Conceitos Basicos De Instrumentação E Controle De Processos - Senai - Mg

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SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL CENTRO TECNOLÓGICO DE ELETROELETRÔNICA“CÉSAR RODRIGUES” CENATEC CONCEITOS BÁSICOS EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE Rua Santo Agostinho 1717 - Horto - Belo Horizonte - MG - CEP 31035-490 Tel.: (031) 482-5582 - FAX (031) 482-5582 email: [email protected] - home page: www.senai-mg.org.br/cetel Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL 1. VARIÁVEIS FÍSICAS 1.1 CONCEITO E FINALIDADES Nos últimos tempos, a necessidade do aumento de produção para atender a sempre crescente demanda e o baixo custo, a criação e fabricação de novos produtos, propiciou o aparecimento de um número cada vez maior de indústrias. Estas indústrias só puderam surgir devido ao Controle Automático de Processos Industriais, sem o qual a produção não seria de boa qualidade e mesmo alguns produtos não poderiam ser fabricados. O Controle Automático dos Processos Industriais é cada vez mais empregado por aumentar a produtividade, baixar os custos, eliminar erros que seriam provocados pelo elemento humano e manter automática e continuamente o balanço energético de um processo. Para poder controlar automaticamente um processo precisamos saber como está ele se comportando para poder corrigi-lo, fornecendo ou retirando dele alguma forma de energia, como por exemplo: pressão ou calor. Essa atividade de medir e comparar grandezas é feita por equipamentos ou instrumentos que veremos a seguir. Instrumentação: é a arte e a ciência que projeta, constrói, instala, opera e mantêm os instrumentos. Instrumentos: medem variáveis de processo. Em instrumentação, quando dizemos "medir" geralmente queremos dizer indicar, registrar, totalizar ou controlar. Medida é o tipo mais comum de controle. Os instrumentos de controle industrial, trabalham só ou em combinação para sentir e controlar o trabalho das variáveis do processo. Os mostradores são os indicadores e registradores. Variáveis de Processos: são fenômenos físicos que chamamos simplesmente variáveis, por exemplo: vazão, temperatura, pressão, nível, densidade, etc. Cada sistema de Instrumentos pode ser compreendido em termos do que ele faz, por exemplo: indicar temperatura ou totalizar vazão ou registrar pressão, ou controlar nível. Cada uma dessas questões é a base da descrição de sistema de instrumentos. 2 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Processo: operação ou série de operações no qual o valor de uma quantidade ou condição é controlada. Inclui todas variáveis das funções que, direta ou indiretamente, afetam o valor da Variável Controlada. TIC CONTROLADOR ÁGUA FRIA TRANSMISSOR TT ÁGUA QUENTE ELEMENTO PRIMÁRIO VAPOR E.F.C. (VÁLVULA DE DIAFRAGMA) PROCESSO CONDENSADO 1.2 DEFINIÇÃO DAS UNIDADES O Sistema Internacional de Unidades, abreviação SI, é o sistema desenvolvido na conferência geral de pesos e medidas e é adotado em quase todas as nações industrializadas do mundo. METRO: é o comprimento igual a 1.650.763,73 comprimentos de onda no vácuo de radiação, correspondente à transição entre os níveis 2p10 e 5d5 do átomo de Criptônio - 86. SEGUNDO: é a duração de 9.192.631.770 períodos de radiação, correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de Césio -133. QUILOGRAMA: é a unidade de massa. NEWTON: é a força que dá a um corpo de quilograma de massa, a aceleração de um metro por segundo ao quadrado. WATT: é a potência que dá origem à produção de energia na taxa de um joule por segundo. JOULE: é o trabalho realizado quando o ponto de aplicação de uma força igual a um Newton desloca-se de um metro na direção da força. 3 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL 1.2.1 RELAÇÕES IMPORTANTES Área A= b.h (retângulo) A= π.r2 ou A = π • d2 (círculo) 4 A= L2 Volume V= π.r2.h (cilindro V=A.h) V= a3 (cubo) V= a.b.c V= D3 • π (esfera) 6 1.2.2 SISTEMA DE UNIDADE É todo conjunto de unidades das grandezas que intervém no setor de ciência considerado. Existem sistemas de unidades mecânicas, termo lógicas, ópticas, elétricas, etc. Cada grandeza física liga-se a outras mediante uma definição ou uma Lei, (exemplo: sistemas CGS, MKS e FPS são base de comprimento, massa e tempo. Sistema MK*S são base de comprimento, força e tempo). MKS(metro,kilograma,segundo) Sistema internacional -Unidades fundamentais comprimento: metro (m) massa: quilograma (kg) tempo: segundo (s) -Unidades derivadas Velocidade: m/s aceleração: m/s2 gravidade normal: 9,81 m/s2 4 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle força: kg.m/s2 trabalho: N.m (Joule) potência: J/s (Watt) pressão: N/m2 (Pascal) SENAI - CETEL MTS (metro, tonelada, segundo) -Unidades fundamentais comprimento: metro (m) massa: tonelada (t) tempo: segundo (s) -Unidades derivadas velocidade, aceleração e gravidade normal são iguais ao sistema MKS. força: t.m/s2 (Steno: sth) trabalho: sth.m (kilojoule) potência: kj/s pressão: (kilowatt) 2 sth/m (Piezo) FPS (Foot, Pound, second) -Unidades fundamentais comprimento: pé (foot) massa: libra (pound) tempo: segundo (second) -Unidades derivadas velocidade: pé/s (ft/s) aceleração: pé/s2 gravidade: 32,17 pé/s2 força: lb.pé/s2 (pdl) trabalho: pdl.pé potência: pdl.pé/s pressão: pdl/pé2 5 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL CGS(centímetro, grama, segundo) -Unidades fundamentais comprimento: centímetro (cm) massa: grama (g) tempo: segundo (s) -Unidades derivadas Velocidade: cm/s aceleração: cm/s2 gravidade normal: 981 cm/s2 força: g.cm/s2 (dina) trabalho: dina.cm (erg) potência: erg/s pressão: dina/cm2 2. HIDROSTÁTICA 2.1 DEFINIÇÕES A hidrostática estuda as propriedades dos líquidos em repouso. A hidrodinâmica estuda os fluidos em movimento. Fluído é uma substância que se pode escoar e, assim o termo inclui líquidos e gazes que se diferenciam profundamente quanto à compressibilidade: um gás é facilmente comprimido, enquanto o líquido, praticamente incompressível. Portanto, as principais características dos líquidos são: a) não possuem forma própria; b) são incompressíveis. Massa específica Massa específica é a massa de fluído contida numa unidade de volume do mesmo. 6 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL ρ = m v As unidades principais da massa específica são: - CGS: g/cm3 - MKS: kg/m3 - MK*S: UTM/m3 Peso específico Peso específico de um líquido é o peso da unidade de volume desse líquido. γ= P V onde P = mg As unidades principais do peso específico são: - CGS: dina/cm3 - MKS:N/m3 - MK*S: kgf/m3 Relação entre massa específica e peso específico Sabemos que : ρ = m v γ = P V (definição de massa específica) (definição de peso específico) P=mg (definição de peso, onde m é a massa do corpo e g é a aceleração da gravidade) γ = P (m. g) m .g = = = V V V γ = ρ. g Densidade Densidade de um líquido é a comparação que se faz entre o peso deste líquido e o peso de igual volume de água destilada a 4ºC. A densidade é adimensional, podendo 7 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL também ser definida como a razão entre as massas específicas, ou entre os pesos específicos, ou entre os pesos. A densidade do mercúrio é 13,6 , isto significa que um certo volume de mercúrio é 13,6 vezes mais pesado que o igual volume de água destilada a 4ºC. (massa específica do corpo) (massa específica da agua) dr = dr = (peso específico do corpo γ ) (peso específico da agua γ H 2 O) Peso específico de alguns líquidos Líquido Y(kgf/m3) Líquido Y(kgf/m3) Ácido clorídrico 1190 Éter etílico 0ºC 740 Ácido nítrico 1520 Glicerina 1280 Ácido sulfúrico 1850 Gasolina (15ºC) 680 a 760 Acetona (20ºc) 790 Leite (15ºC) 1030 Álcool Etílico 790 Mercúrio (15ºC) 13600 metílico 810 Óleo de oliva 910 destilada 1000 Óleo lubrificante 900 a 930 Água do mar 1027 Óleo de cânfora 910 Águas residuais 1001 a 1005 Óleo de algodão 920 (15ºC) álcool (4ºC) água (4ºC) (15ºC) Azeite 840 a 941 Óleo de rícino 970 Resina (0ºC) 900 Petróleo (20ºC) 930 Clorofórmio 1520 Querosene 790 a 820 Cerveja 1020 a 1040 Vinho 2450 a 2650 870 ---------------------- --------------------- Essência de terebintina 8 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle 2.2 SENAI - CETEL CONCEITO E DEFINIÇÃO DE PRESSÃO Pressão de um líquido sobre uma superfície é a força que este líquido exerce sobre a unidade de área dessa superfície. p= F A F A Pressão Atmosférica Imaginando, por exemplo, um mergulhador a uma dada profundidade, a pressão exercida pela água sobre ele é a mesma seja qual for a direção em que nade. Entretanto, se ele mergulhar mais fundo, seu corpo sofrerá uma compressão maior porque aumenta o peso da coluna de água acima dele. A palavra atmosfera designa a camada gasosa que envolve o globo terrestre. Considerando que o globo é envolvido por uma camada de ar com uma espessura considerável de 50km, podemos afirmar que vivemos submersos em um fluido que exerce uma força em toda superfície da terra. Esta pressão é chamada de pressão atmosférica ou barométrica. A pressão atmosférica normal, reduzida a 0ºC e submetida a intensidade normal da gravidade, medida por uma aceleração de 9,80665 metros por segundo ao quadrado, é igual à pressão de uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura. Medição da Pressão Atmosférica Em 1643, Torricelli inventou o primeiro barômetro, que permitiu medir a pressão exercida sobre a terra pelas camadas gasosas que a envolvem. Para realizar esse aparelho, usa-se um tubo de vidro (figura) com o comprimento em torno de 90cm, fechado em uma das extremidades. O tubo deve ser lavado com ácido e secado em vácuo, após o que, é cheio de mercúrio puro e seco. 9 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL h mmHg ESCALA A B Princípio do Barômetro de Mercúrio Emborcando o tubo de vidro, com o polegar obstruindo a extremidade aberta, e colocando-o num vasilhame contendo mercúrio puro, nota-se que o mercúrio desce no tubo e se estabiliza a uma certa altura. Através de uma régua graduada em milímetros, tendo a parte inferior pontiaguda tocando na superfície do mercúrio contido no vasilhame, mede-se a pressão atmosférica em milímetros de mercúrio. As pressões exercidas em A e B são iguais, pois estão no mesmo nível, no mercúrio. A pressão em A é a pressão atmosférica; a pressão em B é a pressão da coluna de mercúrio. Desde que as pressões em A e B são iguais, a pressão atmosférica é igual à pressão exercida pela coluna de mercúrio. Ao lado do barômetro, coloca-se um termômetro para eliminar o erro devido à dilatação do mercúrio sob a ação da leitura exata. É necessário conhecer outras influências de ordem local, tais como latitude, altitude e aquela própria de cada instrumento, proveniente da depressão capilar. Pressão Efetiva ou Pressão Relativa É a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo ser positiva ou negativa. A pressão efetiva recebe ainda o nome de pressão relativa e pressão manométrica. Quando se fala em pressão relativa ou efetiva, subentende-se que a pressão é medida tomando-se por referência a pressão atmosférica; e o VÁCUO, como sendo uma pressão negativa em relação à pressão atmosférica. Quando aplicamos uma pressão de 20psi no pneu de um automóvel, chamamos essa pressão de relativa, porque ela é medida em relação à pressão atmosférica. Esvaziando o pneu, teremos, no mesmo, a pressão atmosférica, isto é, zero de pressão relativa ou 10 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL efetiva. Convencionou-se que toda medição de pressão indique, simplesmente o seu valor, ficando implícito que se trata de relativa. Toda vez que tivermos um fluido escoando em um duto, devido à ação de um ventilador, bomba, exaustor etc., devemos considerar três tipos de pressão. Pressão Estática É o peso por unidade de área exercido por líquido em repouso ou que esteja fluindo 6m perpendicularmente à tomada de impulso. dr = 0,8 Fluido em Repouso FLUXO Fluido em Movimento 11 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Pressão Dinâmica ou Cinética É a pressão exercida por um fluido em movimento. É medida fazendo a tomada de impulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo. A expressão resultante da força viva do fluido pode ser calculada pela fórmula: V2 N = Pd = ρ m2 2 V 2 kgf = Pd = γ m2 2g Pd = pressão dinâmica ρ = massa específica do fluido V = velocidade do fluido ϒ = peso específico do fluido g = aceleração da gravidade Exercício: Calcule a pressão dinâmica da água, a qual está escoando = 4,5 m/s. Pressão Total É a soma das pressões estática e dinâmica. O instrumento que mede as pressões estática, dinâmica e total é o tubo de Pitot. FLUXO 2 1 0 1 2 PRESSÃO ESTÁTICA 2 1 0 1 2 2 1 0 1 2 PRESSÃO PRESSÃO DINÂMICA TOTAL Pressão Estática, Dinâmica e Total 12 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Pressão Diferencial É a diferença entre duas pressões, também chamada de (delta p). Criando-se um obstáculo à passagem do fluido, obtemos um diferencial de pressão. OBSTÁCULO:PLACA DE ORIFÍCIO MONTANTE JUSANTE FLUXO P1 P2 Pressão Diferencial em uma Restrição. No caso da figura anterior, existe uma diferença entre a pressão na entrada da placa de orifício e a pressão na saída. Já no exemplo que se segue, tem-se o delta P obtido da diferença entre dois pontos tomados em um tanque. 2 10 m P = 5kgf/cm dr = 1 Pressão Diferencial em um Reservatório 13 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Pressão Absoluta É a pressão positiva, a partir do vácuo perfeito; ou seja, a soma da pressão atmosférica do local e pressão efetiva. 2.3 DIAGRAMA COMPARATIVO ENTRE AS ESCALAS RELATIVA E ABSOLUTA O diagrama, a seguir, mostra claramente que, para cada pressão, podem ser atribuídas duas medidas diferentes, dependendo da escala escolhida. PRESSÃO EFETIVA PRESSÃO ATMOSFÉRICA (ZERO DA ESCALA RELATIVA) PRESSÃO ABSOLUTA VÁCUO ABSOLUTO (ZERO DA ESCALA ABSOLUTA) Exemplo: suponhamos P = 2000 kgf/m2 na escala relativa. Se a pressão atmosférica for 10330 kgf/m2, então: Pabs = 2000 + 10330 kgf/m2 = 12330 kgf/m2 (abs). Note que na indicação da pressão, na escala absoluta, é necessário acrescentar "(abs)" após a unidade de pressão. Nas escalas relativa não é necessário que se indique: já fica subentendido. O que é importante observar é que, na escala relativa, poderemos ter pressões negativas, isto é, inferiores à pressão atmosférica. Tais pressões como vimos, chamaremos de vácuo. Nunca teremos, porém, pressões absolutas negativas, pois a menor pressão absoluta que se pode alcançar é o zero absoluto, indicador do vácuo perfeito. Exemplo: - Foi colocado no pneu do automóvel uma pressão absoluta? (Pressão atmosférica local = 14,7psi) Pressão absoluta = 18 psi + 14,7 psi = 32,7 psia. 14 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle 2.4 SENAI - CETEL TEOREMA DE STEVIN Enunciada do Teorema do Stevin: "Á diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos". p1 − p 2 = γ ⋅ h Segue então que todos os pontos situados na profundidade "h", em um recipiente, estão submetidos a uma igual pressão. Temos então planos paralelos na superfície livre do líquido, cujos pontos têm, todos, a mesma pressão. Consideremos os tanques abaixo cheios de água: 1m 2m 2m 2m 0,5m 2m 0,5m 1m 2m Volume do tanque A = 2m3 Volume do tanque B = 1m3 Volume do tanque c = 4m3 Peso da água no tanque A: 1000kgf • 2 m3 = 2000kgf 3 m Peso da água no tanque B: 1000kgf • 1m3 = 1000kgf m3 Peso da água no tanque C: 1000kgf • 4 m3 = 4000kgf 3 m 15 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Pressão no fundo dos tanques: Pressão = P A Tanque A: p A = 2000kgf 2000kgf = m2 1m2 Tanque B: pB = 1000kgf 2000kgf = m2 0,5m2 Tanque C: pC = 4000 kgf = 2000 kgf 2 m 2m2 Conclui-se portanto que a pressão no fundo dos tanques possui o mesmo valor. Em seguida, temos a demonstração matemática do conceito do Teorema de Stevin: Pressão = Forç a Peso P = = Area Area A Peso = Peso específico . volume = γ V Então: p= P γ •V = A A Mas, V = área . altura = A . h, resultando: P= γ • A•h = γ •h A Pressão no fundo do tanque = γ •h Conclui-se, portanto, que a pressão no fundo dos tanques possui o mesmo valor. Esta expressão é chamada de carga de pressão, sendo dada pelo Teorema de Stevin. A expressão p = γ • h é muito importante em instrumentação, na medição de nível de tanques. Ela simplifica os cálculos, porque, para determinar-se a pressão, basta apenas o peso específico do líquido e da altura da coluna líquida. Enunciado do Teorema de Stevin: "A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos". 16 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle 2.5 SENAI - CETEL PRINCÍPIO DE PASCAL No século XVII, Pascal elaborou a lei que forma a base da hidráulica moderna: "A pressão exercida em qualquer ponto por um líquido em forma estática transmite-se integralmente em todas as direções e produza mesma força em áreas iguais". Podemos demonstrar este princípio, utilizando uma esfera oca, provida de vários orifícios, distribuídos em vários pontos de sua superfície. Em um desses orifícios, temos acoplado um cilindro, dentro do qual, podemos deslocar um Êmbolo, conforme a figura abaixo. Transmissão de Pressão em um líquido Exercendo-se uma pressão adequada no êmbolo, veremos que os jatos de água que saem pelos orifícios são iguais. Isso significa que a pressão exercida é igual em todos os orifícios. Podemos considerar os fluidos praticamente incompressíveis, a força mecânica desenvolvida em um fluido sob pressão pode ser transmitida, multiplicada ou controlada. Conforme a figura a seguir, podemos verificar que, ao aplicarmos uma força de 10 kgf sobre o pistão 1 o pistão 2 levantará um peso de 50 kgf devido a ter o mesmo uma área 5 vezes maior que a área do pistão 1. 17 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL 10 Kgf 50 Kgf h1 2 2cm h2 10cm2 e assim F1 F = 2 A1 A 2 P1 = P2 A 1 • h1 = A 2 • h 2 Na prensa hidráulica da figura anterior, que é uma aplicação do princípio de Pascal, podemos verificar que o pistão 2 se movimentará cinco vezes mais lento que o pistão 1, em razão da diferença de áreas. É no princípio de Pascal que se baseiam as máquinas hidráulicas para calibração de instrumentos utilizados pela instrumentação, macacos hidráulicos, servo mecanismos, controles hidráulicos etc. F2 A2 F1 A1 P1 P2 1) P1 = Fazendo-se 1 = 2, tem-se: Como F1 A1 2) P2 = F2 A2 F1 F = 2 → F1A 2 = F2 A1 A1 A 2 A1 > A 2 → F1 > F2 18 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES 2.6 "Todo corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima, igual ao peso do volume do fluido deslocado". A esta força exercida pelo fluido no corpo nele submerso ou flutuando, chamamos de empuxo. E=V.γ E E = Peso do líquido deslocado W V = Volume do líquido deslocado γ = Peso específico dolíquido deslocado Sobre o corpo estarão atuando, então, o empuxo E e o peso W do próprio corpo. Neste caso, ocorrerá um dos três fatos seguintes. - Se tivermos E = W, o corpo ficará em equilíbrio, no interior do líquido, na posição em que o abandonarmos; - Se ocorrer que E < W, o corpo afundará quando o abandonarmos (como acontece com uma pedra na água) e, - Se acontecer que E > W, o corpo subirá ( como acontece com um pedaço de isopor em um reservatório com água) até aflorar na superfície. Neste último caso, o empuxo irá diminuindo à medida que o corpo aflora e, no momento em que se tiver E = W, a resultante das forças que atuam no corpo será nula. Esta será a posição na qual o corpo flutuará, em equilíbrio, sobre o líquido. E W E E W W O valor do Empuxo que atua no Corpo é igual ao Peso do Fluido Deslocado pelo Corpo. 19 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Vejamos a condição para que cada uma das três situações anteriores ocorra. Se designarmos por γc e Vc o peso específico e o volume do corpo, respectivamente, sabemos que o seu peso pode ser escrito como W = γ C VC Por outro lado, sendo γL o peso específico do líquido e vd o volume do líquido deslocado pelo corpo, temos, pelo princípio de Arquimedes: E = peso do líquido deslocado = γL . vd Mas, quando o corpo está totalmente mergulhado no líquido (figura), o volume deslocado é igual ao volume do próprio corpo, isto é, vd = vc. Então, para este caso, vem: E = γL . vc Comparando esta expressão com P = γc Vc, vemos que elas diferem apenas pelas densidades do corpo e do líquido. Então, se γL = γc, teremos o primeiro caso onde E = W . Se γL < γc, ocorrerá o segundo caso onde E < W e o terceiro caso, onde E > W, será observado quando γL > γc. Desta maneira, você percebe que, de posse apenas de uma tabela de densidade, você poderá dizer se um determinado sólido irá flutuar ou afundar em um líquido. Consultando uma tabela, verifique que a cortiça deve flutuar em gasolina, mas o gelo afundará nela, ao passo que flutuará em água ( como você já sabe). O ferro afundará em água, mas flutuará em mercúrio, enquanto o ouro e a platina afundarão neste líquido. Demonstração Experimental Podemos demonstrar experimentalmente o empuxo, utilizando uma balança ( figura e substituindo um dos seus pratos por dois cubos, denominados de C-1 e C-2, os quais estão ligados entre si. Sendo C-2 um cubo maciço de material de peso específico maior do que o do líquido do reservatório, C-1 é um cubo oco e com um volume interno igual ao volume externo de C-2. Colocamos um determinado peso ( C-1 e C-2 ) no prato da balança fazendo com que o sistema fique em equilíbrio da balança causado pelo empuxo. Teremos o equilíbrio restabelecido quando preenchermos o cubo C-1 com o mesmo líquido do reservatório, neutralizando o empuxo com um peso igual ao do volume do líquido deslocado. 20 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Veja figura, a seguir. C1 kg C2 Exemplo de exercício: 1 - Um corpo é pesado no ar, em uma balança de molas, e esta indicar 2,0 kgf. Em seguida, o mesmo corpo é pesado estando totalmente mergulhado na água e a balança indica 1,5 kgf. a) Qual é o valor do empuxo que o corpo recebeu da água? Evidentemente, o empuxo que atuou no corpo será dado pela diferença entre as duas leituras da balança, isto é: E = 2,0 kgf - 1,5 kgf donde E = 0,50 kgf b) Qual foi o volume de água deslocado pelo corpo? - Como o corpo recebeu um empuxo E = 0,50 kgf, concluímos, pelo princípio de Arquimedes, que ele deslocou 0,50 kgf de água, isto é, ele deslocou uma massa de 500 gramas de água. Como o p da água é 1,0 gramas/cm3, o corpo terá p= massa específica. 21 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL 3. TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA De um modo geral os elementos de controle são: ELEMENTO PRIMÁRIO- componente que está em contato com a variável de processo e tem por função, transformá-la em uma grandeza mensurável por um mecanismo. INDICADOR- instrumento que nos fornece o valor de uma variável de processo, na forma de um ponteiro e uma escala, ou números, ou bargraph, etc... REGISTRADOR- instrumento que registra, o valor da variável de processo em uma carta gráfica, por meio de um traço contínuo ou pontos. TRANSMISSOR- instrumento que mede uma determinada variável, e envia um sinal proporcional a distância, a um indicador, registrador, controlador, etc. ELEMENTO FINAL DE CONTROLE- dispositivo que está em contato direto com a variável manipulada, modificando-a em resposta a um sinal de comando. CONTROLADOR- instrumento que tem por função, manter o valor da variável de processo, igual ao valor estabelecido em seu mecanismo, enviando um sinal de saída ao elemento final de controle. CONVERSOR- instrumento que recebe e envia um sinal padrão em instrumentação, de grandezas diferentes. RELÊ DE COMPUTAÇÃO- instrumento que recebe um ou mais sinais de outros instrumentos, realiza operações matemáticas, de lógica ou de seleção de sinais e envia o resultado a um instrumento. TRANSDUTOR- termo aplicado ao instrumento que não trabalha com sinal na entrada e saída padrão. Como é possível observar o elemento primário, transmissor entre outros, podem ser considerados um transdutor, porém estes elementos possuem funções específicas com nomes específicos. 22 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle 3.1 SENAI - CETEL TERMINOLOGIA As definições, a seguir adotadas, são aceitas por todos os que intervêm, direta ou indiretamente, ao campo da instrumentação industrial, com o objetivo de promover uma mesma linguagem. As definições e os termos empregados foram elaborados pela S.A.M.A. ( Scientific Apparatus Makers Association ), em sua norma PMC 20. Faixa de Medida ( Range ) : - Conjunto de valores da variável medida, que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos. EX.: 100 - 500ºC 0 - 20 PSI Alcance ( Span ) - É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Ex.: Em instrumento com range de 100 a 500ºC. Erro: É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou a menos. Quando tivermos a variável variando, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de ERRO DINÂMICO. Quando a variável não estiver variando, podemos ter somente o ERRO ESTÁTICO. Quando a variável estiver variando, poderemos ter o ERRO DINÂMICO e o ERRO ESTÁTICO. 23 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL curva ideal valor indicado erro valor medido Precisão Podemos definir como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento possa ter ao longo de sua faixa de trabalho. Podemos expressá-la de diversas maneiras: Em porcentagem do alcance ( Span ) Um instrumento que possui um SPAN de 100ºC e está indicando 80ºC; sua precisão é de 0,5% por exemplo,sabemos que a temperatura estará entre 79,5ºC e 80,5ºC. Podemos ter também a precisão dada diretamente em unidades da variável. Ex.: Precisão de ± 2ºC. Em porcentagem do valor medido Ex.: Precisão de ± 1%. Para 80ºC teremos uma margem de ± 0,8ºC. Em porcentagem do valor máximo da escala do instrumento. Ex.: Precisão de 1%. Range de 50 a 150ºC. A precisão será de ± 1,5ºC. Em porcentagem do comprimento da escala. Ex.: Se o comprimento da escala de um instrumento fosse de 30cm, com range de 50 a 150ºC e precisão de 1%, teríamos uma tolerância de ± 0,3cm na escala do instrumento. 24 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Podemos ter a precisão variando ao longo da escala de um instrumento, podendo o fabricante indicar seu valor em algumas faixas da escala do instrumento. Ex.: Um manômetro pode ter uma precisão de ± 1% em todo seu range e ter na faixa central de sua escala uma precisão de 0,5%. Zona Morta É a máxima variação que a variável possa ter, sem que provoque variação na indicação ou sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do range do mesmo. Ex.: 15 9 3 9,2 psi 9 psi Sensibilidade É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser dada em porcentagem do alcance de medida. 1 2 O S1 = O 0 0 O O 270 0 10kgf/cm2 0 O 270 = 2 1kgf/cm O 2 O / kgf/cm 2 270 / kgf/cm O 270 1kgf/cm 2 S1 = 270 2 10kgf/cm = 27 25 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Histeresis É o erro máximo apresentado por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorra toda a escala nos sentidos ascendente e descendente. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento. Ex.: Num instrumento com range de - 50ºC a 100ºC e histeresis de ± 0,3%. o erro será de 0,3% de 150ºC = ± 0,45ºC. Devemos destacar que o termo "zona morta" está incluído na histeresis. de sc en de nt e curva ideal MÁX MÍN as ce nd en te valor indicado ou sinal de saída variável medida Repetibilidade É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histeresis. curva ideal de sc en de nt e MÁX MÍN as ce nd en te valor indicado ou sinal de saída variável medida 26 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle 3.2 SENAI - CETEL IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS Normas S.5.1 As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas, que deverão ser utilizados nos diagramas de malhas de controle de projetos de instrumentação. Para facilitar o entendimento do texto deste trabalho, mostra-se a seguir, a essência da norma S.5.1 ( Instrumentation Symbols and Indentification ) da Instrument Society of America (ISA). De acordo com esta norma, cada instrumento ou função programada será identificado por um conjunto de letras que classifica funcionalmente (Ver tabela.) é um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou na função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. A figura mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma em referência. 1O GRUPO DE LETRAS 2O GRUPO DE LETRAS VARIÁVEL MEDIDA OU INDICADORA Letra 1a LETRA MODIFICADORA FUNÇÃO PASSIVA OU DE ATIVA OU DE SAÍDA MODIFICADORA INFORMAÇÃO A ANÁLISE B CHAMA C CONDUTIVIDADE ALARME CONTROLADOR ELÉTRICA D DENSIDADE E TENSÃO DIFERENCIAL SENSOR (ELEM. PRIMÁRIO) F VAZÃO RAZÃO G VISÃO DIRETA H MANUAL I CORRENTE ELÉTRICA J POTÊNCIA ALTO INDICADOR VARREDURA OU SELEÇÃO MANUAL K TEMPO OU TAXA DE VARIAÇÃO TEMPORIZAÇÃO COM O TEMPO L NÍVEL M UMIDADE ESTAÇÃO DE CONTROLE LÂMPADA PILOTO INSTANTÂNEO BAIXO MÉDIO OU INTERMEDIÁRIO N O ORIFÍCIO DE RESTRIÇÃO P PRESSÃO CONEXÃO PARA PONTO DE TESTE Q QUANTIDADE INTEGRAÇÃO OU 27 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle Q QUANTIDADE R RADIAÇÃO S VELOCIDADE OU SENAI - CETEL TOTALIZAÇÃO REGISTRADOR SEGURANÇA CHAVE FREQÜÊNCIA T TEMPERATURA TRANSMISSOR U MULTIVARIÁVEL V VIBRAÇÃO OU ANÁLISE MULTIFUNÇÃO VÁLVULA OU DEFLETOR MECÂNICA W (DAMPER OU LOUVER) PESO OU FORÇA POÇO OU PONTA DE PROVA X NÃO CLASSIFICADA EIXO DOS X Y ESTADO, PRESENÇA EIXO DOS Y NÃO CLASSIFICADA NÃO CLASSIFICADA OU SEQUÊNCIA DE COMPUTAÇÃO OU EVENTOS Z POSIÇÃO OU NÃO CLASSIFICADA RELÊ, RELÊ DE CONVERSOR, SOLENÓIDES EIXO DOS Z ACIONADOR OU ATUADOR DIMENSÃO P/ ELEMENTO FINAL DE CONTROLE NÃO CLASSIFICADO T RC VARIÁVEL FUNÇÃO 210 2 NO SEQUENCIAL ÁREA DE DA MALHA ATIVIDADES IDENTIFICAÇÃO IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL DA MALHA A S U F I X O IDENTIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS Exemplo de identificação de instrumento Onde: T - variável medida ou iniciadora: temperatura; R - função passiva ou de informação: registrador; C - função ativa ou de saída: controlador; 210 - área de atividades, onde o instrumento ou função programada atua; 02 - número seqüencial da malha; A - sufixo 5.2 - Símbolos Típicos de Instrumentos As figuras abaixo mostram os símbolos gerais utilizados para representar instrumento ou função programada, os símbolos e funções de processamento de sinais e os símbolos utilizados para representar linhas para Instrumento ou função programada, de acordo com a norma em referência. 28 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle LOCALIZAÇÃO TIPO LOCAÇÃO PRINCIPAL NORMALMENTE ACESSÍVEL AO OPERADOR SENAI - CETEL MONTADO NO CAMPO LOCAÇÃO AUXILIAR NORMALMENTE ACESSÍVEL AO OPERADOR LOCAÇÃO AUXILIAR NORMALMENTE NÃO ACESSÍVEL AO OPERADOR INSTRUMENTOS DISCRETOS INSTRUMENTOS COMPARTILHADOS COMPUTADOR DE PROCESSO CONTROLADOR PROGRAMÁVEL SÍMBOLO Σ OU + Σ/x Κ d dt FUNÇÃO SÍMBOLO FUNÇÃO SOMA x MULTIPLICAÇÃO MÉDIA -: DIVISÃO EXTRAÇÃO DE RAIZ QUADRADA OU − SUBTRAÇÃO OU P PROPORCIONAL OU I INTEGRAL x OU D DERIVATIVO f(x) FUNÇÃO NÃO LINEAR > SELETOR DE SINAL ALTO > LIMITE SUPERIOR < SELETOR DE SINAL BAIXO < LIMITE INFERIOR + POLARIZAÇÃO >< LIMITADOR DE SINAL f(t) FUNÇÃO TEMPO N n EXTRAÇÃO DE RAIZ N n EXPONENCIAÇÃO CONVERSÃO DE SINAL 29 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL SUPRIMENTO OU IMPULSO * SINAL NÃO DEFINIDO SINAL PNEUMÁTICO ** SINAL ELÉTRICO SINAL HIDRÁULICO TUBO CAPILAR SINAL ELETROMAGNÉTICO OU SÔNICO (TRANSMISSÃO GUIADA) *** SINAL ELETROMAGNÉTICO OU SÔNICO (TRANSMISSÃO NÃO GUIADA) *** LIGAÇÃO CONFIGURADA INTERNAMENTE AO SISTEMA (LIGAÇÃO POR SOFTWARE) LIGAÇÃO MECÂNICA SINAL BINÁRIO PNEUMÁTICO SINAL BINÁRIO ELÉTRICO * As abreviações seguintes são sugeridas para denotar o tipo de alimentação. Essas designações também podem ser aplicadas para alimentação de fluido de purga. AS - Ar de alimentação IA - Ar de instrumento PA - Ar da planta Opcional ES - Alimentação elétrica GS - Alimentação de gás HS - Alimentação Hidráulica NS - Alimentação de Nitrogênio SS - Alimentação de vapor WS - Alimentação de água O nível de alimentação pode ser adicionado na linha de alimentação do instrumento, exemplo: AS-100 . ou AR ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA DE 24 VOLTS CONTÍNUA. ** O símbolo de sinal pneumático aplica-se para qualquer gás de médio sinal. Se um outro gás é usado, este pode ser identificado por uma nota no símbolo do sinal ou de outra maneira. *** Fenômeno eletromagnético inclui aquecimento, ondas de rádio, radiação nuclear e luz. 30 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL FE 69 Placa de orifício com tomada de pressão na própria flange de medição. FE 70 Placa de orifício com tomada de pressão na flange de medição, ligada a um indicador de vazão do tipo pressão diferencial. FI 70 Flange de medição com placa de orifício e tomada de pressão vena contrata conectada ao transmissor de vazão do tipo FT 73 pressão diferencial. Flange de medição com tomada de pressão vena contrata sem placa de orifício. FP 74A FP 74B 31 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Placa de orifício montada numa conexão de troca rápida. FE 75 Tubo pitot ou tubo pitot-venture. FE 76 Elemento de medida, sem o poço termo métrico TE 166 Elemento de medida, com poço termo POÇO métrico. Válvula TE 167 auto reguladora de interno, para redução de pressão impulso PCV 17 32 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL Indicador local de temperatura, tipo capilar, com o poço termo métrico. POÇO TI 168 Indicador local de temperatura, tipo vidro, bimetálico ou outros não classificados. TI 169 Transmissor de temperatura por termopar, cm sinal elétrico na saída. TT 253 RECEPTOR FLUXOGRAMAS DE PROCESSO Fluxogramas são as representações simbólicas do processo para fins de localização, identificação e análise do funcionamento de seus componentes. Os fluxogramas são desenhos esquemáticos sem escala que mostram toda a rede de tubulações e os diversos vasos, bombas, instrumentos e todo equipamento pertencente ao processo. 33 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL PC TC DEPÓSITO DE ÓLEO COMBUSTÍVEL PIC MAÇARICOS TRC Nos fluxogramas de processo deve estar contido o seguinte. - As tubulações principais com indicação do fluido contido e do sentido do fluxo; - As principais válvulas de bloqueio, regulagem, controle, segurança, alívio etc. - Todos os vasos (tanques, torres, tambores, reatores etc.) com indicação das características básicas, como tipo, dimensões principais, temperatura e pressão de trabalho, número de bandejas etc. - Todos os equipamentos importantes (bombas, compressores, ejetores, filtros, trocadores de calor etc.) com indicação das características básicas, como vazão, temperatura, pressão, carga térmica etc. - Todos os instrumentos principais deverão estar indicados por sua simbologia e nomenclatura. Para todos os tipos usuais de vasos, equipamentos, válvulas, instrumentos etc., existem convenções de desenho, geralmente de acordo com as convenções da Sociedade de Instrumentos da América - ISA - e podem ser encontradas nas documentações distribuídas por esta sociedade. EXERCÍCIOS 34 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL 1 - Quais são os objetivos dos instrumentos de medição e controle? 2 - Como era o controle do processo no princípio da era industrial? 3 - O que foi possível com a centralização das variáveis do processo,? 4 - Como são divididos os processos industriais? 5 - Defina o sistema de controle. 6 - Quais são as 3 partes necessárias para uma malha de controle fechada? 7 - Defina o que é instrumentação. 8 - Defina o que é range. 9 - Defina o que é span. 10 - Defina o que é erro. 11 - Defina o que é exatidão. 12 - Defina o que é indicador. 13 - Defina o que é registrador. 14 - Defina o que é transmissor. 15 - Defina o que é transdutor. 16 - Defina o que é controlador. 17 - Defina o que é elemento final de controle. 35 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL 18 - O que estabelecem as normas de instrumentação? 19 - Diga qual a função de cada um dos instrumentos, abaixo de acordo com a sua identificação. a) WT - b) FIC - c) TI - d) PIT - e) LR - f) TSL - g) PSLL h) TJR - i) TT - j) PIC - l) FR - m) LT - n) FSHH o) LSH - p) FY - 20 - Defina a localização dos equipamentos e tipos de sinais de transmissão de cada malha de controle, além da sua função (equipamento). 36 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL 21 - Quais são os dois principais sistemas de medidas quanto à natureza das unidades? 22 - Quais são as unidades fundamentais do sistema L.M.T.? 23 - Quais são as unidades fundamentais do sistema L.F.T.? 24 - A sigla M.K.S. define que tipo de sistema de medida? 25 - A sigla C.G.S. define que tipo de sistema de medida? 26 - A sigla M.T.S. define que tipo de sistema de medida? 27 - A sigla M.K.gs.S. define que tipo de sistema de medida? 28 - Quais são as unidades fundamentais do sistema inglês absoluto? 29 - Quais são as unidades fundamentais do sistema inglês prático? 30 - Defina o que é telemetria. 37 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle SENAI - CETEL 31 - Cite 2 vantagens da telemetria. 32 - Cite 2 tipos de transmissores 33 - Cite 2 tipos de sinais de transmissão pneumática. 34 - Cite 2 tipos de sinais de transmissão eletrônica. 35 - O pôr que do “zero vivo”nos sinais de transmissão? 36 - Calcule o valor pedido: Exemplo: 50% do sinal de 3 à 15 PSI [ ( Final - Início) ou Span] x ( % ) + zero vivo = valor pedido 100% 15 -3 12 12 x 50 + 3 = 100 9 PSI Span a) 70% de 3 - 15 PSI = _______________________ b) 80% de 3 - 15 PSI = _______________________ c) 10% de 0,2 - 1 Kgf/cm2 = _______________________ d) 30% de 0,2 - 1 Kgf/cm2 = _______________________ e) 45% de 20 - 100 Kpa = _______________________ f) 55% de 20 - 100 Kpa = _______________________ g) 65% de 4 - 20 mA = _______________________ h) 75% de 4 - 20 mA = _______________________ i) 37% de 1 - 5 V = _______________________ j) 73% de 1 - 5 V = _______________________ 37 - Calcule o valor pedido: Exemplo: 9 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI ( Valor de transmissão - zero vivo) x (100% ) = valor pedido ( Final - Início ) = Span 50% 38 Conceitos Básicos em Instrumentação e Controle ( 9 - 3 ) x 100 = 6 x 100 ( 15 - 3 ) 12 SENAI - CETEL = a) 12 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI = ___________________ b) 6 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI = ___________________ c) 0,4 Kgf/cm2 é quantos % da faixa de 0,2 à 1 Kgf/cm2 = ___________________ d) 0,6 Kgf/ cm2 é quantos % da faixa de 0,2 à 1 Kgf/cm2 = ___________________ e) 90 Kpa é quantos % da faixa de 20 à 100 Kpa = ___________________ f) 70 Kpa é quantos % da faixa de 20 à 100 Kpa = ___________________ g) 9 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________ h) 13 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________ i) 1,5 V é quantos % da faixa de 1 à 5 V = ___________________ j) 4,5 V é quantos % da faixa de 1 à 5 V = ___________________ 39 Grandezas Comprimento Definição L Massa Tempo Superfície M T S2 Volume V3 Velocidade Aceleração Força v= _e_ t y = _v_ t F=my Trabalho = Fxe Potência W = __ _ Tabela I - Sistemas de Unidades Geométricas e Mecânicas Dimensão Físico (C.G.S.) Decimal (M.K.S.) Gravitatório (M.Kf.S) L centímetro (cm) metro (m) metro (m) Mícron (µ)= 10-6m -10 Angstrom(A)=10 m M grama (g) quilograma (kg) (9,81 kg) T segundo (seg.) segundo (seg.) segundo 9seg) S2 cm2 m2 m2 V3 cm3 m3 m3 LT-1 em/seg m/seg m/seg 1m/seg=197 ft/min LT-2 M L T-2 cm/seg2 dina (d) (m=1 g:y=1 cm/ss) Megadina (M) = 10g dinas erg (F=1 d; e = 1cm) M S2 T-3 2 MS T -3 erg/seg ( =1 erg;t=1seg) t Pressão P = __F__ A M L-1 T-2 bária (F=1 d; S2=1 cm2) Bar = 10g bárias (F=1M; s2=1cm2) m/seg3 m/seg2 _____GIORGI_____ quilograma-força(kgf) (m=1kg;y=9,81m/ seg2) Newton (n) (m=1kg;y=1m/seg2) x 103 x 981 = dinas 5 =10 d x 10-3 x 9,81 = sth Joule (j) quilogrâmetro (kgm) F=1 n; e=1m) (F=1kgf; e = 1m) =102 ergs = 9,81 joules Kgm/seg Watt (w) Cavalo-vapor (C.V.) ( = 1 j; 1= 1seg) = 75 Kgm/seg = 102 ergs/seg = 44,8 ft. pd/min = 736 watts Pascal Kgf/cm2=1000 gf/cm2 F= 1n; S2=1m2) kgf/m2 atm= 1033 gf/cm2 = 10 bárias (em Hg = 76cm) Prático Inglês foot (ft) =1/3 Yd = 12in 30,48 cm (32,174 pd) second (sec) square-foot=929 cm3 square-inch=6,45 cm2 cubic-foot=28317 cm3 cubic-inch=16,39 cm3 foot per second (ft/sec) ft/min=0,5076 cm/s ft/sec2 pound* (pd) (m=1pd;y=32,174 ft/sec2) =0,4536kgf=444981d =7000 grains foot-pound (ft.pd) (f = 1 pd; e = 1 ft) =0,1383kgm=1,3563 j foot pound per second Horse Power (H.P.) = 76kgm/seg (75) =33000 ft.pd/min pd/in2=70.308 gf/cm2 pd/ft2 atm= 11.692 pd/in2 (em Hg = 0 n)