Instrumentação industrial., Esquemas de Matérias técnicas

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Lista de ilustrações

Apresentação

Uma palavra inicial

U N I D A D E 4

Instrumentação, controle e automação

dos processos industriais

Aspectos gerais da área de instrumentação

Terminologia Principais sistemas de medidas Telemetria

Medição de pressão

Dispositivos para medição de pressão

Medição de temperatura

Conceito Temperatura e calor Escalas de temperatura Medidores de temperatura por dilatação/expansão Efeitos termoelétricos Leis termoelétricas Correlação da FEM em função da temperatura Tipos e características dos termopares Correção da junta de referência Medição de temperatura por termorresistência

Medição de nível

Métodos de medição de nível de líquido

Sumário

9

15

7

13

19

33

27

39 39

61

51 52

48

17

31

57

41

27

40

43

49

59

61

Lista de Ilustrações

• F IGURA 1 – Malha de controle fechada / FIGURAS
• F IGURA 2 – Malha de controle aberta /
• F IGURA 3 – Indicador /
• F IGURA 4 – Registrador /
• F IGURA 5 – Transmissor /
• F IGURA 6 – Transdutor /
• F IGURA 7 – Controlador /
• F IGURA 8 – Elemento final de controle /
• F IGURA 9 – Sinais utilizados nos fluxogramas de processo /
  • nos fluxogramas de processo / F IGURA 10 – Símbolos de instrumentos utilizados
• F IGURA 11 – Sistema fieldbus /
• F IGURA 12 – Diagrama das escalas /
• F IGURA 13 – Tipos de tubos Bourdon /
• F IGURA 14 – Manômetros de Bourdon tipo C /
• F IGURA 15 – Manômetro de tubo em U /
• F IGURA 16 – Manômetro de tubo inclinado e de reservatório /
• F IGURA 17 – Sensor capacitivo /
• F IGURA 18 – Tira extensiométrica /
• F IGURA 19– Tira extensiométrica /
• F IGURA 20 – Efeito piezoelétrico /
• F IGURA 21 – Termômetros à dilatação de líquido em recipiente de vidro /
• F IGURA 22– Termômetro à dilatação de líquido em recipiente metálico /
• U NIDADE
• F IGURA 23 – Termômetro à pressão de gás /
• F IGURA 24 – Termômetro bimetálico /
• F IGURA 25 – Termopar /
• F IGURA 26 – Efeito termoelétrico de Seebeck /
• F IGURA 27 – Efeito termoelétrico de Peltier /
• F IGURA 28 – Lei do circuito homogêneo /
• F IGURA 29 – Lei dos metais intermediários /
• F IGURA 30 – Lei das temperaturas intermediárias /
• F IGURA 31 – Correlação entre temperatura e FEM /
• F IGURA 32 – Correção da junta de referência /
• F IGURA 33 – Diferença entre as temperaturas das junções /
• F IGURA 34 – Bulbos de resistência /
• F IGURA 35 – Régua /
• F IGURA 36 – Tanques para medição /
• F IGURA 37 – Bóia ou flutuador /
• F IGURA 38 – Medição de nível indireta /
• F IGURA 39 – Supressão de zero /
• F IGURA 40 – Medição em tanques pressurizados /
• F IGURA 41 – Medição de nível com selagem /
• F IGURA 42 – Sistema de borbulhador /
• F IGURA 43 – Medição de nível por empuxo /
• F IGURA 44 – Flutuador de forma cilíndrica /
• F IGURA 45 – Valores de altura de interface /
• F IGURA 46 – Medição por capacitância /
• F IGURA 47 – Sonda de proximidade /
• F IGURA 48 – Ultra-som /
• F IGURA 49 – Nível descontínuo por condutividade /
• F IGURA 50 – Nível descontínuo por bóia /
• F IGURA 51 – Tipos de medidores de vazão /
• F IGURA 52 – Medição de vazão por pressão diferencial /
• F IGURA 53 – Rotâmetro /
• F IGURA 54 – Placa de orifício /
• F IGURA 55 – Tipos de orifício /
• F IGURA 56 – Tubo venturi /
• F IGURA 57 – Medidor magnético de vazão /
• F IGURA 58 – Medidor tipo turbina /
• F IGURA 59 – Válvula de controle /
• F IGURA 60 – Válvula globo /
• F IGURA 61– Válvula borboleta /
• F IGURA 62 – Atuador direto /
• F IGURA 63 – Atuador indireto /
• F IGURA 64 – Castelo normal /
• F IGURA 65 – Castelo aletado /
• F IGURA 66 – Castelo alongado /
• F IGURA 67 – Castelo com foles de vedação /
• F IGURA 68 – Sede simples /
• F IGURA 69 – Sede dupla /
• F IGURA 70 – Posicionador /
• F IGURA 71 – Curva de reação /
• F IGURA 72 – Curva de reação /
• F IGURA 73 – Diagrama em blocos de uma malha de controle fechada /
• F IGURA 74 – Controlador de ação direta /
• F IGURA 75 – Controlador de ação inversa /
• F IGURA 76 – Ações de uma válvula de controle /
• F IGURA 77 – Controle on-off /
• F IGURA 78 – Posição da válvula x variável controlada no controle on-off /
  • com zona diferencial / F IGURA 79 – Posição da válvula x variável controlada no controle on-off
• F IGURA 80 – Faixa proporcional /
• F IGURA 81 – Resposta de um controlador proporcional /
• F IGURA 82 – Ajuste instável /
• F IGURA 83 – Oscilação contínua /
• F IGURA 84 – Ajuste estável /
• F IGURA 85 – Controladores proporcional + integral /
• F IGURA 86 – Controladores proporcional + derivativo /
  • e proporcional + integral + derivativo / F IGURA 87 – Comparação dos controladores proporcional, proporcional + integral,
• F IGURA 88 – Correção dos modos de controle /
• TABELA 1 – Sistema de unidades geométricas e mecânicas / TABELAS
• TABELA 2 – Conversão de unidades /
• TABELA 3 – Comparação de escalas /
• TABELA 4 – Ponto de solidificação, de ebulição e faixa de uso /
• TABELA 5 – Utilização dos líquidos /
• TABELA 6 – Identificação de termopares /
• Q UADRO 1 – Identificação de instrumentos de acordo com a Norma ISA-S5 / QUADROS
• Q UADRO 2 – Identificação funcional dos instrumentos /

Monitoramento

e

controle

de

processos

S E N A I

Apresentação

dinâmica social dos tempos de globalização exige atualização

constante dos profissionais. Mesmo as áreas tecnológicas de ponta

ficam obsoletas em ciclos cada vez mais curtos, trazendo desafios,

renovados a cada dia, e tendo como conseqüência para a educação

a necessidade de encontrar novas e rápidas respostas.

Nesse cenário, impõe-se a educação continuada, exigindo que

os profissionais busquem atualização constante durante toda a vida;

e os operadores das U NIDADES DE N EGÓCIOS DO S ISTEMA P ETROBRAS

incluem-se nessas novas demandas sociais.

É preciso, pois, promover para esses profissionais as condições

que propiciem o desenvolvimento de novas aprendizagens, favo-

recendo o trabalho de equipe, a pesquisa e a iniciativa, entre ou-

tros, ampliando suas possibilidades de atuar com autonomia, de

forma competente.

Seguindo essa linha de pensamento, o S ENAI e a P ETROBRAS

organizaram o curso QUALIFICAÇÃO B ÁSICA DOS O PERADORES DAS UNI-

DADES DE N EGÓCIOS DO S ISTEMA P ETROBRAS. Seu objetivo principal é

propiciar aos operadores em exercício da função condições de re-

ver conceitos, atualizar e/ou aperfeiçoar conhecimentos, visando

A A

Monitoramento

e

controle

de

processos

O B R A S A B A S T E C I M

Uma palavra inicial Uma palavra inicial

APRESENTAÇÃ

unidade industrial, também chamada de órgão operacional, é uma instalação onde se realiza um conjunto de atividades e operações que tem como objetivo a transformação de matérias-primas em produtos. As uni- dades industriais cujos processos transformam matérias-primas, tais como metais, plásticos e outros, em produtos, como máquinas, ferramentas e equipamentos para uso final do consumidor (carros, eletrodomésticos etc.), são chamadas de fábricas ou unidades fabris. Já aquelas cujos processos têm “fluidos”, como matérias-primas e/ou produtos, são chamadas de in- dústrias de processo.

Vista noturna de uma refinaria

A A

Esse tipo de indústria utiliza equipamentos (estáticos, dinâmicos e elé- tricos) e seus acessórios, que compõem os sistemas de uma unidade in- dustrial. O funcionamento com qualidade dos processos industriais exige um controle permanente, sendo necessário manter constantes algumas variáveis ( pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, veloci- dade, umidade etc.). Nesta publicação, apresentamos os principais equipamentos que com- põem os sistemas de uma unidade industrial (estáticos, dinâmicos e elé- tricos) e seus acessórios. Para isso temos os seguintes objetivos:

Compreender a função dos equipamentos estáticos e dinâmicos e seus acessórios Definir e classificar os equipamentos e seus acessórios Compreender seus princípios de funcionamento Reconhecer e identificar as características gerais dos equipamentos Diferenciar os tipos através da identificação de características especí- ficas relevantes Analisar comparativamente as principais características dos diferen- tes tipos Reconhecer os termos usuais

Esperamos assim fornecer o conhecimento teórico básico para a com- preensão dos problemas práticos enfrentados no dia-a-dia de uma unida- de industrial, além de desenvolver nos participantes desse curso uma vi- são crítica e o auto-aprendizado.

Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos con- tínuos e descontínuos. Em ambos os tipos devem-se manter as variáveis próximas aos valores desejados. O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio existente, sem a intervenção do operador. Para que se possa realizar esta comparação e conseqüentemente a cor- reção, é necessário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle no processo.

Este conjunto de unidades forma uma malha de controle, que pode ser aberta ou fechada. Na Figura 1 vemos uma malha fechada, e na Figura 2, uma malha de controle aberta.

FIGURA 1 MALHA DE CONTROLE FECHADA

FIGURA 2 MALHA DE CONTROLE ABERTA

Unidade de Processo medida Elemento final de controle

Unidade de controle

Unidade de Processo medida

Indicação

4

Monitoramento

e

controle

de

processos

S E N A I

Terminologia

Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos (quí- mica, siderúrgica, papel etc.) têm sua própria terminologia. Os termos utilizados definem as características próprias de medida e controle dos diversos instrumentos: indicadores, registradores, controladores, transmis- sores e válvulas de controle. A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes, os usuári- os e os organismos que intervêm direta ou indiretamente no campo da instrumentação industrial.

F AI XA DE M E DI DA ( range ) Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos.

A LCANC E ( span ) É a diferença algébrica entre o valor superior e o inferior da faixa de me- dida do instrumento.

E R RO

É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em rela- ção ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático , que poderá ser positivo ou ne- gativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar in- dicando a mais ou menos. Quando tivermos a variável alterando seu va- lor ao longo do tempo, teremos um atraso na transferência de energia do

EXEMPLO

100 a 500m 3 0 a 20psi

EXEMPLO

Em um instrumento com range de 100 a 500m 3 , seu span é de 400m 3

4

Monitoramento

e

controle

de

processos

Z ONA MORTA

É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento.

S E N SI B I LI DAD E

É a mínima variação que a variável pode ter, provocando alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento.

H I STE R E S E

É o erro máximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente. Expressa-se em percentagem do span do instrumento. Deve-se destacar que a expressão zona morta está incluída na histerese.

EXEMPLO

Um instrumento comrange de 0 a 200ºC e uma zona morta de:

0,01% = 0,1 x 200 = ± 0,2ºC 100

EXEMPLO

Um instrumento comrange de 0 a 500ºC e com uma sensibilidade de 0,05% terá valor de:

0,05% = 100

500 = ± 0,25ºC

EXEMPLO

Num instrumento comrange de –50ºC a 100ºC, sendo sua histerese de ± 0,3%, o erro será 0,3% de 150ºC = ±0,45ºC

FIGURA 3 INDICADOR

R E PETI B I LI DADE

É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da va- riável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em per- centagem do span do instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histerese.

F U NÇÕE S DE I N STR U M E NTOS Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instru- mentação de acordo com a função que desempenham no processo.

Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala gra- duada na qual podemos ler o valor da variável. Existem tam- bém indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou bar- ras gráficas, como podemos observar na Figura 3.

Instrumento que registra a variável através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico, como pode- mos observar na Figura 4.

A Figura 5 apresenta um instrumen- to que determina o valor de uma va- riável no processo através de um ele- mento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico), cujo valor varia apenas em função da variável do processo.

INDICADOR

REGISTRADOR FIGURA 4^ REGISTRADOR

TRANSMISSOR

S E N A I

Observe na Figura 8 esse instru- mento. Ele modifica diretamen- te o valor da variável manipula- da de uma malha de controle. Além dessas denomina- ções, os instrumentos podem ser classificados em instrumen- tos de painel, campo, à prova de explosão, poeira, líquido etc. Combinações dessas clas- sificações são efetuadas for- mando instrumentos de acor- do com as necessidades.

Identificação de instrumentos As normas de instrumentação estabelecem símbolos, gráficos e codifica- ção para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções progra- madas, que deverão ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. De acordo com a norma ISA-S5 , cada instru- mento ou função programada será identificado por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. O Quadro 1 mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma preestabelecida.

ELEMENTO FINAL DE CONTROLE FIGURA 8^ ELEMENTO FINAL DE CONTROLE

QUADRO 1 IDENTIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS

De acordo com a Norma ISA-S

P = Variável medida – Pressão R = Função passiva ou de informação – RegistradorC = Função ativa ou de saída – Controlador

001 = Área de atividade onde o instrumento atua 02 = Número seqüencial da malhaA = Sufixo

P R C 001 02 A Variável Função Área da atividade Nº seqüencial da malha Identificação funcional Identificação da malha^ Sufixo Identificação do instrumento

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Monitoramento

e

controle

de

processos

S E N A I

FIGURA 9 SINAIS UTILIZADOS NOS FLUXOGRAMAS DE PROCESSO

FIGURA 10 SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS

Utilizados nos fluxogramas de processo

As simbologias apresentadas nas Figuras 9 e 10 são utilizadas em flu- xogramas de processo e engenharia e seguem a Norma ANSI/ISA-S5..

Suprimento ou impulso

Sinal pneumático

Sinal hidráulico

Sinal eletromagnético ou sônico guiado

Ligação por software

Sinal binário pneumático

Sinal não-definido

Sinal elétrico

Tubo capilar

Sinal eletromagnético ou sônico não-guiado

Ligação mecânica

Sinal binário elétrico

Instrumentos discretos

Instrumentos compartilhados

Computador de processo

Controlador lógico programável

Instrumentos Painel principal acessível ao operador

Montado no campo

Painel auxiliar acessível ao operador

Painel auxiliar não-acessível ao operador