Certa vez, alguém perguntou a um colega qual era sua profissão. Ele respondeu sem hesitar: "Sou engenheiro de instrumentação e controle."

"E o que é isso?", perguntou seu interlocutor.

"...Ah. Hum ..." "Bem, agora estou encrencado", pensou o engenheiro.

 

O que é instrumentação e controle?

É relativamente fácil explicar o que faz um engenheiro mecânico, elétrico, químico ou eletricista, mas é outra história descrever de forma concisa o trabalho realizado por um engenheiro especializado em instrumentação e controle.

Instrumentação e controle são áreas interdisciplinares. Elas exigem conhecimentos de química, mecânica, eletricidade e magnetismo, eletrônica, microcontroladores e microprocessadores, linguagens de software, controle de processos e muito mais, como os princípios da pneumática, da hidráulica e das comunicações.

É isso que torna a instrumentação e o controle tão interessantes e instrutivos.

Neste artigo, apresentarei uma visão geral completa dos princípios básicos de instrumentação e controle (I & C) utilizados no funcionamento e na operação de plantas industriais, como as que envolvem petróleo e gás, celulose e papel, açúcar, produtos farmacêuticos, alimentos e produtos químicos.

Primeiro, precisaremos abordar como medir. Para isso, precisamos de um instrumento de medição.

 

O que é um instrumento de medição?

Um instrumento de medição é um dispositivo capaz de detectar mudanças, físicas ou não, em um determinado processo. Em seguida, ele converte essas mudanças físicas em alguma forma de informação compreensível pelo usuário.

Considere o exemplo da Figura 1.

 

Figura 1. Um exemplo de instrumento de medição.

 

Quando o interruptor é fechado, o resistor gera calor, aumentando a temperatura do líquido no tanque. Esse aumento é detectado pelo instrumento de medição e mostrado na escala desse instrumento.

Podemos obter informações sobre as mudanças físicas em um processo usando uma indicação direta ou um registrador.

 

Indicação

Esta é a forma mais simples de medição; ela nos permite conhecer o estado atual da variável.

 

Figura 2. Monitoramento de uma variável por meio de um simples indicador visual.

 

Registrador

Um dispositivo que pode armazenar dados nos permite observar o estado atual da variável e como ela se comportou no passado. Um registrador nos fornece o histórico da variável.

 

Figura 3. Um visor mostrando como as medições mudaram ao longo do tempo.

 

Componentes de um instrumento de medição

Os instrumentos de medição consistem principalmente nas seguintes partes:

• Sensor: este elemento é um dispositivo que sofre alterações em suas propriedades físicas como resultado de mudanças no processo que está medindo.
• Amplificador/Condicionador: As mudanças detectadas pelo sensor podem ser muito pequenas, portanto devem ser amplificadas e depois condicionadas para que possam ser exibidas corretamente.
• Display: Os dados medidos devem ser apresentados de maneira compreensível. Isso pode ser feito usando um instrumento graduado ou um display eletrônico. Às vezes, o display também funciona como um registrador para transmitir o histórico ou as tendências da medição.

 

Figura 4. Elementos de um instrumento de medição.

 

Normalmente, as informações de medição geradas por um instrumento precisam ser enviadas a um centro de controle (ou sala de controle) fisicamente distante do instrumento. Em geral, essas informações devem estar de acordo com especificações estabelecidas.

 

Figura 5. As informações de medição são enviadas do instrumento para a sala de controle.

 

Quando um instrumento tem a capacidade de enviar informações, nós o chamamos de transmissor (frequentemente abreviado como XMTR).

 

Classificação dos instrumentos

Existem diferentes classificações para instrumentos de medição. Podemos classificá-los, por exemplo, como instrumentos de campo ou instrumentos de painel. O instrumento de campo é instalado próximo ao processo ou ao ponto de medição. Ele deve ser fisicamente robusto se for exposto a condições ambientais adversas. Os instrumentos de painel ficam em uma sala com ambiente controlado (geralmente um espaço limpo, com ar-condicionado e umidade controlada).

Outra classificação é entre instrumentos pneumáticos e instrumentos elétricos/eletrônicos.

 

Instrumentos pneumáticos

Como o nome sugere, esses são dispositivos alimentados por ar.

Uma das vantagens desses instrumentos é que eles não consomem eletricidade, portanto podem ser usados em áreas onde seria perigoso ou inconveniente utilizar energia elétrica. Eles trabalham com uma única variável, são instrumentos imprecisos, são afetados por vibrações e mudanças de temperatura e exigem muita manutenção. O sinal de saída dos transmissores está entre 3 e 15 psi, e a distância máxima de transmissão é de aproximadamente 200 metros.

 

Figura 6. Diagrama básico de um instrumento pneumático.

 

Instrumentos elétricos/eletrônicos

Os instrumentos eletrônicos podem ser divididos em três categorias gerais: analógicos, analógicos inteligentes e digitais.

 

Dispositivos analógicos:

• Sinal de saída: 4 a 20 mA
• Distância de transmissão: 1200 m (típica)
• São transmitidos dados de uma variável
• Boa precisão
• Fácil manutenção

 

Figura 7. Diagrama básico de um instrumento eletrônico (XMTR).

 

Dispositivos analógicos “inteligentes”:

• Caracterização do sensor para medir temperatura, pressão estática etc.
• Excelente precisão
• Autodiagnóstico (ou seja, o sensor pode analisar problemas em seu próprio funcionamento)
• Uma variável

 

Dispositivos digitais:

• Vários instrumentos podem usar um único cabo
• Transmissão de vários valores para cada instrumento (variáveis de processo, calibração, diagnósticos, faixa)
• Distância: aproximadamente 1900 m sem um repetidor
• A capacidade de dados é influenciada pelo modo de transmissão (cabo, fibra óptica, sem fio)

 

Figura 8. Transmissores digitais.

 

Especificações gerais do sensor

Faixa: A região entre os limites dentro da qual uma variável é medida. Ela indica os valores mínimo e máximo que delimitam a região. A faixa é expressa com dois números, por exemplo, 10 a 20 °C, 10 a 150 V, 0 a 100%

Span: Calculado como o valor máximo da faixa menos o valor mínimo da faixa. O span é expresso com um único número nas unidades do processo, por exemplo, 120 °C, 30 V, 150 litros por segundo.

Elevação: Se o limite inferior da faixa for um valor positivo, esse limite inferior será a elevação. Exemplo: se a faixa for de 50 °C a 200 °C, podemos dizer que a elevação é de 50 °C ou 33,3% do span.

Supressão (também chamada de depressão): Se o limite inferior da faixa for negativo, o valor absoluto desse limite inferior será a supressão. Exemplo: se a faixa for de -10 °C a 80 °C, podemos dizer que a supressão é de 10 °C ou 11,1% do span.

Sobre-faixa: Quando um dispositivo é calibrado para operar dentro de uma determinada faixa, mas pode ser submetido a valores acima ou abaixo dessa faixa, ele precisa de um mecanismo de proteção para evitar danos ao instrumento ou impedir que o indicador ultrapasse seu limite superior ou inferior. Quando os valores medidos estão acima do valor máximo, temos sobre-faixa positiva. Quando os valores medidos estão abaixo do valor mínimo, temos sobre-faixa negativa.

 

Figura 9. Exemplos de faixa, span, elevação e supressão.

 

Erro: A diferença entre o valor medido e o valor real (ou esperado ou desejado) de uma variável física. O erro pode ser positivo ou negativo. Quando o valor medido é maior que o valor real, o erro é positivo. Quando o valor medido é menor que o valor real, o erro é negativo.

                        Se medido > real, erro > 0

                        Se medido < real, erro < 0

O erro pode ser expresso

• em unidades de engenharia (por exemplo, °C, psi)
• como uma porcentagem do span (por exemplo, +/- 3% do span)
• como uma porcentagem da medição (por exemplo, +/- 5% da medição)

Valor de referência: em um sentido geral, refere-se ao valor real, esperado ou desejado de uma variável. No contexto de um sistema de controle com realimentação, o valor medido é realimentado e subtraído do valor de referência para gerar o sinal de erro.

Precisão: um número que define os limites do erro. Quando dizemos que um instrumento tem uma precisão de 0,1% do span, isso significa que, em qualquer ponto dentro da faixa, as leituras não diferem do valor real em mais de 0,1% do span.

 

Um exemplo de medição de processo

Para uma melhor compreensão dos conceitos expressos acima, considere o exemplo a seguir.

Temos um tanque de óleo cuja temperatura deve ser medida continuamente. As condições de operação desse processo são as seguintes:

• Temperatura mínima: -10 °C
• Temperatura máxima: 90 °C
• A precisão da medição deve ser de 1% do span ou melhor
• A medição da temperatura deve ser exibida local e remotamente

 

Figura 10. Nosso sistema de exemplo.

 

Primeiro, devemos selecionar um instrumento de medição que nos permita medir a temperatura do líquido no tanque. Como as informações devem estar disponíveis local e remotamente, escolheremos um transmissor de temperatura.

Este transmissor deve ter as seguintes características:

• Faixa: -10 °C a 90 °C
• Span: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Supressão: 10 °C ou 10% do span
• Precisão: 1% do span = 1% × 100 °C = 1 °C
  • Essa precisão de 1% garante que, em cada medição ou leitura de temperatura, a variação ou os erros não excederão +/- 1 °C

Como observação adicional, devemos garantir uma relação adequada entre a faixa e a saída padronizada do transmissor. Para calibrar o instrumento, devemos associar o valor mínimo da faixa (-10 °C) ao valor mínimo da saída (4 mA) e o valor máximo da faixa (90 °C) ao valor máximo da saída (20 mA).

 

Conclusão

Neste artigo, discutimos dispositivos de medição e conceitos fundamentais de medição no contexto de sistemas de instrumentação e controle. Também analisamos um exemplo simples de sistema envolvendo um elemento de aquecimento e um instrumento capaz de coletar e transmitir dados de temperatura. No próximo artigo, abordaremos as quatro variáveis básicas usadas em aplicações industriais: vazão, nível, temperatura e pressão. Além disso, discutiremos vários sensores, como placas de orifício, termopares e RTDs, e revisaremos instrumentos e transmissores usados para medir essas quatro variáveis físicas.