como: salas cirúrgicas, analisadores de gases e em ambientes semelhantes. Desta forma, o gás inerte deve ser mantido em quantidade tal que a concentração da mistura nunca alcance 25% do limite inferior da explosividade do gás gerado. O sistema de alarme, neste caso, deve ser baseado na quantidade relativa do gás de proteção na atmosfera, atuando também na desenergização da alimentação. 6.3.2.3. Encapsulado (Exm)

186 Este tipo de proteção, também é baseado no princípio da segregação, prevendo que os componentes elétricos dos equipamentos sejam envolvidos por uma resina, de tal forma que a atmosfera explosiva externa não seja inflamada durante a operação. Normalmente, esse tipo de proteção é complementar em relação a outros métodos e visa a evitar o curto circuito acidental. Este método pode ser aplicado a reed relé, botoeiras com cúpula do contato encapsulado, sensores de proximidade e, obrigatoriamente, nas barreiras zener. 6.3.2.4. Imerso em óleo (Exo) Também neste tipo de proteção, o princípio baseia-se na segregação, evitando que a atmosfera potencialmente explosiva atinja as partes do equipamento elétrico que possam provocar a detonação.

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

A segregação é obtida emergindo as partes vivas, que podem provocar faíscas ou as superfícies quentes, em um invólucro com óleo. Normalmente é utilizado em grandes transformadores, disjuntores e similares, com peças móveis, e é indicado para equipamentos que não requerem manutenção freqüente. 6.3.2.5. Enchimento de areia (Exq) Similar ao anterior sendo que a segregação é obtida com o preenchimento do invólucro com pó, normalmente o pó do quartz ou areia, evitando, desta forma, o inflamar da chama, quer pela temperatura excessiva das paredes do invólucro ou da superfície. Encontrado como forma de proteção para leito de cabos no piso. 6.3.2.6. Segurança Intrínseca (ExIa ou b) A Segurança Intrínseca é o método representativo do conceito de prevenção da ignição, através da limitação da energia elétrica. O princípio de funcionamento baseia-se em manipular e estocar baixa energia elétrica, que deve ser incapaz de provocar a detonação da atmosfera explosiva, quer por efeito térmico ou por faíscas elétricas. Em geral, pode ser aplicado a vários equipamentos e sistemas de instrumentação, pois a energia elétrica só pode ser controlada a baixos níveis em instrumentos, tais como: transmissores eletrônicos de corrente, conversores eletropneumáticos, chaves-fim-de-curso, sinaleiros luminosos etc. 6.3.2.7. Segurança aumentada (Exm) Este método de proteção está baseado nos conceitos de supressão da fonte de ignição e é aplicável em condições normais de operação, que não produza arcos, faíscas ou superfícies quentes que podem causar a ignição da atmosfera explosiva para a qual ele foi projetado. São tomadas ainda medidas adicionais durante a construção, com elevados fatores de segurança, visando à proteção sob condições de sobrecargas previsíveis.

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Esta técnica pode ser aplicada a motores de indução, luminárias, solenóides, botões de comando, terminais e blocos de conexão e, principalmente, em conjunto com outros tipos de proteção. As normas técnicas prevêem grande flexibilidade para os equipamentos de Segurança Aumentada, pois permitem sua instalação em Zonas 1 e 2, onde todos os cabos podem ser conectados aos equipamentos através de pensa-cabos, não necessitando mais dos eletrodutos metálicos e suas unidades seladoras. 6.3.2.8. Não ascendível (Exn) Também baseado nos conceitos de supressão da fonte de ignição, os equipamentos do tipo não ascendível são similares aos de Segurança Aumentada.

188 Neste método, os equipamentos não possuem energia suficiente para provocar a detonação da atmosfera explosiva, como os de Segurança Intrínseca, mas não prevêem nenhuma condição de falha ou defeito. Sua utilização será restrita à Zona 2, onde existe pouca probabilidade de formação da atmosfera potencialmente explosiva, o que pode parecer um fator limitante, mas se observarmos que a maior parte dos equipamentos elétricos está localizada nesta zona, seu uso pode se tornar muito interessante. Um exemplo importante dos equipamentos do tipo não ascendível são os multiplexadores, equipamentos de automação que servem para interligar instrumentos em rede, instalados na Zona 2, que manipulam os sinais da Zona 1, transmitindo-os para a sala de controle, com uma combinação perfeita para a Segurança Intrínseca, tornando a solução mais simples e econômica.

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

6.3.3. Aplicação dos métodos de proteção A aplicação dos métodos de proteção está prevista nas normas técnicas e regulamenta as áreas de risco nas quais os diversos métodos de proteção podem ser utilizados, pois o fator de risco de cada área deve ser levado em conta na elaboração das respectivas normas. Veja, na tabela a seguir, um pequeno resumo da aplicação dos métodos de proteção. Método de proteção

Código

Zonas

Princípios

À prova de explosão

Ex d

1e2

Confinamento

Pressurizado

Ex p

1e2

Encapsulado

Ex m

1e2

Imersão em óleo

Ex o

1e2

Imerso em areia

Ex q

1e2

Intrinsicamente seguro

Ex ia

0, 1 e 2

Ex ib

1e2

Segurança aumentada

Ex e

1e2

Não ascendível

Ex n

2

Especial

Ex s

1e2

Segregação

Supressão

Especial

Nota: os equipamentos projetados para a Zona 0 podem ser instalados na Zona 1 e 2, bem como os da Zona 1 podem também ser instalados na Zona 2

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Alta Competência

6.4. Exercícios 1) Explique o que é desempenho dos instrumentos de medição. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) O que é especificação?

190

_______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3) Qual a função das especificações? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4) O que é integridade dos instrumentos e como é garantida? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

5) Há várias categorias de especificações. Faça a correta relação entre cada uma delas e os critérios que estabelecem. Categorias

Critérios ( ) Condições de operação de referência, condições de operação normal, limites de operação e de armazenagem e transporte. ( ) Limites da pressão estática do instrumento, para os diferentes sensores.

( 1 ) Especificações ( ) Tempo de resposta do instrumento, deelétricas pois de ligado. ( 2 ) Especificações ( ) Umidade relativa. mecânicas ( ) Limites de faixa ou range, largura de faixa e sobrefaixa aceitável, sem danificar ( 3 ) Especificações o instrumento. de temperatura ( ) Valores de tensão de alimentação e impedância da malha para sinal analógico e digital. ( ) Condições de operação de referência, condições de operação normal e limites de operação.

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6) Coloque V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas. ( ) A operação de um instrumento pode ser afetada pela temperatura ambiente, umidade, interferência eletrônica, vibração mecânica e atmosfera circundante. ( ) Os invólucros dos instrumentos devem ser de alta qualidade, cuidadosamente testados e precisamente classificados de acordo com normas concernentes, de modo que possam prover proteção contra ambientes potencialmente adversos. ( ) O conhecimento da classificação da área é fundamental e é o ponto de partida para a especificação correta dos instrumentos.

192

( ) A especificação do instrumento, encaminhada do fabricante pela firma de engenharia ou pelo pessoal do processo da planta, deve determinar claramente qual a classificação do local onde será montado o instrumento. ( ) A idéia de classificação das áreas de risco visa a agrupar as diversas áreas que possuem graus de riscos diferenciados, tornando possível utilizar equipamentos eletrônicos e mecânicos projetados especialmente para cada área. 7) Os métodos de proteção existentes baseiam-se em um dos princípios indicados na tabela a seguir. Correlacione-os. Métodos ( 1 ) Confinamento

( )

( 2 ) Segregação

( )

( 3 ) Prevenção

( )

Princípios Visa a separação física da atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ignição. Evita a detonação da atmosfera, confinando a explosão em um compartimento capaz de resistir à pressão desenvolvida durante uma possível explosão, não permitindo a propagação para as áreas vizinhas. Método no qual a fonte de ignição é controlada de modo a não possuir energia elétrica e térmica suficientes para detonar a atmosfera explosiva.

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

6.5. Glossário ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. AISI - material mais usado para construir sensores é o aço inoxidável. Gaxeta - elementos de vedação usualmente utilizados em bombas. Gradiente - variação. IEC - International Electromechanical Commission. Comissão Internacional Eletrotécnica. IP - Index Protection. Monel - denominação de um conjunto de ligas metálicas compostas de níquel (6570%) e cobre (20-30%), com adição de outros elementos, como ferro, manganês, silício, enxofre, titânio e alumínio que apresenta de alta resistência física e química, além de ter um ponto de fusão acima de 2000ºC. NEMA - National Electrotechnical Manufacture Association.

193

Range - corresponde à faixa ou ao campo de medição de uma variável. Solenóide - é uma bobina contendo um elemento móvel de material magnético que se move em função da direção do campo magnético.

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6.6. Bibliografia Lipták, Béla G. “Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis”. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. PEREIRA, J.P.P. Apostila do Curso de Operador - Automação e instrumentação. Petrobras, 2006. JORDÃO, Dácio de Miranda, 1945 – Manual de instalações elétricas em indústrias químicas, petroquímicas e de petróleo / Dácio de Miranda Jordão. 3ª edição. Rio de Janeiro: Qualitymark Ed., 2002.

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Capítulo 6. Desempenho dos instrumentos de medição

6.7. Gabarito 1) Explique o que é desempenho dos instrumentos de medição. Desempenho dos instrumentos de medição refere-se ao adequado comportamento destes, conforme funções especificadas. 2) O que é especificação? Especificação é uma descrição quantitativa das características requeridas de um equipamento, máquina, instrumento, estrutura, produto ou processo. Em engenharia, trata-se de uma lista organizada de exigências básicas para materiais de construção, composições de produto, dimensões ou condições de teste ou um número de normas publicadas por organizações normatizadoras ou pelas próprias especificações. 3) Qual a função das especificações? As especificações descrevem formalmente o desempenho do produto. As especificações também definem as condições a que um produto pode ser submetido sem afetar permanentemente o seu desempenho ou causar estrago físico.

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4) O que é integridade dos instrumentos e como é garantida? Integridade é a propriedade de um instrumento de se manter intacto, completo, resistente e firme durante seu funcionamento e é garantida através da especificação correta da classificação mecânica do seu invólucro, em conformidade com as normas existentes. 5) Há várias categorias de especificações. Faça a correta relação entre cada uma delas e os critérios que estabelecem. Categorias

Critérios ( 1 ) Condições de operação de referência, condições de operação normal, limites de operação e de armazenagem e transporte.

( 2 ) Limites da pressão estática do instrumento, para os diferentes sensores. ( 1 ) Especificações elétricas ( 2 ) Tempo de resposta do instrumento, depois de ligado. ( 2 ) Especificações ( 3 ) mecânicas (2) ( 3 ) Especificações de temperatura (1)

Umidade relativa. Limites de faixa ou range, largura de faixa e sobrefaixa aceitável, sem danificar o instrumento. Valores de tensão de alimentação e impedância da malha para sinal analógico e digital.

( 3 ) Condições de operação de referência, condições de operação normal e limites de operação.

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6) Coloque V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas. ( V ) A operação de um instrumento pode ser afetada pela temperatura ambiente, umidade, interferência eletrônica, vibração mecânica e atmosfera circundante. ( V ) Os invólucros dos instrumentos devem ser de alta qualidade, cuidadosamente testados e precisamente classificados de acordo com normas concernentes, de modo que possam prover proteção contra ambientes potencialmente adversos. ( V ) O conhecimento da classificação da área é fundamental e é o ponto de partida para a especificação correta dos instrumentos. ( V ) A especificação do instrumento, encaminhada do fabricante pela firma de engenharia ou pelo pessoal do processo da planta, deve determinar claramente qual a classificação do local onde será montado o instrumento. 7) Os métodos de proteção existentes baseiam-se em um dos princípios indicados na tabela a seguir. Correlacione-os.

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Métodos ( 1 ) Confinamento

Princípios Visa a separação física da atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ignição.

(2)

( 2 ) Segregação

(1)

Evita a detonação da atmosfera, confinando a explosão em um compartimento capaz de resistir à pressão desenvolvida durante uma possível explosão, não permitindo a propagação para as áreas vizinhas.

( 3 ) Prevenção

(3)

Método no qual a fonte de ignição é controlada de modo a não possuir energia elétrica e térmica suficientes para detonar a atmosfera explosiva.

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Capítulo 7 Transmissão

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Correlacionar o conceito de telemetria aos sistemas de transmissão mais utilizados nos processos de produção do petróleo; • Identificar características e equipamentos utilizados nos sistemas de transmissão pneumático e eletrônico.

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198

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Capítulo 7. Transmissão

7. Transmissão

A

ntes de iniciar nossos estudos sobre transmissão cabe, preliminarmente, definir telemetria, uma vez que este conceito é de fundamental importância para o estudo da transmissão.

?

VOCÊ SABIA? A palavra telemetria é constituída por tele (distância) + metria (medição). Etimologicamente, podemos defini-la como a capacidade de medir a grandes distâncias ou de monitorar e transmitir dados a grandes distâncias, o que acontece, por exemplo, no controle de vôos espaciais.

199 No contexto da produção, a telemetria consiste na técnica de medir e transmitir dados obtidos no processo através de instrumentos recepção e de transmissão para pontos distantes. É importante ressaltar que a transmissão desses dados só pode ser feita a partir da leitura das variáveis de processo obtidas pelos elementos sensores descritos anteriormente. A transmissão à distância de valores medidos está tão intimamente relacionada aos processos de operação contínua (exigidos pela indústria moderna), que a necessidade do emprego da telemetria e do processamento contínuo se entrelaçam.

7.1. Vantagens da telemetria Um dos resultados mais interessantes da telemetria é a centralização dos instrumentos e controles relativos a um determinado processo em salas de controle. Podemos citar como vantagens do controle do processo industrial:

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• Os instrumentos agrupados podem ser consultados com maior rapidez e facilidade; • Técnicos de operação e supervisores têm uma visão conjunta do desempenho da unidade como um todo; • Aumento da segurança na operação; • Aumento da eficiência do trabalho.

7.2. Caracterização dos sistemas de transmissão Os sistemas de transmissão são caracterizados pelos tipos de sinais utilizados pelos transmissores, no transporte dos valores medidos no processo, em geral, do campo para a sala de controle.

200

Os sistemas de transmissão, conforme o tipo de sinal, podem ser: • Transmissão pneumática - ar comprimido seco; • Transmissão eletrônica - energia elétrica. IMPORTANTE! Existe ainda a transmissão hidráulica (óleo) de sinais, mas ela não é usada no controle das variáveis de processo, sendo utilizada apenas no fechamento e abertura de válvulas de cabeça de poço, sistema de comando de guindastes, sistemas de fechamento e abertura de válvulas de entrada de tanque de armazenamento de óleo e outros comandos automáticos a grandes distâncias.

7.3.Transmissores O transmissor é o instrumento que converte um sinal não-padrão proveniente dos elementos sensores em um sinal padrão pneumático ou eletrônico.

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Capítulo 7. Transmissão

O transmissor envia um sinal pneumático ou eletrônico para um instrumento receptor remoto, controlador ou sistemas eletrônicos. O sinal de saída do transmissor é linearmente proporcional à variável medida. Contudo, esse sinal precisa ser convertido em um circuito eletrônico ou sistema pneumático em sinais padronizados segundo o padrão a seguir: • Transmissores pneumáticos convertem a variável medida em sinais de 3-15psig; • Transmissores eletrônicos convertem a variável medida em sinais de 4-20 mA.

IMPORTANTE! Atualmente, há a predominância dos transmissores eletrônicos microprocessados com sinal de saída 4-20mA e com protocolo de comunicação digital superposto (transmissores inteligentes). Os transmissores pneumáticos estão sendo cada vez menos empregados. 7.3.1. Transmissão pneumática O sinal padrão da transmissão pneumática no Sistema Internacional (SI) é 20 a 100 kPa (kilopascal) e os seus equivalentes em unidades são no SI: 3 a 15psig e 0,2 a 1,0 kgf/cm2, que não devem ser utilizados. Em geral, a transmissão pneumática apresenta as seguintes vantagens: • Existência de condições explosivas que tornem perigoso o uso do sistema elétrico; • Maior segurança de funcionamento dos sistemas pneumáticos em relação aos sistemas elétricos;

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201

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• Dificuldade de obtenção de energia elétrica, preferencialmente autônoma. a) Transmissor pneumático Os transmissores pneumáticos consistem em um sistema do tipo bicopalheta que é o elemento responsável pelo comando dos sinais de saída, na transmissão a partir da medição pelos elementos sensores dos diversos valores assumidos pela variável de processo, conforme mostra o esquema a seguir: Mola

D

Bico

202

Pressão de suprimento 20psig

D 2

Palheta

Processo Sinal de saída para receptor

Restrição

Transmissor pneumático

Quando o elemento sensor sente a variável de processo, isso provoca uma deformação elástica que faz com que a palheta se aproxime do bico, aumentando o sinal de saída. Isto ocorre de forma instantânea em função da restrição (D/2) na entrada da pressão de suprimento (20psig). Quando a palheta se afasta do bico temos o processo inverso. Para garantir a pressão de suprimento em 20psig e promover a retirada de impurezas do ar de suprimento é utilizado o filtro regulador. Seu princípio de funcionamento é baseado na regulagem da pressão provocada pela descida do diafragma e da válvula que, ao vencer a tensão da mola inferior, abre a passagem de ar, aumentando a pressão de saída.

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Capítulo 7. Transmissão

Diafragma

Pressão regulada 20psig

Válvula

Suprimento 100psig

Filtro

Filtro regulador de pressão

?

VOCÊ SABIA?

203

Com o surgimento dos primeiros transmissores e controladores baseados no princípio do bicopalheta, em 1930, aumentou consideravelmente a confiabilidade da instrumentação pneumática. Atualmente, os sinais de transmissão pneumática são utilizados para comandar os elementos finais de controle que possuem conversores de sinais eletrônicos para pneumático.

7.3.2. Transmissão eletrônica O sinal padrão de transmissão eletrônico é o de 4 a 20 mA cc, recomendado pela ISO (International Standardization Organization) e pela IEC (International Electromechanical Commission), desde 1975.

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No início da instrumentação eletrônica, por volta de 1950, o primeiro sinal padrão de transmissão foi o de 10 a 50 mA cc. Esse fato se devia ao fato dos circuitos serem pouco sensíveis e este nível de sinal não dispensava o uso de amplificador para acionar certos mecanismos. Hoje, é raramente utilizado, por questões de segurança. Atualmente, há uma tendência em padronizar sinais de baixo nível, para que se possa usar a tensão de polarização de 5 V comum aos circuitos digitais. Existe, ainda, o sinal de transmissão de 1 a 5 V cc, porém, ele é considerado inadequado, pois há atenuação na transmissão da tensão. Usa-se a corrente na transmissão e a tensão para a manipulação e condicionamento do sinal localmente, dentro do instrumento. Em geral, a transmissão eletrônica apresenta algumas características bastante vantajosas. Veja a seguir:

204 • O menor sinal do elemento primário pode ser transmitido sem distorção ou perdas; • A energia elétrica para transmissão é conseguida com facilidade; • As linhas de transmissão de sinal são de fácil instalação; • A distância de transmissão é praticamente ilimitada; • Aumento na velocidade de transmissão. • Permite a centralização das informações das salas de controles. a) Transmissor eletrônico inteligente Os transmissores eletrônicos inteligentes podem ser descritos como um sistema microprocessado que transforma o sinal proveniente dos elementos sensores elétricos em sinais digitais. Estes sinais são convertidos pelos microprocessadores novamente em sinais eletrônicos 4 - 20 mA com a superposição de um sinal de comunicação digital conhecido como protocolo de comunicação HART TM Foundation.

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Capítulo 7. Transmissão

IMPORTANTE! O sinal de variável de processo é transmitido pelo sinal de 4-20 mA. O sinal HART permite receber informações adicionais sobre os instrumentos, facilitando a sua manutenção e o seu diagnóstico.

205

O elemento sensor de pressão (I), tipo célula capacitiva, mede a pressão do processo e a transforma em variação de capacitância, que é enviada para o circuito eletrônico (II). As informações obtidas pelo conjunto do processador principal sensor são disponibilizadas para a unidade de processamento (III), que contém o micro processador, e deste para o conversor Digital/ Analógico (D/A). A unidade de processamento também disponibiliza o sinal HARTTM para ser transmitido superposto ao sinal de 4-20 mA. No transmissor eletrônico inteligente existe o conjunto do indicador digital (IV), que permite que o técnico de operação leia no campo as informações da variável de processo.

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IMPORTANTE! Existem transmissores inteligentes que possuem sinal de saída digital, onde a variável de processo e todas as informações dos instrumentos são transmitidas por protocolos de comunicação HARTTM, FIELDBUSTM FOUNDATION, PROFIBUS. Estes protocolos de comunicação possibilitam a interligação dos instrumentos em rede no campo, trazendo a redução de fio nas unidades e possibilitando um maior nível de diagnóstico e informações dos instrumentos nas estações de manutenção.

b) Zero vivo

206

O zero vivo é uma função que permite a identificação e sinalização de problemas de transmissão de sinal eletrônico e pneumático em virtude de falhas no sistema. As falhas mais comuns envolvendo a transmissão pneumática e eletrônica são: Transmissão pneumática Falha na conexão pneumática Quebra do tubo Falta de alimentação

Transmissão eletrônica Rompimento de fio Falta de alimentação

Considere a representação gráfica sobre o zero vivo no gráfico a seguir:

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Capítulo 7. Transmissão

Out 20mA (100%)

4mA (0%) In 0 kgf/cm2

10 kgf/cm (100%)

2

Gráfico - zero vivo

O gráfico mostra a relação entre o sinal de entrada e de saída de um transmissor com um range de medição de 0 a 10 kgf/ cm2. Podemos perceber, observando o ponto plotado no gráfico anterior, que o valor de 4 mA e 0% do sinal de saída(out) corresponde a 0 Kgf/cm2 e 0% do sinal de entrada (IN). Tal valor é denominado zero vivo. Como vantagens na utilização do zero vivo podemos apontar: • Sinal pneumático - abaixo de 0,2 Kg/cm2 (≅ 3psig) é muito difícil de se manter linearidade; • Permite detectar quaisquer anormalidades no sistema tais como: falta de alimentação, vazamentos e outras; • Permite o uso de transmissores eletrônicos a dois fios, cuja alimentação é feita pelo próprio sinal elétrico (aproximadamente 3,82 mA), evitando-se, com isto, a necessidade de alimentação externa.

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7.4. Exercícios 1) Marque com um X a alternativa que complementa corretamente as afirmativas. a) No contexto da produção, telemetria consiste na técnica de: ( ) controlar as condições do processo de produção, através de instrumentos recepção e de transmissão, em pontos distantes. ( ) alterar as condições do processo de produção, através de instrumentos recepção e de transmissão, em pontos distantes. ( ) registrar e transportar medições obtidas no processo, através de instrumentos recepção e de transmissão, a pontos distantes.

208

b) A transmissão pneumática apresenta vantagens quando se constata: ( ) existência de condições de riscos de explosões. ( ) necessidade de transmissão rápida e a longas distâncias. ( ) grande disponibilidade de energia elétrica. 2) Quanto ao tipo de sinal utilizado, como se classificam os sistemas de transmissão? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3) Nas afirmativas a seguir marque P para vantagens da Transmissão Pneumática e E para vantagens da Transmissão Eletrônica. ( ) Apresenta níveis de segurança de funcionamento maiores. ( ) Mesmo o menor sinal do elemento primário pode ser transmitido sem distorção ou perdas. ( ) Em alguns casos, é possível compartilhar linhas instaladas com outras finalidades e já em uso para transmissão. ( ) É a mais eficiente diante de dificuldades na obtenção de energia elétrica. ( ) Os retardos na transmissão de informações são desprezíveis.

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Capítulo 7. Transmissão

4) Qual o tipo de sinal mais utilizado para transmissão eletrônica? ________________________________________________________________

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7.5. Glossário IEC - International Electromechanical Commission. Internacional Eletrotécnica. ISO - International Standardization Organization. Organização Internacional de Normalização Range - corresponde corresponde a faixa ou campo de medição de uma variável. SI - Sistema Internacional. Telemetria - consiste consiste na técnica de registrar e transportar medições obtidas no processo, através de instrumentos recepção e de transmissão, a pontos distantes.

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Capítulo 7. Transmissão

7.6. Bibliografia ALVES, José Luiz loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de processos. Rio de Janeiro: LTC, 2005. ANSI/ ISA S5.1. Instrumentation Symbols and Identification, 1984. BEGA, E.A. (Org.). et al. Instrumentação Industrial. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. DELMÉE, Gerard Jean. Manual de Medição de Vazão. 3ª edição. São Paulo: Edgard blücher, 2003. GOMES, Andrea Manhães. Noções Básicas de Instrumentação e Controle. Petrobras, 2006. LIPTÁK, Béla G. Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. PEREIRA, J.P.P. Apostila do Curso de Operador - Automação e Instrumentação. Petrobras, 2006. SILVA, Luiz Carlos da. A importância da temperatura do petróleo armazenado em tanques. In: Metrologia &Instrumentação. Disponível em: . Acesso em: 12 abr 2008. THOMAS, José Eduardo (Org.). et al. Fundamentos da engenharia de Petróleo. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2004.

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7.7. Gabarito 1) Marque com X a alternativa que complementa corretamente as afirmativas: a) No contexto da produção, telemetria consiste na técnica de: (

)

controlar as condições do processo de produção, através de instrumentos recepção e de transmissão, em pontos distantes.

(

)

alterar as condições do processo de produção, através de instrumentos recepção e de transmissão, em pontos distantes.

( X ) registrar e transportar medições obtidas no processo, através de instrumentos recepção e de transmissão, a pontos distantes. b) A transmissão pneumática apresenta vantagens quando se constata: ( X ) existência de condições de riscos de explosões.

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(

) necessidade de transmissão rápida e a longas distâncias.

(

) grande disponibilidade de energia elétrica.

2) Quanto ao tipo de sinal utilizado, como se classificam os sistemas de transmissão? Quanto ao tipo de energia, os sistemas podem ser de: • Transmissão pneumática (ar comprimido seco); • Transmissão eletrônica (energia elétrica). 3) Nas afirmativas a seguir marque P para vantagens da Transmissão Pneumática e E para vantagens da Transmissão Eletrônica. ( P ) Apresenta níveis de segurança de funcionamento maiores. ( E ) Mesmo o menor sinal do elemento primário pode ser transmitido sem distorção ou perdas. ( E ) Em alguns casos, é possível compartilhar linhas instaladas com finalidades e já em uso para transmissão.

outras

( P ) É a mais eficiente diante de dificuldades na obtenção de energia elétrica. ( E ) Os retardos na transmissão de informações são desprezíveis. 4) Qual o tipo de sinal mais utilizado para transmissão eletrônica? O sinal eletrônico de 4-20 mA.

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Capítulo 8 Sistemas de controle de processo

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar os principais sistemas e instrumentos de controle utilizados na indústria do petróleo; • Caracterizar os tipos de ação de controle e principais características dos controladores de processos.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

8. Sistemas de controle de processo

O

s sistemas de controle têm como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição em um certo valor (fixo ou variante). Este valor que pretendemos alcançar é o valor desejado ou set-point. Para atingir esta finalidade, o sistema de controle opera de acordo com as seguintes etapas: 1 - Medida do valor atual da variável que se quer regular através do elemento sensor; 2 - Transmissão da informação obtida para o controlador; 3 - Comparação do valor atual (Process Variable / PV) com o valor desejado (Set-point /SP) e determinação do erro /desvio; 4 - Utilização do desvio (ou erro) para gerar um sinal de correção a partir das ações proporcional – integral – derivativa (PID), ajustadas pelo operador do controlador; 5 - Aplicação do sinal de correção (Manipulate Variable/ MV) ao sistema, de modo que o erro seja eliminado; 6 - A atuação do elemento final de controle (EFC) na unidade de processamento. O diagrama a seguir representa as etapas de um sistema de controle de uma válvula.

Sistema de Controle

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215

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IMPORTANTE! Resumidamente, podemos definir controle como a manutenção do valor da variável de processo (PV) em um valor desejado (SP), através da determinação do erro e da utilização deste para se gerar um sinal de saída (MV), a partir dos ajustes das ações de controle (PID) na válvula de controle (EFC).

216

Na maior parte dos casos, existem atrasos no processo que interferem na relação entre o sinal de saída do controlador (correção) e o erro (desvio). Estes atrasos representam uma função matemática e envolvem cálculos matemáticos para determinar a resposta da correção do processo. É importante observar que esses atrasos interferem nos ajustes do controlador (PID) a serem realizados pelos técnicos de operação no controle. Para facilitar o entendimento de alguns termos que serão utilizados, a seguir apresentaremos, de forma sucinta, suas definições. Termos

Definições

Planta

Uma planta é parte de um equipamento; eventualmente tratase de um conjunto de itens de uma máquina, que funciona conjuntamente, cuja finalidade é desenvolver uma dada operação.

Processo

Qualquer operação ou seqüência de operações, envolvendo uma mudança de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão.

Sistema

Refere-se a uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam determinado objetivo.

Variável do Processo (PV)

Qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida, a fim de que se possa efetuar a indicação e/ ou controle do processo. Neste caso, também chamada de variável controlada.

Variável Manipulada (MV)

É a grandeza que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

Termos

Definições

Set-point (SP)

É um valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer.

Distúrbio (Ruído)

É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada.

Desvio ou erro

Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável controlada.

Ganho

Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída, devem ser expressas na mesma unidade.

8.1. Tipos de controle 217

• Controle manual Inicialmente, considere o caso em que um técnico de operação detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema, medindo a temperatura da água. O técnico de operação observa a indicação do termômetro e, baseado nela, efetua o fechamento ou a abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida. Termômetro Água quente

Vapor

Água fria Dreno

Controle manual de um sistema térmico

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Deste modo, o técnico de operação é que está efetuando o controle, através da sua observação e da sua ação manual, sendo, portanto, um caso típico de controle manual. • Controle automático No esquema a seguir, o técnico de operação foi substituído por um instrumento capaz de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste sistema, temos um processo similar ao anterior, contudo no lugar do técnico de operação foi inserido o controlador automático.

218

Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito a partir da medição e transmissão realizada pelo dispositivo de medida de temperatura (sensor/ transmissor) ao controlador automático. O controlador automático recebe o valor da PV, compara com o valor de SP, obtendo uma correção no valor de saída a partir de ajustes no PID, de forma a manter a PV igual à SP. Dispositivo de medida da temperatura

Água quente

Controlador automático

Válvula de controle Vapor Água fria Dreno

Controle automático de um sistema térmico

Esse processo, por ocorrer sem a interferência direta do homem, caracteriza-se como de controle automático.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

IMPORTANTE! Para facilitar o entendimento do controle do processo, a representação do sistema é feita através de um diagrama denominado diagrama de bloco.

8.2. Controle em malha aberta e malha fechada Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação do controlador, que é o elemento responsável pela ativação do sistema para produzir a saída. Em outras palavras, podemos dizer que o controle está em malha aberta quando é operado manualmente, no campo, ou remotamente. Por outro lado, o controle em malha fechada refere-se sempre ao processo automático. a) Sistema de controle em malha aberta É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída do controlador, portanto, a saída não tem efeito na atuação da variável manipulada. Neste caso, conforme mostrado na ilustração a seguir, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema é o caso do técnico de operação corrigir manualmente a variável de processo, através da válvula de controle, independente do valor medido pelo transmissor.

Sistema de controle em malha aberta

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b) Sistema de controle em malha fechada É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, de informações de saída do processo. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle, como mostra o diagrama a seguir:

Sistema de controle em malha fechada

220

ATENÇÃO Realimentação é a característica do sistema em malha fechada, que permite que a saída seja comparada com a entrada. Geralmente a realimentação é produzida em um sistema, quando existe uma seqüência fechada de relações de causa e efeito entre variáveis do sistema. Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar a diferença (erro ou desvio) entre o valor desejado e o valor do processo, esta recebe o nome de realimentação negativa.

8.3. Atrasos no processo - fatores Todo processo possui características que determinam atrasos na transferência de energia e/ou massa, o que conseqüentemente dificulta a ação dos controladores no processo. Durante os ajustes de sintonia do controlador (PID) devem ser consideradas algumas características e sua intensidade, como:

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

• Tempo morto; • Capacitância; • Resistência. Estas características são fundamentais para estabelecer os valores de sintonia do controlador, isto é, os valores que definirão os ajustes ou ganhos de um controlador. Estes ganhos podem ser: • Proporcional; • Integral; • Derivativo.

221 8.3.1. Tempo morto É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor. 8.3.2. Capacitância A capacitância de um processo é um fator muito importante no controle automático. É uma medida das características próprias do processo para manter ou transferir uma quantidade de energia ou de material com relação a uma quantidade unitária de alguma variável de referência. Em outras palavras, é uma mudança na quantidade contida, por unidade alterada na variável de referência.

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8.3.3. Resistência A resistência é uma oposição total ou parcial à transferência de energia ou de material entre as capacitâncias.

8.4. Algoritmo de controle Os algoritmos de controle são lógicas que definem o comportamento de uma malha de controle. No controle automático, o controlador é responsável por realizar os cálculos necessários para corrigir o erro e colocar a variável de processo no valor desejado.

222

Esses cálculos são feitos a partir de algoritmos de controle e eles determinam qual a atitude que o controlador deve tomar para eliminar o erro de forma rápida sem causar oscilação intensa no processo. Cada algoritmo possui ajustes ou ganhos que são informados ao controlador para a correção do processo. Os ajustes sintonizados no controlador interferem diretamente no processo, sendo de responsabilidade da operação a verificação destes valores. A sintonia pode ser realizada pela operação ou pela manutenção, sendo de fundamental importância o conhecimento do processo onde a malha de controle está inserida. Existem dois modos de acionamento e quatro tipos de algoritmos que tomam ações de controle, que podem ser utilizados isoladamente ou associados entre si. Iniciaremos definindo estes dois modos para, em seguida, analisar cada tipo de ação e suas principais associações. Os algoritmos são: • Algoritmo de controle on-off (liga/desliga); • Algoritmo de controle proporcional (ação proporcional);

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

• Algoritmo de controle integral (ação integral); • Algoritmo de controle derivativo 8.4.1. On-off (liga-desliga) De todas as ações de controle, a ação em duas posições é a mais simples e também a mais barata e, por isso, é extremamente utilizada tanto em sistemas de controle industrial como nos domésticos. Como o próprio nome indica, só permite duas posições para o elemento final de controle, ou seja, totalmente aberto ou totalmente fechado. Assim, a variável manipulada é rapidamente mudada para o valor máximo ou o valor mínimo, dependendo se a variável controlada está acima ou abaixo do valor desejado. Sendo assim, o controle com este tipo de ação fica restrito a processos estáveis, pois este tipo de controle não proporciona balanço exato entre entrada e saída de energia. Para exemplificar um controle On-off, recorreremos ao sistema de controle de nível mostrado na ilustração a seguir. Neste sistema, para se efetuar o controle de nível, utiliza-se um flutuador para abrir e fechar o contato (S), energizar ou não o circuito de alimentação da bobina de uma válvula solenóide. S O1

115V Bóia

C

h R

Sistema On-off - Controle de nível de líquido

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Observe que neste tipo de ação vai existir sempre um intervalo entre os comandos liga - desliga. Este intervalo diferencial faz com que a saída do controlador mantenha seu valor presente até que o sinal de erro tenha se movido ligeiramente além do valor zero. Em alguns casos, este intervalo é proveniente de atritos e perdas de movimento, não intencionalmente introduzido no sistema. Entretanto, normalmente, é introduzido com a intenção de evitar uma operação de liga-desliga mais freqüente, o que certamente afetaria a vida útil do sistema. A ilustração a seguir mostra, através de um gráfico, o que vem a ser este intervalo entre as ações liga-desliga. Valor desejado ON Intervalo entre as ações

224

OFF

-

0 Desvio

+

Intervalo ente as ações de liga-desliga

O fato de este controle levar a variável manipulada sempre a uma das suas posições extremas faz com que a variável controlada oscile continuamente em torno do valor desejado. Esta oscilação varia em freqüência e amplitude, em função do intervalo entre as ações e também em função da variação da carga. Com isto, o valor médio da grandeza sob controle será sempre diferente do valor desejado, provocando o aparecimento de um desvio residual, denominado erro de off-set.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

“Off-set” Valor desejado

Variável controlada Valor médio ON Variável manipulada

ON OFF

ON OFF

Erro de off-set

• Características básicas do controle On-off Basicamente, todo controlador do tipo On-off apresenta as seguintes características:

225

• A correção independe da intensidade do desvio; • O ganho é infinito; • Provoca oscilações no processo; • Deixa sempre erro de off-set. O controle através da ação em duas posições é simples e econômico e, por isso, utilizado em alguns processos industriais, como por exemplo: no controle de temperatura nos fornos elétricos pequenos, fornos de secagem etc. No entanto, por outro lado, apresenta certas desvantagens, por provocar oscilações e off-set e, principalmente, quando provoca tempo morto muito grande, os resultados obtidos por estes controles simples tornam-se acentuadamente inadequados. Assim, quando não é possível utilizar esse tipo de controle, recorre-se a outros tipos mais complexos, mas que eliminam os inconvenientes citados.

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8.4.2. Ação proporcional (ação P) Foi visto anteriormente que na ação liga-desliga, quando a variável controlada se desvia do valor ajustado, o elemento final de controle realiza um movimento brusco de On (liga) para Off (desliga), provocando uma oscilação no resultado de controle. Para evitar tal tipo de movimento foi desenvolvido outro tipo de ação no qual a ação corretiva produzida por este mecanismo é proporcional ao valor do desvio. Tal ação denominou-se ação proporcional. O gráfico abaixo indica o movimento do elemento final de controle (MV) sujeito apenas à ação de controle proporcional em uma malha aberta, quando é aplicado um desvio em degrau em um controlador ajustado para funcionar na ação direta, no instante T1 e VP diferente de SP.

226

Movimento do elemento final de controle

A ação proporcional pode ser determinada pela seguinte equação: MV = KP . DV + SO

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

Onde: MV = sinal de saída do controlador; KP = constante de proporcionalidade ou ganho proporcional; DV = desvio = |VP - SV|; SO = sinal de saída inicial; VP = variável do processo (PV); SP = SV = Valor Setado (desejado). Note que mesmo quando o desvio (DV) é zero, há um sinal SO saindo do controlador, cuja finalidade é a de manter o elemento final de controle na posição de regime. E mais, para se obter o controle na ação direta ou reversa, basta mudar a relação de desvio. Assim, para DV = (PV - SV) tem-se a ação direta e DV = (SV - PV) temse a ação reversa. • Ajustes de ganho do controlador com ação proporcional Os parâmetros de ajustes do controlador proporcional são valores definidos para os controladores proporcionais e são: faixa proporcional (banda proporcional) e ganho. • Faixa proporcional e ganho É definida como sendo a porcentagem de variação da variável controlada capaz de produzir a abertura ou fechamento total da válvula. Assim, por exemplo, se a faixa proporcional é 20%, significa que uma variação de 20% no desvio produzirá uma variação de 100% na saída, ou seja, a válvula se moverá de totalmente aberta para totalmente fechada, quando o erro variar 20% da faixa de medição. O gráfico a seguir mostra a relação entre a abertura da válvula e a variável controlada.

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228 Representação gráfica de diversas faixas proporcionais

Observando o gráfico é possível concluir que quanto menor a faixa proporcional, maior será o movimento da válvula em relação ao mesmo desvio e, portanto, mais eficiente será a ação proporcional. Porém, se a faixa proporcional for igual a zero, a ação proporcional deixa de atuar, passando então a ser um controle de ação liga-desliga. Então, é possível concluir que existe uma relação bem definida entre a faixa proporcional (FP) e o ganho proporcional (Kp). Esta relação pode ser expressa pela equação a seguir:

IMPORTANTE! Faixa proporcional de um controlador é a percentagem de variação (em relação à escala total de medição) que a variável controlada deve apresentar para que o sinal de saída ou elemento final sejam levados de um extremo a outro.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

• Erro de off-set Verificamos até aqui que ao introduzirmos os mecanismos da ação proporcional, eliminamos as oscilações no processo provocadas pelo controle liga-desliga, porém o controle proporcional não consegue eliminar o erro de off-set ou erro de regime, visto que quando há um distúrbio qualquer no processo, a ação proporcional não consegue eliminar totalmente a diferença entre o valor desejado e o valor medido (variável controlada), conforme pode ser visto na ilustração a seguir:

229

Resultado do controle pela ação proporcional

No gráfico acima aconteceu um distúrbio no processo no instante T1 e o processo reagiu, oscilando até encontrar uma nova posição de equilíbrio. Como houve alteração nas vazões de saída e de entrada de líquido, por exemplo, as condições de equilíbrio sofreram alteração e este será conseguido em outra posição. Esta mudança na posição de equilíbrio então provocará o aparecimento de uma diferença entre os valores medidos e desejados. Esta diferença permanecerá constante enquanto nenhum outro distúrbio acontecer, já que a ação proporcional só atua no momento em que o distúrbio aparece. Uma observação importante que deve ser feita é que o valor do erro off-set depende diretamente da faixa proporcional, tornando-se, assim, cada vez menor à medida que a faixa proporcional diminuiu. No entanto, à medida que a faixa proporcional diminui, aumenta a possibilidade do aparecimento de oscilações, sendo, portanto, importante estar atento ao se escolher a faixa proporcional de controle.

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• Características básicas do controle proporcional

230

Vimos que com a introdução da ação proporcional, consegue-se eliminar as inconvenientes oscilações provocadas pelo controle ON-OFF. No entanto, esta ação não consegue manter os sistema em equilíbrio sem provocar o aparecimento do erro de off-set, caso haja variação na carga, o que muitas vezes pode ser contornado pelo técnico de operação, que periodicamente faz o reajuste do controle manualmente, eliminando este erro. Se, entretanto, isto ocorrer com freqüência, torna-se desvantajosa a ação de correção do técnico de operação e então outro dispositivo deve ser usado. Assim, sistemas de controle apenas com ação proporcional somente devem ser empregados em processos onde grandes variações de carga são improváveis, apresentando pequena incidência de erros de off-set ou em processos com pequenos tempos mortos. Neste último caso, a faixa proporcional pode ser bem pequena (alto ganho) a qual reduz o erro de off-set. Basicamente, todo controlador do tipo proporcional apresenta as seguintes características: a) Correção proporcional ao desvio; b) Existência de uma realimentação negativa; c) Apresenta erro de off-set após uma variação de carga.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

8.4.3. Ação integral - Ação I Ao utilizar o controle proporcional, conseguimos eliminar o problema das oscilações provocadas pela ação ON-OFF e este seria o controle aceitável na maioria das aplicações, se não houvesse o inconveniente da não eliminação do erro de off-set sem a intervenção do técnico de operação. Esta intervenção em pequenos processos é aceitável, porém, em grandes plantas industriais, isto se torna impraticável. Para resolver este problema e eliminar este erro de offset, desenvolveu-se uma nova unidade denominada ação integral. A ação integral atua no processo ao longo do tempo enquanto existir diferença entre o valor desejado e o valor medido. Assim, o sinal de correção é integrado no tempo e por isto, enquanto a ação proporcional atua de forma instantânea quando acontece um distúrbio em degrau, a ação integral vai atuar de forma lenta até eliminar por completo o erro. Para melhor compreendermos a ação integral em um sistema de controle, recorreremos aos gráficos a seguir, onde está sendo representado como se comporta esta ação quando o sistema é sensibilizado por um distúrbio do tipo degrau em uma malha aberta. Observe que a resposta da ação integral foi aumentando enquanto o desvio esteve presente, até atingir o valor máximo do sinal de saída (até entrar em saturação). Assim, quanto mais tempo o desvio perdurar, maior a saída do controlador e se o desvio fosse maior ainda, sua resposta seria mais rápida, ou seja, a reta do gráfico a seguir seria mais inclinada.

Resposta da ação integral em distúrbio em degrau

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231

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Percebemos, então, que a resposta desta ação de controle é função do tempo e do desvio e, deste modo, podemos analiticamente expressá-la pela seguinte equação (2):

(2) Onde: ds/dt = taxa de variação de saída do controlador; DV = desvio;

232

KI = ganho integral ou taxa integral. Na maioria das vezes o inverso de KI, chamado de tempo integral é usado para descrever a ação. [Ti = tempo necessário para que uma repetição do efeito proporcional seja obtido, sendo expresso em minuto por repetição (MPR) ou segundo por repetição (SPR)]. Integrando a equação (2), nós encontramos a saída atual do controlador em qualquer tempo como:

Onde: MV(t) = saída do controlador para um tempo t qualquer; So = saída do contolador para t = o.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

Esta equação mostra que a saída atual do controlador MV (t), depende do histórico dos desvios, desde quando começou a ser observado em t = 0 e, por conseguinte, ao ser feita a correção do desvio, esta saída não mais retornará ao valor inicial, como ocorre na ação proporcional. Podemos concluir pela equação (2), por exemplo, que se o desvio dobra, a taxa de variação de saída do controlador muda em dobro também. a) Ajustes de ganho do controlador com ação integral Os parâmetros de ajustes do controlador integral são: tempo integral (Ti) ou Taxa de Reset (Tr). • Tempo integral (minutos por repetição - mpr);

233

• Taxa de reset (repetições por minutos - rpm). A taxa de reset é o inverso do tempo integral.

b) Características básicas do controle integral A ação integral foi introduzida principalmente para eliminar o erro de off-set deixado pela ação proporcional, atuando, então, até que o desvio volte a ser nulo. No entanto, como ela é uma função do tempo, sua resposta é lenta e, por isso, desvios grandes em curtos espaços de tempo não são devidamente corrigidos. Outro fator importante notado, quando se usa este tipo de ação, é que enquanto o desvio não mudar de sentido, a correção, ou seja, o movimento da válvula, não mudará de sentido, podendo provocar instabilidade no sistema.

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Tipicamente, a ação integral não é usada isoladamente, sendo sempre associada à ação proporcional, pois deste modo tem-se o melhor das duas ações de controle. A ação proporcional corrige os erros instantaneamente e a integral se encarrega de eliminar em longo prazo qualquer desvio que permaneça (por exemplo, erro de off-set). Entretanto, às vezes ela pode ser utilizada sozinha quando o sistema se caracteriza por apresentar pequenos atrasos de processo e, conseqüentemente, pequenas capacitâncias. As principais características do controle integral são: • A correção depende não só do erro, mas também do seu tempo de duração; • Ausência do erro de off-set;

234

• Quanto maior o erro, maior será a velocidade de correção; • No controle integral, o movimento da válvula não muda de sentido enquanto o sinal de desvio não se inverter. Desvio

DV

SV

t

Movimento da válvula pela ação P

VP tempo

(a)

ação P

MV tempo

(b) Movimento da válvula pela ação I

o çã

I

MV

a

tempo (c)

ão

aç

P

I P+

MV

P P

t1

t

tempo

(d)

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

8.4.4. Ação derivativa (ação D) Até agora vimos que o controlador proporcional tem sua ação proporcional ao desvio e que o controlador integral tem sua ação proporcional ao desvio, em virtude do tempo. Em resumo, eles só atuam em presença do desvio. O controlador ideal seria aquele que impedisse o aparecimento de desvios, o que na prática seria difícil. No entanto, pode ser obtida a ação de controle que reaja em função da velocidade do desvio, ou seja, não importa a amplitude do desvio, mas sim a velocidade com que ele aparece. Este tipo de ação é comumente chamado de ação derivativa. Ela atua, fornecendo uma correção antecipada do desvio, isto é, no instante em que o desvio tende a acontecer, ela fornece uma correção de forma a prevenir o sistema quanto ao aumento do desvio, diminuindo, assim, o tempo de resposta. Matematicamente, esta ação pode ser representada pela seguinte equação:

235

Onde: = taxa de variação do desvio; So = saída para desvio zero; Td = tempo derivativo. O tempo derivativo, também chamado de ganho derivativo, significa o tempo gasto para se obter a mesma quantidade operacional da ação proporcional somente pela ação derivativa, quando o desvio varia numa velocidade constante. a) Ajustes de ganho do controlador com ação derivativa O parâmetro de ajuste do controlador derivativo é o tempo derivativo que é dado em minutos.

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Desvio (%)

Observe os gráficos a seguir:

0

VP

VP SV

t0

tempo

Saída (%)

100

0

t0

ação D

t1

SV tempo

ação D

MV t0

tempo

(a) Desvio em degrau

t0

t1

MV tempo

(b) Desvio em rampa

S (%) (saída)

236

100

50

0

dE (% / s) 0 dt (+) Razão de mudança do desvio

(-)

b) Características básicas do controle derivativo Como esta ação de controle depende somente da razão da variação do desvio e não da amplitude deste, não deve ser utilizada isoladamente, pois tende a produzir movimentos rápidos no elemento final de controle, tornando o sistema instável. No entanto, para processos com grandes constantes de tempo, ela pode vir associada à ação proporcional e principalmente às ações proporcional e integral. Esta ação não deve ser utilizada em processos com resposta rápida e não pode ser utilizada em qualquer processo que apresente ruídos no sinal de medição, tal como vazão, pois neste caso a ação derivativa no controle irá provocar rápidas mudanças na medição devido a estes ruídos. Isto causará grandes e rápidas variações na saída do controlador, o qual irá manter a válvula em constante movimento, danificando-a e levando o processo à instabilidade.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

As principais características do controle derivativo são: • A correção é proporcional à velocidade de desvio; • Não atua quando o desvio é constante; • Quanto mais rápida a razão de mudança do desvio, maior será a correção.

8.5. Ação Proporcional + Integral + Derivativa (PID) Além das formas já abordadas de controle, temos outras também de grande importância e que devem ser conhecidas. O controle proporcional associado ao integral e ao derivativo é o mais sofisticado tipo de controle utilizado em sistemas de malha fechada. A proporcional elimina as oscilações; a integral elimina o desvio de off-set; enquanto a derivativa fornece ao sistema uma ação de antecipação, evitando previamente que o desvio se torne maior quando o processo se caracteriza por ter uma correção lenta comparada com a velocidade do desvio (por exemplo, alguns controles de temperatura). A associação das três ações de controle permite-nos obter um tipo de controle que reúne todas as vantagens individuais de cada um deles e, por isto, virtualmente ela pode ser utilizada para controle de qualquer condição do processo. Na prática, no entanto, esta associação com a ação derivativa é normalmente utilizada em processo com resposta lenta (constante de tempo grande) e sem muito ruído, tal como ocorre na maioria dos controles de temperatura.

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237

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IMPORTANTE! Os valores

e Td são parâmetros ajustáveis pelos

técnicos de operação e dependem do processo. Esses parâmetros são chamados de ganho do controlador, que são: K - ganho do controlador com ação proporcional; 1/Ti - ganho do controlador com ação integral; Td - ganho do controlador com ação derivativa.

238

Estes parâmetros atuam no ganho do processo, fazendo com que a variável encontre mais rapidamente o valor desejado, isto é, atinja o valor de SP.

8.6. Quadro comparativo entre o tipo de desvio e a resposta de cada ação Na ilustração a seguir são apresentadas formas de resposta das ações de controle, isoladas ou combinadas, após a ocorrência de distúrbios em degrau, pulso, rampa e senoidal, sendo que o sistema se encontra em malha aberta.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

239 8.7. Modos de acionamento O sinal de saída do controlador depende da diferença entre a variável do processo (PV) e o valor desejado para aquele controle (SP ou SV). Assim, dependendo do resultado desta diferença, a saída pode aumentar ou diminuir. Baseado nisto um controlador pode ser designado a trabalhar de dois modos distintos chamados de ação direta e ação indireta. A ação direta ou indireta deve ser analisada em conjunto com o elemento final de controle, onde devemos avaliar a posição de falha da válvula. • Válvula com posição de falha aberta é representada no fluxograma de engenharia como falha abre (FA) ou fail open (FO); • Válvula com posição de falha fechada é representada no fluxograma de engenharia como falha fecha (FF) ou fail closed (FC).

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a) Ação direta (normal) Um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado provoca um aumento no sinal de saída do mesmo. b) Ação indireta (reversa) Um controlador está funcionando na ação reversa quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado provoca um decréscimo no sinal de saída do mesmo.

8.8. Estratégias de controle automático

240

As estratégias de controle automático são utilizadas em malha fechada que utilizam algoritmos PID. Estas estratégias são definidas em função do comportamento do processo identificando a variável controlada ou de processo, a variável manipulada, e, principalmente, o distúrbio que interfere diretamente na variável controlada. • Realimentação ou feed-back (+ utilizado); • Cascata; • Antecipativo ou feed-foward; • Faixa dividida ou split-range. 8.8.1. Malha de controle tipo feedback Nesse tipo de regulação automática, a ação de correção (MV) é produzida em função das diferenças entre a variável do processo e o set-point. A correção não mudará o seu sinal até que o desvio não mude. A correção é cessada quando PV = SP. Em outras palavras, o controlador recebe o sinal proveniente da PV após a ocorrência do erro.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

8.8.2. Controle em cascata O controle em cascata é implementado quando a malha de controle simples já não responde satisfatoriamente, principalmente em processos de grande inércia e quando o processo possui uma contínua perturbação na variável regulante. No controle em cascata normalmente encontram-se duas variáveis de processo, dois controladores e um elemento final de controle. Nesta estratégia de controle temos a saída de um controlador, sendo o SP remoto do outro. 8.8.3. Controle Feed-forward O controle Feed-foward também é conhecido por regulação em malha aberta, regulação preditiva ou controle por antecipação. Nesta estratégia de controle o controlador recebe o valor da variável de processo antes dela ocasionar o sinal de erro no controlador. 8.8.4. Controle tipo split-range O controle split-range é uma montagem particular que utiliza no mínimo dois elementos finais de controle comandados simultaneamente pelo mesmo sinal. Essa estratégia é utilizada nas seguintes circunstâncias: • Quando a rangeabilidade necessária para uma aplicação é maior que a rangeabilidade de um único elemento final de controle; • Quando é necessário utilizar dois elementos finais de controle, independente da situação.

ATENÇÃO A montagem split-range necessita de posicionadores que permitam efetuar em cada EFC o seu curso nominal para uma parte do sinal do controlador.

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241

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8.9. Tecnologias dos controladores Os controladores PID podem ser construídos utilizando-se diversas tecnologias. Existem disponíveis no mercado controladores PID pneumáticos, eletrônicos analógicos e eletrônicos microprocessados. Os controladores pneumáticos utilizam sinais pneumáticos de 3 a 15psig e ainda são utilizados na indústria do petróleo, principalmente devido a sua segurança em áreas onde existe a possibilidade de presença de produtos inflamáveis e devido também a sua robustez, entretanto seu uso é cada vez menor.

242

Os controladores eletrônicos analógicos (baseados em amplificadores operacionais e transistores) estão em extinção, sendo substituídos pelos controladores eletrônicos digitais. Utilizam sinais elétricos de 4 a 20 mA. Os controladores digitais são a maioria, e podem ser implementados de várias formas, a saber: • Controladores single ou multi-loop; • Controladores Lógicos Programáveis (CLP); • Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD); • E recentemente em transmissores FieldBus. Os controladores single ou multi-loop são dispositivos de painel, de pequeno porte, que utilizam microcontroladores e podem controlar até quatro malhas. Podem implementar estratégias de controle em cascata, controle por antecipação, sintonia automática e algumas outras estratégias avançadas. São utilizados em indústrias onde o número de malhas não é muito elevado.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

Os CLPs são computadores industriais, inicialmente desenvolvidos para executar lógica discreta em substituição aos painéis de relês. Atualmente, os CLPs possuem blocos funcionais que implementam o algoritmo PID. Podem executar algumas centenas de malhas PID em um único processador e são utilizados em indústrias que não requerem estratégias de controle avançado. Os SDCDs são computadores industriais desenvolvidos para implementação de grande número de malhas de controle e utilização de estratégias de controle avançado. Recentemente, os transmissores de pressão, nível, temperatura e vazão passaram a ser microprocessados (inteligentes) com o objetivo de realizar linearização, diagnóstico, calibração e configuração remota. Hoje, alguns transmissores microprocessados, denominados FieldBus, transmitem o valor da variável medida e dados de diagnóstico via rede digital e alguns possuem algoritmos de controle PID, de forma que o controle pode ficar distribuído no campo.

8.10. Sintonia do controlador PID A sintonia de um controlador é a escolha feita dos parâmetros do controlador (Kp, Ti e Td) de forma que a variável controlada apresente um determinado comportamento (forma de resposta) após uma variação da referência ou da carga. Existem vários métodos de sintonia para o controlador PID. Alguns métodos são analíticos e requerem o conhecimento do modelo dinâmico da planta. Outros métodos são empíricos e estabelecem regras baseadas no resultado de estímulos aplicados à planta. IMPORTANTE! Grande parte da literatura de controle de processo recomenda que em um controlador bem sintonizado, a variável controlada, após uma mudança da referência em degrau deve obter uma taxa de amortecimento de ¼, bom compromisso entre uma rápida subida e um curto tempo de acomodação, considerando apenas os critérios de estabilidade e sem falar em otimização.

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8.11. Exercícios 1) O que são ações de controle? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) Descreva, resumidamente, os três tipos de ações de controle.

244

_______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _________________________________________________________________ 3) Quais as principais categorias dos controladores? ________________________________________________________________ 4) Como se subdividem os controladores elétricos? _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

5) Correlacione as colunas a seguir, numerando as descrições da coluna da direita de acordo com os tipos de controladores da coluna da esquerda. (1)

Controladores ( ) hidráulicos

Foram os primeiros a ser miniaturizados, permitindo a construção de painéis centralizados.

(2)

Controladores ( ) Lógicos Programáveis (CLP ou CLP)

Permitem adicionar 4 controladores convencionais em um só instrumento, além de adicionar muito mais funções.

(3)

Controladores ( ) digitais

São hoje amplamente utilizados na indústria do petróleo. Os algoritmos de controle são facilmente implementados através de software (programação).

(4)

Controladores ( ) pneumáticos

São os mais utilizados quando se exige uma quantidade de força muito grande, em sistemas de grande porte.

6) Complete as lacunas. Para melhorar a ação de controle, é necessário observar a situação do processo quanto aos seguintes aspectos: Identificar quais outras ______________________.

variáveis

atuam

na

variável

Escolher, para ___________ manipulada, a variável que melhor controle a variável ________________. Conhecer a forma da ________________ de transparência do controlador. Identificar o sinal que entra e sai do ____________, ou seja, saber qual a relação entre a entrada do erro e a ___________ do controlador. Conhecer a descrição dos _________________ do controlador.

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245

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7) Explique os conceitos a seguir: a) Repetições por minuto (rep./min, ou rpm): ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ _____________________________________________________________ b) Minuto por repetição (min./rep). ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 8) Um controlador de temperatura cujo range é de 300 K a 440 K tem seu valor desejado ajustado em 384 K. Determine o erro percentual quando a temperatura medida é de 379 K.

246

9) Um sistema que está sendo controlado através da ação proporcional direta se encontra funcionando nas seguintes condições: VP = 50%; SV = 40% e FP = 60%. Calcule a sua saída neste instante, sabendo que So é igual a 50%.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

10) Um controlador proporcional de ação reversa é sensibilizado por um desvio que se manifesta a uma taxa de 8 % / min. Sabendo-se que a faixa proporcional é de 20%, qual é a variação produzida na saída do controlador ao final dos primeiros 20 segundos?

11) Um controlador P + I é sensibilizado em um determinado instante por um desvio de 10%. Considerando que este controlador se encontra em uma bancada de teste (malha aberta), calcule a nova saída 5 segundos após ter sido introduzido o desvio, sabendo-se que: a Faixa Proporcional = 60%; Ganho Integral = 2 rpm ( repetições por minuto ); Ação do Controlador = Reversa; Saída Anterior So = 12 mA VP > SV.

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12) Um controlador P + D é sensibilizado por um desvio que se manifesta com uma velocidade de 20%/ min. Considerando VP > SV, ação direta; Kp = 2; KD = 0,25 min e So= 50%, qual a saída do controlador 10 segundos após o início do desvio?

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

8.12. Glossário Capacitância - medida das características próprias do processo para manter ou transferir uma quantidade de energia ou de material com relação a uma quantidade unitária de alguma variável de referência. CLP - Controlador Lógico Programável. EFC - Elemento Final de Controle. FA - falha abre. FC - fail closed. FF - falha fecha. FO - fail open. FP - faixa proporcional.

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Kp - ganho proporcional. Multi-loop - instrumentos capazes de controlar malhas, sem a necessidade do uso do CLP. MV - variável manipulada, sinal de saída. Off-set - desvio residual. PID - Proporcional, Integral e Derivativo. PV - variável de processo (VP). Range - faixa de vazão. SDCD - Sistema Digital de Controle Distribuído. Set-point - ponto ponto de ajuste. Solenóide - bobina contendo um elemento móvel de material magnético que se move em função da direção do campo magnético. SP - set-point.

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8.13. Bibliografia ALVES, José Luiz loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2005. ANSI/ ISA S5.1. Instrumentation Symbols and Identification. 1984. Apostila do Controle e automação de processos módulo 4 do SENAI – RJ e Petrobras Abastecimento. 2000. Apostila do Curso de Controle automático de processos da UN-BC/ENGP-AUT. Petrobras, 2000. BEGA, E.A. (Org.). et al. Instrumentação Industrial. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. DELMÉE, Gerard Jean. Manual de Medição de Vazão. 3ª edição. São Paulo: Edgard Blücher, 2003.

250

GOMES, Andrea Manhães. Noções Básicas de Instrumentação e Controle. Petrobras, 2006. LIPTÁK, Béla G. Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. PEREIRA, J.P.P. Apostila do Curso de Operador - Automação e Instrumentação. Petrobras, 2006. RIBEIRO, Marco Antônio. Apostila Instrumentação. Salvador, 2005. SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Apostila de Instrumentação Industrial; Vitória, 1999. SILVA, Luiz Carlos da. A Importância da Temperatura do Petróleo Armazenado em Tanques. In: Metrologia & Instrumentação. Disponível em: . Acesso em: 12 abr 2008. THOMAS, José Eduardo (Org.). et al. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2004.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

8.14. Gabarito 1) O que são ações de controle? Ações de controle, de um operador humano ou controlador automático, soa procedimentos que visam a eliminar rápida e eficazmente um desvio notado em uma variável de processo. 2) Descreva, resumidamente, os três tipos de ações de controle. Ações proporcionais, nas quais o operador modifica, manualmente, um controle, proporcionalmente ao desvio identificado na variável. Ações derivativas ou “Pré-Action”, exigidas em processos de reação lenta, nos quais se aplica uma correção inicial maior que a proporcional, visando a estabilizar rapidamente a variável. Ações integrais ou “Reset”, nas quais uma correção adicional é aplicada quando, após correções iniciais, o processo se estabiliza um pouco fora do valor desejado, para que o controle seja restabelecido. 3) Quais as principais categorias dos controladores?

251

Controladores pneumáticos, hidráulicos e elétricos. 4) Como se subdividem os controladores elétricos? Os controladores subdividem-se em eletrônicos, analógico-digitais e digitais. 5) Correlacione as colunas a seguir, numerando as descrições da coluna da direita de acordo com os tipos de controladores da coluna da esquerda: (1)

Controladores hidráulicos

(4)

Foram os primeiros a ser miniaturizados, permitindo a construção de painéis centralizados.

(2)

Controladores Lógicos Programáveis (CLP ou CLP)

(3)

Permitem adicionar 4 controladores convencionais em um só instrumento, além de adicionar muito mais funções.

(3)

Controladores digitais

(2)

São hoje amplamente utilizados na indústria do petróleo. Os algoritmos de controle são facilmente implementados através de software (programação).

(4)

Controladores pneumáticos

(1)

São os mais utilizados quando se exige uma quantidade de força muito grande, em sistemas de grande porte.

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6) Complete as lacunas. Para melhorar a ação de controle, é necessário observar a situação do processo quanto aos seguintes aspectos: Identificar quais outras variáveis atuam na variável controlada. Escolher, para variável manipulada, a variável que melhor controle a variável principal. Conhecer a forma da função de transparência do controlador. Identificar o sinal que entra e sai do controlador, ou seja, saber qual a relação entre a entrada do erro e a correção do controlador. Conhecer a descrição dos componentes do controlador. 7) Explique os conceitos a seguir: a) Repetições por minuto (rep./min, ou rpm): Exprime o número de vezes que um controlador repete a ação proporcional no intervalo de um minuto. São usadas, também, as expressões: “Reset rate”, velocidade de “reset” e velocidade reajuste.

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b) Minuto por repetição (min./rep): Exprime o tempo que um controlador necessita para fazer uma repetição da correção proporcional. São usadas, também, as expressões: “Reset time”, tempo integral, tempo de “reset” tempo de reajuste. 8) Um controlador de temperatura cujo range é de 300 K a 440 K tem seu valor desejado ajustado em 384 K. Determine o erro percentual quando a temperatura medida é de 379 K. Solução: O erro percentual é definido por:

OBS: Neste caso o desvio é negativo pois o valor medido está abaixo do valor desejado.

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Capítulo 8. Sistemas de controle de processo

9) Um sistema que está sendo controlado através da ação proporcional direta, se encontra funcionando nas seguintes condições: VP = 50%; SV = 40% e FP = 60%. Calcule a sua saída neste instante, sabendo que So é igual a 50%. Solução:

10) Um controlador proporcional de ação reversa é sensibilizado por um desvio que se manifesta a uma taxa de 8 % / min. Sabendo-se que a faixa proporcional é de 20%, qual é a variação produzida na saída do controlador ao final dos primeiros 20 segundos? Solução:

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11) Um controlador P + I é sensibilizado em um determinado instante por um desvio de 10 %. Considerando que este controlador se encontra em uma bancada de teste (malha aberta), calcule a nova saída 5 segundos após ter sido introduzido o desvio, sabendo-se que: a Faixa Proporcional = 60%; Ganho Integral = 2 rpm ( repetições por minuto ); Ação do Controlador = Reversa; Saída Anterior So = 12 mA VP > SV Solução: MV = S0 ± (Kp . DV + Kp . Ki . DV . T) S0 =

(12 - 4) . 100 = 50% 16

MV = 50% ± ( 100 . 10 + 100 . 2 . 10 . 5) 60 60 60 MV = 50% ± (16,66 + 2,77) (Ação Reversa) MV = 50% - (19,44 ) MV = 30,56% Ou seja:

254

MV =

30,56 . 16 + 4 = 8,88 (mA) 100

12) Um controlador P + D é sensibilizado por um desvio que se manifesta com uma velocidade de 20%/ min. Considerando VP > SV, ação direta; Kp = 2; KD = 0,25 min e So= 50%, qual a saída do controlador 10 segundos após o início do desvio? Solução: MV = S0 ± (Kp . DV + Kp . KD . DE ) DT MV = 50% ± (Kp . 20 . 10 + Kp . KD . 20) 60 MV = 50% ± (2 . 20 . 10 + 2 . 0,25 . 20) 60 MV = 50% ± (6,667 + 10) MV = 50% ± 16,667 (Ação Direta) MV = 50% + 16,667 MV = 66,667% Ou seja: MV = 66,667 . 16 + 4 = 14, 66 (mA) 100

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Capítulo 9 Válvulas

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar os principais tipos de válvulas e suas funções no processo industrial; • Reconhecer as principais funções, características e a aplicabilidade das válvulas e seus componentes.

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Capítulo 9. Válvulas

9. Válvulas

O

termo válvula faz parte de nosso cotidiano. Mas, de modo geral, somente nos damos conta de sua importância quando algum equipamento hidráulico doméstico não funciona adequadamente. Sendo assim, vamos verificar o conceito, em primeiro lugar, no âmbito mais geral para, a seguir, analisar aspectos técnicos, importantes no contexto da indústria do petróleo. A aplicação na indústria não é diferente, embora em um nível de complexidade muito maior. Nos processos industriais, muitos são os fluxos que precisam ser regulados e as etapas e mecanismos de regulagem, em sistemas complexos, nos quais as válvulas constituem um dos diversos instrumentos de controle e regulagem. Em decorrência da diversidade de aplicações, muitos são, também, os tipos e os componentes de válvulas.

9.1. Válvula de controle A válvula de controle é um elemento final de controle que atua como orifício ou restrição variável numa tubulação, regulando a quantidade de vazão da variável a ser controlada. A válvula de controle é um dos componentes de uma malha de controle.

Malha de controle

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No exemplo acima podemos perceber que quando o sinal de saída do controlador é 4 mA, o sinal de saída do posicionador eletropneumático é de 3psig, mantendo a válvula fechada. A válvula de controle, que você pode ver na ilustração anterior, é composta por três partes: a) Atuador - fornece a força necessária para o funcionamento da válvula; b) Castelo - liga o atuador ao corpo e serve como guia da haste; c) Corpo - fica em contato com o processo. 9.1.1. Atuador

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Basicamente, há duas lógicas de operação do atuador pneumático com o conjunto diafragma e mola. • Ar para abrir - mola para fechar; • 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 (failopen), que equivale a ar para fechar e falha-fechada, igual a ar para abrir.

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Capítulo 9. Válvulas

A operação de uma válvula com atuador pneumático com lógica de ar para abrir é a seguinte: quando não há nenhuma pressão chegando ao atuador, a válvula está desligada e na posição fechada. Quando a pressão de controle, típica de 20 a 100 kPa (3 15psig) começa a crescer, a válvula tende a abrir cada vez mais, assumindo as infinitas posições intermediárias entre totalmente fechada e totalmente aberta. Quando não houver sinal de controle, a válvula vai imediatamente para a posição fechada, independente da posição em que estiver no momento da falha. A posição de totalmente fechada é também conhecida como a de segura em caso de falha. Quem leva a válvula para esta posição segura é justamente a mola. Assim, o sinal pneumático de controle deve vencer a força da mola, a força apresentada pelo fluido do processo, os atritos existentes entre a haste e o engaxetamento. O atuador necessita de pressão para abrir a válvula. Para pressões menores que 20 kPa (3psig) a válvula deve estar totalmente fechada. Com o aumento gradativo da pressão, a partir de 20 kPa (3psig), a válvula abre continuamente. A maioria das válvulas é calibrada para estar totalmente aberta quando a pressão atingir exatamente 100 kPa (15psig). Calibrar uma válvula é fazer a abertura da válvula seguir uma reta, passando pelos pontos 20 kPa x 0% (3psig x 0%) e 100 kPa x 100% (15psig 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 contrário. Na ausência de ar e com pressões menores que 20 kPa (3psig), a válvula deve estar totalmente aberta. Com o aparecimento de pressões acima de 20 kPa (3psig) e seu aumento, a válvula diminuirá sua abertura. Com a máxima pressão do controlador, de 100 kPa (15psig), a válvula deve estar totalmente fechada. Na falha do sistema, quando a pressão cair a 0 kPa, a válvula deve estar na posição totalmente aberta. Certas aplicações exigem uma válvula de controle com um diafragma especial, de modo que a falta do sinal de atuação faça a válvula se manter na última posição de abertura; tem-se a falha-última-posição. Quanto ao meio de atuação, o atuador pode ser:

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• Mecânico; • Pneumático; • Elétrico; • Hidráulico. Dentre os atuadores, vamos destacar, nesse estudo, o atuador pneumático, por ser um dos mais utilizados, e definir o atuador elétrico. a) Atuador pneumático

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O atuador pneumático possui um diafragma preso entre duas tampas, que formam as câmaras superior e inferior. Esse tipo de atuador transforma a pressão do ar em movimento. Ele recebe a pressão de um controlador ou através de um posicionador da válvula de controle. Esta pressão atua na câmara superior do motor - ação direta ou na câmara inferior - ação inversa, para deslocar a haste do atuador.

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• Componentes do atuador pneumático O diafragma do atuador é confeccionado de borracha nylon, neoprene e Buna N. A borracha, por apresentar o inconveniente de ser atacada pelo óleo, está sendo substituída pelo neoprene. O diafragma é construído em tela de algodão ou nylon com uma capa de neoprone em ambos os lados, possuindo uma resistência a rupturas até 135psig. Diafragma

Haste

O limite de temperatura para o neoprene é de -30 a +70°C, e a borracha pode ser usada entre -40 a +70°C. A área efetiva do diafragma não permanece constante em todo curso da haste. Portanto, é interessante conhecer a variação na área efetiva do diafragma para determinar a força máxima que é possível desenvolver na haste, de acordo com as características entre a pressão de entrada e o curso da haste. A haste do atuador tem a função de assegurar o alinhamento perfeito entre o atuador, o castelo e o corpo da válvula. Este alinhamento deve ser observado com maior atenção no caso de válvulas com haste deslizante no qual o atuador é ligado à haste do obturador. O desalinhamento acarretará emperramento, desgaste excessivo nas gaxetas e nas guias. A haste é confeccionada em ferro fundido, ou em aço, dando-se preferência ao aço, por possuir maior resistência ao choque.

Mola

A mola tem a função de opor-se à força provocada pela pressão de ar que atua sobre a área efetiva do diafragma. A mola é confeccionada em aço especial temperado, cuja característica é apresentar elasticidade que não varie no decorrer do tempo.

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ENTRADA

ENTRADA

Atuador penumático

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b) Atuador elétrico O atuador elétrico pode ser acionado por válvula solenóide, que permite posicionar o obturador da válvula em duas posições: aberta ou fechada, ou motor elétrico reversível que coloca o obturador na posição de abertura determinada pelo controlador. Abaixo, apresentamos a ilustração de atuador elétrico, independente do mesmo ser acionado por solenóide ou por controlador.

Atuador elétrico

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9.1.2. Castelo O castelo (bonnet) liga o corpo da válvula ao atuador. A haste da válvula se movimenta através do engaxetamento do castelo. Há três tipos básicos de castelo: aparafusado, união e flangeado. O engaxetamento no castelo para alojar e guiar a haste com o plug deve ser de tal modo que não haja vazamento do interior da válvula para fora e nem muito atrito que dificulte o funcionamento ou provoque histerese. Para facilitar a lubrificação do movimento da haste e prover vedação, usam-se caixas de engaxetamento. Algumas caixas requerem lubrificação periódica. Os materiais típicos de engaxetamento incluem Teflon®, asbesto, grafite e a combinação deles (asbesto impregnado de Teflon e asbesto grafitado). Quando a aplicação envolve temperaturas extremas, muito baixas (criogênicas) ou muito elevadas, o castelo deve ter engaxetamento com materiais especiais (semimetálicos) e possuir aletas horizontais, que aumentem a área de troca de calor, facilitando a transferência de energia entre o processo e a atmosfera externa e protegendo o atuador da válvula contra temperaturas extremas. Em aplicações onde se quer vedação total ao longo da haste, pois o fluido do processo é tóxico, explosivo, pirofosfórico, muito caro, usam-se foles como selos. O fluido do processo pode ser selado interna ou externamente ao fole. Quanto à aplicação, o castelo se classifica nos seguintes tipos: • Castelo normal; • Castelo aletado; • Castelo alongado; • Castelo com fole. a) Castelo normal É o castelo de uso geral. É aplicável para temperaturas inferiores a 200°C e fluidos não tóxicos.

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Castelo normal

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b) Castelo aletado É usado quando a temperatura do fluido for superior a 200°C. A função das aletas é permitir a dissipação do calor, mantendo a temperatura baixa, a fim de proteger o engaxetamento.

Castelo aletado

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Capítulo 9. Válvulas

IMPORTANTE! Caso a válvula esteja operando com vapores condensáveis, as aletas não conseguirão reduzir a temperatura abaixo do ponto de saturação do líquido. Se isto ocorrer, haverá condensação do vapor e o líquido fluirá para a tubulação, sendo substituído por outra porção de vapor de temperatura mais elevada.

c) Castelo alongado É usado para temperaturas inferiores a -5° C e deve ser suficientemente longo para que a temperatura das gaxetas não atinja valores abaixo de -25ºC, a fim de evitar o congelamento das gaxetas.

Castelo alongado

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d) Castelo com fole É usado com selo para fluidos radiativos caros ou tóxicos. O fole é confeccionado em uma liga resistente à corrosão e soldado à haste da válvula, fazendo uma selagem metálica para o líquido do processo. O fole pode ser pressurizado apenas internamente ou em ambos os lados. Neste caso, a haste da válvula deve possuir um dispositivo que não permita a rotação da haste durante a montagem, afim de não danificar o fole. Uma desvantagem do castelo com fole é a sua pressão de trabalho ser relativamente baixa (150 PSI).

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Uma substituição mais econômica para fole de selagem é o engaxetamento duplo do castelo.

Castelo com fole

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• Caixa de gaxetas A caixa de gaxetas faz parte do castelo e sua finalidade é proporcionar a estanqueidade do fluido, além de servir como guia da haste. Deve comportar uma altura de gaxeta equivalente a 6 vezes o diâmetro da haste.

Atuador elétrico

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9.1.3. Corpo O corpo é a parte da válvula de controle que entra em contato com o fluido a ser controlado. Ele está diretamente ligado à função da válvula de controle, portanto, ele determina a classificação das válvulas em vários tipos. Constituem os principais tipos: • Válvula-globo; • Válvula de três vias; • Válvula “saunders”; • Válvula-borboleta.

9.2. Válvula-globo É a válvula de maior aplicação na indústria. É chamada válvula-globo, por ter seu corpo neste formato.

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Existem dois tipos de válvulas-globo, a saber: • Válvula-globo com sede simples. • Válvula-globo com sede dupla. a) Válvula-globo com sede simples É a válvula que permite ao fluido escoar por uma única passagem. É usada sempre que se necessita de uma estanqueidade perfeita (0,01% da máxima capacidade da válvula). O corpo da válvula pode ser irreversível e reversível. Para a válvula irreversível a montagem da mesma na tubulação só pode ser feita em uma posição.

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Vejamos as ilustrações a seguir:

Corpo irreversível de sede simples

Corpo reversível de sede dupla

b) Válvula-globo de sede dupla É a válvula que permite ao fluido escoar por duas passagens, pois o fluido entra e se divide para as duas sedes. Esta válvula é também chamada válvula de equilíbrio de pressão, devido ao equilíbrio de pressão existente entre o obturador superior e o inferior. Observe a ilustração a seguir:

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Capítulo 9. Válvulas

Válvula-globo de sede dupla

Este tipo de válvula é bastante usado em função de sua maior sensibilidade ao sinal pneumático. Para movimentar o obturador, é necessária apenas uma pequena diferença de pressão no diafragma do motor. Existe uma relação de 1/16” a 1/8” entre os diâmetros dos orifícios das sedes, para permitir a montagem do obturador.

9.3. Válvula de três vias A válvula de três vias pode ser construída a partir da adaptação de uma válvula-globo reversível de sede simples ou de sede dupla.

C

U

L

Válvula-globo reversível de sede simples FIG. 25

Válvula-globo reversível de sede dupla FIG.26

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A válvula de três vias é usada para misturar fluidos diferentes ou para desviar o fluido em dois sentidos. Por exemplo, na ilustração da válvula-globo reversível de sede simples, se tivermos dois fluidos diferentes na entrada C e L temos na saída U a mistura dos dois fluidos. IMPORTANTE! O total de vazão através dos orifícios de uma válvula de três vias é constante e independe da posição do obturador. É usada para misturar o fluido e não para controlar a vazão total.

9.4. Válvula Saunders

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A válvula Saunders, representada na ilustração a seguir, é adequada para regular fluido contendo sólidos e abrasivos em suspensão, fluido pastoso, fluido corrosivo e polpa. Ela opera com um diafragma flexível para efetuar o fechamento, proporcionando vedação estanque. É inadequada para altas pressões e geralmente é empregada em controle do tipo tudo ou nada. Sua conexão com a tubulação é feita através de conexões.

FLEXIBLE DIAPHRAGM

Válvula Saunders

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Capítulo 9. Válvulas

9.5. Válvula-borboleta A válvula-borboleta é composta por um corpo cilíndrico com um disco solidário a um eixo instalado perpendicularmente à linha de centro do cilindro. Veja na ilustração a seguir:

Corpo

Haste

Eixo

Disco

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Válvula-borboleta

A válvula-borboleta possui grande capacidade de vazão, pois o diâmetro do orifício de passagem é geralmente igual ao diâmetro interno da tubulação e a única obstrução é o disco. Sua aplicação é limitada pelo fato de requerer uma força considerável para operação em altas pressões.

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9.6. Exercícios 1) Complete as lacunas a) A válvula de controle é um elemento final de controle. Atua como orifício ou ___________ controlável numa tubulação, regulando a quantidade de vazão da variável a ser _______________. b) A válvula de controle é composta por 3 partes: ___________, ___________ e ______________. c) O atuador, quanto ao meio de atuação, pode ser: mecânico, ____________, _____________ e _______________. d) A válvula de maior aplicação na indústria, cujo nome se refere ao seu formato, é a válvula _____________ .

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e) A válvula que permite ao fluido escoar por duas passagens, também chamada válvula de equilíbrio de pressão devido ao equilíbrio de pressão existente entre o obturador superior e o inferior, é a válvula ________ de _____ ___. f) A válvula que pode ser construída a partir da adaptação de uma válvula-globo reversível de sede simples ou de sede dupla é a válvula __________________________________.

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Capítulo 9. Válvulas

2) Identifique as válvulas representadas a seguir:

Corpo

Haste

Eixo

Disco

Válvula _______________

Válvula _____________

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FLEXIBLE DIAPHRAGM

Válvula ___________________

Válvula____________________

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3) Marque V (Verdadeiro) ou F (Falso) para cada uma das afirmativas. ( ) O atuador elétrico pode ser acionado por solenóide, permitindo posicionar o obturador em duas posições, ou motor elétrico reversível que coloca o obturador na posição de abertura determinada pelo controlador. ( ) O corpo é a parte da válvula de controle que entra em contato com o fluido a ser controlado. ( ) A mola tem a função de aumentar a força provocada pela pressão de ar que atua sobre a área efetiva do diafragma. ( ) No diafragma, a borracha está sendo substituída pelo neoprene por apresentar o inconveniente de ser atacada pelo óleo.

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Capítulo 9. Válvulas

9.7. Glossário Estanqueidade - capacidade de estancar, parar, interromper. Gaxeta - elementos de vedação usualmente utilizados em bombas. Solenóide - bobina contendo um elemento móvel de material magnético que se move em função da direção do campo magnético.

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9.8. Bibliografia ALVES, José Luiz Loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2005. ANSI/ ISA S5.1. Instrumentation Symbols and Identification, 1984. Apostila do Controle e Automação de Processos Módulo 4 do SENAI – RJ e Petrobras Abastecimento, 2000. Apostila do Curso de Controle Automático de Processos da UN-BC/ENGP-AUT. Petrobras, 2000. BEGA, E.A. (Org.). et al. Instrumentação Industrial. 2ª edição. Interciência. Rio de Janeiro, 2006. DELMÉE, Gerard Jean. Manual de Medição de Vazão. 3ª edição. Edgard Blücher. São Paulo, 2003.

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GOMES, Andrea Manhães. Noções básicas de Instrumentação e Controle. Petrobras, 2006. LIPTÁK, Béla G. Instrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis. Radnor, Pennsylvania: Chilton Book Company, 1995. PEREIRA, J.P.P. Apostila do Curso de Operador - Automação e Instrumentação. Petrobras, 2006. RIBEIRO, Marco Antônio. Apostila Instrumentação. Salvador, 2005. SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Apostila de Instrumentação Industrial; Vitória, 1999. SILVA, Luiz Carlos da. A Importância da Temperatura do Petróleo Armazenado em Tanques. In: Metrologia e Instrumentação. Disponível em: . Acesso em: 12 abr 2008. THOMAS, José Eduardo (Org.). et al. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. 2ª edição. Interciência. Rio de Janeiro, 2004.

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Capítulo 9. Válvulas

9.9. Gabarito 1) Complete as lacunas: a) A válvula de controle é um elemento final de controle. Atua como orifício ou restrição controlável numa tubulação, regulando a quantidade de vazão da variável a ser controlada. b) A válvula de controle é composta por 3 partes: atuador, castelo e corpo. c) O atuador, quanto ao meio de atuação, pode ser: pneumático, elétrico e hidráulico. d) A válvula de maior aplicação na indústria, cujo nome se refere ao seu formato, é a válvula globo. e) A válvula que permite ao fluido escoar por duas passagens, também chamada válvula de equilíbrio de pressão, devido ao equilíbrio de pressão existente entre o obturador superior e o inferior, é a válvula globo de sede dupla. f) A válvula que pode ser construída a partir da adaptação de uma válvula-globo reversível de sede simples ou de sede dupla é a válvula de três vias.

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2) Identifique as válvulas representadas a seguir:

Corpo

Haste

Eixo

Disco

Válvula de controle

Válvula borboleta

FLEXIBLE DIAPHRAGM

Válvula globo de sede dupla

Válvula saunders

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3) Marque V (Verdadeiro) ou F (Falso) para cada uma das afirmativas. (V)

O atuador elétrico pode ser acionado por solenóide, permitindo posicionar o obturador em duas posições, ou motor elétrico reversível que coloca o obturador na posição de abertura determinada pelo controlador.

(V)

O corpo é a parte da válvula de controle que entra em contato com o fluido a ser controlado.

(F)

A mola tem a função de aumentar a força provocada pela pressão de ar que atua sobre a área efetiva do diafragma.

(V)

No diafragma, a borracha está sendo substituída pelo neoprene por apresentar o inconveniente de ser atacada pelo óleo.

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