Introdução à Instrumentação Industrial – Visão Geral
A instrumentação é uma disciplina essencial que permeia diversos aspectos do mundo moderno, responsável por medir e controlar processos de forma automatizada. O primeiro passo, naturalmente, é a medição. Se não podemos medir algo, é realmente inútil tentar controlá-lo. Esta ciência tem aplicações vastas e variadas, estendendo-se desde a esfera da pesquisa científica até o cotidiano das pessoas.
Por exemplo, no setor automotivo, a instrumentação é fundamental para o funcionamento dos sistemas de controle que gerenciam o desempenho dos motores. Em nossas casas, termostatos inteligentes regulam a temperatura ambiente, proporcionando conforto e eficiência energética. Na aviação, os pilotos automáticos são exemplos sofisticados de instrumentação que garantem a segurança e precisão dos voos. Na indústria farmacêutica, processos automatizados asseguram a qualidade e a conformidade dos medicamentos produzidos.
Este capítulo se dedica a elucidar os princípios básicos que regem a instrumentação industrial, uma área que, embora muitas vezes invisível, é a espinha dorsal da automação que facilita e enriquece nossa vida diária. Aqui, exploraremos como os instrumentos industriais são projetados para monitorar e ajustar os processos de produção, garantindo que operem dentro dos parâmetros ideais e com a máxima eficiência.
Medição
A medição é o alicerce da instrumentação e controle industrial. Sem a capacidade de medir com precisão, o controle de qualquer processo torna-se uma tarefa vã. Na indústria, essa medição pode se manifestar de diversas formas, como:
- Pressão do fluido: Essencial para garantir que os sistemas hidráulicos e pneumáticos funcionem dentro dos parâmetros seguros.
- Taxa de fluxo (vazão) do fluido: Crucial para processos que dependem da transferência precisa de líquidos ou gases.
- Temperatura de um objeto: Um parâmetro vital em processos que requerem condições térmicas controladas.
- Volume/Nível de fluido armazenado em um Vaso ou Tanque : Importante para o monitoramento de níveis em tanques e reservatórios.
- Concentração química: Fundamental para a qualidade e segurança em processos químicos e farmacêuticos.
- Posição, movimento ou aceleração da máquina: Parâmetros chave para a automação e robótica.
- Dimensão(ões) física(s) de um objeto: Medidas necessárias em controle de qualidade e manufatura.
- Contagem (inventário) de objetos: Informações cruciais para logística e gerenciamento de estoque.
- Tensão elétrica, corrente ou resistência: Dados essenciais para o funcionamento seguro e eficiente de sistemas elétricos.
Após a medição dessas variáveis, geralmente transmitimos um sinal representativo para um dispositivo indicador, Controladores (PLCs) Computador, onde ocorre a ação de controle, seja ela humana ou automatizada. No caso de controle automatizado, o computador envia um sinal para um dispositivo de controle final, como:
- Válvula de controle: Ajusta a taxa de fluxo de um fluido.
- Motor elétrico: Modifica a posição ou velocidade de um componente mecânico.
- Aquecedor elétrico: Altera a temperatura de um ambiente ou processo.
Esses dispositivos de medição e controle estão interligados a um sistema físico, conhecido como processo, que é o alvo do controle. Um exemplo cotidiano é o termostato residencial, que regula a temperatura interna da casa, atuando tanto como sensor quanto como controlador. O aquecedor ou o ar-condicionado ajusta a temperatura conforme necessário para manter o ambiente confortável, corrigindo desvios do ponto de ajuste desejado.
Os sistemas industriais de medição e controle operam com terminologias e padrões próprios, que são essenciais para manter a eficiência e segurança dos processos industriais. Este capítulo visa aprofundar esses conceitos, destacando a importância da precisão na medição e controle para a integridade de inúmeros processos industriais.
Teminologias
No contexto da instrumentação industrial, o processo refere-se ao sistema físico que desejamos controlar ou medir. Este pode ser um sistema de filtração de água, uma fornalha para fundição de metais, uma caldeira a vapor, uma unidade de refinaria de petróleo ou uma unidade de geração de energia, entre outros. Cada um desses sistemas possui variáveis específicas que precisam ser monitoradas e controladas para garantir a eficácia e segurança do processo.
A variável do processo (PV) é a quantidade específica que estamos medindo em um processo. Pode ser a pressão dentro de um sistema, o nível de um líquido em um tanque, a temperatura de um objeto, a taxa de fluxo de um fluido, a condutividade elétrica, o pH, a posição, a velocidade ou a vibração de uma máquina.
O setpoint (SP) é o valor desejado para a variável do processo, o “alvo” que o sistema de controle tenta manter. Por exemplo, o setpoint pode ser uma temperatura específica que uma caldeira a vapor deve alcançar e manter.
O elemento sensor primário (ESP) é um dispositivo que detecta diretamente a variável do processo e a converte em uma representação analógica/digital, como tensão elétrica, corrente, resistência, força mecânica, movimento, etc. Exemplos incluem termopares, termistores, tubos de Bourdon, microfones, potenciômetros, células eletroquímicas e acelerômetros, eletrodos de PH, Eletrodo de condutividades.
Um transdutor é um dispositivo que converte um sinal de instrumentação padronizado em outro sinal de instrumentação padronizado ou realiza algum tipo de processamento nesse sinal. Também conhecido como conversor ou, às vezes, “relé”, exemplos incluem conversores I/P e P/I, que convertem sinais elétricos em sinais pneumáticos e vice-versa, e extratores de raiz quadrada, que calculam a raiz quadrada do sinal de entrada.
É importante notar que, em termos gerais de ciência, um “transdutor” é qualquer dispositivo que converte uma forma de energia em outra. No entanto, na instrumentação industrial, o termo “elemento sensor primário” é frequentemente usado para descrever dispositivos que detectam variáveis do processo, enquanto “transdutor” se refere especificamente a dispositivos que convertem ou processam sinais de instrumentação padronizados.
Por fim, um Transmissor é um dispositivo que traduz o sinal produzido por um elemento sensor primário em um sinal de instrumentação padronizado, facilitando a comunicação e o controle dentro de sistemas industriais complexos. Esses componentes são vitais para a integração e automação de processos industriais, permitindo um controle preciso e confiável das variáveis críticas do processo.
No universo da instrumentação industrial, o transmissor é um componente vital que atua como um tradutor, convertendo o sinal gerado por um elemento sensor primário (PE) em um formato padronizado de sinal de instrumentação. Esse sinal pode ser uma pressão de ar de 3-15 PSI, uma corrente elétrica contínua de 4-20 mA, ou um pacote de sinal digital Fieldbus, por exemplo. O sinal padronizado é então enviado para um dispositivo indicador ou de controle, ou ambos, permitindo a monitoração e o ajuste do processo.
Os valores de faixa inferior e superior (LRV[low Range Value] e URV[Upper Range Value]) são os limites de medição de um transmissor, representando 0% e 100% da faixa calibrada, respectivamente. Por exemplo, se um transmissor de temperatura é calibrado para medir temperaturas de 300 °C a 500 °C, o LRV seria 300 °C e o URV seria 500 °C.
Zero e Span são termos alternativos para LRV e URV, indicando o ponto inicial (zero) e a amplitude total (span) da faixa de medição de um instrumento. No exemplo do transmissor de temperatura, o zero seria 300 °C e o span seria ( 500 °C – 300 °C = 200 °C ).
O controlador é outro dispositivo crucial que recebe o sinal da variável do processo (PV) provida de um sensor (PE- Elemento primáriao) ou transmissor. Ele compara esse sinal com o setpoint, que é o valor desejado para a PV, e calcula um sinal de saída adequado para ser enviado ao elemento de controle final (ECF), como um motor elétrico ou uma válvula de controle, para ajustar o processo conforme necessário.
O elemento de controle final (ECF) é o atuador que recebe o sinal de saída do controlador e efetua a mudança direta no processo. Exemplos incluem um motor elétrico de velocidade variável, uma válvula de controle para regular o fluxo de um fluido, ou um aquecedor elétrico para alterar a temperatura. Esses elementos são fundamentais para a execução efetiva do controle do processo, garantindo que o sistema opere conforme os parâmetros estabelecidos para eficiência e segurança.