Baixe Instrumentação M1 e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity!
1. Introdução
A primeira revolução industrial foi caracterizada pela substituição do trabalho artesanal do homem por máquinas motrizes. Atualmente, as máquinas não executam apenas trabalhos manuais, são capazes também de medir, analisar, comparar e tomar decisões. Na automação, o sistema observa sempre o resultado do seu trabalho e dá essa informação ao elemento principal de controle (essa ação refletiva chama-se realimentação ou feedback). Este último compara a informação com um objetivo desejado, e, se existir diferença entre os dois, atua no sentido de diminuí-la para o mínimo valor possível. Pode-se dizer, portanto, que a noção fundamental da automação é radicada no feedback.
1.1 Controle ou regulação automática
A regulação automática de processos industriais, que constitui o objeto de nosso estudo, ocupa-se apenas de uma parte do vasto campo da automação e trata somente do controle, por meio de dispositivos automáticos, das diversas variáveis físicas e/ou químicas ocorrentes nos processos industriais. Desta forma, controla-se indiretamente a qualidade do material através das variáveis mais importantes dos processos, a saber: pressão, temperatura, vazão, nível, densidade, umidade, peso e outras variáveis.Em alguns casos, porém, controla-se diretamente a qualidade do material por meio de analisadores automáticos.
1.2 Processo
Nas indústrias, o termo processo tem um significado amplo. Uma operação unitária, como, por exemplo, destilação, filtração ou purificação, é considerada um processo. Mas, na regulação, um pedaço de tubo onde passa um fluxo ou um reservatório contendo água, ou seja o que for, denomina-se processo. Isto quer dizer que processo é uma operação onde varia pelo menos uma característica física ou química de determinado material. Portanto, antes de começar o estudo da regulação, é interessante conhecer as características dos processos e suas influências na regulação.
Suponha um reservatório com alimentação constante de água e uma saída livre no fundo, como mostra a figura abaixo:
Figura 1.1 – Processo industrial
O nível se manterá a uma altura tal que entrada e saída estejam perfeitamente em equilíbrio. Aumentando, e assim mantendo, a vazão de entrada, haverá naturalmente desequilíbrio entre a entrada e a saída. Como a entrada é maior, a tendência do nível será subir. Porém, à medida, que o nível sobe, a vazão da saída também aumenta devido a uma pressão maior no fundo do reservatório. Isto levará o sistema a um novo estado de equilíbrio, onde o nível permanecerá estável. Note que o raciocínio inverso também é válido. A essa característica dá-se o nome de auto- regulação e seu comportamento pode ser ilustrado na figura abaixo:
Figura 1.2 – Auto regulação
Imaginemos, agora, outro reservatório idêntico, mas cuja saída de água é mantida constante – por exemplo, por meio de uma bomba, como mostra a figura a seguir:
Figura 1.3 – Reservatório com saída constante
c) Segurança Por estarem menos sujeitos a falhas, os sistemas automáticos apresentam índices de segurança bem superiores aos sistemas operados manualmente.
1.4 Princípios de funcionamento
Quando se fala em regulação, deve-se necessariamente subentender uma medição, isto é, a informação que o regulador recebe. Recebida esta informação, o sistema regulador compara-a com um valor preestabelecido chamado set point, verifica a diferença entre ambos e age de maneira a diminuir esta diferença. Para compreender o funcionamento de um controle automático, basta observar como agiria uma pessoa se tivesse que controlar manualmente uma variável. Temos um exemplo corriqueiro em nossa vida diária: Quando tomamos banho de chuveiro e temos à nossa disposição água quente e água fria, fazemos uma verdadeira regulação. Operando com as duas torneiras, procuramos dar à água a temperatura que desejamos. O que acontece é que nosso corpo age como um medidor de temperatura, nosso cérebro comporta a temperatura que desejamos com a medida e comanda, por intermédio de nossas mãos, a maior ou menor abertura das torneiras. Isto é regulação.
Vejamos outro exemplo. Imagine um reservatório com uma entrada e uma saída de água. Suponha que o nível da água se mantém constante e que para o aquecimento desta água coloca-se uma serpentina de vapor. A tubulação de vapor compreende uma válvula na entrada e uma purga na saída da água condensada. Um homem colocado de maneira que pudesse com uma das mãos sentir a temperatura da água na saída (como na figura abaixo) e que, com a outra, pudesse operar a válvula de vapor, teria a possibilidade de controlar a temperatura da água.
Figura 1.5 – Sistema de controle
O andamento desta regulação seria o seguinte:
- O homem sente com sua mão esquerda a temperatura da água na saída;
- Tal sensação, através de seus nervos, vai a seu cérebro;
- Este a compara com o valor desejado;
- E verifica, então, a diferença existente entre ambos;
- Conforme a diferença encontrada, o cérebro, por intermédio dos nervos, comanda a mão direita para abrir ou fechar a válvula de entrada de vapor;
- A alteração da entrada de vapor modifica a temperatura da água que sai do reservatório. O ciclo, então, se repete, pois o homem sente esta mudança de temperatura com sua mão esquerda, faz nova comparação e, conseqüentemente, nova correção na válvula de vapor e assim por diante. Como se vê, a regulação é um ciclo fechado, o que vem a constituir o conceito fundamental que se pode chamar de malha fechada ou, em inglês closed loop. O próximo passo seria agora automatizar este sistema, como segue:
- Em lugar da mão esquerda do homem, coloca-se um termômetro a gás, no qual um aumento de temperatura causa aumento de pressão do gás dentro do recipiente que o contem. Transforma-se assim, a temperatura da água em pressão.
1.5.1 Tomadas de impulso Generalidades A tomada de impulso é o primeiro passo da regulação. Essa função é feita por elemento sensível, elemento primário ou elemento de medição, o que corresponderia ao tato do corpo humano. São esses, portanto, os dispositivos de regulação que estão em contato direto com a tubulação, reservatório, o equipamento onde existe o fluido do qual se pretende regular a pressão, a temperatura, a vazão ou o nível, etc. Dependendo, pois, da variável que se pretende regular, adota-se o tipo adequado de tomada de impulso. Antes de iniciar o estudo da medição, é interessante saber as várias maneiras de transformar o impulso em um sinal mais fácil ou conveniente de transmitir ou manejar. Isso quer dizer que não basta medir, pois é preciso também obter desta medida uma força ou um movimento que seja proporcional à mesma e capaz de acionar um mecanismo conveniente. Os elementos utilizados para essa finalidade são chamados transdutores.
Figura 1.7 – Transdutores
1.5.2 Transmissores Uma tomada de impulso pode estar ligada diretamente a um regulador, mas é bem freqüente encontrar um transmissor entre a tomada de impulso e o regulador. O transmissor não é um elemento indispensável numa regulação, apesar de constituir muitas vezes uma grande melhoria e até uma necessidade. Com todas as variáveis de regulação conhecidas cabe geralmente o uso de um transmissor. O transmissor, recebendo um sinal que pode ser um movimento ou uma força da tomada de impulso, transforma essa variável num impulso (sinal), que será enviado ao receptor.
1.5.3 Reguladores Os reguladores são os cérebros dos sistemas de regulação. A eles chegam as informações das medidas efetuadas pelas tomadas de impulso. Eles comparam essas medidas com um valor desejado, ajustável externamente, e em seguida enviam um sinal para o elemento de controle, o qual irá agir no sentido de anular a discrepância entre a medida efetuada pela tomada de impulso e a medida do padrão set point imposta ao regulador.
1.5.4 Elemento final de regulação A parte executiva de uma regulação está confiada ao elemento final. É ele o veículo por intermédio do qual o regulador corrige o erro acusado pela tomada de impulso. Em 90% dos casos na indústria química, o elemento final é constituído por uma válvula automática de regulação. Para regulação de temperatura, o elemento final mais utilizado é a resistência elétrica.
1.6 Realidade da regulação automática Conforme abordado anteriormente, um sistema real de regulação automática compara o valor medido com o valor desejado e age de maneira a anular a diferença entre os dois. Na prática, porém, se essa ação corretiva for demasiadamente forte, a variável controlada dará overshoot e conseqüentemente entrará em oscilação. Por outro lado, se o regulador agir com menor intensidade para anular a diferença, demorará muito tempo para elimina-la, ou às vezes nunca o conseguirá.
2. Instrumentação e a engenharia
A instrumentação, na engenharia, se refere ao estudo teórico e prático dos instrumentos e dos princípios utilizados por esses instrumentos para a medição de grandezas físicas. Dessa forma, esses instrumentos podem ser utilizados para monitorar o comportamento de variáveis físicas de controle (temperatura, força, nível, ruído, etc) em diversas áreas, desde a indústria até a medicina. Apesar das diversas grandezas físicas existentes, todas elas podem ser medidas através de instrumentos. Instrumento é um equipamento eletrônico que manipula sinais elétricos que representam grandezas físicas.
2.1 Instrumentos
Como já foi dito, os instrumentos são dispositivos eletrônicos que manipulam sinais elétricos que representam grandezas físicas. Assim, o instrumento pode medir e/ou controlar variáveis úteis em diversos processos feitos pelo homem. A figura abaixo mostra um diagrama em blocos típico de um instrumento de medição.
Figura 2.1 - Diagrama em blocos de um instrumento.
O instrumento é capaz de medir sinais físicos através de um sistema chamado transdutor. O transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia em outra. Normalmente um transdutor produz sinal elétrico proporcional à grandeza sendo medida (temperatura, pressão, força, etc). Um elemento importante, que compõe o transdutor, é o sensor. O sensor é a parte sensitiva do transdutor. A figura abaixo mostra um exemplo de transdutor utilizado para medir intensidade luminosa e o sensor, neste caso, é o LDR (Light Dependent Resistor).
Figura 2.2 - Transdutor utilizado para medir intensidade luminosa.
Geralmente a amplitude do sinal elétrico gerado pelo transdutor é muito baixa. Sendo assim, esse sinal deve ser amplificado e filtrado através de um circuito chamado condicionador de sinais. O condicionador de sinais é responsável pela amplificação do sinal elétrico e pela atenuação a níveis aceitáveis do ruído que está somado ao sinal a ser medido. A figura 2.3 mostra um diagrama em blocos de transdutor e condicionador de sinais utilizados para converter força em tensão.
Figura 2.3 - Diagrama de transdutor e condicionador de sinais
2.1.1 Características dos Instrumentos A medição de grandezas físicas requer o conhecimento das características de desempenho do instrumento. Essas características são utilizadas para se definir qual é o melhor instrumento a ser utilizado em determinadas situações. As principais características são:
- Faixa de Medição (range) – representa todos os níveis de amplitude do sinal de entrada que o transdutor pode medir. Por exemplo, uma balança pode operar de 0 a 100 kg e esta escala é definida como a faixa.
- Resolução – corresponde ao menor incremento do sinal de entrada que pode ser medido pelo instrumento. Por exemplo, em um voltímetro analógico, a resolução corresponde à menor subdivisão da escala. Por outro lado, em um voltímetro digital a resolução seria uma unidade no último dígito do display. Porém, a resolução corresponde à variação de 1 bit no conversor analógico-digital do instrumento.
- Sensibilidade (sensitivity) – é a relação entre o sinal de entrada do transdutor e o sinal de saída por ele produzido (função de transferência). Por exemplo, um acelerômetro possui sensibilidade de 0,1999 V/g e capacidade máxima de 10 g. A faixa de medição é de 0 a 1, V.
- Linearidade – é definida pela curva de resposta de um transdutor a um estímulo de uma grandeza física. Se essa curva de resposta for uma reta, o erro de linearidade (ou não- linearidade) é zero.
Figura 2.5 – Linearidade na curva de resposta de um transdutor
- Histerese – a histerese ocorre quando a curva de resposta de um sensor estimulado de maneira crescente é diferente da curva do sensor estimulado de maneira decrescente.
Figura 2.6 – Histerese na curva de resposta de um transdutor
- Exatidão ou Erro (accuracy) – é a diferença absoluta entre o valor real do padrão e o valor medido pelo instrumento. Por exemplo, o valor padrão de uma massa é 10 kg e a balança mediu 10,2 kg. O erro é 0,2 kg ou 2%.
- Precisão ou Repetibilidade – é a capacidade de se obter o mesmo valor em diversas medições através de um mesmo instrumento. A precisão pode ser dada pelo desvio-padrão das medidas efetuadas de um mesmo valor ou pelo maior erro esperado em qualquer medida. Por exemplo, um lote de resistores de 100 Ω tem precisão de 5%. Isso indica que, nesse lote, podemos encontrar resistores com valores entre 95 Ω e 105 Ω. Se medirmos o valor de um resistor qualquer e obtivermos 102 Ω, a exatidão (erro) será de 2%.
- Relação Sinal/Ruído – é a relação entre a potência de um sinal qualquer na saída de um instrumento e a potência do sinal de ruído com o sinal ausente. Geralmente, a relação sinal/ruído é dada em decibéis (dB), através da seguinte equação:
P R
RelaçãoSinal/Ruído(dB) 20 log PS
PS – Potência do sinal PR – Potência do ruído
- Estabilidade – é a capacidade de um circuito eletrônico voltar a uma situação de regime permanente (steady state) depois de receber um sinal transitório, como um degrau ou pulso.
Equipamentos militares atendem as normas MIL, que determina, por exemplo, que os instrumentos devem trabalhar com faixas de temperatura entre –50ºC e +150ºC. No Brasil, as normas são chamadas NB (Normas Brasileiras) e abrangem todos os produtos manufaturados. Normalmente, as NB são traduções ou adaptações de normas estrangeiras. A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) é o órgão que regulamenta o uso das normas técnicas no Brasil. As normas mais importantes são:
- DIN (Deutches Institut für Normaltung) – Norma Alemã.
- ASA (American Standard Association) – Norma Americana.
- IEC (International Electrotechnical Committee).
- ISO (International Standard Organization).
3. Condicionamento de Sinais
3.1 Introdução
Como já foi dito anteriormente, os equipamentos de medição utilizam transdutores que fornecem sinais elétricos proporcionais à grandeza física que está sendo medida. Esses sinais elétricos possuem baixa amplitude e precisam ser amplificados e filtrados. Um circuito condicionador de sinais é responsável pela amplificação e filtragem do sinal proveniente do transdutor (sensor), de forma a tornar esse sinal compatível com o próximo bloco do instrumento. É importante que o condicionador de sinais seja projetado de modo a não distorcer o sinal que está sendo medido.
3.2 Transferência de energia entre sistemas
O conceito de medição de sinais está associado à captação de parte da energia da grandeza física. Por exemplo, para se medir a temperatura de um corpo o circuito deve possuir um sensor ou transdutor que possa absorver parte da energia (calor) e transformá-la em sinal elétrico. Nesse contexto, o instrumento de medição é parte do sistema e pode modificar o resultado final. É importante que os instrumentos de medição possam absorver uma parte da energia sem comprometer o resultado da medição. Isso pode ser feito com um circuito elaborado de tal forma que utilize uma pequena porção da energia do sistema. A figura 3.1 mostra um circuito de interface entre o meio físico e o transdutor.
Figura 3.1 - Modelo de Thévenin do meio físico e do transdutor.
A figura 3.1 mostra que uma parte da energia do sistema físico é transferida para o transdutor. Equacionando temos:
Figura 3.2 - Métodos para transformar variações de corrente em variações de tensão.
A figura 3.2 mostra como converter variações de corrente em variações de tensão. Nesse caso, o sensor varia a corrente em função do sinal a ser medido. Através de um resistor fixo podemos converter esse sinal em tensão.
Figura 3.3 - Método para transformar variação de resistência em variação de tensão.
A figura 3.3 mostra como converter variações de resistência em variações de tensão. O sensor varia a resistência em função do sinal a ser medido e, através de uma fonte de corrente fixa podemos converter esse sinal em tensão. Outro método bastante utilizado para se converter variações de resistência em variações de tensão é a ponte de Wheatstone. A figura 3.4 mostra a configuração da ponte de Wheatstone.
Figura 3.4 - Ponte de Wheatstone.
A principal vantagem da ponte de Wheatstone é sua saída diferencial. Essa característica elimina ruídos e sinais indesejáveis de modo comum. A relação entre a saída e a entrada é a seguinte:
R1 R
R
R3 R
R
Vcc
Vo = + − +
Ou ainda:
(R1 R2) (R3 R4)
R1R3-R2R
Vcc
Vo
Quando R1 ⋅R3 =R2⋅R4, a tensão Vo será igual a 0. Isso indica que a ponte está em equilíbrio. Qualquer variação em qualquer resistor resultará no aparecimento de uma tensão Vo (positiva ou negativa). Na instrumentação, um ou dois desses resistores são substituídos pelos sensores resistivos e, por isso, o valor dos resistores deve ser igual à resistência do sensor utilizado. Assim, todos os elementos têm o mesmo valor e qualquer variação em um dos ramos da ponte causará uma variação de tensão em sua saída (Vo).
