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1. INSTRUMENTAÇÃO UFCD -6621 25H FORMADOR : Nuno Martinho

2. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

3. Noções Básicas de Instrumentação Instrumentação pode ser definida com uma ciência que estuda, desenvolve e aplica instrumentos para medição e controle de processos industriais. Instrumentação está focada em instrumentos de medição e controle de processos industriais. A instrumentação, estuda como aperfeiçoar o controle/desempenho de processos industriais, como o aumento de segurança de máquinas e pessoas. UFCD 6621 - Instrumentação

4. Vantagens da Instrumentação industrial É indispensável quando o especialista deseja ter alguns resultados em suas máquinas, como: Incrementação e o controle do produto; Aumento da produção e do rendimento; Execução de funções de inspeção e ensaios com maior rapidez; Simplificação de projetos de pesquisa; Fornecimento de sistemas de segurança para os operários, as fábricas e os processos. UFCD 6621 - Instrumentação

5. O que é o Processo ? É toda operação ou seqüência de operações unitárias que envolvam uma ou mais alterações (físicas,químicas ou biológicas) na substância em tratamento e que resultará num produto final desejado . Exemplo: Um processo pode ser simples, como um bombeamento de água ou pode ser complexo , como a produção de gasolina por destilação da mistura de produtos químicos do Crude( petroleo bruto). UFCD 6621 - Instrumentação

6. são todos os equipamentos de processo em indústrias nas quais materiais sólidos ou líquidos ou gasosos sofrem transformações físicas ou químicas. Os equipamentos estão agrupados em: Calderaria (produção); Máquinas; Tubulações. Equipamentos Industriais Variáveis de processo mais importantes: Pressão,temperatura caudal, nível Humidade Velocidade Tensão A partir do controle dessas variáveis se consegue o controle da composição do produto final. Variáveis de Controle UFCD 6621 - Instrumentação

7. Essa ciência surgiu na década de 1940, junto com a otimização do uso de instrumentos pneumáticos de transmissão e controle. Especialistas desejavam realizar a monitoração e controle de forma automatizada, para que o operador não precisasse abrir e fechar as válvulas manualmente, reduzindo assim o tempo de monitoramento do processo. Assim, através da automação, criou-se a sala de controle de processo centralizada. Os instrumentos utilizados nas malhas de controle, porém, todos pneumáticos, apresentavam um problema: corrosão nas tubulações de cobre ou aço carbono provocavam fugas, os quais acarretavam em uma falha na malha de controle e, em casos mais severos, na paralização de toda a produção. A evolução da Instrumentação Industrial UFCD 6621 - Instrumentação

8. O sistema pneumático, porém, logo foi substituído e, já na década de 1950, com o avanço da tecnologia, deu-se início às pesquisas com instrumentos eletrônicos no entanto, eles só começaram a ser produzidos em meados dos anos 1970. Aos poucos, houve a migração do sistema pneumático para o eletrônico, fato que retrata um resultado da instrumentação. Como vantagem, esse último não possuía partes mecânicas e era mais robusto, o que levou à grande diminuição nos fugas. Mas a evolução não parou por aí, com a constante elevação da complexidade dos processos industriais, havia a necessidade de processar cada vez mais malhas de controle. Os instrumentos tinham que ser mais e mais discretos, pois cada um deles estava sujeito a falhas e, consequentemente, manutenção. Isso foi possível com o surgimento da computação. UFCD 6621 - Instrumentação

9. Essa fase da instrumentação teve início com o Sistema de Controle Distribuído , que permite reunir várias malhas em uma estação de controle. As salas de controle podem ser comandadas mesmo que a quilômetros de distância ou até, em alguns casos, a partir de comunicação sem fio. E tudo o que o operador faz é comandar todas essas malhas em um ecran de computador. UFCD 6621 - Instrumentação

10. Classificação dos Instrumentos - Função UFCD 6621 - Instrumentação

11. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

12. Sensores e transdutores TEMPERATURA A medição de temperatura constitui uma das medições mais comuns e mais importantes que se efectuam em processos industriais, quer por razões de segurança, quer por razões de processo. Termómetros Medidores por Termopar   Medidores por Termoresistência   Termistores   Medidores sem contactos (Termómetros de radiação e Pirómetros) UFCD 6621 - Instrumentação

13. Existem várias unidades de medida de temperatura, das quais se destaca o Kelvin (K) por ser uma unidade absoluta: O kelvin (símbolo: K ) é o nome da unidade de base do Sistema Internacional de Unidades (SI) para a grandeza temperatura termodinâmica . 0 Kelvin = -273.15ºCelsius, é o Valor mais baixo de temperatura possível – zero absoluto . Para converter de Celsius para Kelvin usaremos a formula K = C + 273 Exemplo: Converter 10 ºC para K. K = C + 273,15 K = 10 + 273,15 K = 283,15 K Para converter de Kelvin para Celsius usaremos a fórmula C = K - 273,15 UFCD 6621 - Instrumentação

14. Para medir a temperatura, na maioria das vezes o sensor necessita de se encontrar à mesma temperatura da matéria a medir, desta forma, é importante conhecer a Três formas existentes de transmissão de calor: RADIAÇÃO OU REFLEXÃO   A emissão de energia por uma fonte na forma de ondas electromagnéticas ou partículas de alta energia. A radiação de calor é a transferência de calor por meio de raios infravermelhos CONVECÇÃO   O fluxo de energia térmica, através dos líquidos e gases. O fluxo de energia é criado pelo movimento físico de partículas das zonas quentes para as zonas frias. CONDUÇÃO OU CONDUTIVIDADE   A propagação do calor por meio do contacto de moléculas de duas ou mais substâncias com temperaturas diferentes, ocorre geralmente em materiais sólidos. UFCD 6621 - Instrumentação

15. TERMÓMETROS O seu princípio de medida baseia-se na expansão de um líquido (como o mercúrio) por efeito da temperatura → que faz com que o mesmo se expanda através de um tubo capilar com escala.   Este tipo de termómetros pode, em vez de mercúrio, conter outros líquidos conforme a gama de temperaturas em que se pretende trabalhar e de forma a aumentar a sensibilidade. UFCD 6621 - Instrumentação

16. Mercúrio -35 a +280ºC Mercúrio (tubo capilar cheio de gás) -35 a +450ºC Pentano - 200 a +20ºC Álcool - 110 a +50ºC Tolueno - 70 a +100ºC Alguns dos líquidos mais utilizados são: No meio industrial aplicam-se geralmente como medidores portáteis ou em laboratórios. UFCD 6621 - Instrumentação

17. UFCD 6621 - Instrumentação Termómetro Bimetálico  Termômetro bimetálico é um termômetro constituído por duas lâminas de metais diferentes, unidas entre si e enroladas em forma de espiral ou hélice, sendo uma das extremidades fixa, pelo que, devido à diferença de coeficiente de dilatação entre ambos os metais, a outra gira proporcionalmente à variação da temperatura registada. Não existem engrenagens que exijam manutenção.

18. UFCD 6621 - Instrumentação Normalmente estes elementos estão envolvidos por uma bainha para os proteger do meio ambiente.   A precisão deste elemento é de ± 1% e a sua gama de medida de -200 a +500 ºC. vantagens : sobre os termómetros de vidro é a sua maior resistência aos golpes e a maior facilidade de leitura.  Maioria dos casos o próprio mostrador é articulado e pode mudar de posição para facilitar a leitura são instrumentos baratos.   Inconvenientes: Baixa precisão e uma resposta lenta.

19. UFCD 6621 - Instrumentação Termómetro de Bolbo e Capilar Baseiam-se também na expansão térmica dos fluidos.   São constituídos essencialmente por um bolbo conectado por um tubo capilar a uma espiral ( bourdon ).   Este conjunto é normalmente cheio por um gás (normalmente nitrogénio), ou um líquido.     Ao aumentar a temperatura no bolbo, o líquido ou   Gás que contém, expande-se e a pressão aumenta (por estar confinado a um espaço fechado).   Esta pressão faz com que o bourdon se desenrole e faça mover a agulha sobre a escala que indica a temperatura.

20. UFCD 6621 - Instrumentação Termómetro de Bolbo e Capilar   Baseiam-se também na expansão térmica dos fluidos.     São constituídos essencialmente por um bolbo conectado por um tubo capilar a uma espiral ( bourdon ).   Este conjunto é normalmente cheio por um gás (normalmente nitrogénio), ou um líquido.       Ao aumentar a temperatura no bolbo, o líquido ou gás que contém, expande-se e a pressão aumenta (por estar confinado a um espaço fechado).   Esta pressão faz com que o bourdon se desenrole e faça mover a agulha sobre a escala que indica a temperatura.  

21. UFCD 6621 - Instrumentação Tipos de Bourdon A associação americana SAMA ( Scientific Apparatus Manufacturers Association ) estabeleceu uma classificação para os termómetros de bolbo e capilar: Classe Enchimento Range de temperaturas (ºC)       I Líquido -80 a +370       II Vapor -180 a +340       III Gás -270 a +750       IV Mercúrio -40 a +650      

22. UFCD 6621 - Instrumentação TERMOPARES Constituição e funcionamento são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de medição de temperatura. Um termopar é constituído de dois metais distintos unidos em uma das extremidades. Quando há uma diferença de temperatura entre a extremidade unida e as extremidades livres, verifica-se o surgimento de uma diferença de potencial que pode ser medida por um voltímetro . Diferentes tipos de termopares possuem diferentes tipos de curva diferença de potencial versus temperatura

23. UFCD 6621 - Instrumentação Tipos de Termopares A escolha dos metais de um par termoeléctrico recai sobre metais com as seguintes características: Os termopares disponíveis no mercado têm os mais diversos formatos, desde os modelos com a junção a descoberto que têm baixo custo e proporcionam tempo de resposta rápido, até os modelos que estão incorporados em sondas. Estão disponíveis uma grande variedade de sondas, adequadas para diferentes aplicações (industriais, científicas, investigação médica, etc...). Quando se procede à escolha de um termopar deve-se ponderar qual o mais adequado para a aplicação desejada, segundo as características de cada tipo de termopar, tais como a gama de temperaturas suportada, a exatidão e a confiabilidade das leituras, entre outras.

24. UFCD 6621 - Instrumentação Também deve-se levar em consideração, além da especificação do tipo de liga, a construção física do termopar. Para cada processo é necessário uma construção física específica, já que alguns processos agridem o material utilizado. Desta forma, é imprescindível que na especificação do termopar, além da liga, seja levada em consideração sua construção física externa. ( alguns exemplos em baixo) Tipo K ( Cromel / Alumel ) [ editar | editar código-fonte ] O termopar tipo K é um termopar de uso genérico. Tem um baixo custo e, devido à sua popularidade estão disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1200 °C , tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41µV/ °C Tipo E ( Cromel / Constantan ) [ editar | editar código-fonte ] Este termopar tem uma elevada sensibilidade (68 µV/ °C ) [5] que o torna adequado para baixas temperaturas.

25. UFCD 6621 - Instrumentação   Os termopares mais utilizados para temperaturas inferiores a 0ºC: Tipo T Tipo T ( Cobre / Constantan ) É dos termopares mais indicados para medições na gama dos -270 °C a 400 °C . Tipo J ( Ferro / Constantan ) [ A sua gama limitada (-40 a 750 °C ) é a responsável pela sua menor popularidade em relação ao tipo K. Aplica-se sobretudo com equipamento já velho que não é compatível com termopares mais ‘modernos’. A utilização do tipo J acima dos 760 °C leva a uma transformação magnética abrupta que lhe estraga a calibração

26. UFCD 6621 - Instrumentação Medição de Temperatura Como referido anteriormente, um termopar não mede a temperatura a que se encontra mas sim a diferença de temperatura entre as duas junções (∆T). Isto implica que na sua utilização seja obrigatório conhecer a temperatura da junção fria Simplificadamente podemos definir o funcionamento de um termopar pela seguinte expressão: fem ∆T = fem TJQ – fem TJF

27. UFCD 6621 - Instrumentação O local onde se encontra a junção fria (ou referência) é muito importante no funcionamento de um termopar pois a temperatura deste local funciona como referência ao instrumento. Assim é útil “mover” esta junção da cabeça do sensor até ao sistema de medida, onde a união fria não esteja submetida a variações não controladas de temperatura. Tal pode ser feito se aos cabos dos termopares forem acrescentados vários metros até ao local desejado. Este acrescento terá de ser feito, idealmente com cabos dos mesmos metais para não serem criadas novas junções a temperaturas desconhecidas

28. UFCD 6621 - Instrumentação Como os materiais que compõem os termopares são muito caros, seria exageradamente dispendioso acrescentar os seus fios para um painel a grande distância. Utilizam-se então cabos de compensação, com fios condutores menos dispendiosos mas com caraterísticas eléctricas semelhantes (cobre, ferro, cobre-níquel, etc.). Cabos de compensação ou extensão

29. UFCD 6621 - Instrumentação TERMORESISTÊNCIAS As termoresistências (RTD – Resistance Temperature Device or Detector ) são sensores com: Alta precisão   Elevada estabilidade mecânica e térmica   Excelente repetibilidade de leitura   Elevada resistência à contaminação   Por apresentarem excelentes características tornaram-se num dos sensores de medição de temperatura mais utilizados em processos industriais e laboratórios.    Baseiam-se no princípio de variação da resistência eléctrica de modo proporcional à temperatura do meio em que são colocadas.

30. UFCD 6621 - Instrumentação NOTA: Resistência eléctrica: É a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente eléctrica pelo mesmo, quando existe uma diferença de potencial aplicada. O seu cálculo é dado pela lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms. Um sensor deste tipo altera a resistência ohmica em função da temperatura à qual está submetido.

31. UFCD 6621 - Instrumentação Constituição e Funcionamento Para a sua construção procuram-se materiais que apresentem uma variação de resistência linear e proporcional à temperatura a que se encontram.    O elemento sensor consiste numa resistência normalmente de Platina ou de Níquel (sendo a Platina o material mais utilizado) . Também pode ser utilizado Cobre , Tungsténio ou Cuproníquel .

32. Os instrumentos mais comuns:   Pt 100 – Elemento de Platina com 100 Ω a 0ºC Pt 50 – Elemento de Platina com 50 Ω a 0ºC Ni 100 – Elemento de Níquel com 100 Ω a 0ºC Ni 1000 – Elemento de Níquel com 1000 Ω a 0ºC   As termoresistências são geralmente do tipo sonda de imersão, de forma a poderem ser introduzidas no meio cuja temperatura se pretende determinar. UFCD 6621 - Instrumentação

33. Limites de erro nas termoresistências   As termoresistências são normalmente divididas em duas classes de precisão: A e B , em função do erro da medição:     O erro absoluto máximo para cada valor de temperatura é dado por:   CLASSE B: ± [0,30 + 0,005 x | t | ] ºC   CLASSE A: ± [0,15 + 0,002 x | t | ] ºC UFCD 6621 - Instrumentação

34. Vantagens e desvantagens das termoresistências Desvantagens   Auto-aquecimento   Sensibilidade à deformação   Comprimento das ligações   As bainhas metálicas podem sofrer ataques de produtos químicos corrosivos Vantagens   Larga gama de medição de temperaturas   Alta precisão   Excelente repetibilidade de leitura UFCD 6621 - Instrumentação

35. TERMISTORES São semicondutores electrónicos de alta sensibilidade cuja resistência depende da temperatura a que se encontram. São não lineares e possuem coeficientes de temperatura negativos (NTC - Negative Temperature Coefficient ) , ou positivos (PTC - Positive Temperature Coefficient ) .   No gráfico está representada uma curva de um dispositivo NTC : “A resistência diminui com o aumento da temperatura” UFCD 6621 - Instrumentação

36. Aplicações Como têm uma grande variação de resistência com a temperatura, há muitos circuitos possíveis para aplicação. Utiliza-se normalmente com um circuito de ponte de detecção de zero, para controlo liga-desliga ( on-off ), e não como dispositivo de medição, pois não é linear.   São muito encontrados em: circuitos eletrónicos, proteção de fontes de alimentação e processadores, proteção de motores de alta tensão. UFCD 6621 - Instrumentação

37. Termistores vs Termoresistências Vantagens dos termistores em relação às termoresistências: Menor custo  Maior rapidez de resposta  Maior sensibilidade a pequenas variações de temperatura  Pequenas dimensões Desvantagens dos termistores em relação às termoresistências: Menor estabilidade  Não linearidade das variações de resistência em função da temperatura  Não se podem usar para valores elevados de temperatura UFCD 6621 - Instrumentação

38. TERMÓMETROS DE RADIAÇÃO E PIRÓMETROS Pirómetros Pirómetros são transdutores que medem a temperatura através da radiação emitida pelo corpo.   Nesta medida não há contacto físico. Exemplos típico são: Medida da temperatura interna de uma fornalha.   Medida da temperatura de pele (TMT) de serpentinas       Os pirómetros, embora não disponham de grande exatidão, têm uma boa repetibilidade Termómetro infravermelho, pirómetro UFCD 6621 - Instrumentação

39. Termómetro de Infravermelhos Utilizam apenas energia da zona do infravermelho. Por esta razão a sua gama de utilização situa-se em temperaturas mais baixas, entre -20ºC e 1000ºC.   A radiação recebida é filtrada para que apenas passe para o sensor um feixe de infravermelhos.   O feixe de infravermelhos é focado sobre um sensor de temperatura, através de uma lente e de um espelho parabólico. Como sensor de temperatura é normal utilizarem-se termopares, em forma de   termopilha, ou termistores. UFCD 6621 - Instrumentação

40. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

41. UFCD 6621 - Instrumentação PRESSÃO Sensores e transdutores A medição e controle de pressão é a variável de processo mais usada na indústria de controle de processos nos seus mais diversos segmentos. Além disso, através da pressão é facilmente possível inferir uma série de outras variáveis de processo, tais como nível, volume, densidade. Em instalações industriais o conhecimento dos valores de pressão é fundamental. Algumas razões para tal são: Segurança – Os equipamentos como tanques, tubagens, caldeiras, etc., devem suportar com segurança a pressão e não ultrapassar os valores para os quais foram dimensionados; Economia – pressão elevada sem necessidade, corresponde a um custo energético desnecessário; Rendimento – A optimização processual depende muitas vezes da pressão do processo

42. A pressão define-se como a força normal (F N ) que, distribuída uniformemente, actua sobre uma superfície dada (S). A força pode ser exercida por líquidos, gases ou vapores, ou por corpos sólidos, e a sua unidade de medida, no Sistema Internacional (SI), é o Newton , que se define como: P = F N /S 1N = 1 Kg.m/s 2 Conhecida a força e utilizando como unidade de superfície o metro quadrado obtém-se como unidade de pressão o Pascal : 1 Pa = 1 N/m 2 UFCD 6621 - Instrumentação

43. Um Pascal (Pa) corresponde à pressão exercida uniformemente sobre uma superfície, na qual a força de 1 Newton actua verticalmente sobre 1 m 2 . Na prática utiliza-se o bar como unidade de pressão, equivalente a 100 KPa.   1 Kg/cm 2 = 0,981 bar    1 atm = 1,013 bar = 760 mmHg    1 Kg/m 2 = 1 mmH 2 O   1mmH 2 O = 0,0981 mbar = 9,806 Pa UFCD 6621 - Instrumentação

44. UFCD 6621 - Instrumentação Pressão Absoluta Diferentes Tipos de Pressão Os diferentes tipos de pressão diferenciam-se entre si somente pelo seu ponto de referência a pressão zero. A falta de pressão (vazio total) num espaço qualquer do universo conhece-se como zero absoluto Se uma pressão se refere ao zero absoluto , caracteriza-se pelo sufixo o subíndice abs , a forma de conhecer a pressão absoluta é somar a pressão atmosférica à pressão relativa   Pressão Atmosférica A pressão necessária para a vida na terra conhece-se como pressão do ar, caracteriza-se pelo sufixo ou subíndice atm. A pressão atmosférica depende das alterações climáticas, toma-se como referência a pressão existente ao nível do mar, denominada 1 Atmosfera , que é igual a 1,013 bar ou 760 mmHg .   As alterações climáticas podem fazer aumentar ou diminuir a pressão atmosférica em valores de ± 5%.

45. UFCD 6621 - Instrumentação Pressão Diferencial A diferença entre duas pressões P 1 e P 2 conhece-se como pressão diferencial.     dp = P 1 – P 2   Quando se mede a diferença de pressão entre dois pontos, habitualmente com o mesmo zero de referência, a medida denomina-se pressão diferencial P 1,2 ou também dP 1,2 . Pressão Relativa Na prática é normalmente utilizada como pressão dada pela diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica . Para distingui-la de outros tipos de pressão caracteriza-se pelo sufixo ou subíndice rel .       P rel = P abs – P atm

46. UFCD 6621 - Instrumentação MÉTODOS PARA MEDIÇÃO DA PRESSÃO A indicação de pressão pode obter-se por meio de:  Medida direta Medida indireta   Medida direta Os instrumentos que medem directamente a pressão determinam a magnitude da mesma de acordo com as leis vistas anteriormente, a partir das quais se obtém a indicação Medida indireta Os instrumentos que medem a pressão de forma indireta , utilizam algum efeito, como deflexão elástica, efeito ótico, elétrico, etc., para indicar a pressão medida

47. UFCD 6621 - Instrumentação Virtualmente, todas as medidas de pressão são baseadas no princípio do manômetro ou no conceito de deformação por pressão de um material sólido tal como cristal, membrana, tubo ou placa e, então, na conversão daquela deformação em um sinal elétrico ou em uma leitura mecânica. As medidas de pressão podem estar em modo estático ou dinâmico. A medição e o controle da pressão tem como objetivos a proteção de equipamentos; a proteção de pessoal; a medição de outra variável, por inferência; o controle do processo, para a obtenção do produto dentro das especificações exigidas.

48. UFCD 6621 - Instrumentação Um tubo em U de vidro é parcialmente preenchido com líquido, e ambas as entradas são inicialmente abertas à atmosfera.  Quando a pressão manométrica P 1 vai ser medida, esta é aplicada no topo de uma das colunas e o topo da outra coluna permanece aberto. Quando o   líquido no tubo é mercúrio, por exemplo, a pressão indicada é normalmente expressa em milímetros de mercúrio. Para converter em kg/cm 2 :   P 1 = d.h Onde: P 1 = pressão (kg/cm 2 ) = densidade (kg/cm 3 ) h = (A)ltura (cm)   Manômetro tipo coluna líquida em U O princípio manómetro de tubo em U também tem sido utilizado na indústria num instrumento geralmente chamado manómetro de pressão diferencial .  

49. UFCD 6621 - Instrumentação Manômetro tipo Tubo Bourdon Também conhecido como tubo de Bourdon e pode ter várias formas. É composto por um tubo oco sem costura, curvado, enrolado ou torcido. Figura – Tipos de tubos de Bourdon, (a) Tubo tipo C (b) Tubo em espiral (c) Tubo helicoidal  

50. UFCD 6621 - Instrumentação O funcionamento deste tipo de manómetros é baseado: Na alteração da curvatura originada num tubo de secção elíptica pela pressão exercida no seu interior. A secção elíptica tende para uma secção circular com o aumento da pressão no interior do tubo levando a que o tubo se desenrole.   Este tubo tem a uma das extremidades fechada e ligada a um mecanismo (com rodas dentadas e mecanismo de alavanca) que permite transformar o seu movimento de "desenrolar" (originado pelo aumento de pressão no interior do tubo) no movimento do ponteiro do manómetro.   A medida da pressão é relativa uma vez que o exterior do tubo está sujeito à pressão atmosférica.

51. UFCD 6621 - Instrumentação

52. UFCD 6621 - Instrumentação Principais Vantagens do manómetro de Bourdon:  Baixo custo   Elevada longevidade   Recomenda-se que o manómetro seja seleccionado com uma escala para que a maioria das vezes o valor de pressão se encontre no 2º terço da escala de medida. Range da escala do manómetro: Pressão de funciomnameto andará perto dos 7 bar.

53. UFCD 6621 - Instrumentação Manômetro tipo Diafragma Diafragma é um disco circular utilizado para medir pressões geralmente de pequenas amplitudes. É uma membrana fina de material elástico, metálico ou não, que fica sempre oposta a uma mola. Ao aplicar-se uma pressão no diafragma causará 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 ponteiro que mostra a medição efetuada. Sua construção é mostrada na figura:

54. UFCD 6621 - Instrumentação Manómetros de Fole Constituídos por uma peça metálica com a forma de um fole, que se deforma em função da pressão aplicada.     Têm a desvantagem de a sua sensibilidade diminuir com o tempo de trabalho (endurecimento elástico) que pode ser evitado através da instalação de uma mola de restrição calibrada que diminui o curso do fole e aumenta o seu tempo de vida útil.

55. Manómetros de Cilindro Utilizam-se para pressões muito altas ou em situações de líquidos com sedimentos. UFCD 6621 - Instrumentação

56. UFCD 6621 - Instrumentação PRESSOSTATOS Instrumento que muda de estado quando a pressão atinge um determinado valor pré-definido.  Esta mudança de estado refere-se ao estado dos contactos de um interruptor interno, que podem estar   fechados (ON) ou abertos (OFF).   Pressostato digital microprocessado

57. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

58. UFCD 6621 - Instrumentação Caudal Sensores e transdutores Uma das variáveis mais considerada em processos industriais. Quantidade volumétrica ou mássica de um fluido que passa pela secção de uma tubagem ou canal por unidade de tempo. Medidores de Caudal de Área Variável Rotâmetro Instrumento constituído colocado em um tubo vertical de forma cónica, por onde o fluxo passa, e por um elemento flutuador inserido no interior.

59. UFCD 6621 - Instrumentação Princípio de Funcionamento O fluido desloca-se da extremidade inferior para a superior empurrando o flutuador para cima até que a área de passagem do fluxo seja suficiente para equilibrar as força exercida pelo flutuador. A altura que o flutuador elevado corresponde a um valor de caudal visível na escala graduada do tubo.  

60. UFCD 6621 - Instrumentação Vantagens Custo reduzido  Simplicidade  Indicado para caudais pequenos  Queda de pressão constante e muito pequena  Variedade de modelos permite aplicações às mais diversas situações  Leitura de caudal directa Limitações   Instalado verticalmente  Deve ser usado para fluidos limpos  A sujidade sobre o vidro dificulta a leitura

61. UFCD 6621 - Instrumentação Medidores de Caudal de Deslocamento Positivo Princípio de Funcionamento O fluido passa através de um contador de volume conhecido. Tendo em conta o número de quantidades isoladas, obtém-se o volume total. O medidor divide o caudal em volumes discretos e conhecidos. A precisão geral do medidor depende dos pequenos espaçamentos entre as partes moveis e fixas e dos comprimentos destas extensões de vazamento. Assim, a precisão tende a aumentar, quando o tamanho do medidor aumenta.

62. Caudalímetro de Rodas Ovaladas ou em Oito   O medidor é constituído por uma câmara de medição na qual estão instaladas duas engrenagens ovais que rodam em sentidos contrários. Estas engrenagens rodam devido ao diferencial de pressão existente entre a entrada e a saída. Este movimento faz com que as engrenagens toquem nas paredes da câmara de modo a seccionar o caudal em volumes discretos e conhecidos. UFCD 6621 - Instrumentação

63. Vantagens  Boa precisão e alta range;  Não requerem alimentação externa e apresentam vários tipos de indicadores.  Simples e de fácil manutenção;  Requerem peças de grande precisão para se obtenção de pequenos intervalos, que influem no desempenho do medidor. Desvantagens   Não indicado para fluidos abrasivos, sujos e não lubrificantes ;  As peças móveis requerem manutenção periódica;  Instrumentos que requerem recalibração e manutenção periódicas.  Excesso de velocidade e alta pressão podem danificar o equipamento. UFCD 6621 - Instrumentação

64. Constituição   O instrumento é constituído por uma câmara circular na qual se encontra um disco móvel que é seccionado por uma placa. O disco divide a câmara em duas zonas de volume conhecido. A passagem do fluido provoca movimentação do disco que ao rodar, secciona o caudal que entra na câmara em volumes discretos e conhecidos. UFCD 6621 - Instrumentação

65. Princípio de Funcionamento dos Medidores por Pressão Diferencial Os diversos Medidores por Pressão Diferencial utilizam diferentes tipos de obstáculos ao fluxo do líquido para provocar uma queda de pressão e consequentemente determinar o caudal. O sistema de medição de vazão consiste de dois elementos separados e combinados.   A diferença entre duas pressões P 1 e P 2 conhece-se como pressão diferencial.     dp = P 1 – P 2   Quando se mede a diferença de pressão entre dois pontos, habitualmente com o mesmo zero de referência, a medida denomina-se pressão diferencial P 1,2 ou também dP 1,2 . UFCD 6621 - Instrumentação

66. Elemento Primário   Refere-se ao constituinte do instrumento que provoca a pressão diferencial através de uma restrição na tubagem. O elemento primário está em contacto directo com o processo. A pressão diferencial depende da área da restrição na tubulação e de outros factores relacionados com as características do fluido.   Elemento Secundário   O constituinte do instrumento responsável pela medição da pressão diferencial gerada. O elemento secundário poderá ser um sensor ou o transmissor de pressão diferencial. UFCD 6621 - Instrumentação

67. Orifício Calibrado A placa de orifício é o elemento primário mais utilizado. Esta restrição é efectuada através de uma chapa perfurada que é introduzida perpendicularmente ao tubo, diminuindo a superfície de passagem e aumentando a velocidade do fluido (máximo na zona de superfície de escoamento mais reduzida). UFCD 6621 - Instrumentação

68. Configuração de Orifício – Tipologia e Aplicações Orifício Concêntrico Líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão Orifício Excêntrico Gases cuja variação de pressão implique condensação Orifício Segmentado Flúidos com elevada percentagem de sólidos em suspensão. UFCD 6621 - Instrumentação

69. Vantagens  Sem componentes móveis;  Ranges diversas e tamanhos;  Indicado tanto para gases como para líquidos;  Manutenção simplificada;  Custo Limitações  Exactidão relativamente baixa;  Perda de pressão não recuperável;  Muito influenciável pela viscosidade;  Desgaste do orifício afecta a precisão. UFCD 6621 - Instrumentação

70. Caudalímetros electromagnéticos Aplicações: Sistemas de controlo de caudal em função da temperatura. Por exemplo sistemas de arrefecimento de máquinas, ferramentas, sistemas de lavagem. O medidor electromagnético é um dispositivo utilizado para a medição de caudais em condutas fechadas, que utiliza o princípio físico de que num condutor que passa por um campo magnético (que é fornecido pelas bobinas montadas as redor da tubagem) desenvolve uma tensão eléctrica aos seus terminais. UFCD 6621 - Instrumentação

71. Caudalímetros ultrassónicos O princípio básico da operação encontra-se no deslocamento da frequência (efeito Doppler) de um sinal ultrassônico quando refletido por partículas em suspensão ou bolhas de gás (descontinuidades) em movimento. Essa técnica de medição utiliza o fenômeno físico no qual uma onda sonora muda de frequência quando é refletida por descontinuidades da passagem do caudal. As descontinuidades refletem a onda ultrassônica com uma frequência diferente, que é diretamente proporcional à taxa de caudal do líquido. UFCD 6621 - Instrumentação

72. Medidor de caudal por Radar O caudal é obtido através da medição, sem contacto, do nível e da velocidade (sendo utilizada para o cálculo a velocidade média e não a velocidade medida apenas num ponto). Devido ao seu sistema de medição sem contacto o sistema é instalado fora da água o que é uma grande vantagem pois desta forma o sensor não ganha sujidade ou depósitos, o que normalmente acontece com equipamentos submersíveis, assim o sensor praticamente não precisa de manutenção. UFCD 6621 - Instrumentação

73. Caudalímetro de turbina Principio de Funcionamento Os caudalimentros de Turbina tem uma hélice que gira quando a corrente de líquido incide sobre ela . A velocidade de giro e proporcional ao caudal. UFCD 6621 - Instrumentação

74. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

75. UFCD 6621 - Instrumentação Sensores e transdutores VELOCIDADE A velocidade relaciona a variação da posição no espaço em relação ao tempo, ou seja, qual a distância percorrida por um corpo determinado intervalo temporal. A unidade dos sistema internacional da velocidade é m/s Sensor de velocidade A tecnologia dos sensores de velocidade é muito próxima dos sensores de posição.

76. UFCD 6621 - Instrumentação Existe também sensores de velocidade que funcionam com princípio do dínamo.

77. UFCD 6621 - Instrumentação Os detetores de velocidade podem ser ligados aos sistemas de monitorização/ controlo pelas seguintes formas: Transmissores com saida em tensão, que podem ser convertidos em 4-20 mA, transmissão com saída a 4-20mA Contacto livre de tensão Saída em frequência

78. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

79. UFCD 6621 - Instrumentação Sensores e transdutores Nível 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. Os medidores de nível medem a posição da superfície do líquido sobre um ponto de referência ou a altura hidrostática criada pelo líquido cuja superfície se deseja conhecer.

80. Gestão de Stocks: Avaliar o volume de materiais em stock em tanques de armazenagem, por exemplo.   Contabilidade: Transações, facturação, etc.   Gestão de produção: Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, por exemplo.   Segurança das instalações: Em instalações industriais é muito frequente existirem encravamentos devidos a medidas de nível.   Exemplo : Nível alto de um tanque ou nível mínimo para evitar que uma bomba desferre.   Propósitos Fundamentais A medição de nível utiliza-se na indústria para : UFCD 6621 - Instrumentação

81. Tipo de Medição de Nível Alguns dos métodos mais utilizados na instrumentação para medição de nível:     Medição Indireta   É a medição para determinar o nível em função de uma segunda variável. Medição Direta   Réguas   Visores de Nível   Bóia ou Flutuador Medição Indireta   Impulso   Pressão Diferencial   Borbulhador   Capacitância Eletrostática   Por Tempo de Viagem   Por Radioatividade   Por Apalpador   Por sensores Eletromecânicos Medição Direta   É a medição com referência à posição do plano superior da substância medida. UFCD 6621 - Instrumentação

82. MEDIDORES DE NÍVEL POR FITAS OU RÉGUAS   um método de medição de nível muito simples e de baixo custo. utilizado vulgarmente em rios e barragens e consiste numa graduação pintada numa parede ou pilar ou numa régua aparafusada em suportes. É também o método utilizado para medir o nível do óleo nos motores dos automóveis, através da vareta de medição. UFCD 6621 - Instrumentação

83. A fita possui marcações e é desenrolada para o interior do depósito e possui um lastro na ponta para que estique. Também pode ser uma fita marcada e esticada através de um sistema de bóia e contrapeso.   UFCD 6621 - Instrumentação

84. UFCD 6621 - Instrumentação MEDIDORES LOCAIS DE NÍVEL COM VISORES DE NÍVEL Visor de nível simples – Indicação Pode ser colocado directamente na parede do reservatório. Tubo indicador de Nível Constituído por um tubo vertical, exterior ao reservatório do que se quer medir o nível, pelo princípio dos vasos comunicantes. Através do tubo é possível medir directamente a altura da coluna líquida.

85. UFCD 6621 - Instrumentação Principais Vantagens e Limitações dos Visores de Nível: Vantagens:   Instrumento de leitura direta, logo insensível à variação de outros parâmetros como a temperatura do líquido, a pressão e a densidade.   Limitações:   Não podem ser utilizados com líquidos muito viscosos nem com líquidos que podem solidificar dentro do tubo ou que contenham sólidos em suspensão que o possam obstruir;  Não são práticos para tanques muito altos.

86. UFCD 6621 - Instrumentação MEDIDORES DE NÍVEL POR FLUTUADORES OU BÓIAS Baseia-se na mudança de altura do flutuador colocado na superfície do líquido.   A densidade deste flutuador ou bóia tem de ser inferior ao fluido do qual se pretende medir o nível.    A bóia pode acionar uma válvula on/off, um sistema de roldanas e fita para indicação, transmissores eléctricos ou pneumáticos, etc. Pode ser assim utilizado para medidas contínuas ou pontuais.

87. UFCD 6621 - Instrumentação Flutuador com contrapeso Utilizados em tanques de altura tipicamente inferior a 5-6 metros.

88. UFCD 6621 - Instrumentação Flutuador Magnético Bóias associadas a componentes magnéticos que permitem a transmissão do nível medido. O tubo serve de guia do flutuador. No seu interior existe um íman que é atraído pelo flutuador e segue o seu movimento. O movimento do seguidor do flutuador é transmitido por cabo à unidade central onde por calibração é convertido num sinal standard.

89. UFCD 6621 - Instrumentação Vantagens:    Adequado para tanques sob pressão ou vácuo;   Pode ser utilizado na medição de nível de uma grande variedade de líquidos. Limitações:    O flutuador pode ficar preso no interior do tubo;   Método influenciado por incrustações ou corrosão nos guias e na bóia;    Existe um limite para a altura do tanque.  

90. UFCD 6621 - Instrumentação Sensores por Flutuador Consiste num elemento flutuador montado num componente mecânico móvel que actua um micro-interruptor ao ser movido pelo fluido.    Esta informação permite assim conhecer se o nível se encontra acima ou abaixo do ponto de instalação do sensor e é útil para situações de controlo on/off ou alarmes.

91. UFCD 6621 - Instrumentação MEDIDORES DE NÍVEL POR PRESSÃO DIFERENCIAL   Estes instrumentos, quando utilizados em medição de nível, medem diferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquida presente nos equipamentos cujo nível se deseja medir. A - Para tanque aberto   O lado de alta pressão do transmissor de pressão diferencial é ligado pela toma da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão é aberto para a atmosfera.   A pressão é proporcional à altura da coluna de líquido, o medidor infere a posição actual do nível.   Portanto a medida de nível obtida por este método é uma medida indirecta.

92. UFCD 6621 - Instrumentação B - Para tanque fechado No tanque fechado se a pressão dentro do tanque é diferente da pressão atmosférica, os lados de alta e baixa pressão são conectados individualmente por tubos na parte baixa e alta do tanque respectivamente para obter pressão diferencial proporcional ao nível líquido.

93. UFCD 6621 - Instrumentação MEDIDORES DE NÍVEL POR BORBULHADOR     É uma aplicação típica da medida de nível por diferença de pressão.      O sistema é composto apenas por um tubo imerso no fluido chamado tubo de borbulhamento.   Este tubo é aberto numa extremidade e na outra extremidade, é ligado em “T”, sendo um extremo deste ligado a um transmissor de pressão e o outro a um sistema de alimentação de ar ou gás inerte (azoto) – caudal constante .  

94. UFCD 6621 - Instrumentação Esta medida de nível não é muito utilizada no caso de líquidos viscosos, que poderiam obstruir as tomas de pressão. Ao fazer borbulhar ar ou gás inerte através do tubo, a pressão que se opõem ao borbulhar é proporcional à altura do líquido .    Este sistema também pode ser utilizado em tanques fechados (sob pressão), desde que a pressão no seu interior não seja demasiado elevada. O ar, além de ser injectado no tubo de borbulhamento é também introduzido no espaço sobre a superfície livre do líquido.     O sensor de pressão indicador do nível deverá ser diferencial.  

95. Principais Vantagens e Limitações da Medição de Nível por Borbulhamento :           Vantagens:     Localização flexível     Pode ser usado para líquidos corrosivos, líquidos a elevadas temperaturas e líquidos com sólidos em suspensão         Limitações:     Necessário assegurar uma pressão de ar constante e um caudal constante e pequeno     Não convém utilizar para pressões muito elevadas         UFCD 6621 - Instrumentação

96. M EDIDORES DE N ÍVEL POR M ÉTODO C APACITIVO       Sensores capacitivos: basicamente constituídos por dois eléctrodos parcialmente mergulhados no   líquido do qual se pretende determinar o nível, medindo a capacidade.       A sonda capacitiva não é mais que um condensador cujo valor varia consoante o nível.       Existem diversas variantes de sistemas de medição de nível baseados neste princípio. UFCD 6621 - Instrumentação

97. MEDIDORES DE NÍVEL POR “TEMPO DE VIAGEM”     Instrumentos de medida de nível que se baseiam no tempo de viagem.     Medem o tempo de viagem dos impulsos entre o sensor e a superfície do líquido e novamente para o sensor.   O emissor envia um impulso que se desloca até à superfície do fluido, este reflecte nessa superfície e o seu eco viaja novamente até ao sensor. Dentro deste tipo de medidores vamos ver:   Medidores por ultrassom   Medidores de nível por radar ou microondas UFCD 6621 - Instrumentação

98. Dificuldades de Operação em situações que:   O factor de reflexão da superfície do nível é baixo   A superfície contém espuma, o que dificulta a sua definição   Entre a superfície livre do líquido e o sensor formam-se gases, que absorvem os impulsos ou modificam a sua velocidade de propagação   Existem ecos secundários devido a obstáculos UFCD 6621 - Instrumentação

99. Medição de Nível por Ultrassom    O sensor de nível por ultrassons mede o tempo de viagem (tempo de propagação) de impulsos   ultrassónicos entre a superfície cujo nível se quer medir e um ponto de referência, onde se encontra o sensor. Como o som é composto por vibrações   mecânicas, é reflectido pelas propriedades   mecânicas das substâncias.   UFCD 6621 - Instrumentação

100. Sensor de nível por ultrassom UFCD 6621 - Instrumentação

101. A velocidade de propagação, e consequentemente o tempo de viagem, dependem do meio em que viaja e também da temperatura . → Problema deste método!       De forma a minimizar este efeito, estes sensores possuem sensores de temperatura para efectuarem uma correção. Estes sensores não podem ficar directamente expostos à luz solar, a sua temperatura aumentaria e seriam cometidos erros de correção na velocidade.   UFCD 6621 - Instrumentação

102. A gama de medida destes sensores é de 15 cm a 60 m e a sua exatidão é melhor que 0,2% da gama de medida.       Outros problemas que podem surgir na aplicação deste método são a agitação à superfície do fluido e a espuma formada na zona de incidência dos impulsos.       Nestas situações recorre-se á utilização de um tubo guia de ondas para minimizar a influência destes aspectos. UFCD 6621 - Instrumentação

103. Este método pode ser também utilizado para medições discretas – on/off – para deteção de níveis máximos e mínimos.  Baseia-se na intercepção do feixe ultrassónico: o receptor é colocado no tanque do lado oposto ao do emissor e ao mesmo nível que este.   UFCD 6621 - Instrumentação

104. Vantagem: Método menos perturbado pela presença de espuma e imune aos gases   Desvantagem: Instalação mais delicada e sensor mais caro. Um método muitas vezes utilizado é a colocação do sensor no fundo do reservatório , enviando o   sinal de baixo para cima em direcção á superfície do fluido. UFCD 6621 - Instrumentação

105. Medição de Nível por Radar ou Microondas       Forma análoga ao sistema de medição por ultrassom, a medição de nível por microondas é feita por meio de um emissor–receptor de pulsos electromagnéticos, e baseia-se no tempo de viagem dos impulso. Os impulsos são emitidos e recebidos por uma antena e o tempo de viagem é da ordem de dezenas de nanosegundos (10 -9 ).         A sua refleção e velocidade de propagação nas diversas substâncias depende da sua constante dieléctrica .             UFCD 6621 - Instrumentação

106. Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral.       A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultrassónico é a imunidade aos efeitos provocados por gases, pó e espuma entre a superfície e o detetor, porém a principal limitação é o seu custo relativamente elevado.   UFCD 6621 - Instrumentação

107. Principais Vantagens e Limitações da Medição de Nível por Radar :   Vantagens:   Pode ser utilizado com líquidos, pastas e alguns sólidos.   Medida directa.   Não é necessária compensação para variações de densidade e condutividade do fluido.   Alterações de pressão, temperatura, condições de vaporização não têm impacto na precisão das medições por radar.   Os medidores por radar não têm partes móveis, logo a manutenção é mínima.         UFCD 6621 - Instrumentação

108. Limitações:   O radar não deve encontrar obstáculos, para tal é necessária uma boa instalação.   A superfície a medir deve ser relativamente lisa, sem inclinações.   Em fluidos com baixa constante dielétrica, a maior parte da energia é perdida para o fluido, deixando pouca energia para ser refletida de volta ao sensor.   Relativamente caro.   UFCD 6621 - Instrumentação

109. MEDIDORES DE NÍVEL POR RADIOATIVIDADE       Consistem de uma fonte de emissão radioativa, detetor colocado no lado oposto do depósito e uma   unidade eletrónica conversora e transmissora de sinal.   Pode empregar-se tanto em líquidos como em sólidos, em casos de altas temperaturas, líquidos muito corrosivos, reactores com polímeros, sólidos com grande granulometria, etc.. UFCD 6621 - Instrumentação

110. Estes sistemas apresentam algumas caraterísticas ideais como:   Instalação externa ao depósito, sem necessidade de abrir novas conexões ao mesmo.   Simplicidade   Resistentes à corrosão               No entanto são empregues apenas nos casos em que é impossível aplicar qualquer outro método de medida devido a: Perigosidade real e conhecida destes medidores baseados em princípios radioativos   Dificuldades administrativas a que conduzem (o pessoal da manutenção necessita de formação em cursos homologados, os equipamentos requerem certificados especiais, etc.) UFCD 6621 - Instrumentação

111. O método pode ser utilizado para medição pontual ou contínua de nível. Medição pontual de nível   O aparecimento de líquido no percurso do feixe entre o emissor e o receptor de radioatividade, atenua a radiação. Esta diminuição de radiação recebida é detectada e um contacto elétrico fechado – (1) .   Medição de nível contínua   Calibração de 0 a 100%. A existência de líquido no percurso emissor-receptor de   radioatividade atenua a radiação proporcionalmente. A quantidade de radiação detectada é inversamente proporcional ao nível UFCD 6621 - Instrumentação

112. Detector de Radiação    Este detector é composto por um tubo de vidro contendo um gás nobre a baixa pressão dentro do qual se enrola um fio de forma helicoidal que actua como cátodo. No centro deste ficará outro fio que desempenha a função de ânodo.     A radiação recebida provoca uma diferença de potencial de centenas de volts que gera uma pequena corrente elétrica proporcional à ionização do gás pela radiação. UFCD 6621 - Instrumentação

113. Principais Vantagens e Limitações dos Medidores de Nível por Radioatividade:     Vantagens   Medição independente da pressão, temperatura, e propriedades físicas e químicas   Não requer praticamente nenhuma manutenção   Fácil de calibrar   Fácil de instalar   Pode ser usado para medições em condições mais adversas, por exemplo com produtos altamente viscosos e corrosivos, ou a altas pressões e temperaturas   Serve para sólidos e também para líquidos   Medição de nível contínua , e não existe contacto com o produto a ser medido   Elevada segurança operacional   Elevada exatidão em situações onde os outros medidores de nível falham     Limitações   Só pode ser usado em último recurso, quando for impossível aplicar outro método de medição   Extremamente caro UFCD 6621 - Instrumentação

114. MEDIDORES DE NÍVEL POR APALPADOR   Método apenas utilizado em sólidos .   Consiste num componente preso por um fio ou corrente metálica, que tem como função medir continuamente a distância entre o topo da pilha de sólidos e o sensor. UFCD 6621 - Instrumentação

115. UFCD 6621 - Instrumentação

116. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

117. UFCD 6621 - Instrumentação A força que atua sobre um objeto, provoca a sua deformação. Esta deformação pode ser medida de forma mecânica, ótica, acústica, pneumática ou elétrica. Esta última forma tem sido bastante diversificada através do uso de células de carga, que não são nada mais que transdutores de força para uma grandeza elétrica. SENSORES PARA MEDIÇÃO DE FORÇA Um exemplo: bastante comum de um sistema de medição de força eletrónico é uma balança digital, (industrial ou doméstica) que mede a quantidade de força exercida sobre ela a partir de uma célula de carga, mostrando a intensidade da força sob a forma de unidades de peso.

118. UFCD 6621 - Instrumentação Uma célula de carga é um sensor que, a partir da deformação, converte um leque variado de informação como força, tensão mecânica e pressão, que são exercidos sobre ela num sinal elétrico Este sinal pode ser uma variação de tensão elétrica, corrente ou frequência dependendo do tipo de célula e circuito. As células de carga piezoelétricas possuem uma propriedade denominada de piezoeletricidade, onde os elementos e os materiais que as constituem são capazes de gerar tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica Devido ao elevado custo das células de carga com piezoelétricos, que são elementos caros e com um grau de eficiência elevado, é usual optar-se por uma alternativa onde são utilizados como sensores de medida os extensómetros elétricos do tipo resistivo.

119. UFCD 6621 - Instrumentação CÉLULA DE CARGA E EXTENSÓMETROS Os extensómetros são habitualmente finos e de forma retangular, consistindo numa serpentina de material (fio) condutor, composta por um fio metálico ou várias tiras metálicas que é depositada numa folha de material não condutor. Quando a serpentina é esticada (tração), fica mais fina e ocorre um aumento da resistência elétrica, já quando é comprimida (compressão), torna-se mais espessa e dá-se uma diminuição da resistência elétrica [ A sensibilidade dos extensómetros usados na célula deste trabalho é limitada a apenas um eixo, este tipo é ilustrado na seguinte figura abaixo Extensómetro

120. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

121. UFCD 6621 - Instrumentação Conversores Introdução A natureza apresenta-nos grandezas analógicas (e como tal contínuas) no entanto existem muitas situações em que é conveniente poder converter esses sinais numa forma digital (e como tal discreta) principalmente por questões de processamento. Exemplo de um sistema com processamento digital de sinal

122. UFCD 6621 - Instrumentação Neste sistema, como é frequente acontecer, a entrada é um sinal analógico que é convertido num sinal digital, processado e depois convertido novamente num sinal analógico. Como exemplos de processos deste tipo podem considerar-se sistemas de controlo digital, linhas telefónicas digitais ou sistemas de processamento digital de voz. Neste exemplo entre a entrada e a saída existem diversos blocos de processamento que transformam o sinal de entrada, representado por Vi, até que ele se converta no sinal de saída, representado por Vo. Os blocos representados são: • Amostrador Retentor - Este bloco é responsável por recolher amostras do sinal de entrada e reter cada uma dessas amostras até recolher outra. A amostra neste contexto é como uma fotografia instantânea do sinal de entrada que guarda a informação do sinal no instante de amostragem. • ADC - Analog to Digital Converter ou conversor de analógico para digital. A função deste bloco é converter a informação analógica da amostra anteriormente recolhida em informação digital em binário. A partir deste bloco a informação passa a ser transmitida em paralelo por um conjunto de n sinais binários

123. UFCD 6621 - Instrumentação Processamento Digital - O bloco de processamento digital implementa a função pretendida. Por exemplo num sistema de controlo digital seria neste bloco preparado o sinal de controlo a aplicar ao processo externo. • DAC - Digital to Analog Converter ou conversor de digital para analógico . Este bloco recebe a informação binária resultante do processamento digital e volta a converter a informação num sinal analógico

124. UFCD 6621 - Instrumentação O termo amplificador refere-se a todo um conjunto de componentes e circuitos que realizam a amplificação de um sinal. O amplificador é geralmente representado em diagramas de circuito pelo bloco triangular mostrado na Figura em baixo. AMPLIFICADOR Representação simplificada de um amplificador . Em instrumentação os sinais oriundos de sensores, transdutores ou outros dispositivos costumam ser muito baixos e não raro estão contaminados por ruído. Por esta razão costuma ser necessário passar estes sinais por circuitos condicionadores de sinal. Estes circuitos transformam o sinal de entrada adaptando-o as necessidades do próximo estágio.

125. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

126. Exactidao e precisao Precisão A precisão, portanto, revela o rigor com que um instrumento de medida indica o valor de uma certa grandeza ou seja indica o quanto as medidas repetidas estão próximas umas das outras. Refere-se a maior ou menor aproximação da medida em termos de casas decimais. Exatidão É a característica de um instrumento de medida que exprime o afastamento entre a medida nele observada e o valor de referência aceito como verdadeiro. UFCD 6621 - Instrumentação

127. significa a aptidão de um instrumento de medição fornecer indicações muito próximas, quando se mede o mesmo mensurando, sob as mesmas condições. Define o quanto um instrumento é capaz de reproduzir um valor obtido numa medição, mesmo que ele não esteja correto. A precisão é definida pelo desvio padrão de uma série de medidas de uma mesma amostra ou um mesmo ponto. Quanto maior o desvio padrão, menor é a precisão. A precisão está relacionada com as incertezas aleatórias da medição e tem relação com a qualidade do instrumento . Precisão Obs1. Nos dias de hoje, o termo “ Precisão ” foi substituído pelo termo “ Repetitividade ”. UFCD 6621 - Instrumentação

128. É a aptidão de um instrumento para dar respostas próximas ao valor verdadeiro do mensurando. É a capacidade que o instrumento de medição tem de fornecer um resultado correto. Um equipamento exato é aquele que, após uma série de medições, nos fornece um valor médio que é próximo ao real, mesmo que o desvio padrão seja elevado, ou seja, apresente baixa precisão. A exatidão está relacionada às incertezas sistemáticas da medição. A exatidão pode ser avaliada através da calibração do instrumento . Exatidão UFCD 6621 - Instrumentação

129. Então, um equipamento preciso e inexato é capaz de fornecer resultados reprodutivos, mas incorretos, e um equipamento exato e impreciso, é capaz de fornecer resultados corretos, mas com uma grande variação entre as medidas. Isto significa que, neste caso, seria necessário um grande número de medições para se ter um resultado médio confiável e, estatisticamente, válido. Os termos PRECISÃO e EXATIDÃO possuem significados diferentes Observemos o exemplo abaixo: UFCD 6621 - Instrumentação

130. Noções Básicas de Instrumentação Sensores e transdutores Temperatura Pressão Caudal Velocidade Nível Força Conversores/Amplificadores de sinais Exactidão e precisão Simbologia UFCD 6621 - Instrumentação

131. Simbologia Os símbolos de instrumentação são encontrados em:   fluxogramas de processo e de engenharia,   diagramas de controle de processos, conhecidos como diagrama P&I,   desenhos de detalhamento de instrumentação, instalação, diagramas de ligação, plantas de localização, diagramas lógicos de controle, listagem de instrumentos,   painéis sinópticos e semigráficos na sala de controle,   diagramas de telas de vídeo de estações de controle. UFCD 6621 - Instrumentação

132. A simbologia correta da instrumentação deve conter os seguintes parâmetros:   Identificação das linhas de interligação dos instrumentos, por exemplo, eletrônica física, eletrônica por configuração, pneumática.   Determinação do local de instalação dos instrumentos, acessível ou não acessível ao operador de processo.   Filosofia da instrumentação, quanto ao instrumento ser dedicado a cada malha ou compartilhado por um conjunto de malhas de processo   Identificação ( tag ) do instrumento, envolvendo a variável do processo, a função do instrumento e o numero da malha do processo.   Outras informações adicionais. UFCD 6621 - Instrumentação

133. Estrutura Hierárquica de uma Planta Planta - O termo Planta define por si só a implantação como um todo.   Área - A área define dentro da região um setor específico, que será tomada como uma identidade e submetida à subdivisões que permitam de forma lógica uma divisão que procura contemplar a execução de atividades específicas do processo.   Setor - O Setor divide dentro da área locais específicos de execução de urna fase do processo.   Grupo - O grupo define o menor conjunto do processo que possui em geral a característica de executar urna tarefa definida. Instrumentos/Equipamentos - São os componentes físicos que estão contidos no Processo, compondo todas as suas partes funcionais.   Equipamentos - Bombas, vasos, tanques, vibradores, misturadores, pasteurizadores, silos, motores, clarificadoras, máquinas diversas e muitos outros.   Instrumentos - Indicadores, controladores, registradores, sensores, variadores, aturadores, transmissores, conversores, válvulas de controle e etc. UFCD 6621 - Instrumentação

134. PI = Indicador de pressão   TI = Indicador de Temperatura   LI = Indicador de Nível   SI = Indicador de Velocidade   RI = Indicador de Radioatividade   MI = Indicador de Umidade   AI = Indicador de Condutividade, ou pH, ou 02 etc.   VI = Indicador de Viscosidade UFCD 6621 - Instrumentação

135.   PIC = Indicador Controlador de Pressão   Neste caso a função final é o controle de uma malha, portanto, a   TIC = Indicador Controlador de Temperatura   LIC = Indicador Controlador de Nível   FIC = Indicador Controlador de Vazão   JIC = Indicador Controlador de Potência   SIC = Indicador Controlador de Velocidade   BIC = Indicador Controlador de Queima ou Combustão (queimadores de caldeiras ou fomos ou outros) UFCD 6621 - Instrumentação

136.       LAH = Alarme de Nível Alto   Neste exemplo a letra "A" define a função de informação, indicando que o instrumento está sendo utilizado para um alarme. A letra modificadora "H“ complementa esta informação indicando o parâmetro do alarme, no caso nível alto.     TAH = Alarme de Temperatura Alta   SAL = Alarme de Baixa Velocidade   WAL = Alarme de Peso Baixo UFCD 6621 - Instrumentação

137. Tagname O Tagname ou Tag é um código alfanumérico, cuja finalidade é a de identificar equipamentos ou instrumentos, dentro de uma planta de processos.   O Tagname também é a identificação física de um instrumento ou equipamento. Por meio deste podemos localizar onde o instrumento/equipamento está instalado. UFCD 6621 - Instrumentação

138. UFCD 6621 - Instrumentação

139. UFCD 6621 - Instrumentação

140. UFCD 6621 - Instrumentação

141. UFCD 6621 - Instrumentação