Roteiro de Aula Pratica - Escolha de Sensores para Automação Industrial

ROTEIRO DE PRÁTICA LABORATORIAL Nº 9410181 1 Componente curricular Automação e Simulação de Processos Produtivos 2 Título do roteiro de aula prática ESCOLHA DE SENSORES PARA AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA PRODUTIVO Tempo previsto 45 horasaula 3 Objetivos Conhecer como é feita a escolha de um sensor termopar Estudar as diferentes famílias de termopares Descobrir como manipular os resultados de testes dos sensores 4 Referencial teórico Existem diversos tipos de instrumentos que são usados na automação sendo que para a sua aplicação o responsável técnico deve conhecer a fundo se a faixa de medida o alcance a precisão e a sensibilidade são adequados para aquela operação Também é importante entender que qualquer sistema de medição possui erro Caso o erro daquele sistema esteja maior do que a sensibilidade desejada o sistema de medição deve ser revisto indo desde a troca por um sensor com melhores características para aquela aplicação até a mudança do projeto pois em muitos casos não será possível uma precisão muito alta Os processos industriais são bem diferentes assim como os produtos que produzem Sendo automatizado ou não na grande maioria dos casos é necessário um controle sobre o que está acontecendo no processo Para isso as variáveis do processo devem ser mensuradas como a pressão a temperatura a vazão o nível de um líquido a velocidade a umidade a força aplicada entre outros Bega 2011 traz uma classificação de instrumentos que podem ser divididos em Instrumentos cegos Não possuem indicação visível do valor medido Geralmente são dispositivos de alarme como pressostatos e termostatos e podem ter um ajuste externo para regular o valor em que o sensor deve agir Por exemplo quando o termostato chegar a uma determinada temperatura ele pode abrir um circuito elétrico protegendo o equipamento Instrumentos indicadores Possuem um indicador e uma escala graduada nos quais é possível fazer a leitura do valor da variável que está sendo medida Um exemplo seria o manômetro em que é possível fazer a leitura do valor da pressão na posição em que o ponteiro está parado Instrumentos registradores Conseguem registrar o valor da variável ao longo do tempo utilizando um traço contínuo ou por pontos Bastante usados antigamente para registrar o valor ao longo do tempo riscando um papel com uma pena tinteira ou com um grafite Elementos primários São elementos que ficam em contato direto com a variável que está sendo medida e que usam ou absorvem a energia do meio para fazer a medição Transmissores São instrumentos que detectam variações na variável usando o elemento primário e que transmitem esses valores para uma distância maior Conversores Recebem um sinal de entrada padrão vindo de outro instrumento que pode ser pneumático ou elétrico e fazem a conversão em um sinal de saída padrão que pode ser de 4 a 20 mA em corrente contínua ou de 02 a 10 kgfcm² se for pneumático Controladores Comparam o valor medido com um valor desejado Set point e executam a correção na variável que está sendo medida Existem diversos tipos de correção que serão estudados no capítulo 3 Elementos finais de controle Equipamentos que vão receber o sinal de correção do controlador e executar alguma ação sobre o sistema para modificar o valor da variável mensurada como abrir ou fechar uma válvula Bega 2011 faz um resumo de alguns dos principais termos Range ou faixa de medida São os valores que estão entre os limites inferior e superior que o instrumento tem capacidade de medir Por exemplo um sensor de pressão que possui uma faixa de medida entre 1 e 10 kgfcm² Spam ou alcance É a diferença entre o limite superior e o limite inferior da faixa de medida do instrumento No exemplo anterior o sensor de pressão teria um alcance de 9 kgfcm² Set point ou ponto de ajuste É o valor desejado em que a variável mensurada permaneça e o controlador será ajustado com esse valor previamente Offset ou erro É a diferença entre o valor medido e o valor ajustado set point que o controlador possui Precisão Define o limite dos erros de medição quando o instrumento é usado nas condições normais de serviço determinada pelo fabricante Esse valor pode ser expresso de diferentes maneiras sendo possível usar o percentual do alcance ou do valor máximo de leitura Pode também usar unidades da variável ou o percentual do comprimento da escala A precisão pode variar em cada região da faixa de medida e os fabricantes geralmente indicam isso Por exemplo um sensor de temperatura com precisão de 05 quando está medindo entre 0 e 100ºC mas essa pode mudar para 1 entre 100 e 200ºC Sensibilidade Seria o menor valor em que o instrumento vai mudar a sua leitura quando a variável mensurada mudar Geralmente indicado em percentual do alcance Essa propriedade é importante pois dependendo do tipo de controle desejado um sensor com maior sensibilidade deve ser usado Por exemplo se a variação de temperatura de 1 em 1ºC precisa ser controlada a sensibilidade deve ser menor que 1ºC Repetibilidade Capacidade do sensor reproduzir o valor repetidamente sem alterar as condições externas Muito importante para poder calcular a confiabilidade do sistema de medição já que o erro do sistema de medição deve ser levado em conta No exemplo anterior não adianta você ter um sensor com sensibilidade de 03º se a sua repetibilidade for maior do que 2ºC O erro da medição está maior do que a necessidade de controle da variável 5 Equipamentos necessários Tabela 1 Relação de equipamentos utilizados na aula prática Item Quantidade Descrição 1 1 aluno Computador 1 1 aluno Calculadora científica ou programa de planilha eletrônica 6 Insumos necessários Antes de iniciar a aula o aluno deverá ter em mãos impresso este roteiro de prática da disciplina Automação e Simulação de Processos Produtivos e ter assistido à videoaula gravada pelo professor e disponibilizada no sistema 7 Procedimentos experimentais Uma indústria química precisa automatizar uma de suas plantas e é você quem deve escolher os sensores que serão usados nessa linha Depois de uma discussão interna foram executados alguns projetos e se chegou à conclusão que será necessário o uso de sensores para medir a Temperatura de água potável que entra na temperatura ambiente e deve ser aquecida até chegar a 80ºC b Temperatura de vapor de água potável que pode estar entre 250 ºC e 300ºC c Temperatura dos gases usados na incineração que pode chegar a 980ºC Com base nessas informações você deve decidir se vai usar a Termopar b Termoresistência Devido aos controladores utilizados nessa empresa você deverá escolher termopares para fazer as medições de temperatura Depois de pesquisar você descobriu quais são as recomendações para a seleção de termopares a Faixa de temperatura deve ser compatível com o processo b Precisão escolher o termopar com a precisão requerida pelo processo c Potência termoelétrica escolher o termopar que apresenta a maior potência termoelétrica na faixa de temperatura do processo d Condições de trabalho analisar as exigências mecânicas e atmosfera do processo para escolher o material de proteção do termopar e Velocidade de resposta a proteção do termopar pode causar uma redução no tempo de resposta do sinal e isso deve ser levado em conta no processo f Custo escolher o termopar que atenda a todas as exigências mas que apresente o menor custo A potência termoelétrica Pt é a relação da resposta do sinal em milivolts pela variação de um grau de temperatura 𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇ã𝑜𝑜 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑃𝑃𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 º𝐶𝐶 Esse valor depende da família do termopar e pode ser colocado em um gráfico conforme a Figura 1 Figura 1 Potência termoelétrica dos termopares Depois de pesquisar alguns fornecedores você consolidou os resultados de cada família na Tabela 2 Tabela 2 Faixa de trabalho e erro dos termopares Tipo Faixa de temperatura de trabalho ºC Erro Escolher o maior Modelo padrão Modelo Especial T 0 370 1ºC ou 075 05ºC ou 04 J 0 760 22ºC ou 075 11ºC ou 04 E 0 870 17ºC ou 05 1ºC ou 04 K 0 1260 22ºC ou 075 11ºC ou 04 S e R 0 1450 15ºC ou 025 06ºC ou 01 B 870 1700 05 025 N 0 1260 22ºC ou 075 11ºC ou 04 T 200 0 1ºC ou 15 E 200 0 17ºC ou 1 K 200 0 22ºC ou 2 Sabendose que o termopar deve ser instalado em um poço de proteção e que deve possuir um cabeçote para facilitar a ligação e as futuras manutenções podemos desenhar um esquema representando a instalação do sensor 2 conforme a Figura 2 Figura 2 Esquema do sensor 2 No cabeçote temos uma temperatura de 35ºC sendo essa chamada de temperatura da junta fria A junta quente do termopar está medindo 290ºC Para saber o valor da tensão que vai chegar ao controlador é necessário calcular a tensão nas duas juntas Para isso podemos usar a tabela que relaciona a temperatura com a tensão de saída nesse caso da família J Isso é necessário pois a tabela que relaciona a temperatura com a tensão Tabela 3 e Tabela 4 tem como base uma temperatura de junta fria de 0ºC Tabela 3 Tensão mV no termopar do tipo J de acordo com a temperatura 0240ºC Pela temperatura da junta fria é esperada uma tensão de 1797 mV naquela Tabela 4 Tensão mV no termopar do tipo J de acordo com a temperatura 240440ºC Para a junta quente a tensão esperada é de 15773mV De acordo com o esquema da Figura 2 qual seria a leitura de um voltímetro instalado depois do cabo de cobre Desconsiderando a resistência elétrica dos cabos o valor seria 𝐸𝐸 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇ã𝑜𝑜 𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑗𝑗𝑇𝑇𝑇𝑇𝑃𝑃𝑇𝑇 𝑞𝑞𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑃𝑃𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇ã𝑜𝑜 𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑗𝑗𝑇𝑇𝑇𝑇𝑃𝑃𝑇𝑇 𝑓𝑓𝑇𝑇𝑓𝑓𝑇𝑇 𝐸𝐸 15773 1797 𝐸𝐸 13796 𝑚𝑚𝑚𝑚 8 Cálculos e análises de resultados Depois de instalado o sistema foi ligado e estabilizado na operação normal Foram realizados testes nos sensores e os dados levantados podem ser observados na Tabela 5 Tabela 5 Medições realizadas nos sensores Sensor Medida 1 ºC 2 ºC 3 ºC 1 81 280 970 2 797 288 976 3 834 295 961 4 813 267 969 5 801 276 951 6 807 297 963 7 812 277 967 8 89 268 963 9 811 277 970 10 799 281 959 Com base nos dados da tabela e em suas pesquisas responda às seguintes perguntas 1 5 da pontuação Podese afirmar que o valor da média amostral da medição feita no sensor 2 é de a 2785 ºC b 2806 ºC c 2951 ºC d 2890 ºC e 2797 ºC 2 5 da pontuação Podese afirmar que o desviopadrão amostral das medidas do sensor 3 é de a 70 ºC b 67 ºC c 81 ºC d 78 ºC e 75 ºC 3 5 da pontuação Podese afirmar que o erro padrão da amostra do sensor 3 foi de a 14 ºC b 18 ºC c 11 ºC d 05 ºC e 22 ºC 4 10 da pontuação Com base nas medições executadas no sensor 1 o valor esperado de próximas medições estaria em a 817 ºC 09 ºC b 817 ºC 05 ºC c 811 ºC 09 ºC d 817 ºC 14 ºC e 811 ºC 05 ºC 5 15 da pontuação Considerando que as medições foram feitas com os sensores instalados no sistema e que só foram realizadas depois que o sistema estava estabilizado responda se as afirmações abaixo são verdadeiras V ou falsas F O erro padrão das medições do sensor 2 foi de 32ºC sendo que corresponde somente ao erro do sensor e não do sistema como um todo controlador sensor equipamentos perturbações Considerando somente os resultados dessas medições podemos afirmar que se o controle de temperatura da água possuir uma tolerância de 4ºC os resultados confirmam que este sensor pode ser usado Para o sensor 3 podemos escolher o termopar do tipo T por ter o menor custo e atender aos requisitos a V V V b V F V c F F F d F V F e F V V 6 10 da pontuação Com base somente no critério da potência termoelétrica o melhor termopar para trabalhar na temperatura de 1000ºC é o a Tipo K b Tipo J c Tipo E d Tipo B e Tipo S 7 15 da pontuação Considerando que o erro de leitura dos termopares depende da família e da temperatura medida podemos afirmar que O erro do termopar do tipo T trabalhando em 50ºC é de 1ºC O erro do termopar do tipo K trabalhando em 1100ºC é de 22ºC O erro do termopar do tipo J trabalhando em 500ºC é de 375ºC a F F F b F V V c V F V d F F V e V F F 8 15 da pontuação No sistema do sensor 2 foi instalado um termopar do tipo J Considerando que a junta fria estava com uma temperatura de 47ºC e que a temperatura do vapor foi medida com um termômetro calibrado resultando em 283ºC qual o valor esperado de tensão na saída do sistema a 13796 mV b 12959 mV c 11145 mV d 15386 mV e 10784 mV 9 10 da pontuação Considerando o sistema do exercício 8 você refaz a leitura e percebe que a tensão na saída mudou Investigando o que poderia ter ocorrido você percebeu que a temperatura do cabeçote caiu para 42ºC mas o vapor continua com 283ºC Qual o valor que você está lendo nesse momento a 12959 mV b 15386 mV c 13222 mV d 11145 mV e 10784 mV 10 10 da pontuação Com base no que foi aprendido nestes experimentos e nos resultados que obteve você pode afirmar que A temperatura da junta fria não influencia os resultados de medição de temperatura Para evitar erros de medição pela variação da temperatura da junta fria podemos usar cabos de extensão até o controlador que são do mesmo material do termopar O material por meio do qual o termopar é fabricado não interfere nos resultados de medição de tensão para uma mesma temperatura a V V F b F F F c F V F d F V V e F F V Entregue ao seu professor um relatório com as respostas desses exercícios e uma conclusão sobre o que foi aprendido na escolha de termopares e as variáveis que influenciam esse processo Para aumentar o seu conhecimento faça uma pesquisa na internet sobre catálogos de termopares A maioria dos fabricantes colocam informações sobre cada família informando também sobre em qual meio aquele termopar pode ser usado Pesquise também sobre poços de proteção de termopares e por que eles são usados na maioria das aplicações Com base nos produtos que estão sendo analisados água potável vapor de água e gases de incineração podemos utilizar qualquer tipo de poço Faça uma pesquisa sobre os custos de cada tipo de termopar Todos possuem a mesma faixa de preço Por que algumas famílias são tão caras 9 Referências ALUTAL Catálogo Técnico de Termometria São Paulo 2021 Disponível em httpswwwalutalcombruploadscatalogoscatalogotecnico05032019pdf Acesso em 08 mai 2021 AGUIRRE Luís Antônio Fundamentos de instrumentação São Paulo Pearson Education do Brasil 2014 BEGA Egídio Alberto Instrumentação Industrial São Paulo Interciência 2011 DUNN William C Fundamentos de Instrumentação Industrial e Controle de Processos São Paulo Grupo A 2013 ECIL Tabela de correção para termopares São Paulo 2021 Disponível em httpsecilcombrpirometria2termoparestermopartipoj Acesso em 08 mai 2021 IOPE Catálogo de Cabos São Paulo 2021 Disponível em httpswwwiopecombrimagenscatalogoiopecabospdf Acesso em 08 mai 2021 Elaboração do roteiro Prof Fernando Perez Tavares Data 08052021 Revisão Data 08052021 Organização Data 08052021