Classes de Instrumentos, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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FAG - FACULDADE ASSIS GURGACZ

EDERSON ZANCHET

CLASSES DE INSTRUMENTOS

CASCAVEL

SUMARIO

• 1. classes de instrumentos
  • 1.1. MANUAL E/OU AUTOMATICO
  • 1.2. AUTO ALIMENTADO OU COM ALIMENTAÇÃO EXTERNA
  • 1.3. ELETRÔNICO OU PNEUMÁTICO................................................................
  • 1.4. ANALÓGICO OU DIGITAL
    • 1.4.1. Instrumentos Analógicos
    • 1.4.2. Instrumentos digitais
  • 1.5. FUNÇÕES INCORPORADAS (INTELIGENTES)
  • 1.6. LOCAL DE INSTALAÇÃO...........................................................................
    • 1.6.1. Instrumentos Instalados em Campo
    • 1.6.2. Instrumentos Instalados na Sala de Controle
  • 1.7. Modular E/Ou Integral
  • 1.8. DEDICADO OU COMPARTILHADO...........................................................
  • 1.9. CENTRALIZADO OU DISTRIBUÍDO

Figura 1. Instrumento de Medição Manual

A medição automática é realizada praticamente sem interferência humana direta. O instrumento fica ligado diretamente ao processo, mensurando a variável e indicando continuamente o seu valor instantâneo. Quando o operador quiser saber o valor medido, esse visualiza a leitura através do instrumento.

Figura 2. Instrumento Ligado diretamente ao processo

Quando se torna necessário o registro contínuo da variável, utiliza-se um sistema de registro (registrador). Atualmente é possível, num sistema de aquisição de dados a medição contínua de muitas variáveis a emissão de relatórios dos valores obtidos, até mesmo com possibilidade de um tratamento sofisticado destes valores.

1.2. AUTO ALIMENTADO OU COM ALIMENTAÇÃO EXTERNA

Qualquer instrumento para funcionar necessita de uma fonte de energia, esta fonte de energia pode ser externa ou proveniente do próprio processo de medição. As duas fontes clássicas de alimentação de instrumentos são a eletrônica e a pneumática. Instrumentos eletro-eletrônicos são alimentados por uma fonte externa de tensão tipicamente de 24 Vcc. Esta alimentação geralmente é feita por um par de fios que simultaneamente conduz a informação e a alimentação. Por questão econômica e de segurança, raramente se usa um instrumento de medição no campo alimentado com uma bateria integral. Instrumentos pneumáticos obtêm alimentação por uma fonte externa de ar comprimido tipicamente de 140 kPa (20 psi). Cada instrumento pneumático montado no campo possui um conjunto filtro-regulador ajustável ou fixo. O filtro elimina as impurezas, umidade e óleo contaminantes do ar comprimido. O regulador, ajustável ou fixo, permite controle do nível de pressão para o valor típico de 140 kPa. O sinal padrão de transmissão pneumática é de 20 a 100 kPa. Os instrumentos que utilizam a própria energia do processo como fonte de alimentação são conhecidos como auto-alimentados.

Figura 3. Manômetro (Instrumento Auto Alimentado)

instrumentos adquiriram capacidades, ditas “inteligentes”, que permitiram aumentar a exatidão e confiabilidade dos instrumentos. De entre essas capacidades destacam-se entre outras as seguintes: auto calibração, rotinas de auto-diagnóstico, linearização e compensação de erros de “offset” e ganho.

1.4.1. Instrumentos Analógicos

Este tipo de instrumentos tem, do ponto de vista de construção, um componente mecânico cujas características funcionais afetam diretamente a exatidão da medida. Por construção, o instrumento assegura uma correspondência contínua entre os valores da grandeza medida e a amplitude do desvio, geralmente angular do equipamento móvel ao qual está acoplado o ponteiro indicativo que se desloca frente a uma escala graduada.

1.4.1.1. Tipos de Instrumentos Analógicos

Refere-se ao princípio físico utilizado na obtenção do binário atuante podemos distinguir diferentes tipos de instrumentos analógicos. Os quatro principais tipos são: a) instrumentos de quadro móvel; b) instrumentos eletrodinâmicos; c) instrumentos eletromagnéticos; d) instrumentos eletrostáticos.

1.4.1.2. Características fundamentais e limitações

De um modo geral, para uma dada precisão, o tempo de leitura é minimizado para um valor de grau de amortecimento ligeiramente inferior mas perto da unidade, a que corresponde, em termos de movimento, um regime periódico muito próximo do periódico limite. Este fato si por só constitui uma das limitações dos instrumentos de quadro móvel, uma vez que as constantes de tempo envolvidas são geralmente significativas e dependentes do próprio circuito de medida. Como conseqüência o tempo de leitura pode ser elevado (da ordem dos segundos) e depender do próprio circuito de medida. Por outro lado, a obtenção de instrumentos analógicos de elevada sensibilidade requer a utilização de suspensão da parte móvel por fita metálica esticada ou por suspensão livre, implicando, em especial no último caso, um nivelamento cuidadoso do instrumento e a utilização de técnicas construtivas cuidadosas. As principais limitações resultantes do princípio de funcionamento dos instrumentos analógicos são de uma forma resumida as seguintes:

a) Tempo de leitura elevado e por vezes condicionado às características elétricas do circuito de medida; b) Para sensibilidades elevadas às técnicas construtivas são delicadas e conseqüentemente de custo elevado; c) As características não ideais dos componentes elétricos que constituem o próprio equipamento de medida condicionam o comportamento do instrumento no domínio da frequência;

l) Exatidão limitada tipicamente a 0.5% ou na melhor das circunstâncias a 0.1% do final da escala.

1.4.2. Instrumentos digitais

O desenvolvimento da eletrônica e o surgimento de circuitos integrados com capacidades de integração sucessivamente crescentes introduziram o conversor analógico-digital na área da instrumentação. Os sinais provenientes dos sensores com características geralmente analógicas são convertidos e processados digitalmente. A utilização do condicionamento digital de sinais na sua fase inicial apresentou uma maior exatidão, mas geralmente por um tempo de processamento e por um custo associado geralmente maior. Uma prática comum consiste em utilizar condicionamento analógico sempre que os erros associados não afetarem a exatidão da própria medida. Neste contexto é também conveniente relembrar que na generalidade dos sistemas de medida o elemento que gera mais erros é o próprio transdutor, pelo que a exatidão associada ao processamento digital do sinal pode ser desnecessária e apenas contribuir para um aumento do tempo de leitura e do custo do instrumento. Convém, no entanto enfatizar que a utilização do processamento digital de sinais tem vantagens na exatidão que é possível obter, na maior imunidade ao ruído, em nível de processamento, quanto ao nível da transmissão de sinais, e na possibilidade de representar o valor das medidas de forma numérica.

1.4.2.1. Características fundamentais e limitações

Como características fundamentais dos instrumentos digitais podem referir a sua menor sensibilidade a perturbações exteriores, maior resolução e capacidade de representação da medida de forma numérica. Adicionalmente, estes instrumentos minimizam a necessidades de componentes mecânicos na sua concepção e permitem a correção de não linearidades e histerese por processos de fácil implementação. Estes instrumentos podem ter a capacidade de ajuste e controle remoto utilizando para o efeito “interfaces” simples como sejam as que permitem ligações a quatro fios (“full-duplex”) e o protocolo de comunicação série por “loop” de corrente (4-20 mA). As principais limitações características dos instrumentos digitais podem ser apresentadas da seguinte forma:

a) Reduzida versatilidade de utilização, uma vez que as funções desempenhadas são determinadas de forma rígida pelo “hardware” utilizado; b) Para ritmos de conversão elevados, os conversores analógico-digitais, normalmente do tipo paralelo (“flash”), têm custo elevado e resolução limitada; c) Surgem novos tipos de problemas característicos da digitalização dos sinais analógicos, tais como: erros de quantificação, “aliasing”, “jitter”, interferência inter-simbólica; d) A utilização de conversores do tipo não integrador implica cuidados adicionais na filtragem de ruídos que eram filtrados mecanicamente pela própria inércia do equipamento móvel dos instrumentos analógicos;

(modo “average”). A inclusão do microprocessador permitiu, relativamente aos instrumentos digitais, a seleção automática de gamas de medida (“auto - ranging”) e a utilização de diferentes unidades de representação da medida em função da gama selecionada. O registro histórico das medidas e das tendências (“trends”) é facilitado, já que os dados podem ser armazenados em memória e posteriormente processados. A utilização de protocolos de comunicação adequados veio possibilitar a interligação conjunta de vários instrumentos e constituir desse modo sistemas automáticos de medida controlados local ou remotamente e capazes de executar de forma automática, ou seja, com uma mínima intervenção humana os procedimentos de medida. As capacidades de auto-diagnóstico e auto-calibração permitem obter reduções significativas nos custos de manutenção preventiva e corretiva bem como no número de instrumentos redundantes necessários para garantir uma determinada confiabilidade em um sistema de medida. Como principais limitações características dos instrumentos inteligentes temos:

a) Ainda que exista a possibilidade de o utilizador alterar o programa de exploração do instrumento, estas alterações são em termos práticos restritas pelo fato da programação não ser divulgada pelo fabricante e utilizar linguagens de programação de baixo; b) Só pequenas alterações de funcionalidade e determinados tipos de erros detectados na utilização dos instrumentos podem ser corrigidos por nova programação disponibilizada pelo fabricante em memórias do tipo ROM;

e) Exatidão limitada tipicamente a 0.1% mas podendo atingir valores da dezena de partes por milhão (ppm).

1.6. LOCAL DE INSTALAÇÃO

Os primeiros instrumentos de medição e controle, desenvolvidos até a década de 1940, eram de montagem local ou no campo, próximos ao processo. Somente com o desenvolvimento do transmissor, pneumático ou eletrônico, que possibilitou o envio das informações até distâncias de centenas de metros (pneumático) ou alguns kilômetros (eletrônico), então tornou-se possível a opção de se montar os indicadores, registradores e controladores em painéis centralizados e localizados em salas de controle.

1.6.1. Instrumentos Instalados em Campo

Devido às características de alguns instrumentos estes só podem ser montados no campo, próximos ou em contato direto com o processo. Os sensores e as válvulas de controle são necessariamente montados no campo. Na maioria dos casos, mas nem sempre, o transmissor é montado no campo. Em uma minoria dos casos, por questão de segurança ou de integridade, o transmissor é montado no painel cego da sala de controle. Os outros instrumentos, tais como indicadores, registradores, controladores, totalizadores, transdutores e conversores podem ser montados no campo e no painel da sala de controle.

instrumentos foi auxiliada pela evolução da eletrônica e pelo uso de circuitos impressos pneumáticos. Quando os instrumentos são dispostos em uma sala de controle estes apresentam diversas características entre elas podemos citar:

a) Os instrumentos são montados em estantes padronizadas, através de cabos de engate rápido. Esta filosofia, válida para os instrumentos pneumáticos e eletrônicos, torna fácil a substituição a manutenção dos instrumentos. b) Os tamanhos físicos dos instrumentos de painel são menores. A diminuição do tamanho dos instrumentos não prejudica a operação, pois na sala de controle os operadores podem se aproximar facilmente dos instrumentos de leitura.

Figura 5. Sala de Controle e Medição

1.7. MODULAR E/OU INTEGRAL

Os instrumentos que agrupavam em seu invólucro todos os circuitos funcionais são chamados de integrais, dessa forma estes eram pouco flexíveis e impossibilitava modificações em sua operação. Ainda na instrumentação analógica (1972) apareceu a filosofia de separar os instrumentos em módulos independentes fisicamente e separados geograficamente, com isso surgiu a instrumentação modular, assim cada módulo possuía características especificas conforme sua função como segue:

a) Módulo de entrada, que recebe o sinal de medição da variável de processo, proveniente do campo; b) Módulo de processamento de sinal, que pode opcionalmente efetuar tratamento do sinal; c) Módulo de controle, onde se encontram os circuitos de controle, com pontos de teste e ajustes; d) Módulo de saída, que envia o sinal de controle de volta para o campo, para o elemento final de controle; e) Estação de controle, que constitui a interface com o operador de processo; f) Cabo de ligação entre o módulo e a estação de controle.

Todos estes instrumentos são montados na sala de controle. Porém, somente as estações de controle têm informação para o operador. Em um sistema de arquitetura modular ou arquitetura dividida, a separação e o conceito de painel de leitura e armário de instrumentos cegos são mais nítidos.

diferentes funções de interface com o campo (unidades de E/S), interface com operador, unidades de controle analógico e digital e gerenciamento são distribuídas geograficamente e interligadas pelo elo de comunicação. O uso intensivo e extensivo de microprocessadores devido a grande redução de seu custo e do equipamento de processamento de dados permitiu a distribuição da inteligência entre as diferentes fases do processo de coletar dados, condicionar sinais, tomar decisões e fornecer informação ao operador. Atualmente, os sistemas de controle distribuído proporcionam uma grande quantidade de informação que deve ser passada gradualmente aos computadores periféricos com o fim de prover controles avançados, aperfeiçoar o controle da planta e gerenciar a sua eficiência.