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Instalação Industrial Introdução É certo que durante seu exercício profissional, algum dia vai se deparar com situações que digam respeito à medição e controle de variáveis industriais, sejam elas de temperatura, pressão, força, nível, ruído, etc., temas tratados no estudo da instrumentação industrial. A engenharia associa a instrumentação no estudo teórico e prático dos instrumentos e seus princípios científicos, utilizados para monitorar de forma contínua, ou discreta, o comportamento de variáveis de controle que de alguma forma venham interessar ao homem nas diversas áreas do conhecimento humano aplicado, ou seja, não apenas nos processos produtivos industriais.

Alguns Conceitos Importantes Teoria e Propagação de Erros As grandezas físicas possuem as seguintes características: - um valor numérico - uma indeterminação - uma unidade Exemplos: (500±3)°C Na verdade na maioria das vezes não se fazem necessárias medidas de alta precisão. Além disso, quanto maior for a precisão requerida, mais demorado e caro tornar-se-á o processo de medida. O profissional deve buscar o método que lhe forneça a informação (digital ou analógica) com a precisão necessária ao processo, e nada mais que isso.

Erros de instrumentos analógicos •

Erro de fundo de escala: de acordo com a medida do fundo de escala, ou seja, o valor que origina a deflexão total do ponteiro levando-o até o fim da escala. Normalmente expressa em percentual (%).

Exemplo: um voltímetro usado na escala de 1000V possui um erro de 5%, ou seja, podemos ter uma medida V = (220±50)V

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Erro de paralaxe: ocorre quando é formado um ângulo θ entre a linha de visão do usuário e uma reta perpendicular à escala de medição do aparelho.

Erro de interpolação: se origina em função do posicionamento do ponteiro em relação à escala de medida do instrumento.

Erros em Instrumentos Digitais: aqui os erros são mais complexos de serem calculados, normalmente são combinações de fatores. Deve sempre ser consultado o manual do fabricante.

Malhas de Controle Nesta figura o termo processo significa a operação de adição de energia calorífica ao fluido frio. A temperatura do fluido na saída do trocador é influenciada por vários fatores, sendo que os principais são vazão e temperatura de entrada do fluido

a

ser

aquecido,

vazão

e

características do vapor utilizado no aquecimento, capacidade calorífica dos fluidos, perda térmica, etc. - Sistema em malha aberta: a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar quaisquer das variáveis de entrada.

- Sistema em malha fechada: regula a variável fazendo correções em outra variável do processo, que é chamada de variável manipulada. O controle de malha fechada pode ser manual (operador humano) ou automático (instrumentação). Exemplo: a mão sente o fluido aquecido e abre/fecha a válvula de vapor

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Definições * Faixa de Medida (range): valores da variável medida que estão compreendidos dentro dos limites superior e inferior; * Sensibilidade: valor mínimo que a variável deve mudar para obter-se uma variação na indicação; * Elevação de zero: é a quantidade com que o valor zero da variável supera o valor inferior da faixa de medida (range); * Supressão de zero: é a quantidade com que o valor inferior da faixa de medida (range) supera o valor zero da variável.

A Pirâmide da Instalação Industrial

Os níveis 0 e 1 se confundem, sendo compostos pelos instrumentos e pelo PLC. Neste nível que temos os motores, sensores, válvulas, ou seja, a instrumentação da planta está neste nível. O nível 2, da supervisão, é basicamente composto por IHM´s. Aqui se encontram os supervisórios, que são telas de diagnósticos do processo produtivo, permitindo interação ou não. Isto é definido pelo programador. Um operador pode mudar um set-point de um PLC para carregar um silo, por exemplo.

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A partir do nível 3 já é mais de gerenciamento. Hoje o conceito mais encontrado aqui é o PIMS. Na verdade é o nível onde temos relatórios e os bancos de dados. Os sistemas PIMS adquirem dados de processos de diversas fontes (integração de várias IHM´s), os armazena em um banco de dados histórico e os disponibilizam através de várias formas. É uma ferramenta fundamental para o engenheiro de processos, já que possibilita visualizar dados em tempo real e histórico da planta. Na verdade a tendência atual é a integração de todos estes níveis em um nível de supervisão geral. Para que tudo isso funcione devemos ter algo fazendo a integração. Neste ponto entram as redes de comunicação digital. O objetivo destas redes é cada vez mais reduzir a quantidade de cabos, calhas e espaços utilizados (wireless), integrar vários fornecedores e conseguir maior velocidade nos tempos de comandos e respostas dos dispositivos. Alguns dos protocolos existentes são: Profibus, DeviceNet, Hart, Ethernet.

Instrumentos de Medida Temperatura O corpo ou matéria, em condições normais de temperatura e pressão, se apresenta na natureza em um dos seguintes estados físicos: - sólido - líquido - gasoso Os sólidos, como o ferro, zinco, carbono, etc., apresentam forma e volume próprios e são virtualmente incompressíveis. Os líquidos, como a água, o mercúrio e o álcool, têm volume próprio, não têm forma própria, tomando sempre a forma do recipiente que os contém. Os líquidos são poucos compressíveis. Os gases não têm forma própria. Eles tendem a ocupar o maior volume possível (expansibilidade). Modos de transferência da Energia Térmica: a energia térmica é transferida de um sistema a outro de três formas possíveis

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- condução: processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um sólido, líquido ou gasoso, ou entre meios diferentes em contato físico direto. - convecção: processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás. - radiação: processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles.

Escalas de Temperatura - Fahrenheit: foi a primeira escala de temperatura, em 1714. Foi convencionado 32°F para a temperatura de congelamento e 212°F para a ebulição da água. A diferença entre estes pontos foi dividida em 180 partes iguais.

Transformações Para a escala Celsius: TC =

5 (TF − 32) e TC = TK − 273 9

Medição de Temperatura Segundo a física clássica, a temperatura quantifica o calor, que é uma forma de energia associada à atividade molecular de uma substância. Quanto maior a agitação molecular, maior a quantidade de calor e maior será a temperatura da substância.

∆Q = mc∆T , onde

∆Q = variação da quantidade de calor m = massa c = calor específica

∆T = variação de temperatura Um conceito fundamental é que o calor, sendo uma forma de energia, não pode ser criado nem destruído. A energia só pode ser transformada ou conduzida de um ponto para o outro.

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Toda medição de temperatura é indireta, baseada na alteração de alguma propriedade física de um material, como seu comprimento, volume, resistência elétrica, etc.

Especificações de Sistemas - Faixa de Temperatura: na prática industrial a medição é efetuada numa gama muito extensa (-200°C até milhares de graus positivos). Nenhum sensor individual cobre toda essa gama de temperatura, e o primeiro critério de escolha será o de melhor atendimento à faixa requeria para cada aplicação específica. - Proteção: de forma geral os sensores de temperatura são mecanicamente delicados e incapazes de resistir quando expostos diretamente às condições agressivas de muitos processos.

Termômetros - Termômetro à dilatação de líquidos Os materiais líquidos se dilatam com o aquecimento e contraem-se com o esfriamento, segundo uma lei de expansão volumétrica a qual relaciona seu volume com a temperatura e um coeficiente de expansão que é próprio de cada material. Os termômetros usam esse fenômeno para mostrar, por meio de uma escala, o nível de temperatura. Esta relação é regida pela equação linear:

VT = VO (1 + β∆t ) Os tipos de termômetro de líquido podem variar conforme sua construção em: - recipiente de vidro transparente - recipiente metálico

- Termômetro à Dilatação de Líquido em Recipiente de Vidro Transparente Os termômetros de líquido em vidro são compostos por um recipiente (bulbo) contendo o líquido de dilatação e um capilar de vidro, acoplado ao recipiente. Com o aumento da temperatura o líquido sofre uma dilatação, fazendo com que ele suba dentro do capilar. O inverso do processo ocorre quando acontece o resfriamento.

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- Termômetro à Dilatação de Líquido em Recipiente Metálico: o líquido preenche todo o recipiente e sob efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). É geralmente aplicado na indústria para indicação e registro, pois permite leituras remotas e é o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura. Entretanto, por ter um tempo de resposta relativamente grande, não é recomendável para controle.

Outros exemplos: termômetros à pressão de gás e à pressão de vapor.

- Termômetros à Dilatação de Sólidos - Termômetro Bimetálico: aquecendo-se dois materiais metálicos ao mesmo tempo, cada um sofrerá uma dilatação diferente, devido ao coeficiente de dilatação térmica. Esses dois metais, colocados de forma justaposta, sofrerão uma flexão para o lado que tiver o menor coeficiente. A flexão é dada por f =

αL2 (∆T ) S

, onde:

α : coeficiente de flexão do par bimetálico L : comprimento do par bimetálico

∆T : variação da temperatura S : espessura do par bimetálico Esta configuração é de baixo custo, fabricada cobrindo faixas diferentes, dentro dos limites de -50°C a +500°C, com precisão de ±1%.

- Termômetros de Resistência ou termorresistências: estes termômetros se baseiam na variação do valor da resistência elétrica de um condutor metálico em função da temperatura.

R = R0 (1 + αT ) , onde: R0 : resistência elétrica a temperatura de 0°C

α : coeficiente de variação da resistência

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T : temperatura em °C Os metais mais utilizados são o cobre, o níquel e a platina. - Cobre: utilizado para medição de temperatura na faixa de 193,15K a 533,15K (-80°C a 260°C). É bastante linear, mas sua baixa resistência à oxidação limita sua faixa de temperatura de utilização. - Níquel: utilizado para medição de temperatura na faixa de 213,15K a 453,15K (-60°C a 180°C). Seu custo é baixo e a sensibilidade alta, porém tem pouca linearidade. - Platina: utilizado para medição de temperatura na faixa de 25K a 1235K (-248°C a 962°C). É o mais utilizado pela ampla faixa de utilização, boa linearidade e resistência à oxidação.

- Termômetro de Resistência de Platina (Pt-100): assim chamado por possuir elemento de platina e resistência padronizada de 100Ω a 0°C, o Pt-100 é o mais utilizado devido à sua estabilidade, repetibilidade, precisão e ampla faixa de operação. A estabilidade é um fator de grande importância na indústria, pois é a capacidade do sensor manter e rproduzir suas carcterísticas. Outro fator importante é sua capacidade de ser repetitivo. Essa capacidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-se a variação encontrada quando da medição novamente na mesma temperatura.

Outros exemplos de Termorresistências: - Ni-500 – termoresistência com liga de níquel com uma resistência de 500Ω a 0°C.

Termopares - Efeito Seebeck: o fenômeno da termoeletricidae foi descoberto em 1821 quando foi notado que um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A (condutor de cobre) e B (condutor de ferro), ocorre uma circulação de corrente (FEM) enquanto existir uma diferença de temperatura (T1-T2) entre as junções. Denominamos a junta de medição de T1, e a outra, junta de referência, de T2.

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A existência desta FEM é conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se que a FEM térmica é uma função da temperatura T1 da junção de teste. O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal diferem de um condutor para outro, e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes.

- Efeito de Peltier: em 1834, Peltier verificou que se uma corrente elétrica I flui na junção entre dois metais diferentes, calor é gerado ou absorvido nesse local numa quantidade proporcional à intensidade da corrente. Se o calor vai ser gerado ou absorvido dependerá do sentido da corrente, o que quer dizer que podemos fazer com que a junção gere ou absorva calor simplesmente invertendo o sentido da corrente, conforme a figura. Na prática, os dispositivos de efeito Peltier podem ser usados justamente ara resfriar um local, pela circulação de uma corrente em sentido apropriado na junção, embora esse procedimento não seja muito viável tecnicamente dado o baixo rendimento que apresenta.

O principal dado na interpretação deste efeito é a diferença entre o número de elétrons livres por unidade de volume nos vários metais. Quando se introduz um gerador num circuito formado por um par termoelétrico, irá circular uma corrente elétrica por ele, que pela lei de Ohm é dada por V=RI. A intensidade de corrente elétrica é definida como a quantidade de carga elétrica que passa por uma secção do condutor por unidade de tempo, ou seja:

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I= onde

∆Q Ne = ∆t ∆t

N = número de elétrons que atravessam uma secção do condutor e = carga elétrica do elétron (1,6x10-19C)

∆t = intervalo de tempo

Leis Básicas Como conseqüência destes efeitos foram formuladas três leis práticas, que regem o uso dos termopares na medição de temperatura. 1. Lei do circuito homogêneo: a força eletromotriz (FEM) que se desenvolve em um circuito que apresenta juntas quente e fria à temperaturas determinadas T1 e T2, depende somente dos metais ou ligas que compõem os condutores e das temperaturas T1 e T2. 2. Lei dos condutores intermediários: a soma algébrica das FEM em um circuito composto por um número n qualquer de condutores de materiais diferentes é zero, se todas as junções estiverem à mesma temperatura. 3. Lei da soma das FEM: a FEM total é a soma das FEM pelo caminho da temperatura inicial até a final. Agrupando todos estes conceitos temos o funcionamento dos termopares. Resumindo, se conectarmos as extremidades de dois condutores metálicos X e Y diferentes, e estas extremidades estiverem a temperaturas diferentes T1 > T2, haverá circulação de corrente elétrica. Caso este circuito seja aberto em um ponto qualquer, aparecerá neste ponto uma FEM.

Se uma das junções (Q por exemplo) é mantida a uma temperatura fixa T2, então a FEM gerada dependerá apenas de T1. Assim, da medida de E pode-se inferir a temperatura T1 desde que se tenha levantado previamente uma tabela E em função de T1, relativa a uma temperatura de referência escolhida.

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A diferença de potencial que aparece independe do ponto escolhido para abrir o par. Geralmente denomina-se junção quente ao contato que se encontra a temperatura T a medir, e junção fira aquela na qual está o medidor.

Fios de Compensação e Extensão Um problema da medição de temperatura com termopares é a distância entre o ponto de medição e o instrumento. Nestes casos é necessário que o instrumento seja ligado ao termopar por meio de fios que sejam capazes de compensar as possíveis perdas em função da distância do ponto de leitura até o ponto de medição, bem como a ação da temperatura e interferência eletromagnéticas existentes no meio. Se forem empregados nesta ligação condutores de cobre comum, dois novos termopares são gerados devido a inserção de um material diferente. A tensão gerada pelo termopar e a nova junção gerará um erro. Por outro lado, estender o termopar até a sala de controle seria extremamente caro, pois estes são fabricados de materiais nobres (platina) ou ligas nobres. A solução para este problema é o cabo de compensação, os quais possuem o mesmo comportamento termoelétrico do termopar. Então os cabos de compensação são empregados para fazer conexão entre o termopar e o instrumento na sala de controle.

Para alguns tipos de termopares fabricados com ligas mais baratas, pode fazer a conexão campo e sala de controle através de condutores da mesma liga que o termopar. Neste caso então estes condutores são chamados de cabos de extensão.

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Introdução a instalação industriais e medidores  
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