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Instrumentação Industrial (Terminologias (Exatidão - Medidas próximas ao…
Instrumentação Industrial
Terminologias
Rangeabilidade - Relação entre valor máximo e mínimo com a mesma exatidão.
Span - Diferença entre limite superior e inferior.
Range - Valores entre o limite superior e inferior da escala.
Exatidão - Medidas próximas ao valor verdadeiro
Percentual do span.
Percentual do fundo de escala
Percentual do valor lido.
Precisão - Medidas consecutivas próximas entre si.
Erro - Diferença entre o valor lido e o valor real.
Estático - regime permanente.
Dinâmico - atraso em relação ao valor atual.
Zona morta - máxima variação da variável sem provocar alteração na indicação.
Sensibilidade - mínima variação da variável que provoca alteração na indicação.
Histerese - Erro máximo apresentado pelo instrumento, expressado em percentual do span.
Repetitividade - Máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor.
Funções dos instrumentos
Indicador - mostra o valor da variável.
Registrador - registra a variável de forma gráfica.
Transmissor - mede a variável e transmite o valor da variável a um instrumento receptor.
Transdutor - recebe um sinal de entrada, modifica se necessário e fornece um sinal de saída.
Controlador - compara a variável controlada com um valor de referência(setpoint) e fornece um sinal de controle na saída.
Elemento final de controle - modifica o valor da variável monitorada.
Tipos de transmissão
Pneumática - 3 a 15psi, 0,2 a 1kgf/cm2
Eletrônica - 4 a 20mA, 10 a 50mA, 1 a 5V
Protocolo Hart - combina o padrão 4 a 20mA com comunicação digital.
Vantagens - Usa o mesmo cabeamento do 4 a 20mA; Vários fabricantes.
Desvantagens: Limitação de velocidade de transmissão; Cada instrumento precisa de um par de cabos.
Fieldbus - comunicação digital bidirecional, interliga equipamentos de campo com o sistema da sala de controle.
Reduz o número de cabos a somente um par.
Medição de Pressão
Conceitos
Pressão atmosférica - exercida pela atmosfera terrestre.
Pressão relativa - valor de pressão utilizando a pressão atmosférica como referência.
Pressão absoluta - valor de pressão utilizando o vácuo absoluto como referência.
Pressão diferencial - diferença entre duas pressões. Utilizada para medir vazão, nível, pressão ,etc.
Pressão estática - peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente.
Pressão dinâmica ou cinética - pressão exercida por um fluido em movimento.
Dispositivos
Manômetro tipo tubo Bourdon - pode ser Tipo C, Espiral ou Helicoidal.
Manômetro tipo capacitivo - baseado na deformação de uma das armaduras do capacitor, alterando o valor da capacitância.
Manômetro tipo Strain Gauge - baseia-se no princípio da variação da resistência de um fio quando da mudança de suas dimensões.
Manômetro piezoelétrico - baseia-se no efeito piezoelétrico de alguns cristais, que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina quando sofrem ação de uma pressão.
Medição de Temperatura
Conceitos
Pirometria - medição de altas temperaturas, onde os efeitos da radiação térmica se manifestam.
Criometria - medição de baixas temperaturas, próximas ao zero absoluto
Termometria - termo mais abrangente, incluindo a pirometria e a criometria.
Temperatura - valor médio das energias cinéticas dos átomos.
Energia térmica - somatório das energias cinéticas dos átomos.
Calor - energia em trânsito em virtude da diferença de temperatura.
Condução - fluxo de calor entre meios diferentes em contato fixo direto.
Radiação - fluxo de calor entre meios diferentes separados no espaço.
Convecção - movimento do meio aquecido.
Escalas
Celsius - 0 a 100ºC
Fahrenheit - 32 a 212ºF
Kelvin - 273,15 a 373,15K
Rankine - 491,67 a 671,67R
Dispositivos
Termômetro de dilatação de líquido - dilatação volumétrica de líquido em recipiente fechado.
Termômetro à pressão de gás - dilatação volumétrica de gás em recipiente fechado.
Termômetro à dilatação de sólidos - dilatação linear de metais. Normalmente helicoidal.
Termopar - Baseado no efeito Seebeck, onde o aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma fem.
Básicos - mais utilizados; baixo custo; maior erro; Cobre e Constantan, Ferro e Constantan, Chromel e Constantan, Chromel e Alumel.
Nobres - alta sensibilidade; maior custo; Platina, Platina e Rhodio.
Termorresistência - variação da resistência elétrica em função da temperatura.
Vantagens - maior precisão; sem limitação de distâncias; dispensa fiação especial; boa reprodutividade.
Desvantagens - mais caro; deteriora-se com facilidade por mau uso; temperatura máxima de 630ºC.
Medição de Nível
Medição direta - Tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida.
Réguas ou gabaritos.
Visores de nível - utilizando o princípio dos vasos comunicantes. O nível é observado através de visor de vidro especial.
Bóia ou flutuador - conjunto de bóia e contrapeso, indicando em ponteiro o nível.
Medição indireta - Em função de grandezas físicas - pressão, empuxo, radiação e propriedades elétricas.
Pressão diferencial - utiliza a pressão exercida pela coluna líquida.
Borbulhador - utiliza suprimento de ar com pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido.
Empuxo - utiliza-se um deslocador que sofre o empuxo e transmite este torque para um indicador.
Capacitância - a alteração do nível provoca alteração da capacitância.
Ultra-som - tempo de atraso entre emissão e recepção do sinal.
Radar - tempo de atraso entre emissão e recepção do sinal.
Medição descontínua - indica apenas quando o nível atinge certos pontos.
Condutividade - utiliza associação de cargas a serem curto-circuitadas pelo líquido.
Bóias - diversas bóias em níveis diferentes.
Medição de vazão
Medidores de quantidade - permitem saber a quantidade de fluxo que passou, mas não o fluxo que está passando.
Quantidade por pesagem - balanças industriais para sólidos.
Quantidade volumétrica - bombas e hidrômetros, utilizando disco nutante, pistão rotativo, pás giratórias, engrenagem, etc.
Medidores volumétricos - exprimem vazão por unidade de tempo.
Por pressão diferencial - diminui-se a seção do tubo para que se tenha uma queda de pressão. A vazão pode ser medida a partir desta queda. Uso amplo porém provoca perda de carga na tubulação.
Placa de orifício - concêntrico, excêntrico e segmentado.
Tubo venturi - garganta estreitada entre duas seções cônicas.
Rotâmetros - um flutuador que varia sua posição proporcionalmente à vazão do fluido.
Eletromagnético - para fluidos eletricamente condutivos.
Turbina - a frequência da tensão gerada é proporcional à vazão do fluido
Elementos sensores
Capacitivos - a alternação das dimensões do dielétrico provoca alteração na capacitãncia. Usa-se na detecção de objetos não-metálicos, controle de níveis máximos e mínimos de líquidos ou sólidos condutores ou não e contagem de objetos.
Vantagens - durabilidade, manutenção nula, detecta quase todo tipo de material.
Desvantagem - alcance limitado.
Magnéticos - ao aproximar-se um imã permanente ou uma bobina alimentada com corrente contínua, as duas lâminas do dispositivo se juntam, estabelecendo um contato elétrico.
Indutivos - um oscilador alimenta uma bobina com campo magnético alternado. Caso existam corpos metálicos em sua proximidade, serão induzidas correntes parasitas, absorvendo energia do oscilador, acionando o circuito disparador.
Vantagens - durabilidade, manutenção nula
Desvantagem - alcance limitado, só detecta materiais metálicos.
Potenciométricos - mediante deslizamento de escovas em pista resistiva, alterando a resistência do circuito.
Vantagens - simplicidade, baixo custo e resposta linear.
Desvantagens - necessidade de esforço mecânico, baixa precisão para deslocamentos curtos.
Óticos - baseia-se em emissão e reflexão de luz.
Encoder - dispositivo que conta ou reproduz pulsos elétricos a partir do giro do seu eixo. Permite fazer leitura de velocidade, direção e posição do movimento.
Incremental - um pulso para cada unidade de deslocamento.
Absoluto - gera um código binário para cada unidade de deslocamento.
Elementos finais de controle
- aqueles responsáveis pela atuação direta sobre os processos, recebendo sinais de comando do controlador par corrigir o desvio do valor desejado.
Válvulas de controle - provocam restrição variável à passagem do fluxo.
Tipos
Deslocamento linear - Parte móvel descreve movimento retilíneo, ex. válvula globo.
Deslocamento rotativo - Parte móvel descreve movimento de rotação, ex. válvula esfera e borboleta.
Partes
Atuador - dá a força necessária para movimentar o obturador em relação à sede da válvula.
Direto - entrada de ar pela parte superior.
Indireto - entrada de ar pela parte inferior.
Castelo - permite conexão do atuador ao corpo e serve de guia para a haste do obturador.
Normal - abaixo de 180ºC.
Aletado - acima de 180ºC.
Alongado - abaixo de 5ºC.
Com foles de vedação - produtos tóxicos e radioativos
Corpo - parte que entra em contato com o fluido e permite o acoplamento da válvula à linha de processo.
Sede simples - um orifício de passagem e um elemento vedante simples.
Baixo custo; fácil manutenção e operação; boa vedação; mais força de atuação.
Sede dupla - dois orifícios de passagem e um elemento vedante duplo.
Mais utilizada; maior custo; escoamento por duas passagens distintas; vedação não perfeita.
Posicionador - principal acessório da válvula. Transmite a pressão de carga ao atuador, permitindo posicionar a haste da válvula no local exato determinado pelo sinal de controle.
Aumenta força de assentamento; Compensa força gerada pelo atrito; aumenta velocidade de resposta; operação em faixa dividida; inverte ação da válvula; modifica característica de vazão da válvula.
Ação
Direta, ar para fechar (AF) ou falha abre (FA) - com o acionamento a válvula fecha.
Reversa, ar para abrir (AA) ou falha fecha (FF) - com o acionamento a válvula abre.
Características de vazão - proporcionalidade da variação do fluido em relação à variação do deslocamento da haste.
Linear - variação proporcional.
Abertura rápida - grande variação na vazão para uma pequena variação na posição da haste. Controles ON-OFF.
Igual percentagem - um deslocamento unitário da haste provoca variação da vazão à mesma percentagem. Curva exponencial.
Controle
- as funções básicas do controle são a medição, comparação e correção.
Medição - o transmissor, em contato com a variável, transforma o valor lido em sinal padrão e envia para o controlador.
Comparação - o controlador recebe o sinal, compara-o com o valor desejado.
Correção - caso exista desvio, o controlador emite sinal de controle para o elemento final de controle.
Atrasos de tempo dos processos - características que atrasam mudanças no valores das variáveis.
Capacitância - capacidade de armazenar energia ou material
Resistência - capacidade de resistir a transferência de energia ou material.
Tempo morto - intervalo entre a alteração da variável e a percepção do elemento sensor.
Atrasos na malha de controle - inerente à associação de instrumentos.
Ações do controlador
Ação direta -> E = VC - SP. Quando um aumento da variável provoca um aumento no sinal de saída.
Ação inversa/reversa -> E = SP - VC. Quando um aumento da variável provoca uma diminuição no sinal de saída.
Modos de controle - maneira como o controlador faz a correção do desvio.
Duas posições (ON-OFF) - mais simples e barato. Permite somente duas posições do elemento final. Restrito a processos de grande capacitância ou onde sejam permitidas oscilações.
Duas posições (ON-OFF) cm zona diferencial - permite o ajuste de uma zona morta de acordo com a necessidade.
Proporcional - a amplitude de correção é proporcional à amplitude do desvio. Existirá um erro de off-set após a ação de correção. Este off-set pode ser minimizado mas não eliminado automaticamente. A redução do off-set sedá por ajustes no ganho e faixa proporcional do controlador. Usado em processos tolerantes ao off-set.
Faixa proporcional(BP) - percentagem do range do instrumento correspondente ao curso completo do elemento final de controle. Se BP<100%, promoverá o curso completo da válvula. Se BP>100%, não promoverá o curso completo da válvula.
Ganho (sensibilidade, KC) - Relação entre a variação de saída e entrada do controlador. Quanto maior, maior será a saída do instrumento. Quanto maior o ganho, menor o off-set e maior a oscilação.
KC = Saida/Entrada; KC = 1 / BP; KC = 100% / BP
Proporcional + integral - Melhor dos modos de controle. O proporcional corrige os erros instantaneamente e o integral elimina lentamente o off-set. O ajuste é feito pelo tempo integral.
Taxa de reset (tempo integral) - tempo necessário para que a ação integral repita uma vez o efeito da ação proporcional. Quanto maior R, mais rápida a correção. Quanto menor Ti, mais rápida a correção. Para eliminar a ação integral, ajusta-se Ti ao máximo.
R - 1 / Ti
Proporcional + derivativo - acarreta uma correção proporcional à velocidade do desvio. A variável tende a aproximar mais rápido do set-point, ocasionando um off-set menor, mas não nulo. O ajuste é feito pelo tempo derivativo. Uso limitado, normalmente em processos de variações lentas.
Tempo derivativo - tempo em que o modo derivativo adianta o efeito do modo proporcional. Quanto maior, mais forte é a ação derivativa. Para eliminar a ação derivativa, ajusta-se Td para zero.
Proporcional + integral + derivativo - combinam-se as vantagens de cada um dos modos de controle. Grande rapidez de correção e ausência de off-set.
Observações
Controle de nível e pressão - não há necessidade de ação derivativa.
Controle de vazão - utilizam-se modos proporcional e integral. A utilização do derivativo é contraproducente.
Controle de temperatura - o modo derivativo é utilizado por ser considerada uma variável de reação lenta.