Introdução à Instrumentação Industrial e Automação

Instrumentação Industrial Histórico Da palavra Automation 1960 buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial Definição atual Qualquer sistema apoiado em computadores que substitui o trabalho humano em favor da segurança das pessoas da qualidade dos produtos rapidez da produção ou da redução de custos assim aperfeiçoando os complexos objetivos das industrias dos serviços ou bem estar Moraes e Castrucci 2007 Automação 2 2 Componentes básicos da automação 1º Sensoriamento Sensores são dispositivos amplamente utilizados na automação industrial que transformam variáveis físicas como posição velocidade temperatura nível PH em variáveis elétricas também conhecido com transdutores 2º Comparação e controle Coleta das informações do sensoriamento e comparação com o valor da variável estabelecida Processamento das informações e tomada de decisão 3º Atuação Mudança de estado das saídas elétricas e consequentemente mudança de estado de algum instrumento de controle para correção do processo Automação 3 2 Componentes básicos da automação Sensores Controlador CLP Válvulas motores Computador Industrial solenóides lâmpadas Automação 4 2 Sensoriamento Comparação e controle Atuação Exemplo O sensor coleta a informação do nível de água no reservatório e envia este valor através de um sinal elétrico ao controlador Este compara o valor do sinal recebido com o valor ajustado set point e envia um sinal elétrico para a válvula corrigir o processo Automação 5 2 Componentes básicos da automação Automação 6 Definição Instrumentação é uma ciência que estuda as técnicas de medição registro e controle das variáveis do processo industrial com o objetivo de otimizar o desempenho dos processos industriais ou o aumento da segurança de equipamentos e pessoas Instrumentação Industrial 7 De acordo com a organização norteamericana Instrumentation Society of America ISA um instrumento industrial é Todo dispositivo usado para direta ou indiretamente medir eou controlar uma variável Nesta definição incluise segundo a ISA elementossensores primários elementos finais de controle dispositivos computacionais dispositivos elétricos como alarmes chaves e botoeiras E o termo não se aplica a partes que são componentes internos do Instrumento norma ANSIISAS511984R1992 Instrumentação Industrial 8 Sensores 9 Sensores definição Os sensores podem ser classificados como um tipo de transdutor Um transdutor é um componente que transforma um tipo de energia em outro Um sensor pode ser definido como um transdutor específico que transforma algum tipo de energia luz calor movimento em energia elétrica utilizada para a leitura de alguma condição ou característica do ambiente Apesar de ser imensa a variedade de sensores eletrônicos podemos dividilos basicamente em dois tipos sensores analógicos e sensores digitais Essa divisão e feita de acordo com a forma a qual o componente responde a variação da condição Sensores Analógicos 10 Sensores analógicos Os sensores analógicos são os dispositivos mais comuns Tais sensores são assim designados pois baseiamse em sinais analógicos Sinais analógicos são aqueles que mesmo limitados entre dois valores de tensão podem assumir infinitos valores intermediários Isso significa que pelo menos teoricamente para cada nível da condição medida haverá um nível de propriedade elétrica correspondente Exemplo LDR sensor de luminosidade Saída analógica 11 Saida analógica O sensor fornece como sinal de saída a variação de alguma propriedade elétrica como resistência tensão capacitância dentre outros Saída analógica 12 Saida analógica É comum encontrarse os seguintes padrões de envio de mediçõescomandos em Instrumentação Industrial Sinais de pressão de 3 psi a 15 psi libras por polegada quadrada Sinais de corrente de 4mA a 20mA Sinais de tensão de 1 V a 5 V O valor mínimo enviado diferente de zero possibilita testar se o instrumento está funcionando mesmo que o valor da medição ou do comando seja nulo Sensores digitais 13 Sensores Discretos Discretos assumem somente 2 valores possíveis zeroum acesoapagado ligadodesligado etc São sensores de atuação mecânica Chave de Nível indica se o nível é superior ou inferior a um dado limiar Chave de pressão ou pressostato Chave de temperatura ou termostato Chave fim de curso Alarmes Sensores digitais 14 Sensores digitais Assumem ou indicam valores através de um número binário digital Ao contrário de um sensor analógico onde os valores possíveis são teoricamente infinitos um sensor digital poderá apenas alternar entre certos estados bem definidos não sendo possível haver um valor intermediário entre eles Exemplos Instrumentos eletrônicos de medição com mostradores digitais Instrumentos de medição ligados em uma rede digital dedicada field bus sensor bus etc Motor de passo Encoder Sensores digitais 15 Sensores digitais Saídas digitais 16 Tipos de saídas digitais contato mecânico Saídas digitais 17 Tipos de saídas digitais PNP e NPN Características técnicas 18 Linearidade É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física medida Quanto maior mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo Os sensores mais usados são os mais lineares Confere mais precisão ao sistema de controle Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas em que os desvios são aceitáveis ou com adaptadores especiais que corrigem o sinal Características técnicas 19 Linearidade Exemplo Sensor de intensidade da luz x percepção do brilho Características técnicas 20 Passivos utilizam a energia do próprio meio ou energia humanaanimal para funcionarem Instrumentos de medição deste tipo devem ser adequadamente dimensionados para minimizar a interferência sobre a variável a ser medida devido ao fato de absorverem energia do próprio meio para funcionarem Exemplos Termômetro de mercúrio Manômetro de tubo em U Régua milimetrada Fonte de energia para o sensor Características técnicas 21 Exemplos de sensor Passivos Hidrômetro Residêncial Chave fim de curso Características técnicas 22 Ativos utilizam outra fonte de energia para o seu funcionamento Exemplos Instrumentos eletrônicos usados para medir grandezas mecânicas hidráulicas e térmicas Válvulas pneumáticas Bombas centrífugas Fonte de energia para o sensor Sensor Indutivo Sensor Óptico Sensor Posicionador Características técnicas 23 Faixa de atuação É o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor sem destruição ou imprecisão Para melhor linearidade na medição o sensor deve ser especificado para que o valor médio da grandeza a ser medida deverá ficar no meio da sua faixa de atuação Superfície ativa ou face sensora Corresponde a superfície do sensor sensível à grandeza a ser medida Características técnicas 24 Frequência de comutação Corresponde à quantidade máxima de comutações por segundo ou seja é a velocidade máxima em que o sensor consegue ativar e desativar a sua saída sem afetar a qualidade da informação Sensibilidade É a distância entre a face sensora e o atuador no instante em que ocorre a comutação da saída Características técnicas 25 Histerese É a distância entre os pontos de comutação do sensor quando um atuador dele se aproxima e se afasta Histerese significa atraso ou retardamento do efeito Classe de proteção IP 26 Classificação da proteção contra a entrada de corpos sólidos estranhos e água Referência ABNT NBR IEC 60529 TABELA DE GRAU DE PROTEÇÃO Tratase do grau de proteção IP apresentado na norma NBR IEC 60529 Graus de proteção para invólucros de equipamentos elétricos códigos IP Tab I Graus de proteção contra a penetração de objetos sólidos estranhos indicados pelo primeiro numeral característico Numeral Descrição do grau de proteção 0 Não protegido 1 Protegido contra objetos sólidos de 50 mm e maior 2 Protegido contra objetos sólidos de 12 mm e maior 3 Protegido contra objetos sólidos de 25 mm e maior 4 Protegido contra objetos sólidos de 10 mm e maior 5 Protegido contra poeira 6 Totalmente protegido contra poeira Tab II Graus de proteção contra a penetração de água indicados pelo segundo numeral característico Numeral Descrição do grau de proteção 0 Não protegido 1 Protegido contra gotas dágua caindo verticalmente 2 Protegido contra queda de gotas dágua caindo verticalmente com invólucro inclinado até 15 3 Protegido contra asperção dágua 4 Protegido contra projeção dágua 5 Protegido contra jatos dágua 6 Protegido contra jatos potentes dágua 7 Protegido contra efeitos de imersão temporária em água 8 Protegido contra efeitos de imersão contínua em água Características técnicas 28 Interferências na medição dos sensores Interferências eletromagnéticas Interferências térmicas Vibrações Influências do aterramento