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Josafá Ferreira Leão Técnico de Instrumentação e Automação Industrial Instrutor Autônomo Rede Industrial Professor de Inglês josaleao@yahoo.com.br
Índice 1. Apresentação.................................................................................................. 4 1.1 Objetivo..................................................................................................... 5
1.2 Material de Referência............................................................................. 6 2. Introdução.......................................................................................................11 3. Módulo I 3.1 Noções de Eletrônica Básica 3.2 Unidades de medida de resistência, tensão e corrente......................... 12 3.3 Tensão Alternada................................................................................... 12 3.4 Tensão Contínua.................................................................................... 13 3.5 Corrente Alternada e Corrente Contínua................................................ 14 3.6 Resistor...................................................................................................15 3.7 Diodo...................................................................................................... 19 3.8 Como fazer leitura de tensão e corrente................................................ 21 3.9 Lei de Ohm............................................................................................. 21 3.1 0 Eletromagnetismo................................................................................. 23 3.1 0 Sinal Analógico..................................................................................... 24 3.11 Sinal Digital........................................................................................... 24 3.12 Cabo Instrumentação............................................................................ 24 3.13 Potênciometro....................................................................................... 26 3.14 Escala de Temperatura......................................................................... 28 3.15 Conversão de Escalas........................................................................... 29 4.Termometria 4.1 Definição de termometria, sensores de temperatura e termostato.......... 31 4.2 Tipos de sensores de temperatura........................................................... 31 4.3 Fios e cabos de compensação................................................................. 34 4.4 Termostato Mecânico............................................................................... 35 4.5 Termostato Digital.................................................................................... 35 4.6 Tabela de PT100...................................................................................... 36 4.7 Tabela de Termopar................................................................................. 37 4.8 Transmissor de Temperatura................................................................... 38
5. Pressão 5.1 Definição de pressão............................................................................. 40 5.2 Manômetro............................................................................................. 41 5.3 Princípio de funcionamento do manômetro........................................... 42
5.4 Tipos de pressão................................................................................... 43 5.5 Tabela conversão de Pressão............................................................... 44 5.6 Transmissor de Pressão........................................................................ 45 5.7 Princípio de funcionamento transmissor de pressão............................. 45 5.8 Pressostato............................................................................................ 48 5.9 Princípio de funcionamento pressostato................................................ 50 6. Vazão 6.1 Definição de vazão................................................................................. 51 6.2 Medidor de Vazão.................................................................................. 52 6.2 Princípio de funcionamento medidor de vazão...................................... 53 7. Pirometria 7.1 Definição de Pirometria....................................................................... 54 7.2 Princípio de funcionamento pirômetro óptico...................................... 55 8. Módulo II 8.1 Opacímetro…………………………………………………………………….58 8.2 Definição de Opacímetro......................................................................... 59 9. Válvula solenoide 9.1 Definição de válvula solenóide................................................................ 60 9.2 Princípio de funcionamento válvula solenóide ação direta...................... 62 9.3 Princípio de funcionamento válvula solenóide ação indireta................... 64 10. Sensor 10.1 Definição de sensor............................................................................... 68 10.2 Princípio de funcionamento do sensor................................................... 69 11. Célula de Carga 11.1 Tipos de célula de carga....................................................................... 70 11.2Princípio de funcionamento célula de carga.......................................... 70 12. Analisadores de gases 12.1 Definição de analisadores de gases...................................................... 72 12.2 Princípio de funcionamento analisadores de gases.............................. 73 13. Módulo III
13.1 Relé (Switch) 13.2 Definição de Relé.................................................................................. 77 13.3 Princípio de funcionamento do Relé..................................................... 78 14. LED 14.1 Definição de LED................................................................................... 80 15. Sensor Fotoelétrico 15.1 Definição de Sensor Fotoelétrico .......................................................... 82 15.2 Princípio de funcionamento sensor fotoelétrico..................................... 83 16. Sensor Ultrassônico 16.1 Definição de Sensor Ultrassônico............................................................. 84 16.2 Princípio de funcionamento Sensor Ultrassônico..................................... 85 17. Taco gerador 17.1 Definição de Tacogerador........................................................................ 86 17.2 Princípio de funcionamento Tacogerador................................................ 87 18. CLP............................................................................................................ 88 19. Supervisório................................................................................................89 20. Estudo de Caso.......................................................................................... 92 21. Exercicios................................................................................................... 93 22. Apêndice..................................................................................................... 94
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Apresentação
Pense em uma indústria. Uma fábrica de bebidas, por exemplo. Imagine que esta fábrica produz 10 tipos diferentes de bebidas, cada uma com sua receita: água, aromatizantes, corantes, acidulantes, conservantes, etc., cada qual com sua proporção correta em cada garrafa. Como fazer para que cada garrafa de um mesmo sabor seja fabricada igual à anterior? Como fazer para que a quantidade de bebida seja sempre igual, mas os sabores não sejam misturados? E como podemos fazer tudo isso? Utilizando a Instrumentação Industrial. Instrumentação Industrial é a ciência que estuda, desenvolve e aplica instrumentos para medir, transmitir, indicar, registrar e controlar variáveis de processos industriais. Agora você já deve ter uma ideia da finalidade da Instrumentação Industrial: medir grandezas para controlar processos.
E que é um Processo? Processo é toda operação ou sequência de operações unitárias que envolvam uma ou mais alterações (físicas, químicas ou biológicas) na substância em tratamento e que resultará num produto final desejado. O uso da instrumentação industrial nos processos industriais visa: 1. 2. 3. 4. 5.
A obtenção de produtos de melhor qualidade com menor custo e menor tempo; Aumentar a produção e o rendimento; Obter e fornecer dados seguros da matéria prima e quantidade produzida; Reduzir a agressão ao meio ambiente; Substituir o homem em tarefas repetitivas afastando-o, também, de ambientes agressivos;
1.1 Objetivo O curso de Instrumentação Básica tem como objetivo capacitar os participantes mostrando e identificando os principais instrumentos de campo utilizados nos processos industriais apresentando a definição geral , o princípio de funcionamento básico e as principais aplicações destes instrumentos que fazem parte do setor de Instrumentação Industrial.
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Introdução
Todo processo deve ser controlado para que se possa se certificar que as etapas do processo estão sendo feitas de acordo com o que foi planejado. Na instrumentação industrial as variáveis de controle dos processos são: Pressão, temperatura, vazão, nível, umidade, velocidade, tensão e todas as grandezas físicas ou químicas que devem ser monitoradas e controladas. Nas Indústrias de médio e grande porte o setor de Instrumentação faz parte da Área de Manutenção junto com Setor de Elétrica e Setor de Mecânica.
Fig.1 Unidade Industrial 3.
Módulo I
3.1
Noções de Eletrônica Básica
3.2
Unidades de medida de resistência, tensão e corrente
As principais unidades de medida utilizadas na eletrônica são:
● ● ● ● 3.3
Resistência: Ohms (Ω) , KΩ, MΩ Tensão: Volt (V) , mV, (ddp) Corrente: I (A) , mA Potência Elétrica: Watts
Tensão Alternada
O que é tensão alternada? A tensão alternada é uma tensão que varia sua polaridade conforme a passagem do tempo, oscilando entre um valor de pico num determinado espaço de tempo. Com uma frequência de 60Hz. Para indicar que uma tensão é alternada utilizamos o símbolo AC , Exemplo 220VAC .
A simbologia é
Fig. 4 Gráfico tensão VAC 3.4
Tensão Contínua
É aquela que não varia sua intensidade e sentido em função do tempo. Para indicar que uma tensão é contínua utilizamos o símbolo DC. Exemplo 24VDC.
A simbologia é .
Fig.5 Gráfico tensão VDC
3.5
Corrente alternada e Corrente contínua
Corrente elétrica é a movimentação de elétrons que é gerada ao ser aplicada uma determinada tensão a um determinado circuito ou carga. Corrente Alternada È aquela que varia sua intensidade e sentido em função do tempo, devido a tensão aplicada a uma determinada carga. Para indicar uma corrente alternada utilizamos o símbolo CA. Corrente Contínua È aquela que não varia sua intensidade e sentido em função do tempo, devido a tensão aplicada a uma determinada carga. Para indicar uma corrente contínua utilizamos o símbolo DC.
Fig.6 Esquema elétrico corrente DC e AC
3.6
Resistor
Resistor é um dispositivo elétrico muito utilizado em eletrónica, ora com a finalidade de transformar energia elétrica em energia térmica por meio do efeito joule, ora com a finalidade de limitar a corrente elétrica em um circuito. Resistores são componentes que têm por finalidade oferecer uma oposição à passagem de corrente elétrica, através de seu material. A essa oposição damos o nome de resistência elétrica ou impedância, que possui como unidade o ohm. Causam uma queda de tensão em alguma parte de um circuito elétrico, porém jamais causam quedas de corrente elétrica, apesar de limitar a corrente. Isso significa que a corrente elétrica que entra em um terminal do resistor será exatamente a mesma que sai pelo outro terminal, porém há uma queda de tensão. Utilizando-se disso, é possível usar os resistores para controlar a corrente elétrica sobre os componentes desejados. Os resistores podem ser fixos ou variáveis. Neste caso são chamados de potenciômetros ou reostatos. O valor nominal é alterado ao girar um eixo ou deslizar uma alavanca. Um resistor ideal é um componente com uma resistência elétrica que permanece constante independentemente da tensão ou corrente elétrica que circula pelo dispositivo. O valor de um resistor de carbono pode ser facilmente identificado de acordo com as cores que apresenta na cápsula que envolve o material resistivo, ou então usando um ohmímetro. Alguns resistores são longos e finos, com o material resistivo colocado ao centro, e um terminal de metal ligado em cada extremidade. Este tipo de encapsulamento é chamado de encapsulamento axial. Os resistores são utilizados como parte de um circuito eléctrico e incorporados dentro de dispositivos microeletrônicos ou semicondutores. A medição crítica de um resistor é a resistência, que serve como relação de tensão para corrente é medida em ohm, uma unidade SI. Um componente tem uma resistência de 1 ohm se uma tensão de 1 volt no componente fizer com que percorra, pelo mesmo, uma corrente com a intensidade de 1 ampère, o que é equivalente à circulação de 1 coulomb de carga elétrica, aproximadamente 6.241506 x 1018 elétrons por segundo. Qualquer objeto físico, de qualquer material é um tipo de resistor. A maioria dos metais são
materiais condutores, e opõe baixa resistência ao fluxo de corrente elétrica. O corpo humano, um pedaço de plástico, ou mesmo o vácuo têm uma resistência que pode ser mensurada. Materiais que possuem resistência muito alta são chamados isolantes ou dielétricos.
Fig. 7 Resistor
Os resistores que estão no mercado normalmente estão disponíveis em versões de 1/2 watt, 1/4 watt, 1/8 watt,1 Watt.
Fig. 8 Potências dos resistores
Fig.9 Resistor SMD
Para decodificar o valor do resistor através das suas listras de cores (ou bandas) primeiramente posicione o resistor a sua frente com a listra da tolerância para o lado direito, observe também que a imagem abaixo trata de resistores com 4 e 5 listras. Primeiramente vamos falar da listra de tolerância de um resistor, que sempre será a última da esquerda para a direita no caso de resistores de 4 e 5 listras. Essa medida significa o quanto o valor declarado em ohms do resistor pode variar para mais ou para menos. Por exemplo um resistor de 100ohms com tolerância de 5% pode ter um valor entre 95 ohms e 105 ohms. Vamos falar multiplicador que sempre será a penúltima listra da esquerda para a direita no caso dos resistores de 4 e 5 listras. Esse valor será multiplicado pelo valor das listras antes dele. E para encontrar o valor de cada listra é só substituir conforme a tabela de cores. Por exemplo o primeiro resistor da imagem abaixo (4 listras), partindo da esquerda para a direita a sua primeira listra é verde, e conforme a tabela de cores verde vale 5, a segunda listra é azul que vale 6 como ele é um resistor de 4 listras a terceira listra (penúltima) é o multiplicador, e é alaranjada e vale 1000 então o valor desse resistor é 56 x 1000 que é igual a 56.000 ohms ou 56K ohms. E como a última listra (tolerância) é dourada ele é um resistor com uma tolerância de 5%. O segundo resistor da imagem abaixo (5 listras), partindo da esquerda para a direita a sua primeira listra é amarela, e conforme a tabela de cores amarelo vale 4, a segunda listra é roxa que vale 7 a terceira listra é preta que vale 0 e a quarta listra (penúltima) que é o multiplicador é vermelha e vale 100 então teremos 470 x 100 que é igual a 47.000 ohms ou 47K ohms. E como a última listra (tolerância) é marrom ele é um resistor com uma tolerância de 1%. Ufa!
Fig. 10 Tabela de cores de resistores
3.7
Diodo
O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente o atravesse num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como na figura abaixo. O termo "diodo" é habitualmente reservado a dispositivos para sinais baixos, com correntes iguais ou menores a 1 A.
Fig.6 diodo O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo está diretamente polarizado e aberta quando o diodo está inversamente polarizado).
Fig. 7 Polarização Diodo Retificação da tensão é o processo de conversão da tensão alternada para tensão contínua, usando uma ponte de diodos e um capacitor. .No retificador de onda completa tensão de entrada (V1) pode ser tanto a tensão da rede como a do secundário de um transformador. Observando a tensão senoidal aplicada na entrada, pode-se perceber que, durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, os diodos D2 e D4 estão polarizados diretamente e os diodos D1 e D3 cortados. As oscilações que aparecem na tensão sobre a carga, denominam-se “ripple”. Este ripple de tensão pode ser reduzido com a inclusão de um filtro capacitivo, normalmente um capacitor eletrolítico de alto valor em paralelo com a carga.
Uma das poucas desvantagens do retificador em ponte é a queda de tensão adicional por causa do uso de mais diodos, pois enquanto o retificador com derivação central perde apenas 0,7 V com relação à onda de entrada, no retificador em ponte os diodos consomem 1,4 V da tensão inicial. As vantagens do retificador em ponte são saída em onda completa, tensão ideal de pico igual à tensão de pico do secundário e não necessitar do enrolamento secundário com tomada central. Essas vantagens fizeram do retificador em ponte o projeto mais popular de retificador. Muitos equipamentos usam o retificador em ponte para converter a tensão CA da linha em uma tensão CC adequada ao uso dos dispositivos semicondutores
Fig. 8 Ponte de Diodo retificador
3.8
Como fazer uma leitura de tensão e corrente
Para medir uma tensão utilizamos as pontas de provas positivas e negativas do multímetro e fazemos a leitura em paralelo com a carga sem precisar abrir o circuito.Para medir uma corrente utilizamos as pontas de prova positivas e negativas do multímetro e fazemos uma leitura em série com a carga precisando abrir o circuito.
Fig. 9 Leitura de Tensão e Corrente 3.9 Lei de Ohm A Lei de Ohm, assim designada em homenagem ao seu formulador, o físico alemão Georg Simon Ohm (17891854), afirma que, para um condutor mantido à temperatura constante, a razão entre a tensão entre dois pontos e a corrente elétrica é constante. Essa constante é denominada de resistência elétrica. A lei de Ohm é provavelmente a mais importante no estudo da eletricidade, isto porque ela relaciona diretamente tensão, corrente e resistência. Pode ser aplicada em qualquer circuito DC ou AC. A lei de ohm é expressa por:
V = R. I
R=
V I
I=
V R
Onde: V= tensão R = Resistência I = Corrente Exercício Resolvido 1. Ao ser estabelecida uma tensão de 50V entre os terminais de um resistor, estabelece-se uma corrente elétrica de 5A. Qual a resistência entre os terminais?
V = 50V
Resposta:
R=
V I
R=
50 5
R= 10 Ω
I= 5A R= ?
Potência Elétrica Uma grandeza que é muito utilizada em cálculos de circuitos elétricos é a potência, que pode ser definida como a transformação de uma energia, o trabalho realizado num intervalo de tempo, ou a energia elétrica consumida num intervalo de tempo. Seria, portanto , a rapidez com que a tensão realiza o trabalho de deslocar os elétrons pelo circuito elétrico. De modo que a potência para as cargas puramente resistivas é igual ao produto da tensão pela corrente. A unidade de medida da potência é o watt.
P = V.I
Onde: P = Potência em watt, V= Tensão em volts, I = Corrente em ampère A expressão de potência pode ser combinada com a lei de ohm, criando importante variações. P = V.I → Expressão em potência, V = R.I → Expressão em lei de Ohm Substituindo a variável V na primeira expressão: P = R.I.I → P = R. I 2
P=
V R
V2 R
→P=
Exercício Resolvido 2. Num condutor, a ddp entre seus terminais está medindo 10 V e a leitura de corrente que o atravessa é 2A. Calcule a potência no condutor. V = 10 e I = 2ª
P?
P = V. I temos P = 10. 2 → P = 20W Resposta: A potência no condutor é de 20W
3.10
Eletromagnetismo
No estudo da Física, o eletromagnetismo é a teoria unificada desenvolvida por James Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo. Esta teoria baseia-se no conceito de campo eletromagnético. O campo magnético é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é resultado da corrente elétrica. O campo magnético pode resultar em uma força eletromagnética quando associada a ímãs. A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão). Semelhantemente, a variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre campo elétrico e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo eletromagnético.
Fig.10 Eletroímã 3.11
Sinal analógico
O que é um sinal analógico? Sinal analógico é um circuito fechado onde circula uma corrente de 0 a 20mA ou 4 a 20 mA. Utilizado nos cartões de CLP trabalhando numa faixa variável continua aumentando ou decrescendo esses valores de corrente que podem ser entrada ou saída analógica.
3.12
Sinal Digital
Sinal Digital é um circuito fechado que utiliza tensão fixa 5VDC, 12VDC e 24VDC ou seja são valores fixos de tensão sem variação utilizado nos cartões de CLP para fazer uma comunicação de qualquer dispositivo de controle de campo que possua uma saída digital ou entrada digital para comunicação de contato seco com o CLP.
3.13
Cabo de instrumentação
O cabo de instrumentação blindado é uma cabo especial que é coberto por uma malha isolante de alumínio que isola a interferência eletromagnética existente nos cabos elétricos que passam próximo deles. O cabo de instrumentação mais usado é o cabo blindado 3X1,5 mm.
Fig. 11 Cabo de Instrumentação 3x1,5mm
Fig. 12 Detalhes cabo de instrumentação
3.14
Potenciômetro
Potenciômetro é um componente eletrônico que possui resistência elétrica ajustável. Normalmente, é um resistor de três terminais onde a conexão central é deslizante e manipulável. Se todos os terminais são usados, ele atua como um divisor de tensão.
Existem no mercado, potenciômetros confeccionados com substrato em fio e carvão condutivo, a depender da corrente elétrica que circula nestes. Há potenciômetros cujo giro é de 270 graus e outros de maior precisão chamados multivoltas. Em relação à curva de resposta em função do ângulo de giro do eixo, existem alguns tipos de potenciômetros, dentre os quais os mais comuns são os lineares (sufixo B ao final do código) e os logarítmicos (sufixo A ao final do código comercial do valor), mas existem outros tipo como por exemplo o exponencial. Exemplo de especificação de potenciômetro linear: 50 KΩ, ou seja, de 50.000 ohms, linear. A resistência de um potenciômetro é medida em ohms, e normalmente a resistência informada em um potenciômetro é a sua resistência máxima, em ohms. Por exemplo se você comprar um potenciômetro de 10K ohms, os 10k ohms são sua resistência máxima, e teoricamente ele pode variar sua resistência de um pouco mais de 0 até 10k ohms. As formas comuns de se ligar um potenciômetro que também ilustram o seu funcionamento são mostradas abaixo. Neste caso vamos tomar como exemplo um potenciômetro linear de 10K ohms.
Potenciômetro 1: está com os terminais 1 e 2 ligados, neste caso ele varia sua resistência entre 0 ohm e 10 k ohms, nessa ligação quando você gira o eixo para a esquerda ele diminui a sua resistência e quando você gira para a direita aumenta a sua resistência. Potenciômetro 2: está com os terminais 2 e 3 ligados, neste caso ele varia sua resistência entre 0 ohm e 10 k ohms, nessa ligação quando você gira o eixo para a esquerda ele aumenta a sua resistência e quando você gira para a direita diminui a sua resistência. Potenciômetro 3: a resistência é fixa, no caso 10k ohms. Mesmo se você girar o eixo para qualquer lado a resistência não varia. Vamos então conhecer o potenciômetro por dentro. Observe que o terminal do meio é ligado a um cursor que varia sua posição, ao se girar o eixo, sobre um material resistivo, variando assim a sua resistência.
Os potenciômetros são muito utilizados em circuitos de baixa tensão e corrente, devido a sua baixa potência que normalmente vai de 0,25w a 1w. Se você necessitar de um pouco mais de potência pode usar um potenciômetro de fio, que pode suportar comumente 4w. Existem diversos formatos de potenciômetros, os principais são: potenciômetro de eixo giratório, que é muito comum e sua resistência é ajustada girando o seu eixo.
potenciometro deslizante, muito usados em mixers de DJs, sua resistência é ajustada deslizando o seu pino. trimpot, geralmente usado dentro dos equipamentos eletrônicos, não acessível ao usuário, e sua resistência é ajustada usando uma chave de fenda ou philips bem pequena. Potenciômetro digital, que é um chip, não são controlados mecanicamente, e o ajuste da sua resistência é feito através de sinais digitais, de um microcontrolador por exemplo. potenciometro deslizante, bastante utilizado em mixers de DJs, sua resistência é ajustada deslizando o seu pino.
trimpot, geralmente utilizado dentro dos equipamentos eletrônicos, não acessível ao usuário, e sua resistência é ajustada usando uma chave de fenda ou philips pequena.
3.15
Escalas de Temperatura
Escala Celsius Utiliza-se a água como referência de escalas de temperatura . A escala Celsius possui o ponto zero na temperatura que a água congela que é 100 na temperatura que a água ferve. As medições de temperatura são feitas em graus Celsius (°C).
Escala Fahrenheit Conforme descoberto por Daniel Gabriel Fahrenheit o ponto zero, a temperatura de congelamento de uma mistura de água e sal e o ponto máximo (96) a temperatura de um homem sadio. Desta forma o congelamento da água pura ocorre em 32° Fahrenheit (F) e a ebulição em 212°F.
Escala Kelvin William Tompson (conhecido como Lord Kelvin) estudou o comportamento do gases, e descobriu que a menor temperatura que um corpo poderia atingir, que seria equivalente a -273°C. A partir daí ficou fixado o ponto zero de sua escala. Criando assim o que chamamos de escala absoluta, pois utiliza um fenômeno universal como referência. Nela a água congela em 273 Kelvin (K) e ferve a 373 K - repare que não utilizamos graus, pois esta é a escala absoluta e não uma comparação entre fenômenos como as outras escalas.
3.16
Conversão de Escalas
Celsius para Kelvin, Kelvin para Celsius A diferença entre as escalas Celsius (C) e Kelvin (K) é o ponto 0. Então para fazermos a conversão basta somar 273:
K=C+273 Ex: Converta 37°C para a escala Kelvin. K = C + 273 C = 37°C K = 37 + 273 K = 310K C = K – 273 Ex: Converta 273ºK para ºC. C = K – 273 C = 273 – 273 C = 0ºC
Celsius para Fahrenheit para Celsius Fahrenheit, Ao verificar a figura vemos que a diferença entre os pontos de fusão e de ebulição da água representam a mesma variação de temperatura. Então teremos:
F=1,8C+32 Ex: Converter 37°C para a escala Fahrenheit. F=1,8⋅37+32 F=66,6+32 F=98,6 Ex.: Converter 95°F para a escala Celsius: C=
95−32 1,8
C=
63 1,8
C=35 4
Termometria
4.1
Definição de Termometria, sensor de temperatura e termostato
Termometria - é o controle e medição de temperatura utilizado tanto nos processos de fabricação como nas máquinas e equipamentos de um determinado processo industrial. Esse controle e medição é feito através de sensores de temperatura e termostatos. Sensor de Temperatura – é um instrumento que de acordo com a variação de temperatura ele varia a resistência interna ou a milivoltagem, que por sua vez é interligado a um equipamento que interpreta esses valores e informa para o CLP e o sistema supervisório. Termóstato – é um bulbo de mercúrio interligado a um switch que ao aumentar ou diminuir a temperatura ele aciona esse switch de acordo com a temperatura que foi ajustada para o mesmo atuar, enviando essa informação para o CLP ou sistema supervisório.
4.2
Tipos de sensores de Temperatura
Os sensores de temperatura mais utilizados nos processos industriais são o PT100, termopar. O PT100 é um instrumento de medição de temperatura que ao haver uma variação de temperatura ele varia a resistência interna.
Fig.13 PT100 O termopar é um instrumento formado pela junção de cromo/níquel/alumínio, ou seja, a junção de três tipo de materiais diferentes que ao aquecer essa junção ele gera em sua extremidade uma diferença de potencial ou milivoltagem.
Fig.14 Termopar
Fig. 14 Tipos de Termopares
4.3
Fios e Cabos de compensação
São cabos termoelétricos com ligas diferentes daquelas que compõem o termopar, mas que tem um comportamento termoelétrico muito próximo ao do termopar , nas faixa de temperatura que o mesmo irá trabalhar. Cada tipo de termopar tem um cabo de compensação específico para interligação do sensor ao transmissor de temperatura. Esses cabos são especiais apresentam uma baixíssima resistência e impedância.
Fig. 15 Relação de cabos para termopares 4.4
Termostato Mecânico
O termóstato mecânico é mais comumente usado em equipamentos pequenos onde não há espaço suficiente para instalação de um um PT100 ou Termopar.
Fig.16 Termóstato mecânico
4.5
Termóstato Digital
Termóstato digital opera da mesma maneira que o termostato mecânico porém esse mesmo utiliza um dispositivo chamado termistor, uma espécie de resistor que varia a resistência conforme a elevação da temperatura, essa variação é interpretada pelo circuito electrónico que pode ser configurado para tomar alguma ação como por exemplo acionar um relé. Termostatos Digitais apresentam uma ligeira vantagem em relação aos mecânicos por oferecerem suporte a programação e a temporização de ações, além de ter durabilidade e confiabilidade maiores.
Fig.17 Termostato Digital
4.6
Tabela de PT100 Tabela de PT100 variação de temperatura -200°C a 660 °C.
Fig. 18 Tabela de PT100 Qual a temperatura em graus Celsius para uma resistência de 115,93 Ohms ? ºC = ? Qual a resistência de um PT100 para uma temperatura de 55 ºC ?
Ohms = ?
4.7
Tabela de Termopar
Tabela de termopar tipo k variação de temperatura -270°C a 1370 °C.
Fig.19 Tabela Termopar
Qual o valor em graus ºC para um termopar com medição de 2.478 mV ? ºC = ? Qual o valor em mV para uma medição de temperatura de 45ºC ? 4.8
Transmissor de Temperatura
Os transmissores de temperatura são utilizados em aplicações em que se requer um sinal de 4 a 20mA para controle e indicação de temperatura provenientes de instrumentos tais
como PT100 e termopar para comunicação com o CLP e sistema supervisório. Os principais fabricantes são Smar, Yokogawa e Rosemount. O transmissor de temperatura pode ser usado para diferentes faixas de medição e diferentes tipos de sensores que incluem uma ampla variedade de termopares e termoresistências, além de entradas para milivoltagem e resistências. Desta forma, a planta pode ser padronizada onde vários tipos e modelos de transmissores convencionais eram utilizados. Também sendo utilizado em vários processos industriais com indicador de posição de válvulas eletromecânicas.
Fig.20 Transmissor de Temperatura
Fig. 21 Esquema funcional transmissor de temperatura
5
Pressão
5.1
Definição de Pressão
Pressão é um termo que vem do latim “pressio”, “pressione”, é utilizado em várias áreas científicas como uma grandeza que mede a ação de uma força sobre um objeto ou espaço, nos estados líquido, gasoso ou sólido. A pressão é a força exercida sobre algo, possuindo o significado de comprimir um objeto ou um gás, ou pressionar alguma coisa ou alguém. Em Física, é uma propriedade peculiar a um sistema, que pode ser favorável ou desfavorável. Se levarmos em consideração pressão que o gás ou vapor exerce sobre uma hélice, ela é favorável, podendo ser convertido em trabalho. Porém a pressão da água no fundo do oceano é desfavorável, por não permitir a exploração das profundezas dos oceanos. A pressão é uma força que pode ser medida, ou quantificada, calculando-se a razão entre força (F) e área de uma superfície (A) onde a força está sendo aplicada. É possível também medir a pressão através de instrumentos como o barômetro (pressão atmosférica), manômetro (pressão de fluídos em recipientes fechados), piezômetro (pressão e monitoração de níveis em aquíferos), vacuômetro (como o barômetro, mas para medir pressões baixas, próximas do vácuo).Pelo Sistema Internacional de Unidades, a pressão tem sua medida na unidade N/m², ou seja, Newton por metro quadrado. A unidade de medida Newton foi denominada em homenagem ao físico Isaac Newton e equivale a 0,2248 libras-força e é também conhecida como pascal. Outras unidades de pressão são o PSI, mmHg, milibar, atm, etc. 5.2
Manômetro
O manômetro é um instrumento utilizado para medir a pressão de ar, fluidos e gases sendo um dos instrumentos mais utilizados nos processos industriais, sendo utilizado tantos nos processos industriais como nas salas de instrumentação, oficinas mecânicas e laboratórios industriais.
Fig.22 Manômetro
5.3
Princípio de Funcionamento do manômetro
Na indústria se empregam quase exclusivamente os manômetros metálicos ou aneroides, que são barômetros aneróides modificados de tal forma que dentro da caixa atua a pressão desconhecida que se deseja medir e fora atua a pressão atmosférica. O mais comum é o manômetro de Bourdon, consistindo em um tubo metálico, laminado, hermético, fechado em uma extremidade e enrolado em espiral. A extremidade aberta se comunica com o depósito que contém o fluido cuja pressão se deseja medir; então, ao aumentar a pressão no interior do tubo, este tende a desenrolar-se, e põe em movimento uma agulha indicadora frente a uma escala calibrada em unidades de pressão. Estes manômetros são para aplicações de 0,6 até 7.000 bar.
Fig.23 Manômetro Detalhes
5.4
Tipos de pressão
Pressão atmosférica é a pressão exercida pela atmosfera sobre a superfície. A pressão é a força exercida por unidade de área, neste caso a força exercida pelo ar em um determinado ponto da superfície. Se a força exercida pelo ar aumenta em um determinado ponto, consequentemente a pressão também aumentará. O valor da pressão atmosférica não é constante. Varia em função da altitude do local, sendo menor a medida que a altitude aumenta. Pressão manométrica é a medição da pressão em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo ser positiva ou negativa. Geralmente se coloca a letra “G” após a unidade para representá-la. Quando se fala em uma pressão negativa, em relação a pressão atmosférica chamamos pressão de vácuo. Pressão relativa positiva: ocorre quando a pressão interna de um reservatório for maior do que a pressão ambiente, ou seja, do que a pressão atmosférica local
Pressão relativa negativa: ocorre quando a pressão interna de um reservatório for menor do que a pressão atmosférica externa. Pressão relativa nula: ocorre quando não há diferença entre a pressão interna e externa de um reservatório Pressão diferencial - diferença entre duas pressões, p 1 e p2, é conhecida como pressão diferencial, Δp = p1 - p2. Nos casos onde a diferença entre duas pressões representa sozinha a variação medida, chamamos de pressão diferencial, p 1,2. Sobrepressão (pressão manométrica) - pressão medida mais frequentemente no campo tecnológico é a pressão atmosférica diferencial, P e (e = excedentes = excessivo). Trata-se da diferença entre uma pressão absoluta, p abs e a pressão atmosférica relevante (absoluta) (p e = pabs - pamb) e é conhecida, em resumo, como sobrepressão ou pressão manométrica (pressão relativa). Uma sobrepressão positiva significa que a pressão absoluta é maior do que a pressão atmosférica. No caso oposto, estamos falando de sobrepressão negativa. O índice dos símbolos da fórmula "abs", "amb" e "e" claramente definem o ponto de referência da pressão respectiva. Eles apenas adicionam à fórmula a letra p e não o símbolo da unidade.
5.5
Tabela de conversão de pressão
Fig.24 Tabela de conversão de pressão
Conversão de Pressão 10 Bar = 10 x 14,5 = 145 PSI 300 PSI = 300 x 0,0689 = 20,67 Bar 2 Bar = 2 x 1000 = 2000 mBar 5.6
Transmissor de Pressão
O que é um transmissor de Pressão ? È um instrumento amplamente usado nos processos industriais que transforma uma ação mecânica neste caso a pressão e transforma em um sinal de 4 a 20 mA para comunicação com o CLP e sistema supervisório. 5.7
Princípio de Funcionamento Transmissor de Pressão
O sensor capacitivo é composto por uma parte mecânica que é a chamada célula capacitiva e uma parte eletrônica que é basicamente um circuito ressonante.
Figura 25 – Sensor de Pressão Capacitivo No centro da célula está o diafragma sensor. Este diafragma flexiona-se em função da diferença de pressões aplicadas ao lado direito e esquerdo da célula. Essas pressões são aplicadas diretamente aos diafragmas isoladores, os quais fornecem resistência contra corrosão provocada por fluidos de processos. A pressão é diretamente transmitida ao diafragma sensor através do fluido de enchimento, provocando a sua deflexão. O diafragma sensor é um eletrodo móvel. As duas superfícies metalizadas são eletrodos fixos. A deflexão do diafragma sensor é percebida através da variação da capacitância entre os dois eletrodos fixos e o móvel. Uma vez que o movimento do diafragma sensor é mínimo, a histerese é praticamente nula. O projeto do sensor, com tecnologia de ponta da SMAR, garante a linearidade e repetibilidade, tornando o sensor altamente confiável em termos de leitura e exatidão.
Figura 26 – Exemplo de um Transmissor Capacitivo O circuito eletrônico ressonante lê a variação da capacitância entre a placa móvel e a fixa. A CPU condiciona o sinal e comunica de acordo com o protocolo do transmissor. Como não há conversão A/D, os erros e desvios são eliminados durante a conversão. O sensor de temperatura fornece a compensação da temperatura que, combinada com a precisão do sensor de pressão, resulta em uma alta exatidão e rangeabilidade para as diversas séries e modelos de transmissores.
Fig. 27 Transmissor de pressão com display local
Fig. 28 Transmissor de pressão sem display local 5.8
Pressostato
Pressostato é um instrumento de medição de pressão usado como um componente de sistemas de proteção de equipamento e processos industriais. Sua principal finalidade é proteger a integridade dos equipamentos contra sobrepressão ou subpressão aplicadas aos mesmos durante o funcionamento. É composto por um sensor, um mecanismo de ajuste de setpoint e uma chave de duas posições (aberto ou fechado). Como mecanismo de ajuste de setpoint usado na maioria das aplicações uma mola com faixa de ajuste selecionada de acordo com a pressão de trabalho e ajuste, e em oposição à pressão aplicada. O
mecanismo de mudança de estado mais utilizado é o micro interruptor, podendo ser utilizado também ampola de vidro com mercúrio, fechando ou abrindo o contato, que pode ser do tipo normal aberto ou normal fechado. Em relação ao intervalo entre atuação e desarme, os pressostatos podem ser fornecidos com diferencial fixo e diferencial ajustável. O fixo só oferece um ponto de ajuste, o de setpoint, sendo o intervalo entre os pontos de atuação e desarme. O ajustável permite ajuste de setpoint e alteração do intervalo entre o ponto de atuação e o de desarme. Quanto ao tipo de contato disponível no micro interruptor, pode ser o tipo SPDT (Single Pole-Double Throw), é composto basicamente por um terminal comum, um contato normalmente aberto (NA) e um contato fechado (NF), ou selecionar o tipo DPDT (Double Pole-Double Throw) é composto de duplo contato, ou seja, dois terminais comuns, dois NAs e dois NFs, sendo um conjunto reserva do outro.
Fig. 29 Pressostato
5.9
Princípio de funcionamento pressostato
A pressão do processo empurra para cima o diafragma, o qual sofre uma pequena deflexão. Esse diminuto deslocamento para cima contrapõe-se à força que a mola
está exercendo para baixo. A pressão aproxima-se do ponto crítico de disparo, o qual foi previamente escolhido e ajustado (Set Point). A deflexão do diafragma é transmitida por uma haste até a micro-chave comutando-a. A microchave elétrica possui um contato SPDT com capacidade para até 15 A / 250 Vac.
Fig. 30 Esquema funcional pressostato 6
Vazão
Vazão é o volume ou massa de determinado fluido que passa por uma determinada seção de um conduto livre ou forçado, por unidade de tempo. Ou seja, vazão é a velocidade com a qual um determinado volume ou massa escoa. A vazão corresponde à taxa de escoamento, No entanto, é a quantidade de material transportado através de conduto livre ou forçado, por unidade de tempo. Comumente conhecido como fluxo volumétrico.
Como a área é em m² e a velocidade de escoamento v em m/s, vazão é dada em m³/s. Os fluxos de gás e líquidos podem ser medidos com volumes, litros por segundo (L/s) ou quilogramas por segundo (Kg/s). Essas unidades podem ser mutuamente conversíveis, sabendo-se a densidade do material, Sabendo-se que a densidade de um líquido não depende tanto de suas condições. Porém nos gases a densidade depende de uma série de fatores tais como: pressão, temperatura e da natureza ou composição do gás.
Fig.31 Tabela de conversão de vazão
6.1
Medidor de vazão
O que é um medidor de vazão? È um instrumento utilizado para medir a vazão dos fluidos existentes nos processos industriais. Os medidores de vazão eletromagnéticos são frequentemente selecionados, pois não oferecem nenhuma obstrução, são rentáveis para substâncias agressivas e suspensões de sólidos e fornecem uma medição da vazão volumétrica altamente precisa. Uma gama de materiais de revestimento, opções de eletrodo e tamanhos de linha acomoda uma ampla variedade de aplicações de processo.
Fig. 31 Medidor de vazão 6.2
Princípio de funcionamento medidor de vazão
A lei de Faraday é a base do medidor de vazão eletromagnético. Mas aí, você pensa: “O que é essa lei?” A lei de Faraday é também conhecida como lei do eletromagnetismo. Faraday descobriu que quando existe um campo magnético, existe uma interação com um circuito elétrico. Isso produzirá força eletromotriz, um fenômeno que é conhecido como indução eletromagnética. Outra coisa que também foi descoberta é que a tensão elétrica gerada é diretamente proporcional a velocidade do movimento e a força do campo magnético.
Baseado neste princípio, é importante lembrar que o medidor eletromagnético só funciona em fluidos condutivos. Não tente aplicar este princípio em produtos sem condutividade ou em gases. O medidor é composto por duas bobinas que são instaladas na parte superior e inferior do tubo de medição. Além disso, temos dois eletrodos em versōes básicas para fazer a medição da voltagem criada.
Fig. 32 Medidor de vazão 7
Pirômetro
Pirômetro - é um equipamento que mede irradiação térmica da superfície de um objeto e informa a temperatura. Diferentes tipos de pirômetros foram desenvolvidos pelo homem sendo um dispositivo que não necessita de contato, contrastando com outros meios de obter informação sobre a temperatura de um objeto, como o termopar e o PT100. O principal objetivo do pirômetro é medir temperaturas muito altas. O tipo de pirômetro mais utilizado nos processos industriais são os pirômetros ópticos.
Fig.33 Pirômetro óptico 7.1
Princípio de funcionamento pirômetro óptico
Os pirômetros são normalmente compostos de dois mecanismos que atuam juntos na informação da temperatura da superfície de um objeto. Um sistema óptico e um sistema de detecção. A função do sistema óptico é focalizar a radiação térmica do objeto sobre um detector, permitindo que o mesmo detecta a radiação de uma forma constante e eficiente, e selecione diferentes comprimentos de onda através de filtros. O detector no entanto utiliza basicamente dois processos para informar a temperatura: quântico e térmico. A física relacionada ao pirômetro por radiação está na relação entre a radiação térmica e a temperatura através da lei de Stefan-Boltzmann. Onde sigma é a constante de proporcionalidade e epsilon é a emissividade do material. Um detector do tipo fotodiodo funciona com a interação entre os fótons emitidos pela fonte quente e o material do detector, resultando em elétrons que são colhidos e amplificados para gerar um sinal de corrente. A radiação da fonte é emitida e a lente objetiva óptica a captura. A lente ajuda a focalizar a radiação térmica na lâmpada de referência. O observador observa o processo através do olho e corrige-o de tal maneira que o filamento da lâmpada de referência tem um foco nítido e o filamento é sobreposto à imagem da fonte de temperatura. O observador começa a alterar os valores do reostato e a corrente na lâmpada de referência muda. Isso, por sua vez, muda sua intensidade. Essa mudança na corrente pode ser observada de três maneiras diferentes.
1. O filamento é escuro. Ou seja, mais frio que a fonte de temperatura. 2. Filamento é brilhante. Ou seja, mais quente que a fonte de temperatura. 3. Filamento desaparece. Assim, há brilho igual entre o filamento e a fonte de temperatura. Neste momento, a corrente que flui na lâmpada de referência é medida, pois seu valor é uma medida da temperatura da luz irradiada na fonte de temperatura, quando calibrada.
Fig.34 relação temperatura x emissividade
Fig.35 Pirômetro óptico tela do supervisório. 8
Módulo II
8.1
Opacímetro
Antes de iniciarmos o assunto sobre opacímetro é importante conhecermos algumas definições. A palavra opacidade é definida como “o que não deixa passar a luz”, ou seja, o que é opaco.
A Escala Ringelmann, criada por volta de 1890 pelo professor Maximilian Ringelmann, tem o propósito de controlar a queima das caldeiras a vapor, através da observação da tonalidade da fumaça emitida pelas chaminés. Ela possui cinco graduações de cores indo do branco total ao preto contendo entre elas quatro variações de cinza. O branco total significa 0% e os tons de cinza vão do mais claro nível 1 = 20% ao mais escuro nível 4 = 80%. O preto corresponde ao nível 5 = 100%. Esse é o princípio mais utilizado na maioria dos opacímetros existentes hoje no mercado.
Fig. 36 Opacímetro 8.2
Princípio de funcionamento do opacímetro
Baseado na Espectrofotometria, a qual estuda e trata dos efeitos físicos e químicos da Absorção e Dispersão da Luz, o sistema óptico tem um sistema projeção e recepção . A fonte de luz é constituída por uma lâmpada de tungstênio/halogênio a qual atravessa um sistema de filtros interferências. O percurso da luz é Duplo Passo, proporcionando a duplicação da sensibilidade permitindo a leituras de particulados 0,01 milimicrons. O percurso da luz é do tipo Duplo feixe, pois mesmo havendo variações na fonte de luz nos dispositivos ópticos não alteram o valor medido, porque é realizado o quociente entre os feixes de referência. As verificações periódicas, são feitas automaticamente sendo instalado um disco acoplado a um motor de passo localizado na unidade sensora. Há necessidade também de um bom tratamento do ar de limpeza do sistema pois caso haja umidade ou sujeira a mesma ficará acumulada em todo o percurso de limpeza do sistema. A Escala Ringelmann pode não dar um resultado exato, pois depende de subjetividade. Sua interpretação está atrelada a vários fatores como calor, sol, dias nublados e principalmente a
visão do operador. Cada ser humano pode ter uma interpretação diferente, ou seja, o que é cinza claro para um pode ser cinza escuro para outro. Assim, foi criado um aparelho com uma precisão muito maior que independe desses fatores externos.
Fig.37 Opacímetro detalhe
9 Válvula solenóide 9.1
Definição de Solenóide
A válvula solenóide nada mais é do que uma válvula eletromecânica controlada. Ela recebe o nome de solenóide devido ao seu componente principal ser uma bobina elétrica com um núcleo ferromagnético móvel no centro, sendo este núcleo chamado de êmbolo. Em uma posição de repouso, o êmbolo tampa um pequeno orifício por onde é capaz de circular um fluido. Quando uma corrente elétrica circula através da bobina, esta corrente cria um campo eletromagnético que por sua vez exerce uma força de atração magnética no êmbolo. Como resultado, o êmbolo é puxado em direção ao centro da bobina de modo que o orifício se abre e este é o princípio básico que é usado para abrir e fechar uma válvula solenóide A válvula solenóide está entre os componentes mais utilizados em circuitos de gás e líquido em indústrias por todo o planeta e podemos dizer que a quantidade de aplicações para este dispositivo é quase infinita. Alguns exemplos do uso de válvula solenóide incluem sistemas de aquecimento, tecnologia de ar comprimido, automação industrial, piscinas, sistemas de aspersão, máquinas de lavar roupa, equipamentos odontológicos, sistemas de lavagem de carros e sistemas de irrigação.
A válvulas solenóides tem por função orientar a direção do fluxo que o ar deve seguir, a fim de realizar um determinado trabalho proposto. São classificados por um número de posições e de vias. Posições – é a quantidade distinta de manobras que a válvula direcional pode executar estando sob ação de acionamento. Vias – é o número de passagens que a válvula possui, comunicando o fluido ou ar com diferentes pontos de aplicação ou escape.
Válvula solenóide 2 vias 2 posições Válvula solenóide 2 vias 2 posições Normalmente Fechada Normalmente Aberta
Válvula solenóide 3 vias 2 posições Normalmente Fechada
Válvula solenóide 3 vias 2 posições Normalmente Aberta
Fig. 38 Válvula Solenóide
9.2 Princípio funcionamento Válvula Solenóide 2/2 vias, ação direta normalmente fechada. Ação direta A válvula solenóide de operação direta ou ação direta tem o princípio de funcionamento bem simples se comparado com outros tipos de operação. Funcionando da seguinte forma: o fluido flui através de um pequeno orifício que pode ser fechado por um êmbolo com uma junta de borracha na parte inferior. Uma pequena mola segura o êmbolo para baixo para fechar a válvula. O êmbolo por sua vez é feito de um material ferromagnético e possui uma bobina elétrica posicionada em torno dele. Assim que a bobina é energizada, é gerado um campo magnético que puxa o êmbolo para cima em direção ao centro da bobina. Isso faz com que o orifício se abra e permita a passagem do fluido. O funcionamento descrito aqui é para uma válvula normalmente fechada. Para o funcionamento da válvula de ação direta Normalmente Aberta (NA) temos um funcionamento oposto sendo importante salientar que a construção neste caso também será diferente a fim de permitir que o orifício esteja aberto quando o solenóide não estiver ligado. Assim, quando o solenóide for acionado, o orifício será fechado. Uma característica do tipo ação direta é que a pressão máxima de operação e o fluxo estão diretamente relacionados ao diâmetro do orifício e à força magnética da válvula solenóide. Entretanto, válvulas de ação direta são utilizadas em aplicações com taxas de fluxo relativamente pequenas e que não requerem pressão mínima de operação ou diferença de pressão para serem acionadas. Podendo então ser utilizadas em aplicações que variam de 0,1 bar até a pressão máxima permitida.
Fig.38 Esquema Válvula Solenóide 9.3 Princípio funcionamento Válvula Solenóide 2/2 vias, ação indireta normalmente fechada. As válvulas solenóides de ação indireta (também conhecida como servo acionada ou pilotada) usam a pressão diferencial do meio incidente nas portas da válvula para abrir e fechar. Usualmente, essas válvulas precisam de um diferencial de pressão mínimo de cerca de 0,5 bar. A entrada e a saída são separadas por uma membrana de borracha, também chamada de diafragma. e esta membrana possui um pequeno orifício para que o fluido possa fluir para o compartimento superior. A pressão e a mola de suporte acima da membrana asseguram que a válvula permaneça fechada. A câmara acima da membrana é conectada por um pequeno canal à porta de baixa pressão. Esta conexão é bloqueada na posição fechada por uma solenóide. O diâmetro deste orifício “piloto” é maior que o diâmetro do orifício na membrana. Quando o solenóide é energizado, o orifício do piloto é aberto fazendo com que a pressão acima da membrana abaixe. Devido à diferença de pressão em ambos os lados da membrana, a membrana será levantada permitindo a passagem do fluido da porta de entrada para a porta de saída. A câmara de pressão extra localizada acima da membrana atua como um amplificador
Fig. 39 Esquema válvula solenóide
Funcionamento válvula solenóide 4/2 vias Conforme visto na figura abaixo na posição não acionada, a pressão entra em P e sai em B fazendo com que o cilindro fique recuado para esquerda com a mola totalmente estendida.
Na posição acionada o êmbolo se move esquerda vedando a saída de ar para posição B e abrindo a passagem de ar ou fluido para posição A , ficando a mola totalmente retraída , fazendo com que o cilindro mova para mova para direita.
Fig. 41 Cilindro pneumático com sensor de posição eletromagnético (indutivo) Este cilindro pneumático possui na sua haste uma pequena barra de ferro magnetizada que ao ficar embaixo do sensor faz o mesmo atuar informando a posição exata da haste do cilindro. Sendo este cilindro Ideal para robôs, sistemas automatizados e que necessitem de precisão.
Fig. 42 Cilindro dupla ação simbologia 10
Sensor
Um sensor é um dispositivo que responde a um estímulo físico de maneira específica e que pode ser transformado em outra grandeza física para fins de medição e/ou monitoramento. Desta forma, o sensor associado a um módulo de transformação do estímulo em uma grandeza para fins de medição e/ou monitoramento pode ser definido como transdutor ou
medidor, que converte um tipo de energia em outro. Os sensores mais utilizados nos processos industriais são os sensores eletromagnéticos conhecidos como sensores indutivos. Nos sistemas de automação, os sensores desempenham um papel fundamental. São responsáveis pela conversão de uma grandeza física para um sinal elétrico, que pode ser compreendido pelo controlador lógico programável (CLP). Dentre os inúmeros tipos de sensores com diferentes funções, existe o sensor indutivo. Este tipo de sensor apresenta a capacidade de detectar objetos metálicos em pequenas distâncias. Sendo, portanto, definido como um sensor de proximidade.
Fig.43 Sensor Indutivo 10.1
Princípio de funcionamento do sensor
O princípio de funcionamento do sensor indutivo acontece a partir do um campo eletromagnético variável que é gerado pelo oscilador em conjunto com a bobina na extremidade do dispositivo. Quando um material metálico penetra este campo, são induzidas pequenas correntes parasitas. Com a indução no metal, ocorre uma diminuição na energia do campo e, consequentemente na amplitude do sinal proveniente do oscilador. Quando este sinal se torna muito baixo, o circuito de disparo percebe a mudança e altera a tensão de saída. Fornecendo uma resposta lógica, de nível alto ou baixo, que pode ser utilizada no controle do processo.
Fig.44 Esquema funcional sensor indutivo 11
Célula de Carga
A célula de carga está presente na maioria dos processos industriais sendo muito utilizada em balanças de processos , comercial e laboratório, silos e moegas receptoras de carga. Consiste de um material constituído por uma liga de aço ou alumínio deformável muito resistente, mas minimamente elástico conhecido também como extensômetros de carga. Muito usada por ser precisa e versátil, Ao receber uma pressão ela sofre uma deformação que é interpretada pela eletrônica de análise para determinar o peso do material. Existem vários tipos de células de carga com diferentes aplicações. Os mais utilizados são: Células de carga de ponto único: uma célula de carga está localizada sob uma plataforma carregada com um peso de cima Células de carga do feixe de flexão: várias células de carga são posicionadas sob uma estrutura de aço e são carregadas com um peso de cima Células de carga de força compressiva: várias células de carga de alta capacidade são posicionadas sob uma estrutura de aço que é carregada com um peso de cima Células de carga de tração: um peso é suspenso de uma ou mais células de carga 11.1 Tipos de Célula de Carga Carga por compressão
Carga por feixe de flexão
Carga por ponto simples
Carga por tensão
11.2 Princípio de funcionamento célula de carga. A Célula de carga com extensômetro de folha é a mais usada nos processos industriais. Constituída por um ou mais extensômetros de folha, ou extensômetro de resistência, acoplados em um circuito de ponte de Wheatstone. Os extensômetros são acoplados ao material que deformará com a força aplicada. Com a deformação, a resistência dos extensômetros muda e pode-se calcular a deformação do material. Após a deformação e conhecendo as propriedades do material (módulo de Young, coeficiente de Poisson, etc.), calcula-se a força aplicada. O material usado trabalhará na sua região de deformação elástica. A tensão de funcionamento de uma célula de carga varia de 10 VDC de excitação para 100 mV de saída. No circuito abaixo Rx é a resistência desconhecida a ser medida; R1 e R2 são resistores cujo os valores são conhecidos e R2 é um potenciômetro. Se a razão no ramo conhecido R2/R1 é igual a resistência no outro ramo R3/Rx então a tensão entre os pontos centrais será nula.
Fig.45 Ponte de Wheatstone 12
Analisador de Gases
São instrumentos microprocessados que através de uma bomba de sucção interna, aspiram os gases produzidos em um processo de combustão, fazendo-os passar por células eletroquímicas que irão informar a concentração dos gases que desejamos analisar.
Através da análise dos tipos de gases produzidos e suas concentrações, pode-se ajustar o processo de combustão de forma a otimizar a sua eficiência e diminuir a emissão de poluentes. Os gases mais controlados nos processos são CO(Monóxido de Carbono),O2(Dióxido de oxigênio) e NOx (Óxido Nítrico).
Fig. 47 Analisador de gases 12.1
Princípio de funcionamento Analisador de Gases
Técnica NDIR (Análise Infravermelha Não-Dispersiva) · O efeito de medição é baseado na absorção de ressonância de gases específicos bandas de rotação de vibração de moléculas de gás com átomos diferentes na mediana espectro infravermelho em comprimentos de onda entre 2,8 e 8 μm. · Os gases individuais a serem medidos são identificados por sua absorção específica bandas. Cada gás tem esse espectro de absorção (impressão digital). A relação entre a absorção de emissão infravermelha medida e a amostra componente é baseado na lei LAMBERT-BEER: A = (I0 - I1) / I0 = 1 - e-e (l) × r × l Onde A = Absorção I0 = Emissão entrando na célula I1 = Emissão saindo da célula
e (l) = Coeficiente de extinção de componente de amostra r = densidade do componente de amostra l = comprimento da célula de amostra O gás de amostra é uma mistura do componente de amostra e gás associado componentes. Se as bandas de absorção de infravermelhos de um ou mais gases associados componentes sobrepõem as bandas do componente de amostra, os resultados do teste serão afetado. A influência dos componentes interferentes do gás é denominada sensibilidade cruzada ou dependência de gás. A sensibilidade cruzada é determinada pela ligação de um gás inerte (por exemplo, N2) que é misturado com os componentes de gás interferentes (correspondentes ao gás de teste). A influência atua na indicação do valor de medição do ponto zero. A dependência de gás portador, que é raramente observada, ocorre quando as propriedades do gás de amostra diferem marcadamente daquelas do gás de teste. A interferência altera a inclinação da curva característica do dispositivo. Esta curva é corrigido no ponto final. O analisador de gases possui os seguintes métodos disponíveis para correção de interferência: · Filtro de interferência · Células de filtro · Correção eletrônica interna de sensibilidade cruzada · Correção interna do gás de arraste eletrônico A concentração volumétrica da célula de amostra depende da pressão na célula de amostra e é, portanto, dependente do processo de gás e ar pressão. Este efeito atua no ponto final e equivale a aprox. 1% do valor de medição por 1% de mudança de pressão (portanto, por 10 hPa).Um sensor de pressão interna reduz esse efeito para 0,2%. Taxa de fluxo A taxa de fluxo afeta a pressão na célula de amostra e as T90 vezes do módulo. A taxa de fluxo deve estar entre 20 e 100 litros / hora. Temperatura A temperatura tem um efeito marcadamente diferente em todos os componentes ópticos no feixe caminho. Este efeito é reduzido por:
· Compensação de temperatura Um sensor de temperatura no pré-amplificador do primeiro detector infravermelho mede a temperatura no módulo. Este sinal é usado para correção eletrônica. Efeito do ponto zero: £ 1% do intervalo de medição por 10 ° C Efeito final: £ 3% do valor medido por 10 ° C
Fig.48 Sistema de coleta de gases para análise
Fig.49 Medidor e regulador de fluxo de gás
Câmara de medição
Fig.50 Câmara de Medição
1 - emissor 2 - abertura do emissor 3 - roda Chopper 4 - células de amostra 5 - câmara da amostra 6 - câmara de referência 7 - detector infravermelho 8 - capacitor de diafragma 13 Relé (Switch) O relé é um dispositivo eletromecânico. A movimentação física deste mecanismo ocorre quando a corrente elétrica percorre as espiras da bobina do relé, criando assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca responsável pela mudança do estado dos contatos. O relé pode ser usado em várias aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos, serve também para ligar ou desligar dispositivos. É comum o relé estar ligado a dois circuitos elétricos. No caso do relé eletromecânico, a comutação é feita alimentando-se a bobina do mesmo. Quando uma corrente originada no primeiro circuito passa pela bobina, um campo eletromagnético é gerado, acionando o relé e possibilitando o funcionamento do segundo circuito. Portanto, uma das aplicações do relé é usar baixas tensões e correntes para o comando no primeiro circuito, protegendo o operador das possíveis altas tensões e correntes que irão circular no segundo circuito.
Fig. 51 Relé
Fig. 52 Relé Simbologia 13.1
Princípio de Funcionamento do Relé
A bobina de um relé é composta por um fio em torno de um núcleo de aço maciço. constituindo no relé uma bobina, um núcleo de aço que fornece um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético, uma armadura de aço móvel e um conjunto, ou conjuntos, de contatos presos a molas. Quando a bobina está desenergizada, a força das molas mantém os contatos em estado de repouso de modo a existir uma lacuna de ar no circuito magnético. O estado de repouso pode ser normalmente fechado (NF) ou normalmente aberto (NA), a dependendo da função do relé no circuito. Quando a bobina recebe a corrente elétrica, a armadura movimenta-se em direção ao núcleo, atraída pelo campo magnético gerado, movimentando mecanicamente o contato ou contatos ligados a esta armadura. Nesse momento em que a força magnética gerada pela circulação de corrente na bobina se torna maior que a força das molas, o contato é atraído fisicamente, sai do estado de repouso e muda a condição do circuito para aberto (se for normalmente fechado) ou fechado (se for normalmente aberto). Quando a circulação de corrente através da bobina cessa, a bobina é desenergizada e o contato volta ao estado de repouso por força da mola. Sendo a configuração do contato de um relé NF (normalmente fechado, ou NC na sigla em inglês) o circuito está fechado enquanto o relé encontra-se desenergizado. Porém quando energizado, a conexão física entre contato fixo e móvel se abre e interrompe a passagem de corrente elétrica. O inverso ocorre quando a configuração do contato do relé é NA (normalmente aberto, ou NO em inglês). NC = Normally Closed = Normalmente fechado NO= Normally Open = Normalmente aberto
Fig. 53 Esquema funcional Relé 14
LED
14.1 Definição de LED O LED é um diodo emissor de luz, mas existem outros tipos de diodos tais como retificadores e proteção. O Diodo é um componente eletrônico, feito de germânio ou silício, que conduz corrente elétrica apenas em uma polarização (ânodo positivo e catodo negativo), essa polarização é chamada de retificação, sendo usado para converter corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) e extrair informações de um sinal modulado em amplitude (AM). Há também outros tipos de diodos para específicas funções. Principais tipos de Diodos: •Retificadores: os diodos retificadores são os mais comuns existentes no mercado, possuem polarização direta (anodo positivo, catodo negativo), são usados para converter corrente alternada em corrente contínua; •Diodo Zener: Normalmente usados em circuitos reguladores de tensão e fontes de alimentação, o diferencial deste tipo de diodo é sua polarização. Diferente do já citado, este diodo possui a polarização inversa, ou seja, anodo negativo e catodo positivo; •LED: são diodos que ao circular uma corrente elétrica são capazes de emitir luz; A maioria dos LEDs de luz visível são feitos de fósforo que, dependendo da quantidade, podem irradiar luz vermelha, laranja, amarela,verde ou azul e são bastante utilizados como sinalizadores em instrumentos eletrônicos ou fabricação de
Displays(indicadores numéricos de sete segmentos onde cada um é um Led). Para a emissão de luz infravermelha, podemos usar InSb(antimoneto de índio) com aplicações em alarmes, transmissões de fibra óptica e outras que requerem radiação invisível. Para radiação ultravioleta, o mais usado é o diodo á base de sulfato de zinco (ZnS) Os leds possuem as mesmas características dos diodos comuns, ou seja, só conduzem quando polarizados diretamente Com tensão maior ou igual a tensão de referência de 1,5Vdc a 2,5Vdc e corrente 10mA a 50mA. Assim ao polarizar um led deve-se utilizar um resistor limitador de corrente para que o mesmo não danifique. ligação led com resistor limitador de corrente
15
Sensor Fotoelétrico
15.1 Definição de Sensor Fotoelétrico Sensor Fotoelétrico é tipo de sensor especial que reagem a presença de luz transformando o pulso de luz em pulso de frequência de pulso digital para o CLP. Ele pode funcionar também como sensor de presença para bloqueio e proteção de sistemas fechados com movimentação de cargas. Tais como paletizadoras e elevadores.
Fig.56 Esquema Funcional Sensor Fotoelétrico
Fig. 57 Sensor fotoelétrico
15.2 Princípio de funcionamento do Sensor Fotoelétrico
Etapa 1: O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodiodo, que emite flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente. Etapa 2: O receptor é composto por um fototransistor sensível a luz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma freqüência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor. Etapa 3: Os pulsos de luz que são recebidos pelo fototransistor são convertidos em sinais elétricos,os quais são processados para se determinar se correspondem a uma transmissão de luz. Realizada a verificação a saída do sensor comuta a chave de acordo com o sinal . 16
Sensor Ultrassônico
16.1
Definição de sensor Ultrassônico
Um sensor ultrassônico é um dispositivo que utiliza alta frequência de som para medir a distância entre itens determinados. Estes sensores são também conhecidos como transceptores, e são capazes de operar semelhante ao sonar. Enquanto o sonar é principalmente utilizado debaixo da água, os transceptores de ultrassom podem ser utilizados no ambiente terrestre, tendo o ar como meio de transmissão. Os sensores de ondas ultrassônicas são comuns em aplicações industriais e médicas, Sendo muito utilizado em áreas que não pode ter um contato direto do sensor usado para medição com o material a ser medido.
Fig. 57 Sensor Ultrassônico
16.2
Princípio de funcionamento sensor ultrassônico
Um tipo de sensor de grande utilidade em automação, seja no sensoriamento de obstáculos para robô, de objetos em linhas de montagem (unidades fabris automobilísticas) Em silos de grande capacidade de materiais, basicamente é o sensor ultrassônico. Ele não precisa de contato físico com o objeto ou ainda de propriedades especiais desse produto, já que ele não só detecta sua presença, bem como ainda tem recursos para determinar qual é à distância em que ele se encontra. Além do mais, o princípio de funcionamento dos mesmos está baseado na emissão de uma onda sonora de alta frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco produzido quando esta onda se choca com um objeto que seja capaz de refletir o som. Eles emitem pulsos ultrassônicos ciclicamente. Na verdade, quando um objeto reflete estes pulsos, o resultado será um eco recebido e convertido em um sinal elétrico.
Fig.58 Sensor Ultrassônico Aplicação 17
Tacogerador (Tacômetro)
17.1
Definição de Tacogerador
Conhecido como sensor de velocidade ou dínamo taquimétrico É um instrumento que mede a velocidade de rotação (rotações por minuto ou Rpm) de um determinado eixo ou um disco, seja de um motor ou de uma máquina com um sinal analógico calibrado. Muito usado em aplicações Industriais Bomba centrífuga, transportadores, medidores de fluxo , máquinas operatrizes robótica, máquinas automáticas de soldagem etc. Muito recomendado no servo-controle de máquinas operatrizes de controle numérico para comando e regulagem para ajustes finos que dependem da variação da velocidade e outras aplicações que necessitam velocidade contínua e extremamente controlada. Apresentando um excelente tempo de resposta em relação às variações que ocorrem no processo. Possui gráficos de tensão linear sem perdas de pulso e com boa repetibilidade contribuindo para um sinal contínuo e linear.
Fig.59 Tacogerador (Tacômetro) 17.2
Princípio de funcionamento Tacogerador (Tacômetro)
Os tacogeradores ópticos são os mais utilizados por abranger uma larga faixa de níveis de velocidade (em RPM). Seu princípio de funcionamento se dá através da rotação de um disco com um corte por onde passa a luz infravermelha entre um par emissor-receptor óptico. O disco é posicionado entre o par emissor-receptor de tal maneira que a passagem do feixe só é permitida quando ele incide sobre a o corte do disco. Quando o sinal infravermelho ultrapassa o corte do disco ocorre a recepção do sinal infravermelho pelo receptor óptico. Alguns modelos utilizam discos opacos com perfurações ou até mesmo rodas dentadas. O resultado desse arranjo óptico é um sinal composto por uma série de pulsos semelhante à uma onda quadrada. A informação contida na frequência desses pulsos tem relação com a velocidade angular da peça girante monitorada. A vantagem do uso desse tipo de tacômetro está no fato do seu arranjo não oferecer praticamente nenhuma carga extra ao eixo da peça girante monitorada. A única carga desse sistema seria apenas a inércia do disco que pode ser desprezada. Os tacogeradores ópticos possui um gráfico bem linear sem perdas por falta de pulsos e boa repetibilidade. Um Tacogerador de 12VDC na sua rotação máxima possui uma tensão de saída de pulsos de até 6VDC.
Fig.60 Esquema Funcional Tacogerador óptico.
18. CLP (Controlador lógico programável) O CLP (Controlador lógico programável) ou PLC(Programable Logic Control) é um componente programável através de software específico que pode ser programado para fazer uma determinada ação ao ser acionado um sinal de entrada gerando um sinal saída programado de acordo com a necessidade de um determinado processo industrial . Possui um sistema operacional que funciona em tempo real com leitura de ciclos de sinal de entrada e saída de 0,5 ms(milissegundos). Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. Os primeiros CLPs foram usados na General Motors em 1968 tendo sido criados pelo engenheiro Richard Morley, responsável por especificação para um equipamento que foi se aperfeiçoando até nossos dias.
Fig. 61 CLP(Controlador lógico programável)
19. Sistema supervisório Os sistemas supervisórios também conhecidos como SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) ou Controle supervisório de aquisição de dados são responsáveis por mostrar as variáveis(temperatura,pressão,porcentagem,gráficos etc) e status(funcionando, parado, defeito etc) dos equipamentos e instrumentos de campo na tela de um computador ou display de um determinado painel. Essa visualização de informações por ser feita em tempo real ou de datas anteriores através de acesso banco de dados dessas informações. Sendo uma das maiores vantagens a capacidade de visualização de muitas informações ao mesmo tempo em uma única tela tendo outras vantagens tais como: análise de tendências, maior disponibilidade da planta industrial,utilização de alarmes para correção de falhas, geração de relatórios e gráficos, intervenção à distância. Informações na tela de um sistema supervisório
Fig. 62 tela de supervisório Abaixo veremos como é feito o todo processo de comunicação desde o instrumento de campo até a tela do supervisório para o controle do processo pelo operador do sistema supervisório.
Interligação sensor ao transmissor de temperatura
Interligação transmissor de temperatura ao clp
Interligação CLP ao Sistema supervisório
20.
Estudo de caso
Paulo Amorim é um grande empresário e tem uma fábrica de médio porte, ele precisa fazer o controle do processo industrial, mas está em dúvida quais instrumentos utilizar para ter um controle preciso confiável e seguro em todas as etapas do processo de fabricação. No silo 1 o operador precisa saber qual o nível do material armazenado para poder contratar a empresa de transporte do produto no momento em que o mesmo estiver completamente cheio. No silo 1 o operador precisa saber qual o peso do material no silo para poder contratar a empresa de transporte do produto no momento em que o mesmo estiver completamente cheio. No transportador 1 o operador precisa saber se o transportador está funcionando e fazer o desvio do material que não está conforme. No transportador 1 o operador precisa saber a velocidade e o seu nível do material no transportador está alto ou baixo.
No forno 1 operador precisa saber a temperatura do casco do forno para ter um melhor controle do processo de queima. Na chaminé 1 o operador precisa saber qual grau de poluentes está sendo liberado na atmosfera. O operador também precisa saber qual a temperatura alta da saída de gases para fazer o
controle da queima do material.
21. Exercícios 1. Conceito de Tensão Alternada e Tensão Contínua. 2. Qual a principal finalidade da ponte de diodo retificador ? 3. Qual a função do transmissor de temperatura. 4. Qual o princípio de funcionamento do manômetro ? 5. Diferencie termostato mecânico de termostato digital. 6. Na tabela de termopar 50 ºC corresponde a quantos milivolts ? 7. o que significa NC e No nas descrição dos relés ? 8. Qual o princípio de funcionamento do sensor indutivo. 9. Posições e vias são termos utilizados em qual instrumento? 10. Coloque a definição de cada número apresentando as partes que compõem a câmara de medição dos analisadores de gases.
11. Conceitue pressão atmosférica e pressão manométrica. 22.
Apêndice A - Grandezas Físicas e Unidades