Instrumentação Básica - Petrobrás

Instrumentação Básica - Petrobrás

(Parte 1 de 7)

Instrumentação Básica

2 Instrumentação Básica

Instrumentação Básica

CURITIBA 2002

Equipe Petrobras

Petrobras / Abastecimento UNs: Repar, Regap, Replan, Refap, RPBC, Recap, SIX, Revap

Instrumentação Básica

629.8 Chaves, Carlos Roberto. C512Curso de formação de operadores de refinaria: instrumentação básica /

Carlos Roberto Chaves. – Curitiba : PETROBRAS : UnicenP, 2002. 98 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Financiado pelas UN: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP.

1. Instrumentação. 2. Medição. 3. Controle automático. I. Título.

Instrumentação Básica

Apresentação

É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados, diferenciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de você e de seu perfil empreendedor.

Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o

Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria. Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes técnico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não podem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da Petrobras.

Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na Petrobras.

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Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo.

Instrumentação Básica

1 TERMINOLOGIA7
1.1 Introdução à Instrumentação7
1.2 Por que automatizar8
1.3 Terminologia e Simbologia10
2 SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO12
2.1Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190)12
2.1.1 Tipos de conexões12
2.1.2Código de Identificação de Instrumentos12
de Campo e Painel15
2.1.4Alguns Arranjos Típicos de Instrumentos15
(Institute of Standard American)17
2.2.1 Finalidades17
2.2.2 Aplicação na Indústria17
2.3 Aplicação nas atividades de trabalho17
2.4Aplicação para Classes e Funções de Instrumentos17
2.5 Conteúdo da Identificação da Função18
2.6 Conteúdo de Identificação da Malha18
2.7 Símbolos de Linha de Instrumentos19
2.7.1Símbolos opcionais binários (ON – OFF)19
2.8Símbolos gerais de instrumentos ou de funções20
3ELEMENTOS DE UMA MALHA DE CONTROLE2
3.1 Variáveis de processo2
3.1.1 Variável controlada2
3.1.2 Meio controlado2
3.1.3 Variável manipulada2
3.1.4 Agente de controle2
3.2 Malha de controle23
3.2.1 Malha aberta23
3.2.2 Malha fechada23
4 MEDIÇÃO DE PRESSÃO25
4.1 Introdução25
4.2 Peso Específico25
4.3 Gravidade Específica25
na medição de pressão25
4.4.1Lei da Conservação de energia (Teorema de Bernoulli)25
4.4.2 Teorema de Stevin25
4.4.3 Princípio de Pascal26
4.4.4 Equação Manométrica26
4.5 Definição de Pressão26
4.5.1 Pressão Estática27
4.5.2 Pressão Dinâmica27
4.5.3 Pressão total27
4.5.4 Tipos de Pressão Medidas27
4.5.5 Unidades de Pressão28
4.6 Técnicas de medição de pressão28
4.6.1 Introdução28
4.6.2Composição dos Medidores de Pressão28
4.7 Principais Tipos de Medidores28
4.7.1 Manômetros28
4.7.2 Manômetro de Líquido29
4.8 Tipos de Manômetro Líquido30
4.8.1Manômetro tipo Coluna em “U”30
4.8.2Manômetro tipo Coluna Reta Vertical30
4.8.3 Manômetro tipo Coluna Inclinada31
4.8.4 Aplicação31
4.8.5 Manômetro Tubo Bourdon31
4.9 Manômetro Tipo Elástico32
5INSTRUMENTO DE TRANSMISSÃO DE SINAL36
5.1 Tipos de transmissores de pressão36
5.1.1 Transmissores pneumáticos36
5.1.2 Transmissores eletrônicos analógicos37
5.2 Instrumentos para alarme e inter-travamento38
5.2.1 Pressostato38
5.3 Instrumentos conversores de sinais40
5.3.1 Conversores eletro-pneumáticos e pneumáticos-elétricos40
6 MEDIÇÃO DE VAZÃO42
6.1 Introdução42
6.1.1 Tipos de medidores de vazão42
6.2 Placa de orifício43
6.3 Tubo Venturi4
6.3.1 Bocal de Vazão4
6.3.2 Tubo Pitot4
6.3.3 Medidor Tipo Annubar45
6.3.4 Rotâmetros45
6.3.5 Princípio Básico45
6.4Medidores de vazão em canais abertos45
6.4.1 Vertedor45
6.4.2 Calha de Parshall46
6.5 Medidores especiais de vazão46
6.5.1 Medidor Eletromagnético de Vazão46
6.5.2 Medidor Tipo Turbina46
6.5.3 Medidor por Efeito Coriolis46
6.5.4 Medidor Vortex47
6.5.5 Medidores Ultra-sônicos47
6.5.6 Medidores de efeito Doppler47
7 MEDIÇÃO DE NÍVEL49
7.1 Introdução49
7.2Métodos de medição de nível de líquido49
7.2.1 Medição direta49
7.2.2 Medição indireta de nível49
7.2.3 Medição de Nível Descontínua53
7.2.4 Medição e Nível de Sólidos54
8 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA5
8.1 Introdução5
8.2 Temperatura e calor5
8.2.1Medição de temperatura com Termopar56
8.3 Efeitos termoelétricos57
8.3.1 Efeito termoelético de Seebeck57
8.3.2 Efeito termoelétrico de Peltier57
8.3.3 Efeito termoelétrico de Thomson57
8.3.4 Efeito termoelétrico de Volta58
8.4Medição de temperatura por termo-resistência58
8.4.1 Princípio de Funcionamento59
8.4.2Características da termo-resistência de platina59
8.4.3Radiômetro ou Pirômetro de radiação60
9 ANALISADORES INDUSTRIAIS61
9.1 Introdução61
9.2 Instrumentos de análise ou analisador61
9.3 Sistema de amostragem61
9.3.1 Captação61
9.4Funções de um sistema de amostragem62
9.4.1 Captação de Amostra63
9.5 Transporte de amostra63
9.5.1 Temperatura63
9.5.2 Filtro de adsorção65
10 INSTRUMENTAÇÃO ANALÍTICA6
10.1 Analisadores de Gases Industriais6
10.2 Analisadores de Gases6
10.2.1Analisadores de Gases por Condutibilidade Térmica6
10.3Analisadores por absorção de raios infravermelhos67
10.3.1Teoria de funcionamento67
10.3.2Princípio de medição68
10.3.3Fonte de infravermelho69
10.3.4 Célula69
10.3.5Tipos de analisadores69
10.3.6Analisadores paramagnéticos71
10.4 Analisador de Oxi-Zircônia74
10.4.1 Introdução74
10.5 Analisador de Líquidos75
10.5.1Medidor pH75
10.5.2Medição de pH através do eletrodo de vidro75
10.5.3Solução padrão de pH76
10.5.4Observações a serem feitas durante a medição7
10.6 Medidor de densidade específica7
pelo método flutuação7
pelo método de pressão78
pelo método de comparação da cor78
10.6.4Estrutura do equipamento78
1 VÁLVULAS DE CONTROLE80
1.1 Introdução80
1.2 Tipos de Corpos80
1.3Válvulas de deslocamento Linear de Haste81
(Série SIGMAF)81
1.4 Válvulas de Controle – Definições Geral81
1.4.1 Válvulas de Controle81
1.4.2Componentes da válvula de controle82
1.4.3 Tipos de válvulas de controle82
1.5 Válvula Globo83
1.5.1 Corpo da válvula83
1.5.2Internos (ou conjunto dos internos)83
12 CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSO85
12.1 Sistemas de Controle85
12.2Partes de um Sistema de Controle85
12.3 Estabilidade do Sistema de Controle86
12.4Funcionamento de um Sistema de Controle Fechado86
12.5 Modos de Controle do Controlador86
12.5.1 Controle biestável87
12.5.2Controle proporcional87
12.5.3 Controle integral87
12.5.4Controle proporcional-integral87
12.5.5 Controle derivativo8
12.5.6 Controle proporcional-derivativo8
12.5.7 Controle proporcional-integral-derivativo8

Sumário 2.1.3Simbologia de identificação de instrumentos 2.2Simbologia Conforme Norma ISA 4.4Princípios, leis e teoremas da física utilizados 10.6.1Medidor de densidade específica 10.6.2Medidor de densidade específica 10.6.3Medidor do grau de densidade 1.3.1Válvula de Controle Tipo Globo Convencional 12.6 Conclusões .................................................................................... 8

Instrumentação Básica

1.1 Introdução à Instrumentação

Curso Básico de Instrumentação e Controle

O presente material descreve, de forma sucinta, a definição clássica da instrumentação envolvida no processo de transformação da matéria-prima em produto ou sub-produto e, em linhas gerais, aborda os conceitos que serão base para uma compreensão lata sobre a atividade. A intenção não é portanto, a de suprimir lacunas nas cátedras de Física, Química Geral ou Fenômeno dos Transportes, cujo universo de teorias e conceitos envolvidos transpõem os objetivos do curso.

Todo processo de transformação do estado de determinadas substâncias (líquidas, gasosas, sólidas) participes de uma cadeia de processamento, para a composição de um produto final, envolve, em síntese, certas operações, que, em certos casos, necessitam serem controladas a fim de manter as grandezas envolvidas (pressão, vazão, temperatura, etc), dentro de valores preestabelecido.

A definição clássica de processo denota toda a operação de transformação de matériaprima (no seu estado natural) em uma forma útil. Todo processo químico é formado por “um conjunto de operações unitárias interligadas entre si de acordo com uma seqüência lógica”. Estabelecida no projeto básico de engenharia

Um processo apresenta variáveis a serem controladas, que interferem direta ou indiretamente no resultado da qualidade do produto ou subproduto. Os métodos de coleta de informações sobre as condições do processo di- ferem em muito dependendo do tipo de grandeza que se quer inferir. Algumas informações (variáveis) podem ser coletadas através de métodos direto ou indireto. Para este último, em muitos casos, utilizamos a inferência.

A instrumentação pode, então, ser definida como a ciência que aplica e desenvolve técnicas para medidas e controles em equipamentos e processos industriais.

Tomando-se como exemplo o sistema de medição de energia elétrica encontrado em residências, um instrumento que mede e registra a energia elétrica consumida durante um dado período de tempo. Realizam-se aqui, três atividades distintas:

1.medição da energia elétrica consumida em cada instante;

2.soma das energias consumidas durante um certo período de tempo;

3.registro no totalizador do aparelho.

Trata-se aqui simplesmente de um processo de medida, integração e registro de uma entidade física, energia elétrica consumida na residência.

Dado um eletrodoméstico, ligado à rede pública através de um “regulador de tensão”. Este instrumento pretende, na medida do possível, fornecer ao eletrodoméstico ligado a ele, uma tensão constante, para a qual ele é regulado, conforme observado na ilustração a seguir.

Instrumentação Básica

O regulador de tensão recebe uma tensão da rede, compara com a tensão para a qual foi ajustado e atua sobre a tensão, conforme necessário, para fornecer ao eletrodoméstico a tensão predeterminada. Tem-se, aqui, uma atividade de controle.

De uma maneira ampla, os dispositivos que realizam as tarefas de medição, registro e controle são chamados de instrumentos, e a ciência que os estuda é chamada de instrumentação.

Em linhas gerais e conclusivas, a “instrumentação” é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.

Em indústrias, tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, entre outras, a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, pois, faz com que toda energia cedida seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. No processo, as principais grandezas que traduzem transferências de energia, denominadas variáveis de um processo, são: pressão, nível, vazão, temperatura.

A seguir serão abordadas as várias técnicas de medição e tratamento destas grandezas.

1.2 Por que automatizar

A utilização de instrumentos para controle automático de processo nos permite, incrementar e controlar a qualidade do produto, aumentar a produção e rendimento, obter e fornecer dados seguros da matéria-prima e da quantidade produzida, além de ter em mãos dados relativos à economia dos processos.

Instrumentação Básica

Com o surgimento da máquina a vapor no fim do século passado, o homem viu-se obrigado a desenvolver técnicas de medição. Desta forma, surgem instrumentos para indicar a variável em questão, a pressão. A grande demanda de indicadores de pressão surgiu na área de fornos e caldeiras, resultando em uma grande redução do número de acidentes e ocorrências de explosões nestes equipamentos.

No final dos anos trinta, começaram a surgir os primeiros instrumentos de controle automático.

Com o surgimento da eletrônica dos semicondutores no início dos anos 50, surgiram os instrumentos eletrônicos analógicos, e gradativamente, a partir desta data, os instrumentos pneumáticos foram substituídos pelos eletrônicos, em processos onde não existia risco de explosão.

Na atualidade, os industriais estão cada vez mais optando por automatizar as suas unidades/plantas, adquirindo sistemas eletrônicos microprocessador, tais como transmissores inteligentes controladores, Multi.Loop, controladores lógicos programáveis (CLP), Sistemas Digitais de Controle Distribuído, Sistemas Fieldbus.

Já são encontrados, no mercado nacional, instrumentos com tecnologia consagrada (segurança intrínseca) capaz de fornecer uma alta performance operacional aliada à otimização de processos industriais. A seguir pode-se perceber este grau de integração.

Instrumentação Básica

1.3 Terminologia e Simbologia

As definições a seguir são conhecidas por todos que intervêm, diretamente ou indiretamente, no campo da instrumentação industrial, e têm como objetivo a promoção de uma mesma linguagem técnica.

RANGE (Faixa de medida): Conjunto de valores da variável analisada, compreendido dentro do limite inferior e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. É expresso determinando-se os valores extremos. Exemplo:

100 ~ 500°C; 0 ~ 20 psi; –30 ~ 30 mmca.

SPAN (Alcance): É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Exemplo:

Um instrumento com range de 100 a 250°C, possui Span = 150°C

ERRO: Diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação real da variável medida. Se o processo ocorrer em regime permanente (que não varia ao longo do tempo), será chamado de Erro Estático, e poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento. Quando a variável altera-se, tem-se um atraso na transferência de energia do meio para o medidor, ou seja, o valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença é chamada de Erro Dinâmico.

PRECISÃO: Definida como o maior valor de erro estático que um instrumento possa ter ao longo de sua faixa de trabalho. É possível expressá-la de diversas maneiras: a)Em porcentagem do alcance (span).

Ex.: Um instrumento com range de 50 a 150°C está indicando 80°C e sua precisão é de ± 0,5% do span.

80°C ± (0,5 / 100) x 100°C = 80°C ± 0,5°C

Portanto, a temperatura estará entre 79,5 e 80,5°C.

b)Em unidade da variável. Exemplo:

Precisão de ± 2°C c)Em porcentagem do valor medido (para maioria dos indicadores de campo). Ex.: Um instrumento com range de 50 a 150°C está indicando 80°C e sua precisão é de ± 0,5% do valor medido.

80°C ± (0,5 / 100 x 80°C) = 80°C ± 0,4°C

Portanto, a temperatura estará entre 79,6 e 80,4°C.

Pode-se ter a precisão variando ao longo da escala de um instrumento, indicada pelo fabricante, então, em algumas faixas da escala do instrumento. Exemplo:

Um manômetro pode ter uma precisão de ±1% em todo seu range e ter na faixa central uma precisão de ± 0,5% do span.

d)Em % do fundo de escala ou Span máximo:

80ºC ± (0,5 / 100) x 150ºC = 80ºC ± 0,75ºC

Observação: Quando o sistema de medição é composto de diversos equipamentos, admite-se que a precisão total da malha seja igual à raiz quadrada da soma dos quadrados das precisões de cada equipamento.

Exemplo: Uma malha de instrumentação é constituída pelos seguintes instrumentos:

–Termopar, com precisão de ± 0,5% do valor medido. Valor medido = 400°C (± 2°C). –Fio de Extensão, com precisão de ±1°C.

–Registrador, com escala de 0 a 800°C e precisão de ± 0,25%, portanto ± 2°C. Precisão total da malha =

Zona Morta – É o maior valor de variação que o parâmetro medido possa alcançar, sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento (pode ser aplicado para faixa de valores absolutos do “range” do mesmo). Está relacionada a folgas entre os elementos móveis do instrumento, como engrenagens.

Exemplo: Um instrumento com “range” de 0 a 200°C possui uma zona morta de ± 0,1% do span.

± 0,1% = (0,1 / 100 x 200) = ± 0,2°C

Instrumentação Básica

Portanto, se a variável alterar em 0,2°C, o instrumento não apresentará resposta nenhuma.

Sensibilidade: É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Denota a capacidade de resolução do dispositivo.

Exemplo: Um termômetro de vidro com “range” de 0 a 500°C, possui uma escala de leitura de 50 cm.

Sensibilidade = (50 / 500 cm)/°C = 0,1cm/°C

Histerese: É a diferença máxima apresentada 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 ou é o desvio porcentual máximo com o qual, para uma mesma variável (por exemplo vazão), uma indicação do valor instantâneo afasta-se do outro, dependendo de ter sido alcançado a partir de valores maiores ou menores.

Exemplo: Num instrumento com “range” de 0 a 200°C mostrado na Figura seguinte, a histerese é de 0,2%.

Conformidade: É o desvio percentual máximo com o qual uma determinada variável se afasta da sua curva característica.

Reprodutibilidade: É a máxima diferença encontrada ao se aplicar um valor conhecido diversas vezes, em um dispositivo eletrônico pneumático ou mecânico.

Repetibilidade: É o desvio porcentual máximo com o qual uma mesma medição é indicada, tomando-se todas as condições como exatamente reproduzidas de uma medida para outra. Expressa-se em porcentagem do span. Um instrumento com “range” de 0 a 1000 L/ min, ± 0,1% do span (o que corresponde a ± 1 L/min), se a vazão real na primeira passagem ascendente for 750 L/min e o instrumento indicar 742 L/min, numa segunda passagem ascendente com vazão real de 750 L/min o instrumento indicará 742 ± 1 L/min. Observar que o termo Repetibilidade não inclui a Histerese.

Anotações

Instrumentação Básica

2Simbologia de Instrumentação

Com o objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países.

No Brasil a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), através de sua norma NBR 8190, apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. No entanto, como é dada a liberdade para cada empresa estabelecer/escolher a norma a ser seguida na elaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação, outras são utilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industrias no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America).

A seguir serão apresentadas, de forma resumida, as normas ABNT e ISA que serão utilizadas ao longo dos trabalhos de instrumentação.

2.1 Simbologia Conforme Norma ABNT (NBR-8190)

2.1.1 Tipos de conexões

1.Conexão do processo, ligação mecânica ou suprimento ao instrumento.

2.Sinal pneumático ou sinal indefinido para diagramas de processo.

5.Sinal hidráulico.

6.Sinal eletromagnético ou sônico (sem fios).

2.1.2 Código de Identificação de Instrumentos

Cada instrumento deve ser identificado com um sistema de letras que o classifique funcionalmente (Ver Tabela 1 a seguir).

Como exemplo, uma identificação representativa é a seguinte:

TR C 1ª letraLetras sucessivas

Identificação Funcional

2A Nº da cadeiaSufixo (normalmente não é utilizado)

Identificação da Cadeia

Observação: Os números entre parênteses referem-se às notas relativas dadas a seguir.

Notas Relativas

1.As letras “indefinidas” são próprias para indicação de variáveis não listadas que podem ser repetidas em um projeto particular. Se usada, a letra deverá ter um significado como “primeira-letra” e outro significado como “letrasubseqüente”. O significado precisará ser definido somente uma vez, em uma legenda, para aquele respectivo projeto. 2.A letra “não-classificada”, X, é própria para indicar variáveis que serão usadas uma vez, ou de uso limitado. 3.Qualquer primeira-letra, se usada em combinação com as letras modificadoras D (diferencial), F (razão) ou Q (totalização ou integração), ou qualquer combinação será tratada como uma entidade “primeira letra”.

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