Baixe Monitoramento e Controle de Processos (Petrobrás-SENAI) e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! MONITORAMENTO nan DE PROCESSOS ou. no PARA. p VALIDAÇÃO] mn PETROBRAS ABASTECIMENTO EIDER PRUDENTE DE AQUINO Diretor – Gerente do Abastecimento LUIZ EDUARDO VALENTE MOREIRA Gerente Geral de Tecnologia de Refino AUGUSTO FARIAS Gerente de Recursos Humanos de Abastecimento MAURÍCIO LIMA Coordenador de Formação, Capacitação e Certificação no Abastecimento CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI Conselho Nacional do SENAI CARLOS EDUARDO MOREIRA FERREIRA Presidente COMISSÃO DE APOIO TÉCNICO E ADMINISTRATIVO AO PRESIDENTE DO CONSELHO NACIONAL DO SENAI DAGOBERTO LIMA GODOY Vice-Presidente da CNI FERNANDO CIRINO GURGEL Diretor – 1º Tesoureiro da CNI MAX SCHRAPPE Vice-Presidente da Federação das Indústrias do Estado de São Paulo SENAI – DEPARTAMENTO NACIONAL JOSÉ MANUEL DE AGUIAR MARTINS Diretor-Geral MÁRIO ZANONI ADOLFO CINTRA Diretor de Desenvolvimento EDUARDO OLIVEIRA SANTOS Diretor de Operações ALBERTO BORGES DE ARAÚJO Coordenador da COTED Lista de ilustrações Apresentação Uma palavra inicial UNIDADE 4 Instrumentação, controle e automação dos processos industriais Aspectos gerais da área de instrumentação Terminologia Principais sistemas de medidas Telemetria Medição de pressão Dispositivos para medição de pressão Medição de temperatura Conceito Temperatura e calor Escalas de temperatura Medidores de temperatura por dilatação/expansão Efeitos termoelétricos Leis termoelétricas Correlação da FEM em função da temperatura Tipos e características dos termopares Correção da junta de referência Medição de temperatura por termorresistência Medição de nível Métodos de medição de nível de líquido Sumário 9 15 7 13 19 33 27 39 39 61 51 52 48 17 31 57 41 27 40 43 49 59 61 Medição de vazão Tipos de medidores de vazão Medidores especiais de vazão Elementos finais de controle Válvulas de controle Válvula de controle: ação Posicionador Características de vazão de uma válvula Controle e automação industrial Atrasos de tempo do processo Atrasos na malha de controle Ações de um controlador Ações de uma válvula de controle Modos de controle Ajustes de um controlador proporcional Influência do ajuste da faixa proporcional (ou do ganho) Controle proporcional + integral Controle proporcional + derivativo Controle proporcional + integral + derivativo 79 82 85 93 96 88 86 89 84 91 85 83 98 94 80 71 72 77 87 Lista de Ilustrações FIGURAS FIGURA 1 – Malha de controle fechada /18 FIGURA 2 – Malha de controle aberta /18 FIGURA 3 – Indicador /22 FIGURA 4 – Registrador /22 FIGURA 5 – Transmissor /23 FIGURA 6 – Transdutor /23 FIGURA 7 – Controlador /23 FIGURA 8 – Elemento final de controle /24 FIGURA 9 – Sinais utilizados nos fluxogramas de processo /25 FIGURA 10 – Símbolos de instrumentos utilizados nos fluxogramas de processo /25 FIGURA 11 – Sistema fieldbus /30 FIGURA 12 – Diagrama das escalas /32 FIGURA 13 – Tipos de tubos Bourdon /33 FIGURA 14 – Manômetros de Bourdon tipo C /34 FIGURA 15 – Manômetro de tubo em U /34 FIGURA 16 – Manômetro de tubo inclinado e de reservatório /35 FIGURA 17 – Sensor capacitivo /36 FIGURA 18 – Tira extensiométrica /37 FIGURA 19– Tira extensiométrica /37 FIGURA 20 – Efeito piezoelétrico /37 FIGURA 21 – Termômetros à dilatação de líquido em recipiente de vidro /44 FIGURA 22– Termômetro à dilatação de líquido em recipiente metálico /45 UNIDADE 4 TABELAS TABELA 1 – Sistema de unidades geométricas e mecânicas /30 TABELA 2 – Conversão de unidades /33 TABELA 3 – Comparação de escalas /42 TABELA 4 – Ponto de solidificação, de ebulição e faixa de uso /44 TABELA 5 – Utilização dos líquidos /45 TABELA 6 – Identificação de termopares /57 QUADROS QUADRO 1 – Identificação de instrumentos de acordo com a Norma ISA-S5 /24 QUADRO 2 – Identificação funcional dos instrumentos /26 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 11 .................... Apresentação dinâmica social dos tempos de globalização exige atualização constante dos profissionais. Mesmo as áreas tecnológicas de ponta ficam obsoletas em ciclos cada vez mais curtos, trazendo desafios, renovados a cada dia, e tendo como conseqüência para a educação a necessidade de encontrar novas e rápidas respostas. Nesse cenário, impõe-se a educação continuada, exigindo que os profissionais busquem atualização constante durante toda a vida; e os operadores das UNIDADES DE NEGÓCIOS DO SISTEMA PETROBRAS incluem-se nessas novas demandas sociais. É preciso, pois, promover para esses profissionais as condições que propiciem o desenvolvimento de novas aprendizagens, favo- recendo o trabalho de equipe, a pesquisa e a iniciativa, entre ou- tros, ampliando suas possibilidades de atuar com autonomia, de forma competente. Seguindo essa linha de pensamento, o SENAI e a PETROBRAS organizaram o curso QUALIFICAÇÃO BÁSICA DOS OPERADORES DAS UNI- DADES DE NEGÓCIOS DO SISTEMA PETROBRAS. Seu objetivo principal é propiciar aos operadores em exercício da função condições de re- ver conceitos, atualizar e/ou aperfeiçoar conhecimentos, visando A PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 12 .................... à inclusão do processo de certificação profissional e nacional da PETROBRAS, que ocorrerá na formação específica. Para realizar o curso, você tem à sua disposição, além dos pro- fessores e um ambiente de sala de aula apropriado, este material didático, também bastante útil para orientar sua aprendizagem. Nele, você vai encontrar os temas a serem trabalhados durante a realização do curso. Por essa razão, é importante ler, atentamen- te, cada parte que compõe o material, pois, assim, terá mais facili- dade de acompanhar as aulas e organizar os conhecimentos adqui- ridos. Lembramos, no entanto, que será necessário, ainda, que você tenha uma participação efetiva nas atividades de sala de aula, apre- sentando suas idéias, fazendo perguntas aos professores e demais colegas, assim como ouvindo o que eles têm a dizer, pois também é através dessa troca de experiências que vamos aprendendo sem- pre e cada vez mais. EIDER PRUDENTE DE AQUINO Diretor – Gerente do Abastecimento PETROBRAS JOSÉ MANUEL DE AGUIAR MARTINS Diretor-Geral SENAI/DN Unidades Instrumentação, controle e automação dos processos industriais Aspectos gerais daárea de instrumentação Medição de pressão Medição de temperatura Medição de nível Medição de vazão Elementos finais de controle Controle e automação industrial "A lei suprema da invenção humana é que só se inventa trabalhando” [pena e RA a prega gafe lt M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 17 .................... Aspectos gerais da área de instrumentação s processos industriais exigem controle na fabricação de seus produ- tos. Estes processos são muito variados e abrangem diversos tipos de pro- dutos, como, por exemplo, a fabricação dos derivados do petróleo, produ- tos alimentícios, a indústria de papel e celulose etc. Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter constantes as variáveis do proces- so, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança. No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através de controle manual destas variáveis, utilizando somente instrumen- tos simples (manômetro, termômetro, válvulas manuais etc.), e isto era su- ficiente, por serem simples os processos. Com o passar do tempo, estes fo- ram se complicando, exigindo um aumento da automação nos processos industriais, através dos instrumentos de medição e controle. Enquanto isso, os operadores iam se liberando de sua atuação física direta no processo e, ao mesmo tempo, ocorria a centralização das variáveis em uma única sala. Devido à centralização das variáveis do processo, podemos fabricar produtos que seriam impossíveis por meio do controle manual. Mas, para atingir o nível em que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram gran- des transformações tecnológicas, como: controle manual, controle mecâ- nico e hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrô- nico e atualmente controle digital. Unidade 4 O PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 18 .................... Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos con- tínuos e descontínuos. Em ambos os tipos devem-se manter as variáveis próximas aos valores desejados. O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio existente, sem a intervenção do operador. Para que se possa realizar esta comparação e conseqüentemente a cor- reção, é necessário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle no processo. Este conjunto de unidades forma uma malha de controle, que pode ser aberta ou fechada. Na Figura 1 vemos uma malha fechada, e na Figura 2, uma malha de controle aberta. FIGURA 1 MALHA DE CONTROLE FECHADA FIGURA 2 MALHA DE CONTROLE ABERTA Unidade de medidaProcesso Elemento final de controle Unidade de controle Unidade de medidaProcesso Indicação 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 21 .................... ZONA MORTA É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. SENSIBILIDADE É a mínima variação que a variável pode ter, provocando alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. HISTERESE É o erro máximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente. Expressa-se em percentagem do span do instrumento. Deve-se destacar que a expressão zona morta está incluída na histerese. EXEMPLO Um instrumento com range de 0 a 200ºC e uma zona morta de: 100 0,01% = 0,1 x 200 = ± 0,2ºC EXEMPLO Um instrumento com range de 0 a 500ºC e com uma sensibilidade de 0,05% terá valor de: 100 0,05% = 500 = ± 0,25ºC EXEMPLO Num instrumento com range de –50ºC a 100ºC, sendo sua histerese de ± 0,3%, o erro será 0,3% de 150ºC = ±0,45ºC PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 22 .................... FIGURA 3 INDICADOR REPETIBILIDADE É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da va- riável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em per- centagem do span do instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histerese. FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instru- mentação de acordo com a função que desempenham no processo. Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala gra- duada na qual podemos ler o valor da variável. Existem tam- bém indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou bar- ras gráficas, como podemos observar na Figura 3. Instrumento que registra a variável através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico, como pode- mos observar na Figura 4. A Figura 5 apresenta um instrumen- to que determina o valor de uma va- riável no processo através de um ele- mento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico), cujo valor varia apenas em função da variável do processo. INDICADOR REGISTRADOR FIGURA 4 REGISTRADOR TRANSMISSOR 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 23 .................... Temos na Figura 6 um instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica, caso necessário, estas infor- mações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dis- positivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados. A Figura 7 mostra um instrumen- to que compara a variável contro- lada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida diretamente pelo controlador ou indiretamen- te através do sinal de um trans- missor ou transdutor. TRANSDUTOR FIGURA 5 TRANSMISSOR FIGURA 6 TRANSDUTOR CONTROLADOR FIGURA 7 CONTROLADOR PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 26 .................... QUADRO 2 IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL DOS INSTRUMENTOS EXEMPLO T = Temperatura F = Vazão Como se nota no Quadro 2, pode-se obter combinações possíveis de acordo com o funcionamento dos dispositivos automáticos. R = Registrador V = Válvula P = Pressão L = Nível I = Indicador G = Visor PRIMEIRA LETRA LETRAS SUCESSIVAS Variável medida Letra de modificação Função de leitura passiva Função de saída Letra de modificação Analisador Alarme AlarmeA Queimador (chama) Botão de pressãoB ControladorC Condutibilidade elétrica DiferencialD Densidade ou peso específico Elemento primárioE Tensão (Fem) RelaçãoF Vazão VisorG Medida dimensional Entrada manualH Comando manual Indicação ou Indicador I Corrente elétrica VarreduraJ Potência Cálculos em sistema digital K Tempo ou programa Lâmpada piloto BaixoL Nível Média Médio ou intermediário M Umidade N Vazão molar O Orifício ou restrição Percentual Tomada de impulsoP Pressão IntegraçãoQ Quantidade RegistradorR Remoto Velocidade/ Chave de segurança Interruptor ou chave S Velocidade ou freqüência Transmissão Transmissor T Temperatura Cálculo feito por computador Multifunção MultifunçãoU Multivariável VálvulaV Vibração PoçoW Peso ou força Solenóide / Conversor de sinal Relé ou computador X ou Y Escolha do usuário El. final de controle Z Posição / Deslocamento Alto 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 27 .................... Principais sistemas de medidas Os sistemas podem ser classificados quanto à natureza de suas unidades fundamentais, quanto ao valor dessas unidades e também quanto às re- lações escolhidas na determinação dos derivados. Os principais sistemas são: SISTEMA MÉTRICO DECIMAL Tem como unidades fundamentais o metro, o quilograma e o segundo (MKS) SISTEMA FÍSICO OU CEGESIMAL Tem como unidades fundamentais o centímetro, o grama e o segundo (CGS) SISTEMA INDUSTRIAL FRANCÊS Tem como unidades fundamentais o metro, a tonelada e o segundo (MTS), definidas em função do sistema métrico decimal SISTEMA INGLÊS Tem como unidades fundamentais o pé (foot), a libra (pound) e o segundo (second) Telemetria Chamamos de telemetria a técnica de transportar medições obtidas no processo a distância, em função de um instrumento transmissor. A transmissão a distância dos valores medidos está tão intimamente re- lacionada com os processos contínuos, que a necessidade e as vantagens da aplicação da telemetria e do processamen- to contínuo se entrelaçam. Um dos fatores que se des- tacam na utilização da teleme- tria é a possibilidade de cen- tralizar instrumentos e contro- les de um determinado proces- so em painéis de controle ou em uma sala de controle. VANTAGENS DA TELEMETRIA Os instrumentos agrupados podem ser consultados mais fácil e rapidamente, possibilitando à operação uma visão conjunta do desempenho da unidade Podemos reduzir o número de operadores com simultâneo aumento da eficiência do trabalho Cresce, consideravelmente, a utilidade e a eficiência dos instrumentos em face das possibilidades de pronta consulta, manutenção e inspeção, em situação mais acessível, mais protegida e mais confortável ✔ ✔ ✔ PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 28 .................... Transmissores Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a transmitem, a distância, a um instrumento receptor, indicador, regis- trador, controlador ou a uma combinação destes. Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos. TRANSMISSÃO PNEUMÁTICA Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático va- riável, linear, de 3 a 15psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 a 100% da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associa- ção de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmissão. Por exemplo: de 20 a 100kPa. Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, adotam-se as fai- xas de 0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15psi. O alcance do sinal no sistema métrico é cerca de 5% menor que o si- nal de 3 a 15psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle etc.), sempre utilizando uma mesma norma. Note-se que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim 3psi ou 0,2kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento, comprovando sua correta calibração e detectando vazamen- tos de ar nas linhas de transmissão. Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de tempe- ratura de range de 0 a 2000C e o mesmo mantivesse o bulbo a 00C e um sinal de saída de 1psi, este estaria descalibrado. Se o valor mínimo de saída fosse 0psi, não seria possível fazermos esta comparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual seria incorreto). TRANSMISSÃO ELETRÔNICA Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discre- pâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque tais ins- M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 31 .................... Medição de pressão Unidade 4 PRESSÃO ATMOSFÉRICA É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. No nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760mmHg PRESSÃO RELATIVA PRESSÃO ABSOLUTA É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência É a soma da pressão relativa e atmosférica. Também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto EXEMPLO 3kgf/cm2 ABS 4kgf/cm2 Pressão Absoluta Pressão Relativa IMPORTANTE Ao se exprimir um valor de pressão, deve-se determinar se a pressão é relativa ou absoluta. O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos mede pressão relativa edição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as me- didas de vazão, nível etc. podem ser feitas utilizando-se esse processo. Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área. M A P = F P = Pressão F = Força A = Área PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 32 .................... PRESSÃO NEGATIVA OU VÁCUO É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica PRESSÃO DIFERENCIAL É a diferença entre duas pressões, representada pelo símbolo P (delta P). Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão etc. PRESSÃO ESTÁTICA É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso, por unidade de área exercida FIGURA 12 DIAGRAMA DAS ESCALAS UNIDADES DE PRESSÃO Como existem muitas unidades de pressão, é necessário saber a correspondência entre elas, pois nem sempre na indústria temos instrumentos padrões com todas as unidades. Para isso é necessário saber fazer a conversão, de acordo com a Tabela 2 da página ao lado EXEMPLO Como fazer a conversão de psi para kgf/cm2 10 psi = ? kgf/cm2 1 psi = 0,0703kgf/cm2 10 x 0,0703 = 0,703kgf/cm2 PRESSÃO ABSOLUTA PRESSÃO RELATIVA PRESSÃO ATMOSFÉRICA VÁCUO ABSOLUTO VÁCUO PRESSÃO DINÂMICA OU CINÉTICA É a pressão exercida por um fluido em movimento. É medida fazendo-se a tomada de impulso de tal forma que receba o impacto do fluxo 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 33 .................... Dispositivos para medição de pressão O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários elementos sensíveis, utilizados também por transmissores e con- troladores. Vamos então ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis. Tubo de Bourdon Consiste geralmente em um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência, tendo uma extremidade fechada e a outra aberta à pres- são a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circu- lar, resultando num mo- vimento em sua extre- midade fechada. Esse movimento através da engrenagem é transmi- tido a um ponteiro que vai indicar uma medida de pressão. Quanto ao formato, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas se- guintes formas: tipo C, espiral e helicoidal, con- forme a Figura 13. TABELA 2 CONVERSÃO DE UNIDADES PSI KPA PSI KPA POL H2O mm H2O POL Hg mm HG BARS mBARS kgf/cm 2 gf/cm2 1,0000 0,1450 6,8947 1,0000 27,7020 4,0266 705,1500 102,2742 2,0360 0,2953 51,7150 7,5007 0,0689 0,0100 68,9470 10,0000 0,07030 0,01020 70,3070 10,1972 POL H2O 0,0361 0,2483 1,0000 25,4210 0,0734 1,8650 0,0025 2,4864 0,00250 2,5355 mm H2O 0,0014 0,0098 0,0394 1,0000 0,0028 0,0734 0,0001 0,0979 0,00001 0,0982 POL Hg 0,4912 3,3867 13,6200 345,9400 1,0000 25,4000 0,0339 33,8640 0,03450 34,5320 mm HG 0,0193 0,1331 0,5362 13,6200 0,0394 1,0000 0,0013 1,3332 0,00140 1,3595 BARS 14,5040 100,0000 402,1800 10215,0000 29,5300 750,0600 1,0000 1000,0000 1,01970 1019,7000 mBARS 0,0145 0,1000 0,4022 10,2150 0,0295 0,7501 0,0010 1,0000 0,00100 1,0197 kgf/cm2 14,2230 97,9047 394,4100 10018,0000 28,9590 735,5600 0,9000 980,7000 1,00000 1000,0000 gf/cm2 0,0142 0,0979 0,3944 10,0180 0,0290 0,7356 0,0009 0,9807 0,00100 1,0000 FIGURA 13 TIPOS DE TUBOS BOURDON Tipo HelicoidalTipo EspiralTipo C PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 36 .................... O sensor é formado pelos seguintes componentes: Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube) Armadura móvel (diafragma sensor) A diferença de pressão entre as câmaras de alta (high) e de baixa pres- são (low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor), provocando sua deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circui- to eletrônico, que gera um sinal proporcional à variação de pressão apli- cada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva. Tipo STRAIN GAUGE Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões. O sensor consiste em um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível. Esta montagem deno- mina-se tira extensiométrica, como se pode ver nas Figuras 18 e 19. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido, enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação da força. Da física FIGURA 17 SENSOR CAPACITIVO DIAFRAGMA SENSOR DIAFRAGMA ISOLADOR FLUIDO DE ENCHIMENTO CERÂMICA SUPERFÍCIE METALIZADA VIDRO AÇO PROCESSO PROCESSO 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 37 .................... tradicional sabemos que Pressão = Força/ área. Portanto, ao inserirmos uma pressão na câmara de um sensor strain gauge, sua lâ- mina sofre uma deformação proveniente desta força aplicada. Esta deformação alte- ra o comprimento do fio fixado na lâmina, provocando mudança em sua resistência. A faixa de aplicação deste sensor varia de 2” de H 2 O a 200.000psi, e sua precisão gira em torno de 0,1% a 2% do fim de escala. Tipo piezoelétrico Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato, que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta, e seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, sendo capazes de for- necer sinais de altíssimas freqüências. O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potenci- al elétrico, resultará em uma corresponden- te alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, sendo por isso utilizado em relógios de precisão. A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador e indicada ou convertida em um sinal de saída, para trata- mento posterior. Observe a Figura 20. Como vantagem, esse efeito apre- senta uma relação linear Pressão x Voltagem produzida e é ideal para lo- cais de freqüentes variações de pressão. Sua principal desvantagem é o fato de, em condições estáticas, apresentar redução gradativa de poten- cial, além de ser sensível à variação de temperatura. FIGURA 18 TIRA EXTENSIOMÉTRICA FIGURA 19 TIRA EXTENSIOMÉTRICA FIGURA 20 EFEITO PIEZOELÉTRICO FIO SOLIDARIO À BASE L X NÚMERO DE VOLTAS LÂMINA DE BASE FIO SOLIDÁRIO À BASE PONTO DE APLICAÇÃO DA FORÇA LÂMINA DE BASE (FLÉXÍVEL) F PRESSÃO CRISTAL LÍQUIDO DE ENCHIMENTO DIAFRAGMA AMPLIFICADOR Tome Nota (CC CCC CC COCA 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 41 .................... Escalas de temperatura Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma pa- dronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis, como existia na época, para peso, distância e tempo. As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram a Fahrenheit e a Cel- sius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. A escala Celsius é definida atualmente como o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação “grau centígrado” utilizada anteriormente no lugar de “grau Celsius” não é mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso. Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são totalmente arbitrários. Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atin- gimos um ponto limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente todo mo- vimento atômico, é o zero absoluto de temperatura. Através da extrapolação das leituras do termômetro a gás, pois os ga- ses se liqüefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a tempe- ratura deste ponto na escala Celsius em -273,15°C. Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no zero absoluto de temperatura. Existem duas escalas absolutas atualmente em uso: a escala Kelvin e a Rankine. A escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual a um grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da escala Celsius. A escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga à das escalas relativas: Kelvin 400K (sem o símbolo de grau “°”). Rankine 785R PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 42 .................... FAHRENHEIT PARA KELVIN KELVIN PARA FAHRENHEIT K – 273 = F – 32 95 Conversão de escalas A Tabela 3 compara as escalas de temperaturas existentes. TABELA 3 COMPARAÇÃO DE ESCALAS Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas: ESCALAS DE TEMPERATURA PONTO DE EBULIÇÃO DA ÁGUA PONTO DE FUSÃO DA ÁGUA ZERO ABSOLUTO ESCALAS ABOLUTAS Rankine Kelvin R K 671,67R 373,15K 491,67R 273,15K 0 0 ESCALAS RELATIVAS Celsius Fahrenheit C F 100ºC 212ºF 0ºC 32ºF -273,15ºC -456,67ºF RELAÇÃO ENTRE AS ESCALAS FAHRENHEIT PARA CELSIUS CELSIUS PARA FAHRENHEIT F C C F EXEMPLO O ponto de ebulição do oxigênio é –182,86°C. Exprimir esta temperatura em graus Kelvin e graus Fahrenheit: Graus Celsius para graus Kelvin✔ Graus Celsius para graus Fahrenheit✔ C = F – 32 5 9 F K K F CELSIUS PARA KELVINF K C = F – 32 = K – 273 59 C = K – 273 5 – 182,86 = F – 32 = 297,14F 5 9 K = 273 + (–182,86) = 90,14K 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 43 .................... Normas Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos países, criou- se uma série de normas e padronizações, cada uma atendendo uma dada região. As mais importantes são: NORMAS E PADRONIZAÇÃO Medidores de temperatura por dilatação/expansão Termômetro à dilatação de líquido Os termômetros à dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipien- te fechado. Os tipos podem ser de vidro transparente ou de recipiente metálico. Va- riar conforme sua construção: TERMÔMETROS À DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilida- de desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado na parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termôme- tro no caso de a temperatura ultrapassar seu limite máximo. Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida. Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona. Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico, e o tubo capilar, por um invólucro metálico. A Tabela 4 apresenta o ponto de solidificação e de ebulição desses líquidos, assim como as suas faixas de uso. AMERICANA ANSI ALEMÃ DIN JAPONESA JIS INGLESA BS ITALIANA UNI PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 46 .................... motas e são os mais precisos dos sistemas mecânicos de medição de tem- peratura. Porém, não são recomendáveis para controle devido ao fato de seu tempo de resposta ser relativamente grande (mesmo usando fluido tro- cador de calor entre bulbo e poço de proteção para diminuir este atraso, conforme Figura 23). O poço de proteção permite manutenção do termô- metro com o processo em operação. Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se formem restrições que prejudicariam o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição. Termômetros à pressão de gás Princípio de funcionamento Fisicamente idêntico ao termôme- tro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medi- ção e capilar de ligação entre es- tes dois elementos. O volume do conjunto é cons- tante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pres- são, conforme aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o ele- mento de medição operando como medidor de pressão. Observa-se que as variações de pressão são linear- mente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. Termômetros à dilatação de sólidos (termômetros bimetálicos) Princípio de funcionamento Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. Características de construção O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais com coefici- entes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Varian- do-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é pro- FIGURA 23 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE GÁS CAPILAR BOURDON GÁS BULBO 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 47 .................... FIGURA 25 TERMOPAR porcional à temperatura. Na prática a lâ- mina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, como mostra a Figura 24, o que aumenta bastante a sensibilidade. O termômetro mais usado é o de lâmi- na helicoidal, que consiste em um tubo bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo. Este eixo, por sua vez, recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50oC a 800oC, sendo sua escala bastante linear. Possui precisão na ordem de ± 1%. Medição de temperatura com termopar Um termopar consiste em dois condutores metálicos, de natureza distin- ta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas, conforme mostra a Figura 25. Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de FEM (força eletromotriz), fechando um cir- cuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência. O aquecimento da jun- ção de dois metais gera o aparecimento de uma FEM. Este princípio, co- nhecido por efeito See- beck, propiciou a utiliza- ção de termopares para a medição de tempera- tura. Nas aplicações prá- ticas o termopar apresen- ta-se normalmente con- forme a Figura 25. FIGURA 24 TERMÔMETRO BIMETÁLICO PONTEIRO INDICADOR CAIXA CONEXÃO EIXO ELEMENTO BIMETÁLICO HASTE ESCALA JUNTA DE MEDIDA TERMOPAR BLOCO DE LIGAÇÃO CABO DE EXTENSÃO JUNTA DE REFERÊNCIA GRADIENTE DE TEMPERATURA INSTRUMENTO INDICADOR OU CONTROLADOR PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 48 .................... Efeitos termoelétricos Efeito termoelétrico de Seebeck O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois conduto- res diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura T entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm, e a outra, junta de referência de Tr. A existência de uma FEM térmica AB no circuito é conhecida como efei- to Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida cons- tante, verifica-se que a FEM térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro, conforme se observa na Figura 26. O efeito Seebeck se produz pelo fato de os elétrons livres de um metal diferirem de um condutor para outro, dependendo da temperatura. Quan- do dois condutores diferentes são co- nectados para for- mar duas junções e estas se mantêm a diferentes tempera- turas, a difusão dos elétrons nas jun- ções se produz a rit- mos diferentes. Efeito termoelétrico de Peltier Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz- se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicio- nal de temperatura é o efeito Peltier, que se produz tanto pela corrente pro- porcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico, como está demonstrado na Figura 27. O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente FIGURA 26 EFEITO TERMOELÉTRICO DE SEEBECK A (+) Tm Tr B (–) 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 51 .................... Lei das temperaturas intermediárias A FEM produzida em um circuito termoelétri- co de dois metais ho- mogêneos e diferentes entre si, com as suas junções às temperatu- ras T1 e T3 respecti- vamente, é a soma al- gébrica da FEM deste circuito, com as junções às temperaturas T1 e T2 e a FEM deste mes- mo circuito com as jun- ções às temperaturas T2 e T3. Um exemplo prático da aplicação desta lei é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo ins- trumento receptor de milivoltagem. Correlação da FEM em função da temperatura Visto que a FEM gerada em um termopar depende da composição quími- ca dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura podemos observar uma variação da FEM gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir um gráfico, de correlação entre a temperatura e a FEM (Figura 31). Por uma questão prá- tica, padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta de referên- cia à temperatura de 0ºC. Esses gráficos foram padronizados por diversas normas internacionais e levantados de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatu- ra de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termo- pares mais utilizados. A partir deles podemos construir outros gráficos, relacionando a mili- voltagem gerada em função da temperatura, para os termopares, segun- do a norma ANSI, com a junta de referência a 0°C. FIGURA 30 LEI DAS TEMPERATURAS INTERMEDIÁRIAS 538ºC 38ºC 24ºC A B E1 A B E2 A B E3 PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 52 .................... Tipos e características dos termopares Existem várias combinações de dois metais condutores operando como ter- mopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavel- mente linear entre temperatura e FEM, assim como desenvolver uma FEM por grau de mudança de temperatura que seja detectável pelos equipa- mentos normais de medição. Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de ligas metálicas, desde os mais corriqueiros, de uso industrial, até os mais sofisticados, para uso especial ou restritos a laboratórios. Po- demos dividir os termopares em grupos básicos e nobres. Termopares básicos São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. Nomenclaturas T – Adotado pela Norma ANSI CC – Adotado pela Norma JIS Cu-Co – Cobre-Constantan FIGURA 31 CORRELAÇÃO ENTRE TEMPERATURA E FEM TIPO T mV 70 60 50 40 30 20 10 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800400200 T(ºC) E J T K N R S B 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 53 .................... Liga (+) Cobre 99,9% (–) Constantan São as ligas de Cu-Ni compreendidas no intervalo entre Cu 50% e Cu 65% Ni 35%. A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu 58% e Ni 42%. Características Faixa de utilização: –200°C a 370°C FEM produzida: –5,603mV a 19,027mV Aplicações Criometria (baixas temperaturas) Indústrias de refrigeração Pesquisas agronômicas e ambientais Química Petroquímica Nomenclaturas J – Adotada pela Norma ANSI IC – Adotada pela Norma JIS Fe-Co – Ferro-Constantan Liga (+) Ferro 99,5% (–) Constantan – Cu 58% e Ni 42% Normalmente se produz o ferro a partir de sua característica, casando-se o constantan adequado. Características Faixa de utilização: –40°C a 760°C FEM produzida: –1,960mV a 42,922mV Aplicações Centrais de energia TIPO J PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 56 .................... Nomenclaturas R – Adotada pela Norma ANSI PtRh 13% – Pt Liga (+) Platina 87%, Rhodio 13% (–) Platina 100% Características Faixa de utilização: 0°C a 1.600°C FEM produzida: 0mV a 18,842mV Aplicações As mesmas do tipo S Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de cimento, Cerâmica, Vidro e Pesquisa científica Nomenclaturas B – Adotada pela Norma ANSI PtRh 30% – PtRh 6% Liga (+) Platina 70%, Rhodio 30% (–) Platina 94%, Rhodio 6% Características Faixa de utilização: 600 a 1.700°C FEM produzida: 1,791mV a 12,426mV Aplicações Vidro Siderúrgica Alta temperatura em geral TIPO R TIPO B 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 57 .................... Correção da junta de referência Os gráficos existentes da FEM gerada em função da temperatura para os termopares têm fixado a junta de referência a 0°C (ponto de solidificação da água). Porém, nas aplicações práticas dos termopares a junta de referên- cia é considerada nos terminais do instrumento receptor, encontrando-se temperatura ambiente, que é normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo. Isso torna necessário que se faça uma correção da junta de refe- rência, podendo ela ser automática ou manual. Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente, sendo um dos métodos adotados a medição da temperatura nos terminais do instrumento, através de cir- cuito eletrônico. Este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos ter- minais, uma milivoltagem correspondente à diferença de temperatura de 0°C à temperatura ambiente, conforme apresentado na Figura 32. TABELA 6 IDENTIFICAÇÃO DE TERMOPARES TERMOPAR TIPO EXTENSÃO OU COMPENSA- ÇÃO TIPO MATERIAL DOS CONDUTORES COLORAÇÃO DA ISOLAÇÃO FIGURA 32 CORREÇÃO DA JUNTA DE REFERÊNCIA A (+) T2 B (–) E1 = 19,68 TIPO K B (–) 0ºCE2 = 0,9624ºC A (+) TX JX EX KX WX SX BX NX Cobre Ferro Chromel Chromel Ferro Cobre Cobre Nicrosil Constantan Constantan Constantan Alumel Cupronel Cu/Ni Cobre Nisil Azul Preta Roxa Amarela Branca Verde Cinza Laranja Azul Branca Roxa Amarela Verde Preta Cinza Laranja Vermelha Vermelha Vermelha Vermelha Vermelha Vermelha Vermelha Vermelha Marrom Azul – Verde Verde Branca – – Vermelha Vermelha – Vermelha Vermelha Vermelha – – Marrom Azul – Verde Verde Branca – – Marrom Preto Violeta Verde – Laranja – Rosa Marrom Preto Violeta Verde – Laranja – Rosa Branca Branca Branca Branca – Branca – Branca NORMA AMERICANA ANSI MC – 96.1 – 1982 NORMA ALEMÃ DIN 43710-4 IEC 584-3 POSITIVO NEGATIVO CAPA EXTERNA POSITIVO NEGATIVO CAPA EXTERNA POSITIVO NEGATIVO CAPA EXTERNA POSITIVO NEGATIVO T J E K K S,R B N PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 58 .................... É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferen- ça entre as temperaturas das junções. Então para medirmos a temperatu- ra do ponto desejado, precisamos manter a temperatura da junção de re- ferência invariável. Observe a Figura 33. FEM = JM – JR FEM = 2,25 – 1,22 FEM = 1,03mV 25°C Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada, pois o valor correto que o meu termômetro tem que medir é de 50°C. FEM = JM – JR FEM = 2,25 – 1,22 FEM = 1,03mV + mV correspondente à temperatura ambiente para fazer a compensação automática, portanto: FEM= mV JM – mV JR + mV CA (Compensação Automática) FEM = 2,25 – 1,22 + 1,22 FEM = 2,25mV 50°C A leitura agora está correta, pois 2,25mV correspondem a 50°C, que é a temperatura do processo. Hoje em dia a maioria dos instrumentos faz a compensação da junta de referência automaticamente. FIGURA 33 DIFERENÇA ENTRE AS TEMPERATURAS DAS JUNÇÕES TI + – 25ºC 50ºC M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 61 .................... Medição de nível ível é a altura do conteúdo, que pode ser sólido ou líquido, de um re- servatório. Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através da medição de nível torna-se possível: Unidade 4 Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento Realizar o balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura etc. Manter segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites Métodos de medição de nível de líquido Os três tipos básicos de medição de nível são o direto, o indireto e o des- contínuo. Medição de nível direta É a medição para a qual tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador. N PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 62 .................... RÉGUA OU GABARITO Consiste em uma régua graduada que tem um comprimento conveniente para ser introduzida no reservatório a ser me- dido. Observe a Figura 35. A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimen- to molhado na régua pelo líquido. VISORES DE NÍVEL Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes. O nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhan- do o visor. São simples, baratos, precisos e de indicação direta. Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados, como os da Figura 36. Nessa medição pode-se usar vidro reflex, para produtos escuros sem interfaces, ou vidro transparente, para produtos claros e sua interface. FIGURA 35 RÉGUA FIGURA 36 TANQUES PARA MEDIÇÃO 600 20 400 10 300 0 VISOR TRANSPARENTE VISOR REFLEX PARAFUSO TIPO U CORPO JUNTA DE VEDAÇÃO VIDRO JUNTA ALMOFADA ESPELHO ESPELHO VIDRO CORPO JUNTA DE VEDAÇÃO PORCA Corte dos visores de vidro plano tipo reflex e transparente 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 63 .................... BÓIA OU FLUTUADOR Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extre- midade ligada a um contra- peso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indi- cará diretamente o nível em uma escala. Esta medi- ção é normalmente encon- trada em tanques abertos (Figura 37). Medição de nível indireta Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de gran- dezas físicas como: pressão, empuxo, radiação e propriedades elétricas. MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PRESSÃO HIDROSTÁTICA (PRESSÃO DIFERENCIAL) Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos indiretamente o nível, como mostra a seguir o Teorema de Stevin: Essa técnica permite que a medição seja feita indepen- dente do formato do tanque, seja ele aberto, seja pressu- rizado. Neste tipo de medição, utilizamos um transmissor de pressão diferencial cuja cápsula sensora é dividida em duas câmaras: a de alta (H) e a de baixa pressão (L). FIGURA 38 MEDIÇÃO DE NÍVEL INDIRETA FIGURA 37 BÓIA OU FLUTUADOR P = h. P = Pressão em mm ou polegadas de coluna líquida h = Nível em mm ou em polegadas = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente CORRENTE, CABO OU TRENA BÓIA ESCALA CONTRAPESO INDICADOR DE PRESSÃO (P) DENSIDADE RELATIVA DO LÍQUIDO NA TEMPERATURA AMBIENTE () NÍVEL (h) PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 66 .................... o ar ou gás passará, e um indicador de pressão. Com o nível no máximo, ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso que queremos medir o nível. Teremos então um borbulha- mento bem sensível de ar ou gás no líquido que terá seu nível medido. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente à pressão, devido ao peso da coluna lí- quida. Nota-se que teremos condições de instalar o medidor a distância. FIGURA 42 SISTEMA DE BORBULHADOR MEDIÇÃO DE NÍVEL POR EMPUXO Fundamenta-se no princípio de Arquimedes. A força exercida pelo fluido, no corpo nele submerso ou flutuante, chamamos de empuxo (Figura 43). Baseando-se no prin- cípio de Arquimedes, usa-se um deslocador (displacer), que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmi- tindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade. E = V . PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES 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” “E = Empuxo V = Volume deslocado = Densidade ou peso específico do líquido H L SUPRIMENTO DE AR 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 67 .................... FIGURA 43 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR EMPUXO Através dessa técnica podemos medir nível de interface entre dois lí- quidos não-miscíveis. Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tan- que com dois líquidos diferentes. Este fato ocorre em torres de destilação, tor- res de lavagem, decantadores etc. Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é por meio da variação do empuxo, conforme de- monstraremos a seguir. Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em dois líquidos com pesos específicos diferentes 1 e 2 (Figura 44). Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador será a soma dos empuxos E1 e E2 aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos 1 e 2 , respectivamente. O empuxo será dado por: FIGURA 44 FLUTUADOR De forma cilíndrica Et = E1 + E2 E1 = V1 . 1 E2 = V2 . 2 NÍVEL D’ÁGUA NÍVEL D’ÁGUA 7 0 VÁLVULA DE BLOQUEIO VÁLVULA DE BY-PASS NÍVEL NORMAL DO LÍQUIDO INDICADOR DE SAÍDA INDICADOR DE SUPRIMENTO VÁLVULA DE CONTROLE SUPRIMENTO DE AR 7 kgf/cm2 PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 68 .................... Assim, para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variações de empuxo, como observa- mos na Figura 45. MEDIÇÃO DE NÍVEL POR CAPACITÂNCIA A capacitância é uma grandeza elétri- ca que existe entre duas superfícies condutoras isoladas entre si. O medidor de nível capacitivo mede as possibilidades do capacitor formado pelo eletrodo submergido no líquido em relação às paredes do tanque. A capacidade do conjunto depende do nível do líquido. O elemento sensor, geralmente, é uma haste ou cabo fle- xível de metal. Em líquidos não con- dutores, se emprega um eletrodo nor- mal. Em fluidos condutores, o eletro- do é isolado normalmente com teflon. À medida que o nível do tanque for aumentando, o valor da capacitância aumenta progressivamente devido ao dielétrico ar ser substituído pelo die- létrico líquido. Veja a Figura 46. A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica, sendo este sinal indicado em um medidor. A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato, através de sonda de pro- ximidade. Esta sonda consiste em um disco que compõe uma das placas do capacitor. A outra placa é a própria su- perfície do produto ou a base do tan- que (Figura 47). FIGURA 45 VALORES DE ALTURA De interface FIGURA 46 MEDIÇÃO Por capacitância FIGURA 47 SONDA De proximidade LÍQUIDO 1H2 H1 LÍQUIDO 2 INTERFACE INDICADORAMPLIFICADOR SONDA CAPACITIVA INDICADORAMPLIFICADOR SONDA CAPACITIVA d A M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 71 .................... Medição de vazão medição de vazão inclui, no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um local especí- fico na unidade de tempo; podem também ser incluídos os instrumentos que indicam a quantidade total movimentada, num intervalo de tempo. A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada por uma dessas uni- dades, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m3/hora, galões/ min). No caso de gases e vapores, a vazão instantânea pode ser expressa em kg/h ou em m3/h. Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser especifi- cadas as “condições base” consideradas. Assim, no caso de líquidos, é im- portante indicar que a vazão se considera “nas condições de operação”, ou a 0°C, 20°C, ou a outra temperatura qualquer. Na medição de gases, é co- mum indicar a vazão em Nm3/h (metros cúbicos normais por hora, à tem- peratura de 0°C e à pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos stan- dard por minuto: temperatura 60°F e 14,696 PSIA de pressão atmosférica). Unidade 4 ATENÇÃO PARA ESTAS CONVERSÕES 1 m3 = 1.000 litros 1 galão (americano) = 3,785 litros 1 pé cúbico = 0,0283168m3 1 libra = 0,4536kg A PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 72 .................... Tipos de medidores de vazão Existem dois tipos de medidores de vazão: os de quantidade e os volumétricos. Medidores de quantidade São aqueles que, a qualquer instante, permitem saber a quantidade de flu- xo que passou, mas não a vazão do fluxo que está passando, como por exem- plo as bombas de gasolina, os hidrômetros, as balanças industriais etc. Medidores de quantidade por pesagem São as balanças industriais, utilizadas para medição de sólidos. Medidores de quantidade volumétrica São aqueles que o fluido, ao passar em quantidades sucessivas pelo me- canismo de medição, aciona o mecanismo de indicação. Estes medidores são utilizados como elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros, como por exemplo os da Figura 51: disco nutante, tipo pistão rotativo, tipo pás giratórias, tipo engrenagem etc. FIGURA 51 TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO Tipo Pás Giratórias Disco Nutante Tipo de EngrenagemTipo Pistão Rotativo PARA CONTAGIRO ENTRADA SAÍDA 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 73 .................... Medidores volumétricos São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. Medição de vazão por pressão diferencial A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários, colocados nas tubulações de forma tal que o fluido passe através deles. A sua função é aumentar a veloci- dade do fluido, diminuindo a área da seção em um pequeno compri- mento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então ser medida a partir desta queda. Esse tipo de medição pode ser obser- vado na Figura 52. Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por pressão diferencial é que eles podem ser aplicados a uma grande variedade de medições, envolvendo a maio- ria dos gases e líquidos, inclusive fluidos com sólidos em suspensão, bem como fluidos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que ele causa ao processo, sendo a placa de ori- fício o dispositivo que provoca a maior perda de carga irrecuperável. Rotâmetros São medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do flui- do. Na Figura 53, na página a seguir, pode-se observar um rotâmetro. FIGURA 52 MEDIÇÃO DE VAZÃO Por pressão diferencial Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que passará o fluido a ser medido. A extremidade maior do tubo cônico fica voltada para cima No interior do tubo cônico, um flutuador que se moverá verticalmente em função da vazão medida O ROTÂMETRO É FORMADO POR DUAS PARTES PLACA DE ORIFÍCIO TRANSMISSOR FLANGE DE ORIFÍCIO ✔ ✔ PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 76 .................... Tubo venturi A Figura 56 apresenta o tubo venturi, que combina, dentro de uma uni- dade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas. É usualmente instalado entre dois flanges, numa tubulação, sendo seu pro- pósito acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática. A recuperação de pressão em um tubo venturi é bastante eficiente, como podemos ver na Figura 56. Seu uso é recomendado quando se de- seja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta. FIGURA 55 TIPOS DE ORIFÍCIO ORIFÍCIO CONCÊNTRICO Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão ORIFÍCIO EXCÊNTRICO ORIFÍCIO SEGMENTADO Utilizada quando tivermos fluido com sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada a uso em fluidos laminados e com alta percentagem de sólidos em suspensão Concêntrico Excêntrico Segmentado DRENO RESPIRO 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 77 .................... FIGURA 56 TUBO VENTURI Medidores especiais de vazão Medidor eletromagnético de vazão O medidor magnético de vazão é seguramente um dos mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão (Figura 57). Sua per- da de carga é equivalente à de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à vis- cosidade do fluido de medição. Os medidores magnéticos são ideais para FIGURA 57 MEDIDOR MAGNÉTICO DE VAZÃO TRANSMISSOR GARGANTA RETA CÔNICA TRANSMISSOR SAÍDA SINAL NÚCLEO TUBO ELETRODOS ALIMENTAÇÃO BOMBA PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 78 .................... medições de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água e polpa de papel. Sua aplicação estende-se des- de saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e in- dústrias alimentícias. A única restrição, em princípio, é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Apresenta ainda como limitação o fato de flui- dos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição. Medidor tipo turbina Na Figura 58 apresentamos esse medidor, que é constituído por um rotor montado axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fa- zem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um ímã permanente é montada externamente à trajetória do fluido. Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das lâ- minas do rotor. À medida que cada lâmina passa diante da bobina e do ímã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina. Verifica-se então a indu- ção de um ciclo de tensão alternada. A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velo- cidade do fluido, podendo a vazão ser determinada pela medição/totali- zação de pulsos. FIGURA 58 MEDIDOR TIPO TURBINA PARA TRANSMISSOR ROTOR CONDICIONADOR DE FLUXO 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 81 .................... Castelo Permite a conexão do atuador ao corpo e serve de guia da haste do obtu- rador, acomodando a caixa de engaxetamento. O castelo de uma válvula de controle pode ser do tipo: normal, aleta- do, alongado ou com foles de vedação, como mostram as Figuras 64 a 67. FIGURA 64 CASTELO NORMAL FIGURA 65 CASTELO ALETADO Uso geral para produtos abaixo de 180ºC Utilizado para produtos acima de 180ºC FIGURA 66 CASTELO ALONGADO FIGURA 67 CASTELO COM FOLES Utilizado para produtos abaixo de 5ºC Utilizado para produtos tóxicos e radioativos De vedação FIGURA 62 ATUADOR DIRETO FIGURA 63 ATUADOR INDIRETO No atuador direto, a entrada de ar é pela parte superior No atuador indireto ou reverso, a entrada de ar é pela parte inferior PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 82 .................... Corpo É a parte da válvula que entra em contato com o fluido, acomoda as sedes e permite o acoplamento da válvula à linha de processo. O corpo de uma válvula pode ser classificado como de sede simples ou sede dupla, como mostram as Figuras 68 e 69. FIGURA 68 SEDE SIMPLES FIGURA 69 SEDE DUPLA O corpo é dotado de dois orifícios de passagem e um elemento vedante duplo Baixo custo Fácil manutenção e operação Boa vedação Mais força de atuação devido à pressão que o produto na linha impõe sobre o atuador Instalação de forma que a pressão do produto na linha tende a abri-la PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS Maior custo, porém mais utilizada Menor esforço do atuador Escoamento do fluido por duas passagens distintas Guias de haste no topo e na base Vedação não perfeita (+0,2% a +0,5% de vazamento máximo tolerável) PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ Válvula de controle: ação Após ter sido verificado em quantas partes se divide uma válvula de con- trole, suas funções e como se classifica cada uma delas, estudaremos a partir de agora a válvula de controle como um equipamento (instrumen- to) e a sua ação dentro de uma malha de controle, considerando-se inici- almente qual será o seu posicionamento (aberta ou fechada) em caso de pane em seu sistema de alimentação pneumática ou eletrônica. De acordo com o posicionamento que deverá assumir em relação ao processo, no caso de pane do sistema de alimentação, a válvula poderá ser de ação direta (Ar p/ Fechar ou Falha Abre), ou de ação reversa (Ar p/ Abrir ou Falha Fecha). O corpo é dotado de um orifício de passagem e um elemento vedante simples ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 83 .................... Posicionador O posicionador (veja Figura 70) é considerado o principal acessório de uma válvula de controle. Consiste em um dispositi- vo que transmite a pressão de carga ao atuador, permitindo posicionar a haste da válvu- la no local exato determina- do pelo sinal de controle. VÁLVULA DE AÇÃO DIRETA Como funciona a válvula de ação direta AR PARA FECHAR (A.F.) OU FALHA ABRE (F.A.) ? Com o aumento da pressão de ar na cabeça da válvula, a haste do atuador desloca-se de cima para baixo até provocar o assentamento do obturador na sede, fechando a válvula Com a diminuição da pressão do ar, a haste se deslocará de baixo para cima, abrindo a válvula 1 2 VÁLVULA DE AÇÃO REVERSA Como funciona a válvula de ação reversa AR PARA ABRIR (A.A.) OU FALHA FECHA (F.F.) ? Com o aumento da pressão de ar na cabeça da válvula, a haste do atuador desloca-se de baixo para cima, provocando a abertura da válvula Com a diminuição da pressão do ar, a haste se deslocará de cima para baixo até provocar o assentamento do obturador na sede, fechando a válvula 1 2 FIGURA 70 POSICIONADOR PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 86 .................... Atrasos na malha de controle São os atrasos inerentes à associação de instrumentos, como por exemplo atrasos na medição, na transmissão, dos controladores e do elemento fi- nal de controle. Processo monocapacitivo (processo de 1ª ordem) A Figura 71 mostra um processo de 1ª ordem. Processo bicapacitivo (processo de 2ª ordem) A Figura 72 mostra um processo de 2ª ordem. FIGURA 72 CURVA DE REAÇÃO FIGURA 71 CURVA DE REAÇÃO Temperatura T To Tempo T0 CAPACITÂNCIA MAIOR T1 T2 T3 Capacitância menor PROCESSO 1 PROCESSO 2 OBSERVAÇÃO Capacitância maior Ambas as curvas indicam que a variável começa a aumentar exatamente ao mesmo tempo em que o distúrbio é provocado CAPACITÂNCIA MENOR Atraso menor PROCESSO 1 PROCESSO 2 OBSERVAÇÃO Atraso maior Note que a variável, em vez de mudar imediatamente, começa a subir de forma lenta. Por este motivo, as correções só são aplicadas após um determinado tempo. A resposta deste processo apresenta sempre um atraso em relação à resposta do monocapacitivo Tempo T0 T1 T2 T3 Temperatura (produto saída) T To ATRASO MAIOR ATRASO MENOR 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 87 .................... Processo multicapacitivo Possui mais de duas capacitâncias, porém seu comportamento é similar ao processo bicapacitivo, como podemos notar na Figura 73. Ações de um controlador Controlador de ação direta Sabe-se que o erro é: Supondo set point cons- tante, se a variável controla- da tende a subir, o sinal de entrada da caixa “Modo de Controle” tenderá também a subir, e a cor- reção idem, como mostra a Figura 74. Um controlador é dito de ação direta (AD) quando um aumento de si- nal da variável medida (variável controlada) provoca um aumento do seu sinal de saída. FIGURA 73 DIAGRAMA EM BLOCOS De uma malha de controle fechada FIGURA 74 CONTROLADOR DE AÇÃO DIRETA E = VC – SP Quando VC = SP, o erro é zero (situação de regime ideal) SET POINT ELEMENTO FINAL DE CONTROLE SISTEMA DE MEDIÇÃO MODOS DE CONTROLE + – PROCESSO CONTROLADOR VARIÁVEL MANIPULADA ERRO DISTÚRBIOS CORREÇÃO VARIÁVEL CONTROLADA VARIÁVEL MEDIDA MODOS DE CONTROLE+ – CONTROLADORSET POINT CORREÇÃO VARIÁVEL CONTROLADA PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 88 .................... Controlador de ação inversa (reversa) Sabe-se que o erro é: Supondo set point cons- tante, se a variável controlada tende a subir, o sinal de entrada da caixa “ Modo de Controle” tenderá a descer, e a correção idem, como mostra a Figura 75. Um controlador é dito de ação inversa (AI) quando um aumento de sinal da variável medida (va- riável controlada) provoca uma diminuição do seu sinal de saída. Ações de uma válvula de controle Observe a Figura 76. Devemos pesquisar o melhor conjunto de associa- ção para que se consiga alcançar o controle pretendido. Deve ser consi- derada a situação de segurança para a qual o sistema tem de evoluir no caso de falta de energia. Por exemplo: na ausência de ar, a válvula AA fe- chará, enquanto a válvula AF, na mesma situação, abrirá. FIGURA 75 CONTROLADOR DE AÇÃO INVERSA E = SP – VC Quando VC = SP, o erro é zero (situação de regime ideal) FIGURA 76 AÇÕES DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE CONTROLADORSET POINT CORREÇÃO VARIÁVEL CONTROLADA MODOS DE CONTROLE + – VÁLVULA AA VÁLVULA AF VAZÃOPRESSÃO AA ou FF VAZÃOPRESSÃO AF ou FA 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 91 .................... Controle proporcional Neste controle, a amplitude de correção é proporcional à amplitude do desvio. O elemento final se move para uma determinada posição, para cada valor de desvio. A informação de variação do processo chega ao controlador, onde é constatado o desvio do valor desejado. Neste momento o controlador co- meça a dar uma correção proporcional a este erro, mandando abrir ou fe- char a válvula, para que a variável possa retornar ao valor desejado. Como neste modo de controle a correção é proporcional ao tamanho do erro, a válvula reagirá para determinada posição, que causará uma nova situa- ção de equilíbrio ao processo, diferente da anterior. Após este equilíbrio, verifica-se a presença de um erro final chamado de off-set ou erro de regime. Este erro torna-se limitante para o uso do controlador puramente proporcional. Vale ressaltar que este erro pode ser minimizado e não eliminado automaticamente, o que pode ser feito atra- vés de um ajuste do controlador proporcional. Ajustes de um controlador proporcional Faixa proporcional (ou banda proporcional) Faixa proporcional pode ser definida como a percentagem do range do ins- trumento que corresponde ao curso completo do elemento final de controle. A faixa proporcional é normalmente expressa em percentagem. Por exemplo: se a banda proporcional (BP) é 20%, significa que uma variação de 20% no erro produzirá uma variação de 100% na saída, ou seja, a vál- vula se moverá de totalmente aberta para totalmente fechada ou vice- versa. Se a BP for maior que 100%, não promoverá o curso completo da válvula.Veja a Figura 80. LEMBRE-SE DISSO A redução do off-set se faz possível através da alteração dos ajustes do controlador proporcional, que são ganho ou faixa proporcional. Cabe ressaltar que, através deste ajuste, poderemos minimizar o off-set e não eliminá-lo A eliminação do off-set só é possível, em um controlador puramente proporcional, através de um ajuste manual da saída do controlador. Para isso se faz necessário que passemos a malha de controle de automático para manual e alteremos os valores de saída do controlador de forma a eliminar o desvio deixado pela correção proporcional PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 92 .................... Ganho ou sensibilidade É um outro conceito para expressar a proporcionalidade. Ganho é a rela- ção entre a variação de saída do controlador para válvula e a variação da entrada do controlador (variável). FIGURA 80 FAIXA PROPORCIONAL Quanto maior for o ganho, maior será a variação da saída do instrumento, para uma mesma variação da variável. O instrumento reagirá mais fortemente quanto maior for o seu ganho. Matematicamente, temos: Kc = 1 BP Kc = 100% BP ou Quanto maior for a BP ajustada, menor será o ganho do instrumento e vice-versa. Ver Figura 81, na página ao lado NOTA Kc = s e Quando a BP for em percentual Percentagem da faixa total da escala de medição da variável controlada 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 300% 200% 100% 30 20 Percentagem do curso total do elemento final de controle 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 93 .................... Influência do ajuste da faixa proporcional (ou do ganho) Um ajuste indevido no controlador pode provocar oscilações violentas ou respostas lentas demais. Características do ajuste Quanto maior for o ajuste do ganho, menor será o off-set deixado pela correção, porém maior será a instabilidade (oscilação). Quanto menor for o ajuste do ganho, menor será a instabilida- de (oscilação), porém maior será o off-set deixado pela correção. Nota-se que o erro aumenta, apesar de o controlador agir cor- retamente. Significa que o con- trolador está agindo em demasia, levando o processo a uma “insta- bilidade” (Figura 82). FIGURA 81 RESPOSTA DE UM CONTROLADOR PROPORCIONAL FIGURA 82 AJUSTE INSTÁVEL PONTO DE AJUSTE Kc GRANDE Kc MÉDIO Kc PEQUENO Variável controlada Tempo (minutos) Vc t PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 96 .................... Características do ajuste: Quanto maior “R”, mais rápida será a correção, devido à ação integral Quanto menor o “Ti”, mais rápida será a correção, devido à ação integral Quando se altera o valor do ganho em um controlador P + I, alteram- se simultaneamente as correções do modo proporcional e integral Quando se altera “R” ou “Ti”, altera-se somente a correção do modo integral Para se eliminar a ação integral, leva-se o “Ti” para o valor máximo Controle proporcional + derivativo Resulta da associação entre o controlador proporcional e o derivativo. O modo derivativo acarreta uma correção proporcional à velocidade do desvio . Quando a variável se afasta do set-point, o modo derivativo faz com que a saída varie mais do que ocorreria somente com o modo proporcional. Como conseqüência, a variável tende a se aproximar mais rapidamente do set-point. Quando a variável está retornando ao set-point, o modo de- rivativo exerce uma ação contrária, reduzindo as eventuais oscilações e diminuindo o tempo de estabilização, diferente do que se houvesse somen- te a correção proporcional. O efeito estabilizante do modo derivativo permite que se utilize uma faixa proporcional menor, ocasionando um off-set menor. Note-se, entretanto, que o modo derivativo não é capaz de eliminar o off-set, visto que não exerce qualquer ação quando se tem um desvio per- manente (Figura 86). LEMBRE-SE DISSO O controlador P + I possui dois parâmetros de ajuste: o ganho (ou faixa proporcional) e a taxa de reset (ou tempo integral). Ambos ajustáveis por botões existentes no instrumento Da mesma maneira que no caso da ação proporcional, existe o perigo de oscilações, quando a ação integral é exagerada A ação integral aumenta o tempo de estabilização. Por isso, ela deve ser corretamente ajustada para que se possa obter um controle preciso com o menor tempo de estabilização O controlador P + I, em geral, pode ser utilizado para controlar a maioria das grandezas físicas (variáveis) normalmente encontradas em processos industriais 4 M o n i t o r a m e n t o e c o n t r o l e d e p r o c e s s o s PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 97 .................... Ajuste de um controlador derivativo Tempo derivativo É definido como o tempo em minutos em que o modo derivativo adianta o efeito do modo proporcional. Quanto maior o tempo derivativo (Td), mais forte é a ação derivativa. Este tempo é expresso em minutos. Características do ajuste: Quando o Td tende a zero, vai-se inibindo a ação derivativa A ação derivativa pode ser considerada como um amortecimento para a resposta da variável controlada Quando se altera o valor do ganho em um controlador P + D, alteram- se simultaneamente as correções do modo proporcional e derivativo Para se eliminar a ação derivativa, leva-se Td para zero FIGURA 86 CONTROLADORES PROPORCIONAL + DERIVATIVO LEMBRE-SE DISSO O controlador P + D possui dois parâmetros de ajuste: o ganho (ou faixa proporcional) e o tempo derivativo, ambos ajustáveis por botões existentes no instrumento Tem uso limitado na prática industrial, visto que, embora o modo derivativo tenha efeito estabilizante devido à sua característica de se opor às variações, o off-set não é eliminado O controlador P + D é mais utilizado em processos de variações lentas. Sua aplicação resulta em respostas mais rápidas PONTO DE AJUSTE Variável controlada Td PEQUENO Tempo (minutos) Td MÉDIO Kc CONSTANTE Td GRANDE ERRO PETROBRAS ABASTEC IM EN TO S E N A I 98 .................... Controle proporcional + integral + derivativo Resulta da associação dos três tipos de controle. Combinam-se dessa ma- neira as vantagens de cada um dos modos de controle. A vantagem de se incluir a ação derivativa no controlador P + I pode ser vista na Figura 87. FIGURA 87 COMPARAÇÃO DOS CONTROLADORES Proporcional, proporcional + integral, e proporcional + integral + derivativo Note que, com o P + I + D, o processo se estabiliza mais rapidamente e temos um desvio máximo reduzido NOTA LEMBRE-SE DISSO O controlador P + I + D tem três parâmetros de ajuste: • Ganho ou faixa proporcional • Taxa de reset ou tempo integral • Tempo derivativo Utilizado quando se deseja uma grande rapidez de correção, ausência de off-set, aliados a um desvio máximo reduzido Em geral, não há necessidade de ação derivativa no controle de nível e pressão No caso de vazão, utilizam-se os modos proporcional e integral. A adição do modo derivativo em vazão se torna contraproducente O modo derivativo é adicionado normalmente no controle de temperatura por ser considerado uma variável de reação lenta Variável controlada PROPORCIONAL + INTEGRAL Tempo (minutos) PROPORCIONAL + INTEGRAL + DERIVATIVO PONTO DE AJUSTE PROPORCIONAL