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2.3.1 Acessórios 92.3.2 Classificação dos Manômetros 102.3.3 Fole 11
2.4 Coluna de Líquido 112.5 Transmissores de Pressão 13
2.5.1 Tipo Capacitivo 132.5.2 Tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo 142.5.3 Sensor por Silício Ressonante 16
3 MEDIÇÃO DE VAZÃO 203.1 Conceitos Básicos 203.2 Tipos de Medidores de Vazão: 203.3 Medição de Vazão por Pressão Diferencial 21
3.3.1 Vantagens / Desvantagens 223.3.2 Tipos de Orifícios 22
MANUAL
TECNOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO E
AUTOMAÇÃO
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3.4 Medidor Eletromagnético de Vazão 233.4.1 Principio de Funcionamento 233.4.2 Instalação do medidor magnético 24
3.5 Medidor Vortex 263.5.1 Principio de medição 263.5.2 Instalação 28
4 TEMPERATURA 294.1 Introdução 294.2 Escalas de Temperatura 30
4.2.1 Escala Internacional de Temperatura 314.3 Normas 324.4 Termômetros à dilatação de sólido bimetálico 334.5 Termômetros à par termoelétrico 364.6 Termômetro a dilatação de líquido 36
4.6.1 Características dos elementos básicos: 384.7 Termômetros a Pressão de Gás 394.8 Termômetro à Pressão de Vapor 414.9 Termopares 42
4.9.1 Efeitos Termoelétricos 434.9.2 Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura 474.9.3 Tipos e Características dos Termopares 484.9.4 Tipos de Termopares : Tipo T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN 484.9.5 Tipos de Termopares : Tipo J - TERMOPARES DE FERROCONSTANTAN 494.9.6 Tipos de Termopares : Tipo E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN 494.9.7 Tipos de Termopares : Tipo K - TERMOPARES DE CHROMEL ALUMEL 504.9.8 Tipos de Termopares : Tipo N - TERMOPARES DE NICROSIL - NISIL 504.9.9 Tipos de Termopares : Tipo S/R - TERMOPARES DE RÓDIO - PLATINA 514.9.10 Tipos de Termopares : Tipo B - TERMOPARES DE PLATINA- RÓDIO / PLATINA - RÓDIO 514.9.11 Correção da Junta de Referência 524.9.12 Fios de Compensação e Extensão 534.9.13 Erros De Ligação 534.9.14 Termopar de Isolação Mineral 564.9.15 Associação de Termopares 57
4.10 Termoresistências 584.10.1 Princípio de Funcionamento 594.10.2 Construção Física do Sensor 604.10.3 Características da Termoresistência de Platina 614.10.4 Vantagens / Desvantagens: 624.10.5 Princípio de Medição 62
4.11 Medição de Temperatura por Radiação 644.11.1 Radiação Eletromagnética - Hipótese de Maxwell 644.11.2 Espectro eletromagnético 654.11.3 Teoria da Medição de Radiação 664.11.4 Pirômetros Ópticos 694.11.5 Radiômetro ou Pirômetros de Radiação 70
5 NÍVEL 725.1 Introdução 725.2 Métodos de Medição de Nível de Líquido 72
5.2.1 Medição Direta 725.3 Medição de Nível Indireta 74
5.3.1 Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial) 745.3.2 Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados. 745.3.3 Medição de Nível com Borbulhador 765.3.4 Medição de Nível por Empuxo 775.3.5 Medição de Nível por Radiação 785.3.6 Medição de Nível por Capacitância 795.3.7 Medição de Nível por Ultra Som 805.3.8 Medição de Nível por Radar 815.3.9 Medição de Nível por Pressão Hidrostática 81
5.4 Medição de Nível Descontínua 82
3
5.4.1 Medição de Nível de Sólidos 83
6 INVERSORES 846.1 Conceitos Básicos 846.2 Formas de Operação 846.3 Vantagens do Controle de Velocidade por AFD 856.4 Motor AC 856.5 Torque - Escorregamento - Velocidade 876.6 Partidas de Motores 876.7 Torque 886.8 AFD (Adjustable Frequency Driver) 896.9 Circuito de Potência: 916.10 Circuito RL 926.11 Aplicação 946.12 CPU e Softwraes 976.13 Hardware 986.14 Drivers 996.15 Troubleshooting 996.16 Encoders 100
7 CONTROLE 1047.1 Conceitos Básicos 1047.2 Elementos de controle 105
7.2.1 Sensores e transmissores 1057.2.2 Válvulas de controle 106
7.3 Elementos de painel 1077.4 Conceitos de Controle 1077.5 Documentação 1077.6 Controladores 108
7.6.1 Ações de Controle: 1087.6.2 Controle proporcional: 1097.6.3 Controle Integral: 1097.6.4 Controle proporcional e integral: 1107.6.5 Controle proporcional e derivativo: 1107.6.6 Controle proporcional, integral e derivativo: 1107.6.7 Algoritmo de Controle 1117.6.8 Desempenho de controladores 1127.6.9 Sintonia 1147.6.10 Variações de Controles 115
8 NOÇÕES BÁSICAS SOBRE AJUSTE DE CONTROLADORES DE PROCESSO
ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
9 CONTROLES DE CALDEIRAS 1279.1 Economia na Geração de Vapor 1279.2 Operando um Sistema de Queima 127
9.2.1 Ar Estequiométrico (Oxigênio Teórico) 1289.2.2 Composição Aproximada do Ar Atmosférico 1289.2.3 Qual o Valor Ideal do Co2 na Queima ? 1289.2.4 Interpretação das Medições de Co2 128
9.3 Temperatura dos gases na Base da Chaminé 1289.4 Fuligem nos Gases 129
9.4.1 Causas Prováveis da Fuligem Excessiva : 1309.5 Controle de Combustão 130
9.5.1 Pressão de Vapor 1319.5.2 Atomização 1319.5.3 Temperatura do Óleo 1319.5.4 Nível do Tubulão 1319.5.5 Excesso de Ar 132
9.6 Conclusão 132
10 CONTROLE DE DESCARGA DE FUNDO DE CALDEIRA 133
4
10.1 Objetivo: 13310.2 Válvula de Descarga de Fundo 133
10.2.1 Requisitos Técnicos para uma Válvula de Descarga 13410.2.2 Válvulas Comuns 135
10.3 Válvulas Especiais 13510.4 Comparação da Eficiência entre as Válvulas Especiais e Comuns 135
10.4.1 Comparação de Custos 136
11 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO 13811.1 Conceito: 13811.2 Estação de Controle 13811.3 Console de Operação 138
11.3.1 Alarmes 13911.3.2 Telas 13911.3.3 Segurança 13911.3.4 Relatórios 13911.3.5 Armazenamento de Dados 14011.3.6 Estação de Engenharia 140
12 REDES DE COMUNICAÇÃO 14112.1 Conceitos Básicos 14112.2 Classificação das Redes de Comunicação 14212.3 Rede de Informação 14212.4 Rede de Controle 14312.5 Rede de Campo 143
13 FOUNDATION FIELDBUS 14513.1 Introdução 14513.2 O que é uma rede Fieldbus ? 14513.3 Aplicações 14713.4 Configurações 147
13.4.1 Níveis de Protocolo : 14713.5 Níveis de Software: 148
13.5.1 Nível de Enlace 14813.5.2 Nível de Aplicação 14913.5.3 Nível do Usuário 14913.5.4 Nível Físico 149
13.6 Topologias 15213.6.1 Topologia de barramento com Spurs 15213.6.2 Topologia Ponto a Ponto 15313.6.3 Topologia em Árvore 15313.6.4 Topologia End to End 15413.6.5 Topologia Mista 154
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1 OBJETIVO
Este documento tem por objetivo listar as várias tecnologias de instrumentação e automação do projeto
HDF, esclarecendo os conceitos envolvidos.
O objetivo de se medir e controlar as diversas variáveis físicas em processos industriais é obter produtos
de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e segurança, a custos compatíveis com as
necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado; químicos, petroquímicos,
siderúrgicos, cerâmicos, farmacêuticos, vidreiros, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico, nuclear entre
outros.
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2 PRESSÃO
2.1 CONCEITOS BÁSICOS
A pressão entre todas as variáveis de processo se ressalta pela sua importância, pois diversas outras
variáveis são medidas utilizando-se indiretamente a pressão, como por exemplo vazão, esta variável pode
ser medida utilizando a pressão diferencial de uma placa de orifício com o fluxo através da mesma.
O conceito sobre pressão que iremos falar aqui é superficial, trataremos dos princípios básicos e
funcionamento dos instrumentos, começamos assim por manômetros industrias, vamos então definir de
forma simples o que é pressão:
A pressão é definida como o quociente entre uma força F e uma superfície de área A, isto é:
AF
=Ρ
A unidade de força Newton (N) é definida como:
211smKgN =
A partir dela é diretamente derivada a unidade de pressão pascal (Pa), assim denominada em honra ao
físico francês Blaise Pascal:
211mNPa =
Pressão atmosférica: É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível
do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.
Pressão Relativa: É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de
referência.
Pressão Absoluta: É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir
do vácuo absoluto.
Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta.
Exemplo: 3 Kgf/cm2 ABSPressão Absoluta
4 Kgf/cm2 Pressão Relativa.
O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos mede
pressão relativa.
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Pressão Negativa ou Vácuo: É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão
atmosférica.
Pressão diferencial: É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ∆Ρ . Essa
diferença de pressão normalmente é utilizada para se medir vazão e nível.
Pressão estática: É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo
perpendicularmente a tomada de impulso, por unidade de área exercida
Pressão dinâmica ou cinética: É a pressão exercida por um fluído em movimento. É medida fazendo a
tomada de impulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo.
2.2 UNIDADES
A pressão pode ser dada em qualquer unidade que expresse o quociente de uma força por uma superfície
ou altura de coluna de liquido de peso especifico conhecido,na industria as unidades mais usadas para
pressão são: barinCAmmHgmmCApsicmgf ,,,,,. 2Κ .A unidade padronizada para expressar uma pressão
em nossa planta de energia , no projeto HDF é o bar .
Na tabela abaixo apresentamos a conversão das principais unidades de pressão em relação ao bar .
galão (americano) = 3,785 litros,1 pé cúbico = 0,0283168 m 3 1 libra = 0,4536 Kg.
3.2 TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO:
Existem dois tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade e os medidores volumétricos, nós
estaremos enfocando mais o volumétrico devido justamente ser este tipo de medidor o empregado em
nossa planta de energia.
Medidores de Quantidade: São aqueles que, a qualquer instante permitem saber que quantidade de
fluxo passou mas não vazão do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros,
balanças industriais, etc.
Medidores de Quantidade por Pesagem: São utilizados para medição de sólidos, que são as
balanças industriais.
Medidores de Quantidade Volumétrica: São aqueles que o fluído, passando em quantidades
sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação.São
estes medidores que são utilizados para serem os elementos primários das bombas de gasolina e dos
hidrômetros. Exemplo: disco mutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão alternativa, tipo pás,
tipo engrenagem, etc.
Medidores Volumétricos: São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo,será o medidor de
vazão empregado na planta de energia para se medir vazão de água,vapor,óleo e etc.
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3.3 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL
O transmissor de Vazão tem como função transmitir a vazão do processo para uma sala de controle ou
sistema de controle. A vazão é a principal variável na maioria dos processos industriais. Existem vários
métodos e instrumentos para medição de vazão. O mais comumente utilizado é a medição de vazão por
diferença de pressão. Uma restrição é instalada em uma linha e através da pressão diferencial podemos
medir a vazão com uma boa precisão. O instrumento utilizado para medir a pressão diferencial é o
transmissor de pressão diferencial. É um medidor de pressão como já vimos anteriormente, só que as duas
câmaras de tomadas de pressão são utilizadas no processo,ou seja, tomadas de alta (H) e baixa (L)
pressão.
Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por DP, é que os mesmos podem ser aplicados numa
grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluídos com sólidos
em suspensão, bem como fluídos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um
inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que o mesmo causa ao processo , sendo a placa de
orifício, o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecuperável" (de 40 a 80% do DP gerado).
O cálculo da vazão para a medição com instrumentos de pressão diferencial é basicamente:
onde:
Q=Vazão do fluido na região da restrição;
K = Coeficiente que representa de forma universal, características do fluido, diâmetro e tubulação.
A = Área de passagem da restrição.
DP = Perda de carga entre montante e jusante da restrição.
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Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e
mais comum empregado é o da placa de orifício.Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é
instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação.É essencial que as bordas do orifício estejam sempre
perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corroídas pelo fluído, a precisão da medição será
comprometida. Costumeiramente é fabricado com aço inox, monel, latão, etc.,dependendo do fluído
3.3.1 Vantagens / Desvantagens
Vantagens:
Instalação fácil
Econômica
Construção simples
Manutenção e troca simples
Desvantagens:
Alta perda de carga
Baixa rangeabilidade
3.3.2 Tipos de Orifícios
Orifício concêntrico: Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham
sólidos em suspensão.
Orifício excêntrico: Utilizada quando tivermos fluído com sólidos em suspensão, os quais possam
ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo.
Orifício segmental: Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de
segmento de círculo. É destinada para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em
suspensão.Na foto abaixo você verá um exemplo de placa de orifício tipo concêntrico.
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3.4 MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO DE VAZÃO
O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os
métodos de medição de vazão . Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que
não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de
medição. Medidores magnéticos são ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos,
fluidos com sólidos em suspensão, lama, água,polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento
até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição,em
princípio é que o fluído tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitação o fato de fluidos
com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição.Na figura abaixo podemos ver o
medidor magnético em corte e no final a foto do medidor magnético utilizado na planta de energia.
Pela figura acima podemos reescrever a equação como sendo Vd..Β=Ε .
Onde:
Ε= Fem induzida
B = densidade do fluxo magnético
d = diâmetro interno do detector
V = velocidade do fluxo
3.4.1 Principio de Funcionamento
O medidor magnético de vazão é baseado na lei de FARADAY, esta lei foi descoberta pelo cientista
inglês FARADAY em 1831, segundo a lei, quando um objeto condutor se move em um campo magnético
uma forca eletromotriz é gerada, a relação entre a direção do campo, movimento do fluido e FEM
induzida pode ser determinada pela regra da mão direita de Fleming,pela equação Vd..Β=Ε ,levando-se
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em conta que a densidade de fluxo magnético é constante,temos que a FEM é proporcional à
velocidade,logo a vazão pode ser definida como VSQ .= .
onde:
Q =vazão
S = área da seção transversal do tubo ( m )
V =velocidade media do fluido ( sm / )
3.4.2 Instalação do medidor magnético
A instalação do medidor de vazão magnético é simples, contudo certos cuidados são necessários para
evitar erros na medição provocados pela presença de ar e danos causados pela indução de vácuo,outro
fator são as distancias mínimas para operar o medidor de forma a garantir uma linha com vazão laminar
Itens a serem considerados na instalação:
não instale o medidor em um ponto superior da tubulação,bolhas de ar acumuladas no tubo de
medição causarão medições incorretas.
quando for instalar o tubo em um trecho horizontal procure por uma parte levemente
ascendente,se não for possível garanta a velocidade adequada para impedir que ar,gases ou vapores se
acumulem na parte superior do tubo.
na alimentação ou descargas abertas instale o tubo na parte inferior do tubo de medição
em tubos com mais de 5 metros de comprimento instale a válvula de ar a jusante do medidor de
vazão
procure sempre instalar o medidor de vazão antes das válvulas de bloqueio ou controle .
instale o medidor de vazão no lado sucção da bomba
podemos resumir que a instalação correta é deixar o tubo sempre preenchido com liquido
Distâncias: Na figura abaixo mostramos as distancias que sempre deverão ser respeitadas para que se
possa garantir uma medição correta:
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Na figura abaixo temos uma visão simplificada do medidor magnético de nossa planta de energia que é o
Admag e na seqüência a foto deste modelo.
Medidor magnético de vazão modelo ADMAG
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3.5 MEDIDOR VORTEX
Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação
em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices; que se desprendem alternadamente de cada lado
do anteparo, como mostrado na figura abaixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em
todos os livros de mecânica dos fluidos.Os vórtices também podem ser observados em situações
freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo:O movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão
da correnteza; As bandeiras flutuando ao vento; As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos
quando expostas ao vento.Na figura abaixo você verá o principio do medidor vortex utilizado em nossa
planta de energia.
3.5.1 Principio de medição
O principio de medição do vortex é a introdução de um probe de formato definido no jato da vazão,que
produz os vórtices de Van Karman, a freqüência destes vórtices é linearmente proporcional à velocidade
e, portanto,à vazão volumétrica do fluido,como o vortex é um medidor que extrai energia do fluido, há
limitações de velocidade e de numero de Re, desta forma, o obstáculo de geometria definida é colocada
de forma a obstruir parcialmente um tubo em que escoa um fluido,há formação de vórtices que se
desprendem alternativamente dos lados do obstáculo, conforme figura nossa acima,a freqüência de
desprendimento ( f ) dos vórtices, no caso de um obstáculo bidimensional de dimensão transversal ( d ), é
relacionada à velocidade (V ) do fluido por uma constante,chamada de Strouhal, V
dfS .= .
onde:
S = numero de Strouhal
f = freqüência de desprendimento
d = dimensão do probe
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V = velocidade do fluido
Adicionalmente, neste caso a expressão VAQ .= também é válida.
onde:
Q = vazão volumétrica
A = área da seção da tubulação
V = velocidade do fluido
Mediante uma simples substituição, e considerando os parâmetros constantes agrupados em único
fator,teremos que a vazão será fKQ .=
onde:
Q = vazão volumétrica
K = VA.
f = freqüência
Na foto abaixo nós podemos ver o medidor vortex que será instalado na planta de energia
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3.5.2 Instalação
A instalação é bastante simples, na figura ilustramos as condições necessárias para que o medidor vortex
opere corretamente.
29
4 TEMPERATURA
4.1 INTRODUÇÃO
A monitoração da variável temperatura é fundamental para a obtenção do produto final especificado.
Termometria significa "Medição de Temperatura". Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado
com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir:
Pirometria - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se
manifestar.
Criometria- Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura.
Termometria - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam
casos particulares de medição.
Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas, as moléculas que se encontram em contínuo
movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas mais quente se apresenta o corpo e quanto
mais lento mais frio se apresenta o corpo.Então se define temperatura como o grau de agitação térmica
das moléculas.Na prática a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o seu
valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.Outros conceitos que se
confundem às vezes com o de temperatura são:
. Energia Térmica.
. Calor.
A energia térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas, dos seus átomos, e além de depender
da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância.Calor é energia em trânsito ou a forma
de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.até
o final do século XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, o sentido
do nosso corpo foram os únicos elementos de que dispunham os homens para dizer se um certo corpo
estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da inadequação destes sentidos sob ponto de vista
científico.A literatura geralmente reconhece três meios distintos de transmissão de calor: condução,
radiação e convecção.
Condução: A condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra
de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meios diferentes em
contato físico direto.
Radiação: A radiação é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de
baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista um vácuo entre eles.
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Convecção: A convecção é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de
calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. A convecção é mais importante como
mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um liquida ou gás.
4.2 ESCALAS DE TEMPERATURA
Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro, sentiam a
dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis,
como existia na época, para Peso, Distância, Tempo.As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram
Fahrenheit e a Celsius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do
gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes
iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no
ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido
em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado" utilizada
anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso.Tanto
a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são
totalmente arbitrários.Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um
ponto limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto,
onde cessa praticamente todo movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura. através da
extrapolação das leituras do termômetro a gás, pois os gases se liquefazem antes de atingir o zero
absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15°C.Existem escalas
absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no zero absoluto de
temperatura,existem duas escalas absolutas atualmente em uso: a escala Kelvin e a Rankine,a escala
Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual a um grau Celsius, porém o seu
zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da Escala
Celsius.A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é
idêntica à da Escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas:-
Kelvin ==> 400K (sem o símbolo de grau “°”). Rankine ==> 785R.
A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América, porém seu uso
tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal.A Escala Kelvin é utilizada nos meios
científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a
Fahrenheit.
Existe uma outra escala relativa a Reamur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o
ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais.
(Representação - °Re).
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A figura a seguir, compara as escalas de temperaturas existentes.
4.2.1 Escala Internacional de Temperatura
Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em fenômenos de
mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e
pressão. Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura,a primeira escala
prática internacional de temperatura surgiu em 1927 e foi modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais
modificações foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prática Internacional de Temperatura foi publicada
(IPTS-68).A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida sem
alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo mecanismo de
mudança de estado.
Os pontos fixos utilizados pela IPTS-68 são dados na tabela abaixo:
32
Observação:
Ponto triplo é o ponto em que as fases sólidas, líquidas e gasosas encontram-se em equilíbrio.A ainda
atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34°C, baseada em pontos de fusão, ebulição e pontos
triplos de certas substâncias puras como por exemplo o ponto de fusão de alguns metais puros.Hoje já
existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenômenos determinísticos de
temperatura e que definiu alguns pontos fixos de temperatura.
PONTOS FIXOS IPTS-68 ITS-90
Ebulição do Oxigênio -182,962°C -182,954°C
Ponto triplo da água +0,010°C +0,010°C
Solidificação do estanho +231,968°C +231,928°C
Solidificação do zinco +419,580°C +419,527°C
Solidificação da prata +961,930°C +961,780°C
Solidificação do ouro +1064,430°C +1064,180°C
4.3 NORMAS
Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos países, criou-se uma série de normas e
padronizações, cada uma atendendo uma dada região. As mais importantes são:
ANSI - AMERICANA
DIN - ALEMÃ
ESTADO DE EQUILÍBRIO TEMPERATURA (°C)
Ponto triplo do hidrogênio -259,34 Ponto de ebulição do hidrogênio -252,87 Ponto de ebulição do neônio -246,048 Ponto triplo do oxigênio -218,789 Ponto de ebulição do oxigênio -182,962 Ponto triplo da água 0,01 Ponto de ebulição da água 100,00 Ponto de solidificação do zinco 419,58 Ponto de solidificação da prata 916,93 Ponto de solidificação do ouro 1064,43
33
JIS - JAPONESA
BS - INGLESA
UNI - ITALIANA
Para atender as diferentes especificações técnicas na área da termometria, cada vez mais se somam os
esforços com o objetivo de unificar estas normas. Para tanto, a Comissão Internacional Eletrotécnica -
IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos países envolvidos neste processo normativo, não somente
para obter normas mais completas e aperfeiçoadas mas também de prover meios para a
internacionalização do mercado de instrumentação relativo a termopares,como um dos participantes desta
comissão, o Brasil através da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, está também
diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especificações como
Normas Técnicas Brasileiras.
Os elementos e transmissores de temperatura têm como função transmitir a temperatura do processo para
uma sala de controle ou sistema de controle. Podemos dividir os instrumentos de medição de temperatura
em duas Classes:
1a. Classe: São instrumentos em que o sensor está em contato com o meio ou corpo que queremos medir.
Termômetros à dilatação de sólido.
Termômetros à par termo elétrico.
Termômetros à resistência elétrica.
Termômetros à dilatação de líquido ou gás
2a. Classe: O elemento sensível não está em contato com o meio ou o corpo que queremos medir.
Pirômetros de radiação total.
Pirômetros de radiação parcial (monocromáticos).
4.4 TERMÔMETROS À DILATAÇÃO DE SÓLIDO BIMETÁLICO
O princípio de funcionamento é a dilatação linear dos metais quando esses submetidos ao calor,cada
metal possui um determinado coeficiente de dilatação linear. O termômetro Bimetálico é formado por
uma lâmina composta de dois metais diferentes.Os coeficientes de dilatação linear dos dois metais são
diferentes e quando ocorre o aquecimento da barra, a dilatação linear dos metais não sendo iguais, faz
com que a lâmina se curve. Esse encurvamento da lâmina é proporcional à temperatura aplicada na barra.
34
Para aumentar a sensibilidade da lâmina, os termômetros são construídos com lâminas em formatos
variados.
Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. Sendo:
)..1.( tLoLt ∆+= α
onde:
=t temperatura do metal em C°
=Lo comprimento do metal a temperatura inicial de referencia to
=Lt comprimento do metal a temperatura final t
=α coeficiente de dilatação linear
tott −=∆
O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes
sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um
encurvamento que é proporcional a temperatura. Na prática a lamina bimetálica é enrolada em forma de
espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade.
O termômetro mais usado é o de lamina helicoidal, e consiste em um tubo bom condutor de calor, no
interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma
35
escala.Normalmente usa - se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatação e o
latão como metal de alto coeficiente de dilatação.A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai
aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/- 1%.
36
4.5 TERMÔMETROS À PAR TERMOELÉTRICO
Muito utilizado para medição de temperaturas acima de 200 graus Celsius, o princípio de funcionamento
é baseado na descoberta do Físico alemão Seeback que observou uma diferença de potencial entre a
junção de dois metais diferentes.Nessa experiência, Seeback utilizou uma bússola sensível ao campo
magnético criado pela corrente no circuito do termopar.
4.6 TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO
Os termômetros de dilatação de líquidos, baseia-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a
temperatura dentro de um recipiente fechado.
A equação que rege esta relação é: ( ) ( ) ( )[ ]32 .3.2.11. tttVoVt ∆+∆+∆+= βββ
onde:
=t temperatura do liquido em C°
=Vo volume do liquido a temperatura inicial de referencia to
=Vt volume do liquido a temperatura t
=3,2,1 βββ coeficiente de expansão do liquido 1−°C
tott −=∆
Teoricamente esta relação não é linear, porém como os termos de segunda e terceira ordem são
desprezíveis, na prática consideramos lineares. E daí:
).1.( tVoVt ∆+= β
Os tipos podem variar conforme sua construção:
- Recipiente de vidro transparente
- Recipiente metálico
Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro é constituído de um reservatório, cujo
tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção , mais uniforme possível
fechado na parte superior.O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte
superior do capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar
37
seu limite máximo.Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste, a
medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida.Os
líquidos mais usados são: Mercúrio, Tolueno, Álcool e Acetona ,nos termômetros industriais, o bulbo de
vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico.
LÍQUIDO PONTO DE SOLIDIFICAÇÃO(oC)
PONTO DE EBULIÇÃO(oC)
FAIXA DE USO(oC)
Mercúrio -39 +357 -38 a 550
Álcool Etílico
-115 +78 -100 a 70
Tolueno -92 +110 -80 a 100 No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550OC injetando-se gás inerte sob
pressão, evitando a vaporização do mercúrio, por ser frágil e impossível registrar sua indicação ou
transmiti-la à distância, o uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a
utilização de uma proteção metálica.
Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico: Neste termômetro, o líquido preenche todo o
recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor
volumétrico).
38
4.6.1 Características dos elementos básicos:
Bulbo:
Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a sensibilidade desejada.A
tabela abaixo, mostra os líquidos mais usados e sua faixa de utilização:
LÍQUIDO FAIXA DE UTILIZAÇÃO (oC)
Mercúrio -35 à +550
Xileno -40 à +400
Tolueno -80 à +100
Álcool 50 à +150
Capilar
Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a
influencia da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência a passagem do líquido em
expansão.
O elemento usado é o Tubo de Bourdon, podendo ser :
39
Os materiais mais usados são: bronze fosforoso, cobre - berílio , aço - inox e aço – carbono,pelo fato
deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da distância entre o elemento sensor e o bulbo ser
considerável, as variações na temperatura ambiente afetam não somente o líquido no bulbo, mas em todo
o sistema (bulbo, capilar e sensor) causando erro de indicação ou registro. Este efeito da temperatura
ambiente é compensado de duas maneiras que são denominadas classe 1A e classe 1B.na classe 1B a
compensação é feita somente no sensor, através de uma lamina bimetálica. Este sistema é normalmente
preferido por ser mais simples, porém o comprimento máximo do capilar para este sistema de
compensação é de aproximadamente 6 metros.Quando esta distância for maior o instrumento deve possuir
sistema de compensação classe 1A, onde a compensação é feita no sensor e no capilar, por meio de um
segundo capilar ligado a um elemento de compensação idêntico ao de medição, sendo os dois ligados em
oposição.O segundo capilar tem comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não está ligado a um
bulbo.A aplicação destes termômetros, se encontra na indústria em geral para indicação e registro, pois
permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura,
porém não é recomendável para controle por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande
(mesmo usando fluido trocador de calor entre bulbo e poço de proteção para diminuir este atraso
conforme figura abaixo). O poço de proteção, permite manutenção do termômetro com o processo em
operação.Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se forme restrição
que prejudicariam o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição.
4.7 TERMÔMETROS A PRESSÃO DE GÁS
40
Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e
capilar de ligação entre estes dois elementos.O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás
a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente a lei
dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. A Lei de Gay-
Lussac, expressa matematicamente este conceito:
TnPn
TP
TP
=== ......22
11
onde:
=2,1 PP pressões absolutas relativas às temperaturas
=2,1 TT temperaturas absolutas
Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume
constante,desta forma podemos expressar a pressão como sendo também TVP =
O gás mais utilizado é o N 2 e geralmente é pressurizado com uma pressão de 20 a 50 atm., na
temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100 a 600 oC, sendo o limite inferior devido à
própria temperatura crítica do gás e o superior proveniente do recipiente apresentar maior permeabilidade
ao gás nesta temperatura , o que acarretaria sua perda inutilizando o termômetro.
Tipos de gás de enchimento:
41
Gás Temperatura Crítica
Hélio ( He ) - 267,8 oC
Hidrogênio ( H2 ) - 239,9 oC
Nitrogênio ( N2 ) - 147,1 oC
Dióxido de Carbono ( CO2 ) - 31,1 oC
4.8 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR
Sua construção é bastante semelhante ao de dilatação de líquidos, baseando o seu funcionamento na Lei
de Dalton: “A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu
volume",portanto para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás
liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disto, uma variação na pressão dentro do
capilar.A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e
pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em:
58,42
11
1
.21
−
= TTHePP
A tabela a seguir, mostra os líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição:
Líquido Ponto de Fusão ( oC ) Ponto de ebulição ( oC )
Cloreto de Metila - 139 - 24
Butano - 135 - 0,5
Éter Etílico - 119 34
42
Tolueno - 95 110
Dióxido de enxofre - 73 - 10
Propano - 190 - 42
4.9 TERMOPARES
Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de
ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de
medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz),
fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente.O ponto onde os fios que formam o termopar se
conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.
O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princípio conhecido por
efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações
práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima .O sinal de f.e.m. gerado pelo
gradiente de temperatura ( t∆ ) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado,
registrado ou transmitido.
A medição de temperatura com o termopar consiste em medir a milivoltagem gerada pela junta de
medição (junta quente: extremidade do termopar que está em contato com a temperatura que se deseja
medir).
No termopar a diferença de potencial desenvolvida é uma função da diferença de temperatura das duas
juntas.A diferença de potencial medida na extremidade oposta à junta de medição portanto, não
representa a tensão real da junta de medição, e sim a diferença da junta de medição e a junta de
referência. Para isso, é preciso conhecer a temperatura da junta de referência ou mantê-la controlada para
se obter a tensão real do termopar. Essa tensão é convertida em um sinal padrão que indicará a
temperatura na junta de medição.Atualmente circuitos eletrônicos já compensam essa temperatura
automaticamente. Em instrumentos mais antigos, havia um módulo somente para controlar a temperatura
43
da junta de referência. Os termopares podem ser construídos nas oficinas da indústria por instrumentista
ou podem ser comprados já prontos para serem utilizados nos processo.Dependendo de cada necessidade,
a escolha será feita para se obter uma condição segura no processo e o melhor custo beneficio.
Termopar com Isolação Mineral
4.9.1 Efeitos Termoelétricos
Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes
temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito
44
Thomson e o efeito Volta.A aplicação científica e tecnológica dos efeitos termoelétricos é muito
importante e sua utilização no futuro é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades
termoelétricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação do processo de medições
na geração de energia elétrica (bateria solar) e na produção de calor e frio. O controle de temperatura feito
por pares termoelétricos é uma das importantes aplicações do efeito Seebeck.,atualmente, busca-se o
aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande escala, para obtenção de calor ou frio no processo
de climatização ambiente.
Efeito termoelétrico de Seebeck:
O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou que em um
circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente
enquanto existir um diferença de temperatura t∆ entre as suas junções. Denominamos a junta de medição
de Tm , e a outra, junta de referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é
conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante,
verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite
utilizar um par termoelétrico como um termômetro.
O efeito Seebeck se produz pelo fato de que o elétron livre de um metal difere de um condutor para outro
e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e
estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos
diferentes.
Efeito termoelétrico de Peltier
Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura,
se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções
variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional de
45
temperatura é o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma
bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico.
O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente
da temperatura da outra junção .O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente,
permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.
Efeito termoelétrico de Thomson
Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica, que a condução de calor, ao longo dos
fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de
temperatura em cada fio. Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura
em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da
temperatura denomina-se efeito Thomson.O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da
temperatura média da pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma
corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor quando se inverte
o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando
uma corrente elétrica flui da parte quente para a parte fria do metal . Conclui-se que, com a circulação de
corrente ao longo de um fio condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto
pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.
Efeito termoelétrico de Volta
A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir:
“Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença
de potencial que pode ser da ordem de Volts”.Esta diferença de potencial depende da temperatura e não
pode ser medida diretamente.
Leis Termoelétricas
Da descoberta dos efeitos termoelétricos partiu-se através da aplicação dos princípios da termodinâmica,
a enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com
46
termopares, portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os
fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.
Lei do circuito homogêneo
“A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções
às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos
fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos
dois metais e das temperaturas existentes nas junções.
Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande variação de temperatura em um
ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença
de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos
com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas.
Lei dos metais intermediários
“A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais
diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura". Deduz-se daí que um circuito
termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em
qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a
temperaturas iguais.
Onde se conclui que:
47
T3 = T4 --> E1 = E2
T3 = T4 --> E1 = E2
Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação
do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.
Lei das temperaturas intermediárias
A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as
suas junções as temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as
junções as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e
T3,um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo
instrumento receptor de milivoltagem.
4.9.2 Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura
Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença
de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma
variação da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre
temperatura e a f.e.m., por uma questão prática padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta
de referência à temperatura de 0°C.
48
Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala
Prática Internacional de Temperatura de 1968 ( IPTS-68 ), recentemente atualizada pela ITS-90, para os
termopares mais utilizados. A partir dessas tabelas podemos construir um gráfico conforme a figura a
seguir ,onde está relacionadas a milivoltagem gerada em função da temperatura, para os termopares
segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0°C.
4.9.3 Tipos e Características dos Termopares
Existem várias combinações de 2 metais condutores operando como termopares. As combinações de fios
devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m.; devem desenvolver uma
f.e.m. por grau de mudança de temperatura, que seja detectável pelos equipamentos normais de
medição.Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de Ligas Metálicas, desde os mais
corriqueiros de uso industrial, até os mais sofisticados para uso especial ou restrito a laboratório,essas
combinações foram feitas de modo a se obter uma alta potência termoelétrica, aliando-se ainda as
melhores características como homogeneidade dos fios e resistência a corrosão, na faixa de utilização,
assim cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para
que se tenha a maior vida útil do mesmo. Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber:
Termopares Básicos
Termopares Nobres
Termopares Especiais
4.9.4 Tipos de Termopares : Tipo T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN
Composição: Cobre (+) / Cobre-Níquel (-) O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido
comercialmente como Constantan.
49
Características: Resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados para medições de
temperaturas abaixo de zero. É resistente à atmosfera oxidantes (excesso de Oxigênio), redutoras (rica
em Hidrogênio, monóxido de Carbono), inertes (neutras), na faixa de -200 a 350ºC.
Faixa de trabalho: - -200 a 350 ºC.
Aplicação: É adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0ºC, encontradas em
sistemas de refrigeração, fábrica de O2 etc..
Identificação da polaridade: Cobre (+) é avermelhado e o Cobre/Níquel (-) não.
4.9.5 Tipos de Termopares : Tipo J - TERMOPARES DE FERROCONSTANTAN
Composição: Ferro (+) / Cobre-Níquel (-) O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido
comercialmente como Constantan.
Características: Adequados para uso no vácuo,atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de
540ºC, a taxa de oxidação do ferro é rápida e recomenda-se o uso de tubo de proteção para prolongar a
vida útil do elemento. Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0ºC, deve-se evitar quando
houver possibilidade de condensação, corroendo o ferro e possibilitando a quebra do fio de ferro.Não
deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contém enxofre) acima de 540ºC. O uso em temperaturas
abaixo de zero não é recomendado, devido à rápida oxidação e quebra do elemento de ferro tornando
seu uso em temperaturas negativo menor que o tipo T Devido à dificuldade de obtenção de fios de
ferro com alto teor de pureza, o tipo J tem baixo custo e é o mais utilizado industrialmente.
Aplicação: Indústrias em geral até 750ºC.
Identificação da polaridade: Ferro (+) é magnético e o Cobre (-) não.
4.9.6 Tipos de Termopares : Tipo E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN
Composição: Níquel-Cromo (+)/Cobre-Níquel (-). O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido
comercialmente como Chromel e o fio negativo Cobre Níquel como Constantan.
Características: Podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras,
alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas
características termoelétricas. Adequado para o uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não
sujeito à corrosão em atmosferas úmidas. Apresenta a maior geração mV/ºC (potência termoelétrica)
do que todos os outros termopares, tornando-se útil na detecção de pequenas alterações de
temperatura.
Aplicação: Uso geral até 900ºC.
Identificação da polaridade: O Níquel-Cromo (+) é mais duro que o Cobre-Níquel (-).
50
4.9.7 Tipos de Termopares : Tipo K - TERMOPARES DE CHROMEL ALUMEL
Composição: Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-). O fio positivo de Níquel-Cromo é
conhecido comercialmente como Chromel e o negativo Cromo-Alumínio como Alumel. O Alumel é
uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês e Silício.
Características: São recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de
trabalho. Por sua resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J, E e por isso são largamente
usados em temperaturas acima de 540ºC.
Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau.
Não devem ser utilizados em:
1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora.
2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugem e
quebra dos elementos.
3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode
vaporizar-se causando erro no sinal do sensor (descalibração).
4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root, oxidação
verde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio, como
por exemplo dentro de um tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não
ventilado. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio
através do uso de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado.
Outro modo é diminuir a porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qual
proporcionará corrosão. Isto é feito inserindo-se dentro do tubo um “getter” ou
elemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O “getter” pode ser por exemplo
uma pequena barra de titânio.
Aplicação: É o mais utilizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação até
1200ºC.
Identificação da polaridade: Níquel-cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) levemente
magnético.
4.9.8 Tipos de Termopares : Tipo N - TERMOPARES DE NICROSIL - NISIL
Existem processos em que uma variável manipulada, que interfere sobre mais de uma variável de
processo, exige estratégias diferentes dependendo do estado do processo. A vazão de vapor para o fundo
de uma coluna de destilação, por exemplo, afeta a temperatura do fundo e, pela vaporização do líquido, o
nível do fundo da coluna. Em uma situação normal de operação, provavelmente se deseja que a vazão de
vapor seja utilizada para controlar a temperatura do fundo, mas se o nível estiver muito baixo, pode
passar a ser prioritário o controle do nível de fundo, para evitar a perda de sucção das bombas de descarga
e talvez o entupimento do refervedor.O controle seletivo opera por meio de elementos comparadores, que
selecionam o maior ou o menor entre dois ou mais sinais, enviando somente um deles à válvula de
controle ou ao,controlador-(escravo).
Controle Inferencial
Em alguns casos, a variável a ser controlada não pode ser medida de forma econômica. Uma abordagem é
o controle inferencial, em que a variável controlada não é medida diretamente e sim calculada a partir de
outras variáveis de processo que podem ser medidas mais facilmente.Um exemplo típico é o controle de
composição. Em misturas binárias em fase vapor, a composição pode ser determinada a partir da pressão
e da temperatura por meio de uma equação de estado.Outro exemplo extremamente comum é o controle
de vazão mássica, que pode ser feito a partir de medições da vazão volumétrica, da temperatura e (no caso
de gases) da pressão. Exemplos mais sofisticados incluem o cálculo do excesso de ar ou da carga térmica
de uma fornalha e a modelagem de propriedades físicas de produtos (índice de octanagem de gasolinas,
ponto de fluidez de plásticos, etc.).
Controle Feedforward
A implementação de estratégias de controle feedforward normalmente envolve o conhecimento de
modelos do processo que permitam determinar o melhor valor da variável manipulada a partir do valor
atual da(s) variável (is) monitorada(s).
A imprecisão do modelo é um aspecto de segurança importante que dificilmente permite a implementação
de estratégia feedforward "puras". Em geral, o valor calculado pelo controlador feedforward é enviado a
um controlador feedback, aumentando a robustez do sistema.
Controle Multivariável
O uso de modelos que representam o comportamento dinâmico do processo permite a implementação de
controladores que, por meio de simulação, podem calcular mais de um valor de saída, a partir de mais de
uma variável de processo. Controladores que apresentam diversas PVs e diversas saídas são denominados
119
controladores multivariáveis.Um dos controladores multivariáveis mais utilizados é o DMC (dynamic
matrix control), ou suas variações. Este tipo de controlador é descrito no item 8.9 do livro texto, e não
será incluído nesta homepage devido à grande quantidade de equações.
Outras estratégias de controle avançado
Com a facilidade de implementação de algoritmos complexos em máquinas capazes de efetuar os cálculos
necessários em tempo hábeis diversas estratégias diferentes de controle avançado estão sendo utilizadas.
Um dos campos recentes que recebe muita atenção (especialmente de marketing) é a aplicação de redes
neurais e outras ferramentas derivadas do estudo de inteligência artificial (fuzzy logic, sistemas
especialistas baseados em regras). controle PID, sem grandes análises e rigorismos matemáticos, visando
introduzir a técnica aos iniciantes e aprimorar o conhecimento dos já iniciados, com a abordagem mais
prática e simplificados possíveis.
Noções preliminares:
Algumas definições de siglas e termos utilizados neste artigo:
PV: Process Variable ou variável de processo. Variável que é controlada no processo, como temperatura,
pressão, umidade, velocidade de motor, etc.
SV ou SP: Set-point. Valor desejado para a variável de processo.
MV: Variável Manipulada. Variável sobre a qual o controlador atua para controlar o processo, como
posição de uma válvula, tensão aplicada a uma resistência de aquecimento, etc.
Erro ou Desvio: Diferença entre SV e PV. SV-PV para ação reversa e PV-SV para ação direta.
Ação de controle: Pode ser reversa ou direta. Define genericamente a atuação aplicada à MV na
ocorrência de variações da PV.
Ação Reversa: Se PV aumenta, MV diminui. Tipicamente utilizada em controles de aquecimento.
Ação Direta: Se PV aumenta, MV aumenta. Tipicamente utilizada em controles de refrigeração.
A técnica de controle PID consiste em calcular um valor de atuação sobre o processo a partir das
informações do valor desejado e do valor atual da variável do processo. Este valor de atuação sobre o
120
processo é transformado em um sinal adequado ao atuador utilizado (válvula, motor, relé), e deve garantir
um controle estável e preciso.
De uma maneira bem simples, o PID é a composição de três ações quase intuitivas, conforme resume o
quadro a seguir:
P CORREÇÃO PROPORCIONAL AO ERRO
A correção a ser aplicada ao
processo deve crescer na proporção
que cresce o erro entre o valor real
e o desejado.
I CORREÇÃO PROPORCIONAL AO PRODUTO ERRO x
TEMPO
Erros pequenos, mas que existem
há muito tempo requer correção
mais intensa.
D CORREÇÃO PROPORCIONAL À TAXA DE
VARIAÇÃO DO ERRO
Se o erro está variando muito
rápido, esta taxa de variação deve
ser reduzida para evitar oscilações.
Equação básica do controlador PID
A equação mais usual do PID é apresentada a seguir:
Onde Kp, Ki e Kd são os ganhos das parcelas P, I e D, e definem a intensidade de cada ação.
Equipamentos PID de diferentes fabricantes implementam esta equação de diferentes maneiras. É usual a
adoção do conceito de “Banda Proporcional” em substituição a Kp, “Tempo derivativo” em substituição
a Kd e “Taxa Integral” ou “Reset” em substituição a Ki, ficando a equação da seguinte forma.
121
Aonde Pb, Ir e Td estão relacionados à Kp, Ki e Kd e serão individualmente abordados ao longo deste
texto.
Controle Proporcional
No controle Proporcional, o valor de MV é proporcional ao valor do desvio (SV-PV, para ação reversa de
controle), ou seja, para desvio zero (SV=PV), MV=0; à medida que o desvio cresce, MV aumenta até o
máximo de 100%. O valor de desvio que provoca MV=100% define a Banda Proporcional (Pb). Com Pb
alta, a saída MV só irá assumir um valor alto para corrigir o processo se o desvio for alto. Com Pb baixa,
a saída MV assume valores altos de correção para o processo mesmo para pequenos desvios. Em resumo,
quanto menor o valor de Pb, mais forte é a ação proporcional de controle. A figura a seguir ilustra o efeito
da variação de Pb no controle de um processo.
Figura 1 – Efeito da redução de PB no comportamento de PV
Em (1.A), com a banda proporcional grande, o processo estabiliza, porém muito abaixo do set-point. Com
a diminuição da banda proporcional (1. B), a estabilização ocorre mais próximo do set-point, mas uma
redução excessiva da banda proporcional (1. C) pode levar o processo à instabilidade (oscilação). O ajuste
da banda proporcional faz parte do processo chamado de Sintonia do controle.Quando a condição
desejada (PV=SV) é atingida, o termo proporcional resulta em MV=0, ou seja, nenhuma energia é
entregue ao processo, o que faz com que volte a surgir desvio. Por causa disto, um controle proporcional
puro nunca consegue estabilizar com PV=SV.Muitos controladores que operam apenas no modo
Proporcional adicionam um valor constante à saída de MV para garantir que na condição PV=SV alguma
122
energia seja entregue ao sistema, tipicamente 50%. Este valor constante é denominado Bias (polarização),
e quando ajustável permite que se obtenha uma estabilização de PV mais próxima a SV.
Incluindo o controle Integral - PI
O integral não é, isoladamente, uma técnica de controle, pois não pode ser empregado separado de uma
ação proporcional. A ação integral consiste em uma resposta na saída do controlador (MV) que é
proporcional à amplitude e duração do desvio. A ação integral tem o efeito de eliminar o desvio
característico de um controle puramente proporcional.Para compreender melhor, imagine um processo
estabilizado com controle P, conforme apresentado na figura 2. A.
Figura 2 – Efeito da inclusão do controle Integral - PI
Em 2. A, PV e MV atingem uma condição de equilíbrio em que a quantidade de energia entregue ao
sistema (MV), é a necessária para manter PV no valor em que ela está. O processo irá permanecer estável
nesta condição se nenhuma perturbação ocorrer. Apesar de estável, o processo não atingiu o set-point
(SV), existindo o chamado Erro em Regime Permanente.Agora observe a figura 2.B, onde no instante
assinalado, foi incluída a ação integral. Observe a gradual elevação do valor de MV e a conseqüente
eliminação do erro em regime permanente. Com a inclusão da ação integral, o valor de MV é alterado
progressivamente no sentido de eliminar o erro de PV, até que PV e MV alcancem um novo equilíbrio,
123
mas agora com PV=SV.A ação integral funciona da seguinte maneira: A intervalos regulares, a ação
integral corrige o valor de MV, somando a esta o valor do desvio SV-PV. Este intervalo de atuação se
chama Tempo Integral, que pode também ser expresso por seu inverso, chamado Taxa Integral (Ir). O
aumento da Taxa Integral – Ir – aumenta a atuação do Integral no controle do processo.A ação integral
tem como único objetivo eliminar o erro em regime permanente, e a adoção de um termo integral
excessivamente atuante podem levar o processo à instabilidade. A adoção de um integral pouco atuante
retarda em demasia a estabilização PV=SV.
Incluindo o controle derivativo - PD
O derivativo não é, isoladamente, uma técnica de controle, pois não pode ser empregado separado de uma
ação proporcional. A ação derivativa consiste em uma resposta na saída do controlador (MV) que é
proporcional à velocidade de variação do desvio. A ação derivativa tem o efeito de reduzir a velocidade
das variações de PV, evitando que se eleve ou reduza muito rapidamente.O derivativo só atua quando há
variação no erro. Se o processo está estável, seu efeito é nulo. Durante perturbações ou na partida do
processo, quando o erro está variando, o derivativo sempre atua no sentido de atenuar as variações, sendo,
portanto sua principal função melhorar o desempenho do processo durante os transitórios.
A figura 3 compara respostas hipotéticas de um processo com controle P (A) e PD (B):
Figura 3 – Comparação de um controle P com um controle PD
No controle P (figura 3. A), se a banda proporcional é pequena, é bem provável que ocorra ‘overshoot’,
onde PV ultrapassa SV antes de estabilizar. Isto ocorre pelo longo tempo em que MV esteve no seu valor
máximo e por ter sua redução iniciada já muito próxima de SV, quando já é tarde para impedir o
overshoot. Uma solução seria aumentar a banda proporcional, mas isto aumentaria o erro em regime
permanente. Outra solução é incluir o controle derivativo (figura 3. B), que reduz o valor de MV se PV
124
está crescendo muito rápido. Ao antecipar a variação de PV, a ação derivativa reduz ou elimina o
overshoot e as oscilações no período transitório do processo.Matematicamente, a contribuição do
derivativo no controle é calculada da seguinte maneira: A intervalos regulares, o controlador calcula a
variação do desvio do processo, somando à MV o valor desta variação. Se PV está aumentando, o desvio
está reduzindo, resultando em uma variação negativa, que reduz o valor de MV e conseqüentemente
retarda a elevação de PV. A intensidade da ação derivativa é ajustada variando-se o intervalo de cálculo
da diferença, sendo este parâmetro chamado Tempo Derivativo – Td. O aumento do valor de Td aumenta
a ação derivativa, reduzindo a velocidade de variação de PV.
Controle PID··Ao unir as três técnicas consegue unir o controle básico do P com a eliminação do
erro do I e com a redução de oscilações do D, mas se cria a dificuldade de ajustar a intensidade da cada
um dos termos, processo chamado de sintonia do PID.
Sintonia do controle PID?
A bibliografia de controle apresenta diversas técnicas para sintonia, tanto operando o processo em manual
(malha aberta) quanto em automático (malha fechada). Foge ao objetivo deste artigo apresentar estas
técnicas. A grande maioria dos controladores PID industriais incorporam recursos de “Auto Tune”, em
que o controlador aplica um ensaio ao processo e obtém o conjunto de parâmetros do PID (Pb, Ir e Td).
Para a maior parte dos processos, este cálculo é adequado, mas em muitos casos, é necessária a correção
manual para atingir um desempenho de controle mais satisfatório (menos overshoot, estabilização mais
rápida, etc.).
Para efetuar manualmente esta correção, é fundamental a compreensão dos princípios de funcionamento
aqui expostos. A seguir são apresentadas diretrizes para otimização manual do desempenho de um
controlador PID.
Corrigindo manualmente o PID
Em muitos casos é necessário ajuste da sintonia após a conclusão do Auto Tune. Este ajuste é manual e
deve ser feito por tentativa e erro, aplicando uma alteração nos parâmetros PID e verificando o
desempenho do processo, até que o desempenho desejado seja obtido. Para isto é necessário
125
conhecimento do efeito de cada parâmetro do PID sobre o desempenho do controle, além de experiência
em diferentes processos.
As definições de um bom desempenho de controle são também bastante variadas, e muitas vezes o
usuário espera de seu sistema uma resposta que ele não tem capacidade de atingir, independente do
controlador utilizado. É comum o operador reclamar que a temperatura do forno demora muita a subir,
mas o controlador está com MV sempre a 100%, ou seja, não tem mais o que fazer para acelerar.
Também às vezes o operador quer velocidade, mas não quer overshoot, o que muitas vezes é conflitante.
Na avaliação do desempenho do controlador, é importante analisar o comportamento da PV e MV, e
verificar se o controlador está atuando sobre MV nos momentos adequados. Coloque-se no lugar do
controlador e imagine o que você faria com a MV, e compare com a ação tomada pelo controlador. À
medida que se adquire experiência, este tipo de julgamento passa a ser bastante eficiente.
A tabela 1 a seguir resume o efeito de cada um dos parâmetros sobre o desempenho do processo:
Parâmetro Ao aumentar, o processo... Ao diminuir, o processo...
Pb
Torna-se mais lento.
Geralmente se torna mais estável ou
menos oscilante.
Tem menos overshoot
Torna-se mais rápido
Fica mais instável ou mais oscilante
Tem mais overshoot
Ir
Torna-se mais rápido, atingindo
rapidamente o set-point
Fica mais instável ou mais oscilante
Tem mais overshoot.
Torna-se mais lento, demorando em atingir o set-point
Fica mais estável ou mais oscilante.
Tem menos overshoot.
tD Torna-se mais lento.
Tem menos overshoot Tem mais overshoot
Tabela 1 – O efeito de cada parâmetro PID sobre o processo
126
A tabela 2 a seguir apresenta sugestões de alteração nos parâmetros PID baseadas no comportamento do
processo, visando sua melhoria:
Se o desempenho do processo... Tente uma a uma as opções:
Está quase bom, mas o overshoot está um pouco alto.
Aumentar PB em 20%
Diminuir IR em 20%
Aumentar DT em 50%
Está quase bom, mas não tem overshoot e demora em
atingir o set-point.
Diminuir PB em 20%
Aumentar IR em 20%
Diminuir DT em 50%
Está bom, mas MV está sempre variando entre 0% e
100% ou está variando demais.
Diminuir DT em 50%
Aumentar PB em 20%
Está ruim. Após a partida, o transitório duro vário
períodos de oscilação, que reduz muito lentamente ou
não reduz.
Aumentar PB em 50%
Está ruim. Após a partida avança lentamente em direção
ao set-point, sem overshoot. Ainda está longe do set-
point e MV já é menor que 100%
Diminuir PB em 50%
Aumentar IR em 50%
Diminuir DT em 70%
Tabela 2 – Como melhorar o desempenho do processo
127
8 CONTROLES DE CALDEIRAS
O objetivo aqui é explicar aspectos conceituais e práticos envolvidos nos controles de uma caldeira,o
controle das variáveis de processo tem aspectos tecnologicos e economicos envolvidos,tratando sobre o
aspecto economico temos o controle de combustão ,vamos aqui ver os aspectos principais do controle de
combustão.
8.1 ECONOMIA NA GERAÇÃO DE VAPOR
Podemos fazer uma analogia do consumo de combustivel de uma caldeira com o consumo de combustivel
de nosso carro (guardando as devidas proporções).Um carro com os pneus descalibrados se desloca de
uma cidade a outra , assim como uma caldeira com a atomização deficiente gera vapor . Em ambos os
casos os objetivos serão alcançados , porém com elevado consumo de combustível . Os custos da queima
de combustíveis industriais sempre foram muito dispendiosos e isto implica em elemento operacional
cuja variação de valor agrava a gestão econômica na planta industrial. Com o progresso tecnológico
exigindo sempre mais dos sistemas e equipamentos térmicos , surge a necessidade de uma regulagem
mais fina e adequada de um sistema de queima para se evitar perdas excessivas de calor e combustível .
8.2 OPERANDO UM SISTEMA DE QUEIMA
Para que possa operar economicamente um sistema de queima o operador deve ter alguns conhecimentos
básicos sobre o processo de combustão , suas causas e efeitos .Na queima de óleos pesados ou leves a
chama deve ser limpa , sem o aparecimento de fagulhas , de forma estável . E a fumaça na chaminé deve
ser teoricamente invisível . A cor da chama deve ser bem definida , podendo variar de laranja claro para
um amarelo reluzente brilhante .É fácil identificar o que acontece em uma caldeira quando os gases da
combustão são cinzentos e fuliginosos . Certamente uma parte do combustível não queima e isso traduz
perda de energia . Também é fácil obter considerável economia com a eliminação da fuligem através de
simples ajuste na atomização do óleo e no ar de combustão . Porém , uma vez transparentes , os gases não
oferecem referência visual alguma para a regulagem de combustão e , provavelmente ainda haja
economia a se obter .
Mesmo um operador experiente dificilmente conseguirá operar economicamente um sistema de queima
com a simples observação da chama . Por mais acurada que seja sua visão , não conseguirá , por exemplo
: distinguir excesso de ar entre 30% e 80 % .Assim sendo , não há maneira segura de se atuar sobre um
processo de combustão a não ser medindo e observando um conjunto de parâmetros que , direta ou
indiretamente , estejam a ela relacionados .
128
8.2.1 Ar Estequiométrico (Oxigênio Teórico)
Quando o oxigênio fornecido ao processo é apenas o suficiente para queimar completamente os
elementos combustíveis , diz-se então que a reação é estequiométrica .Quando a quantidade de oxigênio é
maior , fala-se em excesso de oxigênio ; em caso contrário , fala-se em falta de oxigênio , situação na qual
não se pode realizar a combustão completa dos elementos constituintes do combustível .Como
usualmente o oxigênio é retirado do ar atmosférico fala-se em excesso de ar ou falta de ar .
8.2.2 Composição Aproximada do Ar Atmosférico
Nitrogênio = 79 % (Volume) = 77 % (Massa)
Oxigênio = 21 % (Volume) = 23 % (Massa)
(Densidade = 1,293 / Nm3)
8.2.3 Qual o Valor Ideal do Co2 na Queima ?
O Co2 ideal é aquele que assegura uma combustão completa com alguma margem de segurança . Para se
ter poucas perdas de calor , o CO2 deve ser o mais alto possível . Mas nem sempre isto é possível , pois
nem sempre o CO2 alto significa bom rendimento , portanto somente a medição de CO2 não estabelece
parâmetros de excesso de ar ideais para uma boa queima ,em instalações de queima a óleo recomenda-se
checar o CO2 com a medição de O2 e da fuligem ,ajuste o valor máximo de CO2 com o menor índice de
fuligem e o menor valor do oxigênio.
8.2.4 Interpretação das Medições de Co2
Um baixo teor de CO2 nos gases pode ter como causa prováveis os seguintes fatos:
1. Tiragem excessiva
2. Excesso de ar na queima
3. Entrada de ar falso na fornalha
4. Atomização
5. Mistura imperfeita entre ar
6. Combustível
8.3 TEMPERATURA DOS GASES NA BASE DA CHAMINÉ
Quanto maior for a temperatura dos gases maior será as perdas de calor sensível pela chaminé . Em
caldeiras flamotubulares a temperatura deve situar-se em torno de 200 a 250 °C , porém , isto nem sempre
é possível . Neste caso , procura-se recuperar esta forma de energia aquecendo-se a água de alimentação
de caldeiras , em média , para cada 6oC de aumento de temperatura na água de alimentação há uma
129
economia de 1% no combustível queimado . Ou pré - aquecendo o ar de combustão (recuperadores) , em
média , para cada 22o C de aumento de temperatura do ar , obtém-se 1% de economia de combustível . A
temperatura de saída dos gases , para queima de óleos ,deve ser superior ao ponto de orvalho do enxofre
para não haver condensação excessiva e corrosão nas partes mais frias da caldeira .Inúmeras causas estão
ligadas a temperatura excessiva dos gases na base da chaminé . A principal delas é o excesso de ar na
queima .
8.4 FULIGEM NOS GASES
Entende-se por fuligem as partículas de carbono incombusto do óleo combustível, o método mais
empregado para se verificar a qualidade da mistura é utilizando uma bomba de amostragens SMOKE
TEST , este teste de fumaça baseia-se em detectar uma amostra gasosa e fazer sua comparação com uma
escala padrão ,A escala de comparação do índice de fuligem possui l0 manchas de opacidade ; indo do
branco (excesso de ar) ao negro (falta de ar) , as manchas correspondem ao nível de emissão destes
particulados pela chaminé ,Este método desenvolvido pela SHEL-BACHARACH nos EUA é
padronizados pelas normas ASTM e DIN para controle da combustão em queimadores a óleo leve ,
pesado ou carvões .
INTERPRETAÇÃO DA ESCALA DE COMPARAÇÃO DE FULIGEM
0 = Máximo (excesso de ar)
l = Excelente (deve ser mantido)
2 = Bom (pouca emissão de particulado)
3 = Regular (pouca fuligem , mas pode melhorar)
4 = Ruim (condição de máxima operação , já entra no campo visual )
5 = Insatisfatório (procure melhorar)
6 = Insatisfatório (pode cair na densidade 20 % da escala RIGELMANN )
7 = Insatisfatório (admite-se até 3 minutos para câmaras frias)
8 = Insatisfatório (desligue o queimador)
9 = Insatisfatório (desligue o queimador e recomece novamente)
A fuligem não deve ultrapassar ao número 4 da escala . Acima deste haverá um depósito excessivo sobre
as superfícies de troca , dificultando a transmissão de calor , além de aumentar a poluição do ar .
130
Um depósito de l/8 de espessura de fuligem sobre os tubos pode aumentar o consumo de combustível em
até 9 % .
8.4.1 Causas Prováveis da Fuligem Excessiva :
• Pulverização defeituosa
• Água no óleo
• Fagulhamento na chama
• Viscosidade inadequada do óleo
• Pressão inadequada do óleo / ar
• Obstrução de dutos e filtros de óleo
• Problemas no sistema de bombeamento de óleo
• Bico do queimador sujo , danificado ou carbonizado
8.5 CONTROLE DE COMBUSTÃO
É fácil verificar que , para se ter uma economia na geração de vapor todo o processo de combustão tem
que estar ajustado dentro dos parâmetros pré-estabelecidos . O que mantém as variáveis no setvalue
desejável são instrumentos interligados formando as malhas de controle .As malhas de controle de
combustão mantém a pressão do vapor , variando a vazão de combustível e de ar de combustão injetado
no queimador . Quanto maior a vazão de combustível e de ar de combustão maior a troca de calor , maior
a produção de vapor . Estas malhas também procuram manter a relação ar/combustível na faixa mais
estreita possível pois , conforme visto anteriormente o excesso de ar influencia grandemente no
131
rendimento da caldeira . O valor do excesso de ar a ser utilizado depende dentre outros fatores da malha
de controle de combustão utilizado .
8.5.1 Pressão de Vapor
O volume específico do vapor à pressão de 7,5 kg/cm2 é de 0,2317 m3/kg . Na pressão de projeto
10kg/cm2 o volume específico é de 0,1808 m3/kg . Concluindo : quanto menor a pressão no tubulão maior
o volume específico do vapor . Ou seja , uma menor quantidade de vapor ocupando o mesmo espaço do
tubulão .Quando há um consumo de vapor repentino não existe vapor suficiente para manter a pressão no
corpo da caldeira estável . Conseqüentemente a pressão do corpo cai . Neste caso , os operadores eram
obrigados a fechar as serpentinas dos tanques amenizando o efeito da perda de pressão , direcionando
todo o vapor para os trocadores de calor .
8.5.2 Atomização
A relação de 1,5 kg/cm2 no diferencial vapor/óleo é para se manter uma boa pulverização do óleo . Os
resultados de uma pulverização incompletos são partículas de óleo que não foram atomizadas e por isso
tem dificuldades de participar da combustão .
8.5.3 Temperatura do Óleo
Todo maçarico é projetado para trabalhar com uma determinada viscosidade , sair fora desta
especificação compromete a pulverização ,o fabricante fornece a viscosidade de trabalho e a temperatura
ideal é conseguida com a análise do óleo, com dois pontos de viscosidade a temperaturas diferentes
traça-se uma reta de referencia no gráfico ASTM VISCOSIDADE X TEMPERATURA CHARTS FOR
LIQUID PETROLEUM PRODUCTS .A temperatura ideal de queima obtem-se do encontro da
viscosidade com a reta de referencia .
8.5.4 Nível do Tubulão
O nível do tubulão não compromete diretamente a combustão , no entanto se o nível estiver muito acima
dos 50 % , tem-se problema de arraste de condensado junto com o vapor , diminuindo o título do vapor ,
noutras palavras : diminui o calor total do vapor . Para suprir a energia calorífica perdida , precisar-se-á
de mais ar , mais óleo para se produzir mais vapor .
132
8.5.5 Excesso de Ar
O oxigênio usado na reação química é retirado do ar atmosférico , sendo que o nitrogênio não participa
da combustão , ou seja , quanto maior o volume de ar atmosférico introduzido na fornalha , maior
também será o volume de nitrogênio que será aquecido e este levará esta energia para fora através da
chaminé . Fato facilmente comprovado no indicador de temperatura localizado na chaminé da caldeira .
8.6 CONCLUSÃO
Novos ajustes na instrumentação precisam ser efetuados sempre em através de acompanhamento se faça
necessário , pois só assim conseguiremos melhorar a combustão e conseqüentemente economizar mais
combustível . É preciso possibilitar a malha de combustão trabalhar com menos excesso de ar e a malha
de nível controla-lo um pouco acima de 50 % .A busca por melhores resultados na relação custo/benefício
do gerador de vapor , deve continuar até se eliminar todos os desperdícios .
133
9 CONTROLE DE DESCARGA DE FUNDO DE CALDEIRA
9.1 OBJETIVO:
À medida que a caldeira produz vapor, acumulam-se os sais minerais que penetram no seu interior com a
água de reposição. A concentração excessiva desses sais e conseqüente formação de incrustações nas
instalações a jusante da caldeira comprometem o funcionamento eficiente de todo o sistema.Em muitas
caldeiras, principalmente as de menor porte, é suficiente instalar uma válvula de descarga rápida (válvula
de fundo de caldeira) para se obter a extração de lodo e sais. Mas as caldeiras de maior porte requerem,
um dispositivo adicional para a dessalinização contínua e a automatização da válvula de descarga
periódica
9.2 VÁLVULA DE DESCARGA DE FUNDO
A extração periódica de lodo e a dessalinização contínua são
de importância vital para o funcionamento perfeito de caldeiras
de vapor.
A dessalinização contínua mantém a densidade da água na
caldeira dentro dos limites admissíveis. Já a extração periódica
do lodo, serve para conservar o fundo da caldeira livre do lodo,
microorganismos e outras impurezas que aí se acumulam. Na
maioria dos casos, é necessário adotar ambos os sistemas para
se obter, a otimização de rendimento e segurança das
instalações.
Mesmo quando a água de alimentação da caldeira for inteiramente abrandada e desmineralizada, é
recomendável instalar válvulas de descarga periódica e de dessalinização contínua, pois qualquer falha
nos equipamentos de tratamento da água ou em seus acessórios pode provocar a entrada de água não
tratada na caldeira. A continuidade dos processos de vaporização e reposição de água, acarreta o aumento
de concentração de impurezas na caldeira. Para evitar a conseqüente formação de incrustações nas suas
paredes, adicionam determinados produtos químicos a água que modificam a constituição de certas
impurezas, dando origem a partículas que se depositam no fundo da caldeira em forma de lodo. A mistura
desse lodo com o oxigênio e gás carbônicos exerce ação corrosiva, danificando as paredes dos tubos da
caldeira ou destruindo-os. O acúmulo progressivo das incrustações pode provocar tensões térmicas
capazes de fender as paredes da caldeira ou rachar os rebites, Se as camadas de lodo atingir os tubos, as
tensões térmicas ainda podem ser agravadas pela conseqüente retenção de calor, causando a destruição do
134
tubo.Para evitar estes problemas, cuja gravidade nem sempre é previsível, efetua-se a extração periódica
do lodo através de válvulas instaladas no fundo das caldeiras.
9.2.1 Requisitos Técnicos para uma Válvula de Descarga
Obtém-se melhor efeito na extração de lodo utilizando-se válvulas que abrem instantaneamente e liberam
a seção plena da passagem. Somente assim se consegue a aceleração brusca da descarga de água no fundo
da caldeira, necessária para arrastar consigo o lodo, assim como bolhas de gases e outros corpos
estranhos. A duração de descarga, normalmente não deve exceder a 3 segundos, para garantir por um
lado, o máximo efeito de arraste e, por outro lado, minimizar as perdas de água. Além disso, as válvulas
devem fechar automaticamente com a mesma instantaneidade da abertura, a fim de minimizar as perdas
de pressão e água, e garantir o funcionamento normal de toda instalação, independente de eventual falha
do operador.Outro fator importante, é à força de fechamento, que deve ser suficiente para fragmentar
corpos estranhos e mesmo as mais duras incrustações existentes no meio efluente. Isto significa que,
sejam quais forem as condições de serviços, a válvula deve sempre assegurar vedação estanque. Portanto,
a dureza e a resistência do material empregado no obturador e na sede, deve corresponder a essas
exigências.
135
9.2.2 Válvulas Comuns
São dotadas de haste roscada, não podem ser abertas e fechadas complemente em tão curto espaço de
tempo. Conforme o tipo, estas válvulas levam de 35 a 57 segundos para efetuar a drenagem. Portanto, a
perda de água e queda da pressão são inteiramente desproporcionais em relação à duração de apenas 3
segundos de abertura total. Além disso, a conseqüente ausência de aceleração do fluxo (efeito da ação
rápida) compromete o resultado desejado. A quantidade de lodo descarregado é insignificante. Além de
não fecharem automaticamente, a força de fechamento destas válvulas depende da própria força física do
operador.
9.3 VÁLVULAS ESPECIAIS
Válvula com mecanismo de ação rápida, abre instantaneamente a seção plena de passagem, conservando-
a livre durante o breve período de 3 segundos para a descarga e imprime ao fluxo a aceleração necessária
para arrastar a máxima quantidade de lodo, com perdas mínimas de água e pressão. Ver. Fig. Abaixo.
De adicionamento manual ou de pedal, são de manuseio simples, o que significa economia de tempo e
mão de obra. Além disso, são de fechamento automático com dispositivo que fornecem uma força de até
4000 Kgf, capaz de fragmentar incrustações e outros corpos estranhos, assegurando desta forma vedação
estanque nas condições mais difíceis. A figura a seguir, mostra um gráfico com acionamento rápido.
9.4 COMPARAÇÃO DA EFICIÊNCIA ENTRE AS VÁLVULAS ESPECIAIS E COMUNS
O mecanismo de ação rápida abre instantaneamente toda a passagem, conservando-a livre durante todo o
período de descarga do lodo, e imprime ao fluxo a aceleração necessária para arrastar a máxima
quantidade de lodo. As perdas de água e de pressão são mínimas.
136
Se abrirmos válvulas do tipo convencional apenas durante 3 segundos
para evitar as perdas acima descritas, elas não alcançam o seu curso
completo. Por isso, ocorrem apenas perdas de água e pressão. Não há
purga de lodo.
a- As válvulas comuns levam 35 a 57 segundos para efetuar a drenagem, e quase todo este tempo é
consumido para abrir e fechar a válvula. O desperdício de água e a queda de pressão, devido à
lentidão do processo de abertura e fechamento, são desproporcional em relação ao breve período de
abertura plena, apenas 3 segundos. Além disso, devido à ausência de aceleração brusca do fluxo, a
eliminação do lodo é demasiadamente restrita. (Vide fig. Abaixo):
9.4.1 Comparação de Custos
A diferença entre as válvulas de descarga rápida e
as válvulas de descarga comuns é notada
principalmente na economia que proporcionam.
Ao observarmos a figura a seguir, constatamos que
as áreas totais dos gráficos representam as
quantidades de água quente consumidas a cada
descarga das válvulas. Como as vazões nominais
são idênticas, todas as alturas são iguais.
Isso significa que para o tipo (1) teremos o mínimo
consumo possível, tomado como padrão.
137
Para o tipo (2), a quantidade é mais de 6 vezes para maior e para os tipos (3) e (4), 10 vezes maior.
Considerando que uma caldeira de médio porte (10 toneladas\hora de vapor), trabalhe a pressão de 10
Kg/cm2 e descarregue 4% de sua produção horária como condição necessária para manter os níveis lodo e
sais dentro do tolerável, e sabendo-se ainda que 1 tonelada de óleo combustível gera, aproximadamente,
13 toneladas de vapor saturado nesta pressão, teremos um consumo de aproximadamente 31 Kg de óleo,
apenas para suprir o consumo horário das descargas normais de uma válvula de descarga rápida.
Chegamos, então, à conclusão de que desperdiçaríamos mais de 155 Kg de óleo por hora se usássemos
uma válvula tipo (2) ou ainda 280 Kg se fosse uma do tipo (3) ou (4) .
138
10 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO
10.1 CONCEITO:
Sistema – Conjunto integrado de dispositivos que se completam no cumprimento das suas funções
Controle – Com vistas a manter o comportamento de um dado processo dentro do pré-estabelecido
Distribuído – Descentralização dos dados,do processamento e das decisões, isto agregado ao fato de
oferecer uma estação de operação de grande resolução, permitindo o interfaceamento com clps,
equipamentos inteligentes e sistemas de rede
10.2 ESTAÇÃO DE CONTROLE
A estação de Controle tem as seguintes características:
Tecnologia estado da arte;
Possibilidade de expansões futuras;
Robustez;
Redundância de processadores, fontes e de redes de comunicação;
Alta performance de processadores garantindo tempo de varredura máximo de 500 ms ara
controle;
Troca a quente de módulos;
Status dos componentes dos sistemas na estação de operação ou/e engenharia ;
Possibilidade de I/O remoto;
Cartões de interface com protocolos digitais de comunicação Hart e Fieldbus Foundation;
Possibilidade de diagnóstico dos instrumentos inteligentes à distância;
Módulos para comunicação RS232, RS422/485 e Ethernet;
Transferência de informações entre processadores.
10.3 CONSOLE DE OPERAÇÃO
A console de operação deve garantir que os operadores e engenheiros tenham acesso aos dados
necessários para o controle e monitoração do processo, de maneira fácil e intuitiva. Para tal deve-se
considerar as seguintes características:
Interface de operação baseada em microprocessadores PC, considerando-se processadores de
mercado;
Plataforma Windows;
Interface OPC (OLE for Process Control);
Base de dados única;
não necessidade de teclados especiais;
139
sistema de multi-window onde possam ser visualizadas várias telas simultaneamente;
tempo de atualização menor ou igual a 1 segundo;
fácil navegação entre telas;
arquivamento de dados em CD; fita dat ou computador remoto.
10.3.1 Alarmes
Quanto aos alarmes, a console deve possuir:
telas de alarmes de processo e de sistema, que possam ser ordenados por seqüência horária e por
prioridade;
alarme sonoro;
ferramenta para impressão dos alarmes;
ferramenta para impressão de telas gráficas;
alteração de cores dos símbolos gráficos em detrimento do tipo de alarme.
10.3.2 Telas
Quanto à visualização gráfica, as seguintes características são necessárias:
telas gráficas de alta resolução que permitam visualização do processo;
faceplates para monitoração e controle;
telas de trend que permitam a visualização dos dados históricos e em tempo real;
telas de sintonia com trend, para o ajuste dos parâmetros e alarmes dos instrumentos;
utilização dos mesmos padrões para todos os tipos de I/O, independentes se estes estão conectados
ponto a ponto ou via rede.
10.3.3 Segurança
Para minimizar erros de operação e prevenir operações não autorizadas, a console de operação possui
diversos níveis de acesso às suas funções. Desta maneira é possível através de senhas, criar vários
usuários e classificá-los quanto ao acesso à operação, configuração, sintonia e outras funções.
10.3.4 Relatórios
A console possuir ferramenta para configuração de relatórios. Estes relatórios serão configurados
utilizando-se ferramentas consolidadas como MS Excel. Os relatórios podem ser horários, diários,
mensais ou sob demanda.
Os seguintes dados devem estar disponíveis para utilização em relatórios:
dados instantâneos de processo tanto para instrumentos conectados ponto a ponto como via rede;
dados históricos de trend;
140
dados estatísticos tais como média; máximo e mínimo;
alarmes de processo
Estes relatórios devem ser impressos automaticamente e/ou sob demanda e devem ser arquivados em
disco rígido durante um determinado período.
10.3.5 Armazenamento de Dados
O armazenamento de dados históricos de processo será feito através de Fita Dat,. Os dados devem ser
salvos automaticamente e sob demanda. A visualização dos trend´s históricos contidos em mídia, deve ser
feita através da própria console de operação, sem que sejam necessários softwares adicionais para tal.
A console será responsável pela exportação de dados on-line para outros computadores via rede Ethernet.
Os dados que serão utilizados para relatórios de gestão deverão ser exportados para a rede coorporativa,
onde serão alocados em um computador específico para armazenagem deste banco de dados.
10.3.6 Estação de Engenharia
A interface de engenharia deve possuir ferramentas amigáveis que permitam a sua fácil utilização nas
fases de configuração, comissionamento e manutenção. As características gerais da estação de engenharia
estão listadas abaixo:
Interface de engenharia baseada em microprocessadores PC, considerando-se processadores de
mercado;
Monitor de 21 ““.
Plataforma Windows;
Base de dados única para configuração;
não necessidade de teclados especiais;
autodocumentação;
ferramentas de testes agregadas ao software de configuração;
configuração e monitoração do hardware;
configuração on-line;
bibliotecas de símbolos gráficos;
bibliotecas para reuso de estratégias de controle.
Quanto às ferramentas de configuração, estas devem ser totalmente integradas, garantido facilidade no
fluxo de informações entre malhas de controle, intertravamentos e sequenciamentos..
Para o projeto HDF de Botucatu, é importante ressaltar que estas ferramentas configuram também os
instrumentos que utilizam os protocolos Fieldbus Foundation e Hart.
141
11 REDES DE COMUNICAÇÃO
11.1 CONCEITOS BÁSICOS
A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes requer um estudo para
determinar o tipo de rede que melhor se adapta ao empreendimento. Deve ser dada prioridade a
arquiteturas de sistemas abertos que ao contrário de arquiteturas proprietárias, permitem uma gama maior
de produtos compatíveis. As redes industriais são padronizadas em 3 níveis de hierarquias, cada qual
responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos: Informação , Controle, Campo.
Abaixo alguns conceitos utilizados para redes
Concepção determinística: Identifica a capacidade da rede em garantir a disponibilidade de
informações entre seus integrantes em um tempo determinado, embora sendo característica intrínseca
das redes determinística, dependendo da aplicação algumas redes probabilísticas podem apresentar tal
concepção onde a probabilidade de disponibilizar informações em um tempo determinado seria
suficientemente elevada para traduzir-se em garantia
Tratamento de erro: caracteriza a capacidade da rede em identificar e tratar erros corridos no
intercambio de informações, visto que o erro é uma característica inerente ao processo de comunicação
associado a fatores de natureza diversa, a rede deve ser capaz de identificar e tratar adequadamente tal
ocorrência de forma a evitar que uma informação, partindo de uma origem e tendo sofrido distorção
durante o processo de comunicação, não seja interpretada no destino como correta.
Imunidade Elétrica: característica que confere à rede capacidade de isolação e susceptibilidade
eletromagnética compatíveis com o ambiente elétrico, em nossa planta tem dispositivos de controle de
velocidade, (Inversor de Freqüência) que devido ao seu chaveamento em alta freqüência geram
distúrbios elétricos.
Tempo de resposta: Identifica o tempo consumido pela rede para transferir informações, podemos
relacionar ele ao tempo de ciclo e não à velocidade da rede
Métodos de acesso : define como é gerido o uso da rede por seus integrantes, podemos ter acesso
livre, pergunta resposta ou compartilhado que è a característica de nossa rede na planta de energia.
Capacidade operacional ; os recursos disponíveis para a efetivação da comunicação de dados em
uma aplicação compõem a capacidade operacional da rede, alguns fatores definem esta característica
Quantidade de integrantes : Determina o numero de integrantes que podem ser interligados na rede
de comunicação de forma simultânea .
Área de cobertura : especifica a abrangência física da rede em termos de distancia máxima
Topologia : Define a adaptação geográfica da rede onde a mesma será implantada, a topologia
mais conhecida temos anel, barramento , estrela e arvore.
142
Protocolo de comunicação : Considerado o principal elemento tecnológico das redes de
comunicação, ao qual estão associadas todas as suas características operacionais, como:
a) procedimentos de acesso b) definição de dados c) seleção de dispositivos d) priorização e) status e etc
Funcionalidade : À funcionalidade estão relacionados fatores associados com a implantação e a
utilização da rede de comunicação
Instalação : A implantação da rede todos os seus dispositivos de maneira simples facilita a sua
colocação em operação
11.2 CLASSIFICAÇÃO DAS REDES DE COMUNICAÇÃO
O elemento conceitual fundamental para uma abordagem de seleção é a compreensão da classificação das
redes de comunicação industriais. O objetivo fundamental da comunicação de dados aplicada na industria
é a integração de informação entre os diversos elementos que compõem o sistema de automação.
A classificação pode ser mais bem analisada utilizando a pirâmide CIM – Computer Integrated
Manufacturing, podemos identificar os níveis e equipamento característico de um sistema de automação
completa:
Nível 0 :Caracterizada pelos dispositivos que interagem diretamente com o processo, tais como:
sensores e atuadores, onde encontramos baixo volume dos dados, porem com elevada dinâmica
Nível 1 :Onde está às unidades de controle com estruturas de dados mais completas e grandes
interação entre dispositivos
Nível 2 :Composto por equipamentos de supervisão, onde predominam maiores concentrações de
dados intercabiados em base eventual ou cíclica
Nível 3 :Formado por sistemas de gestão da produção com grandes quantidades de dados
transferidos em tempo não critico
Nível 4 :Caracterizado por sistemas corporativos com volume maciços de dados intercambiados
através de recursos de multimídia
11.3 REDE DE INFORMAÇÃO
Esta é a rede responsável pelo tráfego de informações entre as consoles de operação e engenharia. O
tráfego de dados entre o sistema de controle e a rede coorporativa também deve ser através desta mesma
rede, tomando-se as devidas precauções para não interferência da rede coorporativa no sistema de
controle.
143
O Padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP deve ser adotado como padrão para este tipo de
rede. Deve ser especificado cabo tipo 10/100 Base T e para trechos maiores que 100m ou entre prédios
deve ser utilizado fibra óptica.
As conexões entre os equipamentos da rede (consoles de operação, engenharia, impressoras) devem ser
via hubs ou switches, que facilitam na implantação de novos pontos na rede. O fornecedor do sistema de
controle deve ser responsável pela especificação desta rede garantida a performance de comunicação
entre os equipamentos.
11.4 REDE DE CONTROLE
A rede de controle é a responsável em trafegar os dados de controle em tempo real entre os
processadores, permitindo desta maneira que um processador acesse dados (I/O) de outro processador.
Esta rede é do tipo determinística para garantir confiabilidade e performance na transmissão dos dados de
controle. O meio físico desta rede é determinado pelo fornecedor do sistema. Para grandes distancias deve
ser utilizado fibra óptica.
Para o projeto de Utilidades será utilizada rede redundante de controle, com encaminhamento diferente de
cabos.
11.5 REDE DE CAMPO
Este é o nível mas baixo da hierarquia de controle de processos e conecta o I/O com os demais níveis. As
redes de campo são classificadas pelos tipos de equipamentos conectados a elas e pelo tipo de dados que
trafega pela rede. A tabela a seguir mostra estas características:
A crescente necessidade da industria pela integração de equipamentos e dispositivos em todos os níveis
do sistema de automação têm impulsionado o desenvolvimento de tecnologias de comunicação de dados,
especificamente desenvolvidas para atender das mais diversas aplicações industriais.
Atualmente, existe uma quantidade razoável de tecnologias de concepção aberta ou proprietária
disponível no mercado,podemos citar as principais como :
AS-i
Device Net
Foudation Field bus
Interbus
Lon Works
Modbus
Profibus
WordFip
144
ControlNet
Como podemos observar temos uma quantidade muito grande de redes industriais, estas tecnologias
existentes compõem um universo grande de opção, desta forma, para que possamos definir a nossa
escolha utilizamos critérios particulares de cada aplicação industrial, de forma a atender adequadamente a
todas as nossas necessidades.
O objetivo fundamental da comunicação de dados aplicada na industria é a integração de informação
entre os diversos elementos que compõem o sistema de automação. Desta forma para atender a integração
entre todos os níveis, bem como atender às necessidades características de cada um deles, podemos
destacar quatro classes de redes de comunicação de campo:
SensorBus : De característica determinística e tempo de resposta extremamente curta, é uma rede
que atende bem as aplicações com dispositivos discretos, sensores e atuadores por exemplo, quanto às
redes temos por exemplo:AS-i,Siriplex,etc.
DeviceBus : Com perfil determinísticos e alta performance orientada para distribuição dos
automatismos e seus periféricos com íntima relação com unidades centrais de processamento:Ex.
DeviceNet,Profibus-DP
FieldBus : possui estruturas de dados mais completa e alta performance aplicada na comunicação
entre unidades inteligentes, uma característica bem típica para processos continuos, como é nosso
caso:Ex. Foudation Fieldbus,Modbus,Profibus-PA
databus : possui capacidade de manipular grandes quantidades de informações em tempo não
critico destinada ao domínio da informática industrial:Ex.Ethernet,Tcp/Ip
Apesar de permitir uma separação das diversas tecnologias , a classificação das redes de comunicação
industrias existentes não é o suficiente para permitir uma seleção adequada por existir várias redes dentro
de uma mesma classificação. Na planta de energia iremos compartilhar dois protocolos de comunicação
de redes industriais, Foundation Fieldbus e Hart.
Na planta de energia iremos compartilhar dois protocolos de comunicação de redes industriais,sendo que
um protocolo é digital e outro analógico,são poucos pontos adotados com a tecnologia Hart, são pontos
considerados de alta criticidade,conforme podemos ver em nossa configuração abaixo,os instrumentos
são ligados ponto a ponto e não em rede como o Foundation Fieldbus, isto garantirá uma segurança com
um eventual rompimento da rede devido a um acidente, também os instrumentos Hart irão passar por um
trajeto também diferente.
145
12 FOUNDATION FIELDBUS
O nosso objetivo aqui é difundirmos os conceitos básicos sobre Foundation Fieldbus,assim esperamos
esclarecermos duvidas e difundirmos esta tecnologia empregada em nossa planta de energia .
12.1 INTRODUÇÃO
Em 1985, a ISA – International Society for Measurement and Control, posteriormente unindo-se com o
IEC – International Eletrotechnical Committee, começava a desenvolver um padrão para comunicações
digitais bidirecionais multidrop entre dispositivos de campo (instrumentos) e sistemas de controle para o
controle de processo e manufatura. O objetivo desta normalização é gerar um único padrão internacional
para o fieldbus , os fabricantes e usuários finais da indústria de controle têm acompanhado a revolução
das comunicações digitais e como ela tem afetado a maioria das áreas do cotidiano - e reconhecem as
oportunidades, vantagens e economias que poderiam vir a ter se adotassem esta tecnologia em medidas de
processo e aplicações de controle. Como o processo de normalização do IEC levou muito tempo, um
grupo de fabricantes teve a iniciativa de unir-se e começar a usar as atuais especificações disponíveis do
padrão IEC, assumindo que seriam definidas as partes faltantes deste padrão num futuro próximo. Foi
constituída uma organização de todos os principais fabricantes ao redor do mundo chamado de Fieldbus
Foundation (FF),desta forma temos a origem do Foundation Fieldbus com o objetivo de construir uma
base de implementação e apoio ao IEC, para desenvolver os equipamentos conforme o mesmo padrão de
redes fieldbus. Desde a sua criação em 1994, vem usando os recursos das companhias associadas para
definir e testar o protocolo padrão, chamado Foundation Fieldbus, e habilitou disponibilidade de produto
em 1996.
O padrão Foundation Fieldbus viu-se obrigado a especificar partes que estavam faltando na especificação
da norma internacional, pois ela ainda não estava completa. E deste modo, utilizou um subgrupo das
especificações da norma internacional. No entanto, foi feito um acordo entre os dois grupos, da Fieldbus
Foundation e do IEC, para que o que fosse desenvolvido pela Fieldbus Foundation fosse acrescentado ao
IEC, com o compromisso de um grupo apoiar o outro.
12.2 O QUE É UMA REDE FIELDBUS ?
O Fieldbus é uma rede de transmissão de dados para comunicação com equipamentos de instrumentação
e controle de plantas industriais, tais como transmissores, atuadores e controladores, podendo, inclusive,
ser utilizado em aplicações que requeiram especificações quanto aos requisitos de segurança intrínseca.
Esta rede é do tipo digital, serial, half-duplex e multidrop. Ela é digital porque as informações são
transmitidas em forma de mensagens de acordo com as camadas de comunicação definidas pelo protocolo
Fieldbus; serial, porque as informações são transmitidas e recebidas bit a bit; half-duplex, porque a
146
comunicação é bidirecional, porém, em uma única direção a cada instante e multidrop, porque é permitida
a comunicação entre vários equipamentos conectados à rede.
O fieldbus surgiu com o objetivo de interligar e operar os instrumentos de campo com características
diferentes e de diversos fabricantes. Usufruindo toda sua inteligência através de uma rede,
proporcionando a descentralização das tarefas. Esta interligação incorpora vantagens como: maior
imunidade a ruídos, pré-processamento em dados específicos, transmissão de informações adicionais dos
dados capacitando o diagnóstico do dispositivo e a previsão de falhas, redução dos custos de projeto, de
fiação, de instalação e de expansão, entre outras. A descentralização das tarefas, é muitas vezes vista
como uma possibilidade de espalhar entre vários dispositivos um determinado programa ou processo de
controle na busca de melhor uso de suas características. Para alcançar uma maior confiabilidade foi
prevista a capacidade de, em caso de pane do dispositivo, sua substituição imediata por outro
implementando o mesmo programa. Como os dispositivos podem ser diferentes e de diferentes
fabricantes, a padronização das funções a serem distribuídas nos mesmos foi necessária. Estas funções
são chamadas de Blocos Funcionais (FB-Function Blocks). A interligação desses blocos funcionais é que
define a estratégia de controle e programação do processo a ser controlado. Na configuração especifica-se
a escolha do FB e em que dispositivo será executado.
A versatilidade do fieldbus permite, em caso de pane em alguns deles, a reconfiguração automática on-
line, especificando em qual dispositivo o(s) FB(s) do dispositivo em pane será(ão) executado(s). Sem esta
padronização internacional a redundância de FB's (conseqüentemente a redundância de dispositivos) fica
limitada a só ser implementada em dispositivos iguais e dos mesmos fabricantes. A verdadeira
interoperabilidade e intercambialidade ficam inviáveis.
O Fieldbus é um protocolo interoperável suportado pela quase totalidade dos fabricantes mundiais de
instrumentação. Ao seu término deverá ter reconhecimento mundial, devido ao comprometimento destes
fabricantes em seguir um padrão único. A opção de baixa velocidade para Fieldbus é 25 vezes mais
rápida que os protocolos comuns para transmissores inteligentes, além de ser muito mais eficiente. Esta
versão do fieldbus foi projetada para usar o mesmo tipo de fiação dos transmissores analógicos e
inteligentes, para facilitar a substituição do sistema. O fieldbus é baseado no modelo OSI (Open System
Standards Organization) para representar as várias funções requeridas em uma rede de comunicação. O
fieldbus não é só mais um protocolo de comunicação digital. Ele foi concebido para a indústria de
controle de processos de modo a atender plenamente a todos os itens de uma lista longa e antiga de
desejos do usuário. Esta lista de desejos inclui itens tais como: - estar de acordo com o modelo ISO/OSI; -
uso de cabos de conexão de utilização industrial normal; - segurança intrínseca para atmosferas perigosas;
- variáveis identificadas por tags e expressas em unidades de engenharia; - variáveis com status, onde o
147
status indique as condições da variável; - blocos de função, com parâmetros de entrada e saída
padronizados, parâmetros de configuração padronizados e algoritmos padronizados.
12.3 APLICAÇÕES
Uma das primeiras instalações usando o FF que foi capaz de demonstrar a interoperabilidade de
dispositivos de vários fabricantes em uma mesma rede foi implementada em 3 de Junho de 1997 na
cidade de Daishowa no estado de Washington, onde a instalação era composta de 1 host, 6 transmissores,
6 entradas analógicas e 5 saídas analógicas; durante 18 meses foram realizadas diversas experiências,
analisando-se os benefícios, problemas com manutenção, treinamento, etc... Hoje, plantas muito maiores
podem ser citadas como exemplos de aplicações utilizando Fieldbus Foundation pode ser encontrados em
instalações como as da SFT - França, BASF - Bélgica, Estação Geradora de Mohave - USA, CFE –
México-Polo de Camaçari-Brasil.
12.4 CONFIGURAÇÕES
12.4.1 Níveis de Protocolo :
O protocolo FIELDBUS foi desenvolvido baseado no padrão ISO/OSI. Embora não contenha todos os
seus níveis, podemos em primeira análise dividi-lo em nível físico ("Physical Layer" – que trata das
técnicas de interligação dos instrumentos) e níveis de software ("Communication Stack" – que tratam da
comunicação digital entre os equipamentos).
148
12.5 NÍVEIS DE SOFTWARE:
12.5.1 Nível de Enlace
O nível de enlace garante a integridade da mensagem através de dois bytes calculados através de um
polinômio aplicado a todos os bytes da mensagem e que é acrescentado no final da mesma. Este nível
controla também o acesso ao meio de transmissão, determinando quem pode transmitir e quando. O nível
de enlace garante que os dados cheguem corretamente ao equipamento. Características Técnicas : I - Acesso ao Meio Existem três formas para acessar a rede : a) Passagem de Token : O Token é o modo direto de iniciar uma transmissão no barramento. Quando
termina de enviar as mensagens, o equipamento retorna o Token para o LAS (Link Active Scheduler). O
LAS transmite o Token para o equipamento que requisitou via preconfiguração ou via escalonamento. b) Resposta Imediata : O mestre dará uma oportunidade para uma estação responder com uma mensagem. c) Requisição de Toem : Um equipamento requisita um Toem usando um código em alguma das respostas
que ele transmitiu para o barramento. O LAS recebe esta requisição e envia um Token para o
equipamento quando houver tempo disponível nas fases aperiódicas do escalonamento. II – Modelo Produtor/Consumidor Um equipamento pode produzir ou consumir variáveis que são
transmitidas através da rede usando o modelo de acesso à rede de resposta imediata. O produtor coloca as
variáveis em buffers e qualquer estação pode acessar estes dados. Com apenas uma transação, dados
podem ser transmitidos para todos os equipamentos que necessitam destes dados. Este modelo é o modo
mais eficiente para transferência de dados entre vários usuários. Um controlador consome a variável de
processo produzida pelo sensor e produz a saída consumida pelo atuador. III – Escalonamento para suportar aplicações de tempo crítico O LAS coordenará o tempo necessário para
cada transmissão na rede, garantindo o período de troca de dados. IV – Sincronização do tempo Existe um mecanismo para garantir uma referência de tempo da rede para
conseguir sincronização do barramento e atividades de processo. V – Endereçamento Pode ser usado para endereçar um grupo de estações, uma estação ou até uma
variável. Este endereçamento permite uma otimização do acesso às mensagens. VI – Passagem do Token num anel lógico Este método é usado pelo Profibus e pelo ISP para acessar a
rede. Ele pode ser simulado, mas não com a mesma eficiência, pelo uso da atual definição do nível de
enlace do SP50.
149
12.5.2 Nível de Aplicação
O nível de aplicação fornece uma interface para o software aplicativo do equipamento. Basicamente este
nível define como ler, escrever ou disparar uma tarefa em uma estação remota. A principal tarefa é a
definição de uma sintaxe para as mensagens. Ele também define o modo pelo qual a mensagem deve ser
transmitida : ciclicamente, imediatamente, somente uma vez ou quando requisitado pelo consumidor. O
gerenciamento define como inicializar a rede : atribuição do Tag, atribuição do endereço, sincronização
do tempo, escalonamento das transações na rede ou conexão dos parâmetros de entrada e saída dos blocos
funcionais. Ele também controla a operação da rede com levantamento estatístico de detecção de falhas e
de adição de um novo elemento ou remoção de uma estação. O gerenciamento monitora continuamente o
barramento para identificar a adição de novas estações. 12.5.3 Nível do Usuário
Define o modo para acessar a informação dentro de equipamentos FIELDBUS e de que forma esta
informação pode ser distribuída para outros equipamentos no mesmo nó ou , eventualmente, em outros
nós da rede FIELDBUS. Este atributo é fundamental para aplicações em controle de processo. A base
para arquitetura de um equipamento FIELDBUS são os blocos funcionais, os quais executam as tarefas
necessárias às aplicações existentes hoje, tais como : aquisição de dados, controle PID, cálculos e
atuação. Todo bloco funcional contém um algoritmo, uma base de dados (entradas e saídas) e um nome
definido pelo usuário (o Tag do bloco deve ser único na planta do usuário). Um equipamento FIELDBUS
conterá um número definido de blocos funcionais. A base de dados pode ser acessada via comunicação.
12.5.4 Nível Físico
A Norma ANSI/ISA-S50.02-1992, aprovada em 17 de maio de 1994 – "Fieldbus Standard for Use in
Industrial Control Systems Part 2 : Physical Layer Specification and Service Definition" trata do meio
físico para a realização das interligações. Os principais itens são : transmissão de dados somente digital ;
self clocking ; comunicação bidirecional ; código Manchester ; modulação de voltagem (acoplamento
paralelo) ; velocidades de transmissão de 31.25 Kb/s, 1.0 Mb/s e 2.5 Mb/s ; barramento sem energia, não
intrinsecamente seguro ; barramento com energia, não intrinsecamente seguro ; barramento sem energia,
intrinsecamente seguro ; barramento com energia, intrinsecamente seguro. No nível de instrumentos
ligados aos barramentos de campos, a velocidade normalizada é 31.25 Kb/s. As outras velocidades
deverão ser utilizadas para a interligação de bridges e gateways para a conexão em alta velocidade destes
dispositivos.
150
Na velocidade de 31.25 Kb/s, a norma determina, dentre outras coisas, as seguintes regras : a) Um instrumento FIELDBUS deve ser capaz de se comunicar entre os seguintes números de
equipamentos : _entre 2 e 32 equipamentos numa ligação sem segurança intrínseca e alimentação separada da fiação de
comunicação ; _entre 2 e 6 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação com segurança
intrínseca ; _entre 1 e 12 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação sem segurança
intrínseca. Obs. : Esta regra não impede a ligação de mais instrumentos do que o especificado. Estes números foram
alcançados levando-se em consideração o consumo de 9 mA +/- 1 mA, com tensão de alimentação de 20
VDC e barreiras de segurança intrínseca com 19 VDC de saída e entre 40 e 60 mA de corrente para os
instrumentos. b) Um barramento carregado com o número máximo de instrumentos na velocidade de 31.25 Kb/s não
deve Ter entre quaisquer dois equipamentos o comprimento maior que 1900 m (incluindo as derivações).
151
Obs. : Esta regra não impede o uso de comprimentos maiores, desde que sejam respeitadas as
características elétricas dos equipamentos. c) O número máximo de repetidores para a regeneração da forma de onda entre dois instrumentos não
pode exceder a 4.
d) Um sistema FIELDBUS deve ser capaz de continuar operando enquanto um instrumento está sendo
conectado ou desconectado. e) As falhas de qualquer elemento de comunicação ou derivação (com exceção de exceção de curto-
circuito ou baixa impedância) não deverá prejudicar a comunicação por mais de 1 ms. f) Deve ser respeitada a polaridade em sistemas que utilizem pares trançados. Seus condutores devem ser
identificados e esta polarização deve ser mantida em todos os pontos de conexão. g) Para sistemas com meio físico redundante : _ cada canal deve atender as regras de configuração de redes ; _ não deve existir um segmento não redundante entre dois segmentos redundantes ; _ os repetidores também deverão ser redundantes ;
152
_ os números dos canais deverão ser mantidos no FIELDBUS, isto é, os canais do FIELDBUS devem ter
os mesmos números dos canais físicos. h) os "shield" dos cabos não deverão ser utilizados como condutores de energia. Considerações e
Limitações Um importante aspecto na concepção de um projeto FIELDBUS é a determinação de como
serão instalados os equipamentos que farão parte da rede. Dessa forma devem ser consideradas as
distâncias máximas permitidas entre os equipamentos, ou seja, deve-se Ter em mãos a planta onde será
efetuado o projeto para a determinação dos melhores pontos para instalação dos equipamentos de forma a
otimizar ao máximo o comprimento do barramento (trunk) e das derivações (spurs). Além disso, outras
características também devem ser consideradas, tais como : número máximo de equipamentos ligados a
uma mesma rede (um fator limitante pode ser a fonte de alimentação, que deve alimentar todos os
transmissores caso o barramento seja energizado), a topologia utilizada na implementação dos
equipamentos e os elementos que constituirão a rede fieldbus conjuntamente com os equipamentos
(dispositivos que permitam facilidade e agilidade quando for solicitados algum tipo de manutenção com
um determinado equipamento, como por exemplo as caixas de campo). Outro ponto a ser analisado
refere-se à utilização de barreiras de segurança intrínseca e redundância dos equipamentos. Deve-se fazer
uma análise preliminar destas características no ambiente de instalação do sistema, visando a maior
otimização possível no que se refere às instalações dos equipamentos (número de equipamentos e
comprimento de cada barramento), caso se faça necessário à utilização destes recursos. 12.6 TOPOLOGIAS
As topologias mais comumente utilizadas em um sistema FIELDBUS são :
12.6.1 Topologia de barramento com Spurs
Nesta topologia utiliza-se um barramento único onde equipamentos ou barramentos secundários (spurs)
são conectados diretamente a ele. Pode-se ter ainda vários equipamentos diferentes em cada spur.
153
12.6.2 Topologia Ponto a Ponto
Nesta topologia tem-se a ligação em série de todos os equipamentos utilizados na aplicação . O cabo
FIELDBUS é roteado de equipamento para equipamento neste segmento e é interconectado nos terminais
de cada equipamento FIELDBUS. As instalações que utilizam esta topologia devem usar conectores de
forma que a desconexão de um simples equipamento não interrompa a continuidade do segmento.
12.6.3 Topologia em Árvore
A topologia em árvore concentra em acopladores/caixas de campo a ligação de vários equipamentos.
Devido à sua distribuição, esta topologia é conhecida também como "Pé de Galinha".
154
12.6.4 Topologia End to End
Esta topologia é utilizada quando se conecta diretamente apenas dois equipamentos. Esta ligação pode
estar inteiramente no campo (um transmissor e uma válvula sem nenhum outro equipamento conectado)
ou pode ligar um equipamento de campo (um transmissor) ao Device Host.
12.6.5 Topologia Mista
Nesta configuração encontra-se as três topologias mais comumente utilizadas entre si. Deve-se observar
no entanto, o comprimento máximo do segmento que deve incluir o comprimento dos spurs no
comprimento total.
Tempo de Supervisão Um importante aspecto quando se trabalha com sistemas FIELDBUS é o tempo
gasto para que todos os devices na linha possam publicar parâmetros úteis na supervisão de um processo.
Este tempo deve ser minimizado tanto quanto possível, pois pode-se comprometer o tempo de atualização
dos links entre os blocos funcionais que operam na malha de controle. A atualização dos links é feita a
155
cada Macro Cycle (MC) e este tempo pode variar dependendo do tipo de instrumento e seus parâmetros
para publicação. Num projeto deve-se verificar o tempo do MC para comparar com o tempo crítico do
processo e verificar se o MC definido não compromete a dinâmica do processo.