Instrumentação Industrial: Conceitos e Aplicações em Engenharia de Produção

Engenharia de Produção Automação e Controle Módulo 3 Instrumentação Industrial INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Conceitos básicos Principais Grandezas Físicas Principais Grandezas Físicas Função dos Instrumentos Simbologia Identificação Pressão nível vazão e temperatura Elemento final de controle Válvulas de segurança GRANDEZAS FÍSICAS Pressão vazão temperatura nível velocidade volume peso força cor dureza potência tempo umidade dureza potência tempo umidade elasticidade tensão resistência aceleração vibração corrente ruído composição acidez turbidez radiação dimensão deslocamento etc Função técnica do instrumento Medir Transmitir Controlar Alarmar Transmitir Indicar Totalizar Alarmar Registrar armazenar Atuar Simbologia e Terminologia NORMAS DE REFERÊNCIA NBR 8190 Simbologia de Instrumentação ANSIISA S51 Instrumentation ANSIISA S51 Instrumentation Symbols and Identification ISA S8401 Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries ISA S52 Binary Logic Diagrams for Process Operations IDENTIFICAÇÃO TAG exemplo Variável medida Modificador opcional Número seqüencial Modificador opcional Número da Unidade Função da variável nnn X X X X nnn Unidade medida IDENTIFICAÇÃO TAG Temperatura T Pressão P Análise A Ação operador H Variáveis monitoradas ou medidas Pressão P Vazão F Nível L Posição Z Ação operador H Velocidade S Não classificada X Não classificada Y IDENTIFICAÇÃO TAG Elem primário E Transmissor T Alarme A Funções Y Função da variável medida Transmissor T Indicação I Controle C Funções Y Válvula V Contato S Gauge G IDENTIFICAÇÃO TAG Variáveis modificadoras opcionais Diferencial D Alto H Alto H Baixo L Muito alto HH Muito baixo LL IDENTIFICAÇÃO TAG Instrumento Campo Painel local SDCD F T F I FIC SDCD Sinal Pneumático Eletrônico Digital rede FIC Exemplo de processo industrial AGITADOR LV LV VAPOR TV LT TT TIC LIC TV Características Básicas Range faixa Zero Span Calibração Precisão Zero Span Linearidade Histerese Precisão Sinal de saída 3 a 15 psi 4 a 20 mA Hart FF Tempo de resposta Definições Range faixa região determinada pelos limites em que a variável é medida Calibração operação que leva o instrumento a uma condição de desempenho adequada ao uso onde se estabelece relação entre valores indicados e os valores fornecidos por padrões onde se estabelece relação entre valores indicados e os valores fornecidos por padrões Linearidade é aproximação da curva de calibração com uma reta ideal Histerese é quando a curva de calibração de ida não coincide com a de volta Resolução é a menor diferença que pode ser percebida Tempo de resposta intervalo de tempo em que uma variação é submetida e o instante em que a resposta atinge determinado valor Exemplo de Medição de Grandezas Físicas Temperatura Pressão Nível Vazão 24 Temperatura Termômetro de Mercúrio Termômetro Bimetálico Termopar tipo K J R RTD Pirômetro Termômetro de Mercúrio Termômetro de Mercúrio Faixa recomendável 38 a 550 ºC Precisão 01 a 2 ºC Conexão registro controle não Custo baixo Termômetro bimetálico Termômetro bimetálico Faixa recomendável 50 a 500 ºC Precisão 05 a 5 ºC Conexão registro controle sim Resposta com atraso Custo baixo Termopar tipo K J R Termopar tipo K Faixa recomendável 180 a 1000 ºC Precisão 2 a 10 ºC Conexão registro controle sim Resposta rápida Custo normal RTD Pt100 Pt500 RTD Faixa recomendável 260 a 630 ºC Precisão 001 a 5 ºC Conexão registro controle sim Resposta rápida Custo normal Temperatura Poço de proteção Termoelemento completo Pirômetro Medição indireta Sem contato Sem contato Pirômetro Faixa recomendável bem ampla 900 a 2000ºC 200 a 3500ºC Precisão 5 a 20 ºC Precisão 5 a 20 ºC Conexão registro controle sim Resposta normal Custo alto Pressão Manômetro Tubo de Bourdon Transmissor Pressão Capacitivo Transmissor Pressão Capacitivo Transmissor Pressão Piezoelétrico Manômetro Tubo de Bourdon Manômetro Tubo de Bourdon Pressão máxima 700 kgfcm2 Materiais usuais latão bronze e aço inox Escalas usuais kgfcm2 psig lbfin2 Precisão 1 da indicação máxima acima dos 5 iniciais da escala Pressão Capacitivo Transmissor de Pressão Capacitivo Faixa de pressão 0 a 17 mmCA até 0 a 300 kgfcm2 Alta rangeabilidade 101 Alta rangeabilidade 101 Diafragmas aço inox e hastelloy C Precisão 01 da faixa calibrada Transmissores de Pressão Importante base de medição pois vazão e nível podem ser medidos a partir de transmissores de vazão e nível podem ser medidos a partir de transmissores de pressão diferencial Pressão Piezoelétrico Nível LG Nível Radioativo Célula Capacitiva Displacer Nível Capacitivo Célula Capacitiva Nível Ultra Som 46 Visor de Nível LG Visor de Nível LG Temperatura máxima 370ºC Fluidos limpos viscosos interface Fluidos limpos viscosos interface Precisão 1 cm Limitação Vidro nem sempre é aceitável Displacer Displacer Displacer Temperatura máxima 450ºC Fluidos limpos interface Precisão 05 do fundo de escala Limitação fluidos lamacentos Nivel Capacitivo Nível Capacitivo Temperatura máxima 500ºC Fluidos limpos viscosos lamas sólidos Fluidos limpos viscosos lamas sólidos interfaces Precisão 1 a 2 do fundo de escala Nivel Ultra Som Nível Ultra Som Nível Ultra Som Temperatura máxima 150ºC Fluidos limpos viscosos lamas sólidos interfaces espumas interfaces espumas Precisão 1 do fundo de escala Medição sem contato Limitação interferência por poeiras vapores Nível Radioativo Medição contínua 0 a 100 Medição pontual Alarme de alta e baixa Nível Radioativo Temperatura máxima sem limite Fluidos limpos viscosos lamas sólidos interfaces espumas Precisão 1 do fundo de escala Medição sem contato Limitação requer licença ambiental Célula Capacitiva H L Tomada de alta Tomada de baixa Medidortransmissor Célula Capacitiva Temperatura máxima 600ºC Fluidos limpos viscosos lamas Fluidos limpos viscosos lamas Precisão 01 do fundo de escala Limitação densidade constante Vazão Placa de Orifício Rotâmetro Vórtex Vórtex Vazão Ultra som Tubo de Pitot Placa de Orifício Placa de Orifício Placa de Orifício Bordo reto Bordo arredondado Orifício integral Orifício integral Excêntrico Segmental Bocal Placa de Orifício bordo reto Temperatura máxima 500ºC Fluidos limpos corrosivos Líquidos gases e vapores Líquidos gases e vapores Precisão 2 do fundo de escala Escala quadrática Limitação a partir de 2 Rotâmetro Rotâmetro Temperatura e pressão máxima vidro Fluidos limpos líquidos e gases Fluidos limpos líquidos e gases Precisão 2 do fundo de escala Escala linear Vórtex Baseado na relação da vazão com a freqüência de formação de vórtices Vórtex A obstrução gera pares de vórtices e a freqüência de formação de vórtices é proporcional à velocidade do fluido Os pares de vórtices geram esforços laterais no corpo Os pares de vórtices geram esforços laterais no corpo de obstrução que são sentidos por um sensor piezelétrico Este sensor transforma os esforços em pulsos elétricos que são totalizados e associados a vazão Vórtex Temperatura 200ºC Fluidos limpos líquidos vapor e gases Precisão 1 da vazão Escala linear Vazão Ultra som Sensor Ultrasônico Baseado na relação entre vazão e o tempo de trânsito do sinal acústico entre o emissor e o receptor Num dado instante a diferença entre a velocidade aparente do som sobre um líquido em movimento e a velocidade do som sobre o velocidade aparente do som sobre um líquido em movimento e a velocidade do som sobre o mesmo líquido em repouso é diretamente proporcional a velocidade instantânea do líquido Com a velocidade obtida a vazão volumétrica é calculada a partir da seção do tubo Sensor Ultrasônico Temperatura 250ºC Fluidos limpos e corrosivos líquidos e gases Fluidos limpos e corrosivos líquidos e gases Precisão 1 da vazão Escala linear Tubo de Pitot Tubo de Pitot Henry Pitot 1732 Quando um obstáculo é colocado no centro de uma tubulação o fluido começa a perder velocidade quando se aproxima do corpo A velocidade é zero quando atinge o alvo ponto de estagnação de estagnação Quando o fluido perde energia cinética ele ganha em energia de pressão estática Pela diferença entre a pressão estática da linha e a pressão do ponto de estagnação achase a velocidade e a vazão Tubo de Pitot Temperatura 600ºC Fluidos limpos líquidos e gases Fluidos limpos líquidos e gases Precisão 3 a 5 do final de escala Escala quadrática 78 Elementos Finais de Controle Tipos Válvula pneumática Válvula motorizada Cilindro pneumático Cilindro pneumático Cilindro hidráulico Válvula onoff solenóide Damper Autooperada Válvulas de Controle Componentes Corpo Castelo Tipos de válvulas Globo sede simples e dupla Esfera Castelo Sede Plug Haste Mola Atuador Pneumático Elétrico Esfera Borboleta Gaveta Classe de Estanqueidade Classe I II III IV V VI Válvulas de Controle Válvulas de Controle Ação em caso de falha Falha fecha Falha abre Falha última posição Posição de falha Posição de falha posição da válvula de controle na ausência do sinal de controle Esta especificação é geralmente ditada pela segurança do processo Em algumas aplicações como no suprimento de vapor para um aquecedor é desejável que a vapor para um aquecedor é desejável que a válvula feche na falta de um sinal de comando esta válvula é chamada de falhafecha ou ar paraabrir Em outras situações como no fornecimento de ar para um forno é desejável que a válvula abra na falta de um sinal de comando esta válvula é chamada de falhaabre ou arparafechar Válvulas de Controle Característica de vazão Igual percentagem a Linear b Abertura rápida c Abertura rápida c Válvulas de Controle Válvulas de Controle Válvulas de Controle Válvulas de Controle Válvulas de Controle Acessórios Posicionador Válvula solenóide Chave fim de curso Regulador de ar Regulador de ar Volante Transdutores IP Válvula de Controle com posicionado Acessórios Posicionador O posicionador permite posicionar a haste da válvula no valor exato determinado pelo sinal de controle O posicionador compara o sinal do controlador O posicionador compara o sinal do controlador com a haste da válvula Se a haste não estiver corretamente posicionada é enviado mais ar ou retirado mais ar até que seja alcançada a correta posição da haste Acessórios Posicionador Desta forma o posicionador compensa a força gerada pelo atrito entre a haste e as gaxetas O posicionador pode ser usado para O posicionador pode ser usado para aumentar a força de assentamento do obturador contra a sede Acessórios Válvula solenóide Instalada em válvulas Onoff XV Instalada em série com o posicionador Acessórios fim de curso Para sinalizar válvula aberta ZSH Para sinalizar válvula fechada ZSL fechada ZSL Indicador de posição Válvula de Segurança Garantir que as pressões de trabalho nunca ultrapassem os níveis estabelecidos em estabelecidos em projeto para cada equipamento 94 Referências Bibliográficas Newell e Lee P L Applied Process Control A Case Study Prentice Hall Gruhn P e Cheddie H Safety Shutdown Systems Design Analysis and Justification ISA1998 Soisson H E Instrumentação Industrial Ed Hemus McMillan GK Tuning and Control Loop Performance ISA Monograph Series 1983 Ziegler JG Nichols NB Optimum Settings for Automatic Controllers Transactions of the ASME 1942 Fertik HA Tuning Controllers for Noisy Process ISA Transactions Vol 14n4 1975 Miller J A A Comparision of Controller Tuning Techiniques Control Engineering Vol14n12 Miller J A A Comparision of Controller Tuning Techiniques Control Engineering Vol14n12 1967 Goettsche L D Maintenance of Instruments Systems ISA 1995 Friedman Y Z Tuning of Averaging Level Controllers PETROCONTROL 1994 Jardim EM Jota FG Pratical Automatic Tuning Methods of PID Controllers for a Sour Water Stripper The 3rd IEEE Conference On Control Applications Glasgow Escócia 1994 Albert C L Coggan D A Fundamentals of Industrial Control ISA 1994 Jardim EM Utilização de Controladores com Sintonia Automática e Auto Sintonizáveis em processos Industriais UFMG 1993 Tese de Mestrado