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Apostila de Instrumentação do curso de Engenharia da UERJ
Tipologia: Notas de estudo
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Quando, na indústria, tomamos um material qualquer e o submetemos a uma transformação qualquer física ou química como mudança de forma, tamanho, cor, estado físico, temperatura, pressão, vazão, etc, dizemos que o material sofreu um processamento ou que o submetemos a um “processo industrial”. Ao material, antes de sofrer a transformação, é comum chamarmos de “matéria-prima” e após a transformação de “produto-final”.
Os processos industriais ocorrem nos sistemas industriais que são formados pelos meios físicos (equipamentos, tubos, instrumentos, etc) nos quais o processo tem lugar.
Podemos avaliar se um processo está ou não ocorrendo como desejamos, observando o comportamento de determinadas grandezas químicas ou físicas que modificam seu valor durante o processamento. Estas grandezas físico-químicas são chamadas de “variáveis de processo” e são elas que vamos medir com os instrumentos de medida.
Podemos adiantar que os instrumentos servem para controlar, monitorar e proteger sistemas industriais. Para melhor entendermos o que significa esta afirmação, tomemos o sistema da figura 1.1.
A figura 1.1 representa um sistema industrial de mistura. O processo que se deseja que ocorra aqui é a mistura de dois fluidos “A” e “B”.
Figura 1.1 – Sistema de mistura de dois fluidos “A” e “B”.
bombas. Ao ato de medirmos para acompanharmos os dados operacionais do sistema através de indicações, registros gráficos ou magnéticos, etc, chamamos “monitoração”. As monitorações de variáveis de processo são, assim como os controles, materializados por meio de instrumentos indicadores, registradores e outros meios que discutiremos mais tarde (capítulo 3).
Podemos, portanto, até aqui, dizer que os instrumentos permitem o controle e a monitoração do processo. É importante distinguirmos o controle da monitoração. Controle significa que queremos manter o valor da variável de processo num “valor de ajuste” (também chamado de “set-point”) e para isto atuaremos automaticamente no sistema por meio de instrumentos. Monitoração significa o conhecimento do valor das variáveis para fins de acompanhamento da performance dos equipamentos do sistema e do rendimento do sistema como um todo, feito por meio de instrumentos adequados.
Além de permitir o controle e a monitoração de um sistema industrial, os instrumentos servem também para protegê-lo. Assim, tomando mais uma vez o sistema da figura 1.1, se as bombas forem de pistão alternativo, por exemplo, no caso de entupimento eventual das linhas de condução do fluido ao vaso ou de um bloqueio acidental das válvulas 1 ou 2, a pressão na descarga de uma das bombas poderia crescer a ponto de danificá-lo. Desta forma, devemos proteger o sistema contra a ocorrência de pressão alta na descarga das bombas.
Além da proteção contra a pressão alta na descarga das bombas, poderíamos pensar em proteger o sistema contra a ocorrência de nível muito alto, o que poderia levar a um transbordamento do tanque, ou muito baixo, o que dificultaria o aquecimento da mistura. A ocorrência dos níveis alto ou baixo poderia se dar na falha do controle de nível.
Assim como o controle e a monitoração, a proteção dos sistemas é feita por meio de instrumentos, como os alarmes e as válvulas de alívio de pressão, entre outros.
Resumindo o que foi dito neste item, controle significa manter a variável de processo num ponto de ajuste (“set-point”) requerido pelo processo. Monitorar significa acompanhar, sem atuar automaticamente no processo, a performance dos sistemas. Proteger é agir de forma a evitar a ocorrência de situações extremas que danifiquem o sistema ou introduzam riscos pessoais ou à consecução dos objetivos do processo.
É difícil encontrarmos um sistema industrial, desde o mais simples ao mais complexo, que não necessite controle, monitoração ou proteção. Dizer isto significa dizer também que é difícil encontrarmos um sistema industrial que não necessite de instrumentação.
A figura 1.2 esquematiza alguns sistemas que se utilizam de sistemas de instrumentação.
a) forno de aquecimento b) equipamentos de aviação c) usina nuclear Figura 1.2 – Sistemas que utilizam sistemas de instrumentação.
Na figura 1.2 (a) temos um pequeno forno de bancada. Neste sistema simples temos no mínimo a monitoração da temperatura, quando não um controle automático desta e até um alarme para valores muito altos e baixos da temperatura.
Na figura 1.2 (b) esquematizamos uma aeronave. Os sistemas aeronáuticos incorporam, em geral, as maiores novidades tecnológicas das várias áreas de engenharia. Quem já viu uma cabine de comando de uma aeronave pode ter clara idéia da quantidade de instrumentos que ali existe. São altímetros, velocímetros, indicações de pressões, temperaturas, alarmes de várias ocorrências anormais. São controles e sistemas automáticos de partida, parada e ação em emergência, que são constituídos por uma enorme gama de medidores e instrumentos dedicados ao automatismo da aeronave.
Na figura 1.2 (c) esquematizamos uma usina nuclear. Aqui, a segurança e confiabilidade operacional do sistema são da maior importância. Uma visita à sala de controle de uma usina nuclear nos dará a exata medida da quantidade de instrumentos necessários à sua correta operação. São controles de temperatura, vazão, nível, pressão, contaminação e outros. Monitorações de temperaturas de trocadores de calor, sistemas de lubrificação, nível de radiação, etc. A proteção do sistema por sua vez, tem que evitar disparos de temperatura, pressão, além de sobrecargas elétricas, entre outros tantos requisitos.
Além dos sistemas esquematizados na figura 1.2, uma infinidade de outros podem ser lembrados. São exemplos os processos de produção demanufaturados, e as linhas de produção, onde a automação tem marcado forte presença, as unidades de refino de petróleo, as unidades de produção química, petroquímica e alcoolquímica, aonde as técnicas de melhoria de controle e otimização da produção vêm exigindo dia-a-dia uma
O passo inicial para definirmos o sistema de instrumentação e controle de um dado sistema industrial é a definição do que queremos controlar, monitorar e proteger no sistema. Tal definição exige o conhecimento básico do processo. Isto significa que devemos conhecer o material que estamos processando, o produto final desejado, a seqüência em que as operações do sistema devem ser desenvolvidas, a função de cada equipamento e as situações operacionais críticas de operação do sistema. A boa definição do que controlar, monitorar e proteger exige também experiência operacional. Esta definição deve, sempre que possível, ser feita em conjunto pelo especialista em automação e o do processo a ser instrumentado. Como filosofia geral, podemos dizer que controlamos todas as variáveis cujo valor seja fundamental mantermos em um ponto determinado para a realização do processo desejado. As variáveis que manipulamos para conseguirmos os controles desejados são aquelas que produzem maior efeito na variável controlada, sem provocar distúrbios significativos ao resto do processo. Monitoramos em geral:
Isto é feito para que possamos acompanhar o desempenho dos controladores automáticos, ajustando-os quando necessário, ou mesmo para em caso de falha destes, podermos assumir o controle manual do processo, acompanhando o seu desempenho pelos instrumentos de monitoração.
performance de operação dos equipamentos;
Monitora-se, por exemplo, a pressão na descarga de bombas e compressores, através de indicação ou registro, ou temperaturas na entrada e saída de trocadores para verificarmos sua perda de eficiência com o tempo, etc.
rendimento e performance do sistema como um todo.
Neste caso, aparecem as variáveis importantes para cálculo dos custos operacionais do sistema, como vazão de produtos e utilidades (ar, vapor, água, energia em geral) consumidos, estoques disponíveis, variáveis importantes para a avaliação da qualidade do produto final, como dimensões físicas, composição química, etc, variáveis necessárias à manutenção da operação da unidade dentro de condições seguras, como a composição de gases exaustos que possam conter contaminantes, temperaturas, pressões e vazões críticas, etc, variáveis que permitem avaliar se a unidade opera em situações ótimas e que permitem fazer os cálculos de rendimento operacional (balanços de massa e de energia).
Protegemos, em geral, com alarmes e sistemas de atuação automática em caso de emergência (sistemas de intertravamento), tudo o que ameaçar a segurança operacional e física do sistema ou puser em risco a vida humana ou a ecologia ambiental, desde que os gastos com a instrumentação não sejam menores que os evitados por ela.
Para tornarmos mais concreto o procedimento adotado para definirmos um sistema de instrumentação para um dado processo, através da definição de seus controles, monitorações e proteções, tomemos como exemplo de apoio o Sistema de Destilação de Álcool. O esquema do sistema para desenvolvimento deste processo está mostrado na figura 2.1. Ali estão representados os equipamentos e suas interconexões necessárias para o processamento do vinho (matéria-prima), para a obtenção do álcool (produto final). Este desenho é normalmente referenciado como fluxograma de processo.
horizontais com pequenos orifícios, pelos quais o vapor que sobe é forçado a passar, bem como é o reciclo que desce. O reciclo que vem em temperatura mais alta que o vapor que sobe, pois foi resfriado no P-02, ao entrar em contato com o vapor, condensa nele as partes mais pesadas, evitando que elas saiam pelo topo da torre. Tal é a função do reciclo.
O número de pratos de uma torre é calculado de tal forma que o vapor ao atingir o topo dela chega isento de frações indesejáveis, quando o sistema funciona no ponto de projeto. Desta forma, se o nível no fundo da torre sobe a ponto de encobrir algum (ou alguns) pratos da torre, esta perde a eficiência e o vapor de topo poderá sair com frações mais pesadas que as desejadas. Se ao contrário, o nível da torre abaixar demais, a bomba B-01 (bomba de fundo) poderá cavitar. Deve-se, portanto, CONTROLAR O NÍVEL DA TORRE.
Fenômeno semelhante ocorrerá no V-01. Se o nível no V-01 aumentar, poderemos ter líquido arrastado junto com os leves. Estes leves são frações que não se condensam no P-02 e que devem ser aliviadas a fim de não termos pressurização no sistema. Se o nível baixar em demasia, poderemos ter cavitação na B-02 (bomba de reciclo). Deve-se, portanto, CONTROLAR O NÍVEL NO V-01.
Em resumo, podemos dizer que no processo de destilação do álcool controlaremos a temperatura, o nível e a pressão na T-01, bem como o nível no V-01.
Para controlarmos uma dada variável, devemos, como discutido anteriormente, atuar em uma segunda variável, chamada variável manipulada, a qual é capaz de afetar o valor daquela. Assim, se tomarmos o controle de temperatura da torre T-01, uma variável possível de manipulação é a vazão de vapor que passa pelo P-03 (refervedor de fundo).
A figura 2.2 apresenta de forma esquemática o sistema de controle da temperatura da torre. Nesta representação, foi usada a simbologia aceita internacionalmente e definida pela Associação Americana de Instrumentação (ISA – Instrument Society of América), e cujo sumário está na tabela 2.1. No capítulo 7 discutiremos com mais detalhes a simbologia de instrumentação.
Figura 2.2 – Esquema para controle de temperatura na T-01.
De acordo com a tabela 2.1, os círculos representam instrumentos, cuja função aparece explicitada através de letras no interior do círculo. A primeira letra fala da variável
que está sendo medida (no caso a temperatura “T”). As demais letras falam da função do instrumento (por exemplo, o IC do TIC, nos diz que ele é um instrumento que indica e controla temperatura; o “V” nos diz que a “TU” é uma válvula de controle de temperatura). A figura 2.2 apresenta a nomenclatura dos símbolos utilizados.
Aos instrumentos que trabalham dedicados a um objetivo (no caso, o controle da temperatura), damos o nome de malha de controle. Dizemos, portanto, que temos na figura 2.2 a Malha de Controle da Temperatura da T-01.
Tabela 2.1 – Resumo da simbologia padronizada pela ISA (Instrument Society of América) e aceita internacionalmente.
VARIÁV EL MEDIDA
FUN ÇÃO DO INSTRUMENTO LETRA Como primeira letra (1)
Como letras subseqüentes
SÍMBOLOS ADICIONAIS
A Análise Alarm
B Chama A ser aos equi-pamentos definido pelo usuário C Conduti vidade
Contr
painel, só visível por trás dele D Densida de E Voltage m
Elem ento
painel, só visível pela frente dele G Visor H Manual Alto (H H) Muito alto
--//--//-- - sinal pneumático J Potência --------- - sinal eletrônico K Tempo L Nível Baixo
(L L) Muito baixo M Mistura ou umidade N A ser definido pelo usuário
A ser definido pelo
PAH – alarme de pressão alta PAL – alarme de pressão baixa PI – indicador de pressão PIC – indicador controlador de pressão PSV – válvula de alívio de pressão PT – transmissor de pressão PV – válvula de controle de pressão PX – conversor de sinal elétrico em pneumático TI – indicador de temperatura TIC – indicador controlador de temperatura TR – registrador de temperatura TT – transmissor de temperatura TV – válvula de controle de temperatura TX – conversor de sinal elétrico pneumático
Figura 2.3 – Sistema de destilação de álcool com instrumentos de controle, monitoração e proteção.
As variáveis monitoradas no sistema da figura 2.3 são como recomendado no item 2.1, todas as controladas, as variáveis que permitem avaliação da performance das bombas (manômetros) (PI’s) na sucção e descarga das bombas e termômetros (TI’s) na entrada e saída do trocador de calor), a vazão de vinho que entra na unidade (através do FQ-01) e a de álcool que sai (através do FQ-03, de forma a podermos avaliar a eficiência do processo. No caso de monitoração das variáveis controladas, a temperatura da torre está sendo monitorada através do TI-05, do TR-03 e do próprio indicador associado ao controlador TIC-03. Os níveis na torre e no vaso estão sendo monitorados através dos divisores de nível (LG-01 e LG-03) que permitem enxergar o nível do líquido dentro dos equipamentos. A pressão na torre que é igual à do vaso a menos das perdas de carga, é monitorada através dos manômetros PI-03 e PI-04, além do próprio indicador associado ao controlador PIC-05.
O sistema é também protegido. Para evitar a ocorrência de pressões na torre (T-01) e no vaso (V-01), acima dos valores de projeto destes equipamentos, temos instalada a válvula de alívio de pressão PSV-01. Para que sejamos avisados com antecedência de que os desvios da pressão acima ou abaixo do set-point do controlador atingiram valores muito grandes, temos a chave de pressão (PS-05), que aciona alarmes de pressão alta (PAH-05) e baixa (PAL-05). A ocorrência de nível alto e baixo no V-01 e
na T-01, também é alarmada em painel. Finalmente, protegemos a bomba de reciclo, B-02, contra o trabalho com o nível no V-01 muito baixo. Assim, a chave de nível muito baixo (LSLL-01) desligará a bomba B-02 na ocorrência deste evento.
Os trabalhos iniciais para a implementação do Sistema de Instrumentação em um dado Sistema de Processamento são, como discutido nos itens 2.1 e 2.2, a definição do que queremos controlar, monitorar e proteger. Como vimos, esta etapa depende do conhecimento do processo que se desenvolve no sistema.
Após esta etapa, passamos à definição das configurações dos sistemas de instrumentação, explicitando todos os instrumentos necessários para perfazer as funções de controle, monitoração e proteção desejadas. Isto exige conhecimentos básicos do funcionamento dos instrumentos. Este conhecimento será adquirido com o estudo dos capítulos 3, 4 e 5 seguintes.
Devemos definir também o tipo de sinal que transmitiremos e se o instrumento ficará ou não localizado em sala de controle. Discutiremos este assunto no capítulo 3.
Após isto, representamos graficamente, através de desenhos como o da figura 2.3, os sistemas de instrumentação desejados. Isto exige conhecimento da Simbologia de Representação de Instrumentos, a qual foi introduzida no item 2.2 e será apresentada de forma mais completa no capítulo 7.
Decididos os controles, as monitorações e as proteções e representados em documentos adequados os Sistemas de Instrumentação, passamos à fase de seleção dos sensores e dimensionamento de instrumentos como válvulas de controle, válvulas de alívio de pressão e sensores como placa de orifício. Os medidores mais comumente usados na indústria serão discutidos nos capítulos de 9 a 17 e os dimensionamentos dos instrumentos serão apresentados nos capítulos de 18 a 22.
Selecionados e dimensionados os instrumentos, o próximo passo é a sua compra. Para comprarmos os instrumentos, é prática a elaboração de documentos que especifiquem as características desejadas dos instrumentos, como materiais de fabricação, faixa de trabalho (range), escalas mais adequadas, tipo de sinal com que trabalha, construção básica desejada, condições em que o instrumento deverá operar, características do material com que trabalhará e todas as outras informações que forem
Um sistema de instrumentação, como o apresentado na figura 2.3, é composto de vários instrumentos, como válvulas de controle, controladores, etc. Neste capítulo, procuraremos descrever, separadamente, a função e operação geral de cada um dos elementos básicos que compõe grande parte dos sistemas de instrumentação.
Quando analisamos uma malha de instrumentos, verificamos que sua operação se faz a partir do sensoreamento da variável de processo que ela mede (pressão, temperatura, vazão, etc.).
Medir significará aqui perceber o valor da variável de processo e colocá-lo disponível ao conhecimento humano ou em função desta percepção, acionar algum tipo de instrumento. A percepção ou medida da variável de processo é feita através dos sensores ou elementos primários.
A medida da variável poderá ser usada para acionar indicadores, registradores, controladores, etc. e os sensores podem ser integrados a estes instrumentos ou simplesmente mandar para eles uma informação (elétrica, mecânica, etc). Tomemos alguns exemplos de sensores que estudaremos com mais detalhes nos capítulos de 8 a
A figura 3.1 (a) representa um bimetal. O bimetal é formado por dois metais de diferentes coeficientes de dilatação e fixos em um de seus extremos. Quando a temperatura do ambiente na qual o bimetal está inserido varia, o seu extremo livre assume diferentes posições, aproximadamente proporcionais à temperatura. Por esta propriedade, o bimetal é usado como sensor em instrumentos de temperatura. Para tanto,
ele é normalmente enrolado em espiral ou hélices (ver figura 3.1 (b)) e acoplado a mecanismos que atuam indicadores (figura 3.1 (b)) e termostatos, por exemplo.
Figura 3.1 – Exemplos de elementos sensores.
Outro tipo de sensor de temperatura é o termopar representado na figura 3.1 (c). Este sensor é formado por dois fios de metais diferentes, unidos em uma de suas extremidades. Quando submetemos esta extremidade a variações de temperatura, a outra acusa uma variação de tensão elétrica, a qual é, para a maioria dos termopares, proporcional à temperatura variada. Pela medição de tensão, podemos inferir a temperatura do extremo colocado no ambiente cuja temperatura se quer medir.
O sensor esquematizado na figura 3.1 (d), conhecido como tubo bourdon, é usado como sensor de pressão. Ele consiste de um tubo oco, com seção reta elítica, construído de forma espiralada, helicoidal ou de arco de círculo como mostrado na figura 3.1 (d). Quando a pressão aumenta em seu interior, ocorre o movimento de seu extremo livre. Este movimento pode ser relacionado com a pressão. Este sensor descrito é encontrado em uma variedade de instrumentos de pressão, como o manômetro representado na figura 3.1 (e).
Na figura 3.1 (f) está mostrado o esquema de uma placa de orifício. Este sensor de vazão produz uma queda de pressão na linha na qual está instalado. Esta queda de pressão produz diferentes pressões a montante e a jusante da placa. Este Δp é proporcional à vazão passante pela placa. Através da medida desta pressão diferencial gerada no fluido, a montante e a jusante da placa poderemos, portanto, determinar a vazão que por ela passa. A pressão diferencial pode ser medida por meio simples como um tubo em “U” (ver figura 3.1 (g)).
Os sensores são construídos de forma a poderem operar numa dada FAIXA DE TRABALHO. A faixa de trabalho ou “range” do instrumento é determinado pelos valores máximos e mínimos da variável medida, entre os quais o sensor pode trabalhar sem sofrer danos mecânicos e sem perder as características de resposta desejadas, ou seja, sem deixar de associar às variáveis medidas, grandezas físicas de uma forma desejada.