BÁSICO CALIBRAÇÃO CLP MANUTENÇÃO

Tutorial de Calibração do Transmissor Inteligente – Parte 2

26 de maio de 2025
Maurício Cordeiro

Ajuste de Faixa (Re-faixamento)

O ajuste de faixa, também chamado de re-faixamento, consiste na configuração dos limites inferior e superior da variável de processo que correspondem aos sinais de corrente padrão de 4 mA e 20 mA, respectivamente. Essa configuração define a chamada faixa calibrada ou faixa de calibração do transmissor.

Nesse contexto, o Valor Inferior de Faixa (Lower Range Value – LRV) é o valor da variável de processo que corresponde a uma saída de 4 mA, sendo frequentemente associado ao “zero” ou 0% da escala. Já o Valor Superior de Faixa (Upper Range Value – URV) é o ponto em que o transmissor deve fornecer 20 mA, representando o “fundo de escala” ou 100%.

É fundamental compreender que o termo “span” (amplitude) não deve ser confundido com o URV. O span representa a diferença entre o URV e o LRV. Por exemplo, em uma faixa configurada de 20 a 100 unidades, o span será de 80 unidades (100 – 20 = 80).

Nos protocolos digitais como FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS PA e WirelessHART, que não utilizam sinal analógico 4-20 mA como saída principal, o ajuste de faixa geralmente não é necessário da mesma forma, já que o valor da variável de processo é transmitido digitalmente.

No caso de transmissores 4-20 mA (com ou sem HART), a conversão da variável primária de processo para um sinal de corrente é feita pelo microprocessador interno do instrumento, com base em uma função matemática. Os cálculos mais comuns são:

Porcentagem da variável de processo (PV):

Percentage = (PRIMARY_VARIABLE – LRV) / (URV – LRV) * 100    …..in   [%]

Corrente de saída em mA:

Analog Current = (PRIMARY_VARIABLE – LRV) / (URV – LRV) * 16 + 4    ….in  [mA]

Interpretação do Sinal de Corrente pelo Sistema de Controle

Nos sistemas baseados em sinal analógico 4-20 mA, os dispositivos receptores — como controladores, registradores ou indicadores — realizam cálculos internos para interpretar o valor da variável de processo (PV) a partir da corrente recebida. Esses cálculos seguem uma relação linear, expressa pelas seguintes equações:

Cálculo da porcentagem do sinal em relação à faixa configurada:

Conversão da corrente em valor da variável de processo (PV):

Onde:

  • LRV (Lower Range Value) é o valor inferior da faixa calibrada;
  • URV (Upper Range Value) é o valor superior da faixa calibrada;
  • PV é o valor da variável de processo em unidades de engenharia (E.U.), como °C, kgf/cm², m³/h, entre outras.

Essas equações permitem que o sistema interprete corretamente a corrente recebida e a relacione à grandeza física medida.

É importante destacar que a saída analógica de 4-20 mA está limitada à faixa configurada entre o LRV e o URV. Dessa forma, a faixa de medição disponível na saída analógica não necessariamente abrange toda a capacidade física do sensor, que pode ter limites mais amplos definidos por suas características internas, conhecidos como LSL (Lower Sensor Limit) e USL (Upper Sensor Limit).

Assim, embora o sensor possa medir valores além da faixa calibrada, o transmissor só converterá para corrente os valores situados entre o LRV e o URV. Valores fora dessa faixa podem ser truncados ou gerar alarmes, dependendo da configuração do transmissor e do sistema de controle.

Figura: Em sistemas com sinal analógico, a medição útil está restrita à faixa ajustada entre o LRV e o URV

Alcance da Medição em Sistemas Analógicos e Digitais

Nos sistemas baseados em sinal analógico 4-20 mA, a representação da variável de processo está limitada exclusivamente à faixa calibrada, definida entre o Valor Inferior de Faixa (LRV) e o Valor Superior de Faixa (URV). Isso significa que qualquer valor de processo fora desse intervalo não será refletido no sinal de corrente, restringindo a observabilidade da medição ao que foi configurado como faixa operacional.

Por outro lado, tecnologias digitais como FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS PA e WirelessHART, bem como a saída digital de transmissores híbridos 4-20 mA/HART, permitem acesso a informações além da faixa LRV–URV. Nesses casos, a variável de processo pode ser transmitida digitalmente com base nos limites físicos do sensor, abrangendo desde o LSL (Lower Sensor Limit – Limite Inferior do Sensor) até o USL (Upper Sensor Limit – Limite Superior do Sensor).

Essa capacidade oferece uma vantagem significativa: mesmo que a faixa de calibração esteja restrita a um determinado intervalo (por exemplo, para fins de controle), ainda é possível monitorar valores fora dessa faixa por meio da comunicação digital — o que é útil para diagnósticos, detecção de sobrecarga, ou uso da medição em múltiplas aplicações simultâneas.

Fig : In a digital bus signal system the measurement enjoys the full sensor limits

Configuração de Faixa em Transmissores

A configuração de faixa de um transmissor refere-se ao processo de definir os valores correspondentes aos pontos de 4 mA (LRV – Lower Range Value) e 20 mA (URV – Upper Range Value). Esse ajuste pode ser realizado sem a aplicação de um sinal físico de entrada, o que permite sua execução remota por meio de uma interface de configuração centralizada, como uma estação de engenharia ou sistema de controle.

Exemplo: Configurar um transmissor de pressão para emitir 4 mA quando a pressão for 0 bar e 20 mA quando atingir 40 bar.

Restrições da Faixa Configurada

A faixa de calibração deve obrigatoriamente respeitar os limites físicos do sensor, definidos como:

  • LSL (Lower Sensor Limit) – Limite Inferior do Sensor
  • USL (Upper Sensor Limit) – Limite Superior do Sensor

Além disso, cada transmissor possui um span mínimo (amplitude mínima entre URV e LRV) que deve ser atendido. Caso a diferença entre URV e LRV seja menor do que esse span mínimo:

  • A resolução da saída analógica e a precisão percentual serão degradadas;
  • O erro de quantização do conversor A/D será excessivamente ampliado;
  • O transmissor poderá rejeitar tentativas de configuração da faixa ou de sensor trim, caso os valores ultrapassem os limites definidos por LSL, USL ou span mínimo.

Limites do Sensor

Os limites do sensor são propriedades físicas do elemento sensitivo e não podem ser modificados via software. Cada tipo de sensor possui uma faixa de operação distinta, o que exige atenção na especificação.

Exemplos:

  • RTDs e termopares têm faixas térmicas variadas — é essencial selecionar o tipo adequado para a faixa de temperatura da aplicação.
  • Transmissores de pressão oferecem módulos com faixas específicas, desde pressões extremamente baixas (como draft range) até pressões muito elevadas (alta pressão).

Se a aplicação exigir uma faixa fora da capacidade do sensor atual, será necessário substituí-lo por outro com especificações compatíveis. Os limites LSL e USL são fixos e definidos pelo fabricante.

Definições segundo ANSI/ISA–51.1

Ajustes de Zero

Durante a configuração da faixa de um transmissor, é comum encontrar situações em que o zero do processo (0 E.U.) não corresponde ao ponto de 4 mA. Isso ocorre em medições deslocadas da origem e pode ser classificado em duas condições distintas:

Elevação de Zero (Zero Elevation):

Definição:
Acontece quando o valor correspondente a zero no processo (0 E.U.) está acima do LRV da faixa configurada. Nesse caso, a medição começa em um ponto positivo, deslocado da origem natural do processo.

Exemplo:
Faixa configurada:

  • 4 mA → 50 °C
  • 20 mA → 150 °C

Neste exemplo, o valor 0 °C do processo não está representado dentro da faixa. A faixa foi “elevada” para iniciar em 50 °C. Isso é comum em aplicações como:

  • Medição de temperatura de vapor saturado, onde valores abaixo de um limite não são relevantes;
  • Sistemas de aquecimento onde apenas temperaturas acima de um ponto são de interesse.

🔍 A “elevação de zero” é útil quando queremos monitorar apenas uma faixa superior da variável de processo.

Supressão de Zero (Zero Suppression)

Definição:
Ocorre quando o valor correspondente a zero no processo está abaixo do LRV da faixa configurada. Aqui, o transmissor é ajustado para cobrir uma faixa que começa em um valor negativo ou deslocado da origem.

Exemplo:
Faixa configurada:

  • 4 mA → –50 °C
  • 20 mA → 50 °C

Neste caso, a faixa de medição abrange uma região abaixo de zero. Isso é comum em aplicações como:

  • Câmaras frigoríficas industriais;
  • Processos criogênicos;
  • Tanques com referência de nível abaixo da linha zero (ex.: reservatórios subterrâneos).

🔍 A “supressão de zero” permite que o transmissor meça valores abaixo da origem natural da variável de processo.

Considerações Práticas

Ambos os ajustes — zero elevation e zero suppression — permitem adaptar o sinal 4–20 mA a faixas deslocadas do zero físico. Isso é especialmente útil quando:

  • A faixa de operação real do processo não é centrada no zero;
  • É necessário otimizar a resolução e precisão do sinal analógico em uma faixa específica.

Esses ajustes não alteram os limites físicos do sensor (LSL e USL), apenas definem como o transmissor representará a faixa de interesse dentro de seu sinal de saída.For a suppressed-zero range, the amount the measured variable zero is below the lower range-value.

Range setting is Aplicabilidade do Ajuste de Faixa (Range Setting)

O ajuste de faixa (range setting) refere-se à configuração dos limites inferior (LRV) e superior (URV) que correspondem aos extremos do sinal analógico padronizado de 4 a 20 mA. Essa configuração é aplicável exclusivamente a transmissores com saída analógica, como os transmissores 4-20 mA/HART.

🔹 Quando o Ajuste de Faixa É Necessário?

O ajuste de faixa é necessário somente em transmissores com saída analógica 4-20 mA, pois:

  • O sinal analógico depende diretamente dos valores atribuídos a 4 mA (LRV) e 20 mA (URV);
  • Essa relação é usada por controladores, CLPs e registradores para interpretar corretamente a variável do processo;
  • O ajuste pode ser feito localmente ou remotamente (via HART, por exemplo), mesmo sem a aplicação de um sinal físico ao sensor.

🔸 Quando o Ajuste de Faixa NÃO Se Aplica?

Não se aplica a transmissores totalmente digitais, como os baseados nos protocolos:

  • FOUNDATION Fieldbus (FF)
  • WirelessHART
  • PROFIBUS PA

Motivo:
Esses transmissores não utilizam sinal 4-20 mA como saída principal, e sim comunicação digital pura. Assim:

  • Não existe correspondência direta entre valores e correntes (4 mA ↔ LRV / 20 mA ↔ URV);
  • Os valores de medição são transmitidos digitalmente com alta resolução;
  • A configuração da faixa operacional é feita diretamente no controlador ou sistema hospedeiro, e não no transmissor.

👉 Essa diferença costuma causar dúvidas em profissionais acostumados apenas com sistemas analógicos, especialmente na fase de integração de instrumentos digitais.

⚠️ Exceção: Medição por Pressão Diferencial (DP)

Mesmo em sistemas digitais como FF, WirelessHART e PROFIBUS, transmissores utilizados em medição de vazão ou nível via pressão diferencial (DP) podem exigir configurações internas de escala para que os dados transmitidos façam sentido no contexto da aplicação.

Nestes casos, são utilizados dois parâmetros importantes:

  • XD_SCALE: Define a escala de entrada, normalmente a faixa de pressão diferencial (ex.: 0–250 inH₂O);
  • OUT_SCALE: Define a escala de saída convertida, como a vazão ou o nível correspondente (ex.: 0–400 bbl/dia).

Esses ajustes permitem, por exemplo:

  • Visualizar a variável medida diretamente em unidades de engenharia no display local;
  • Facilitar a interoperabilidade com sistemas que esperam uma unidade específica;
  • Otimizar cálculos internos, como linearização da vazão.

⚠️ Embora esses ajustes se assemelhem ao “range setting”, eles não afetam um sinal analógico, pois a saída permanece digital.

Fig.: Um sistema de sinal analógico requer alcance, ajustes de corrente e escala. Um sistema de barramento digital não.

Faixa Nominal em Transmissores Digitais (FOUNDATION Fieldbus e WirelessHART)

Embora transmissores FOUNDATION Fieldbus (FF) e WirelessHART não utilizem saída analógica 4–20 mA e, portanto, não exijam o ajuste de faixa convencional , a faixa nominal de operação ainda deve ser especificada no momento da aquisição. Essa informação é essencial por dois motivos principais:

  1. Dimensionamento adequado do sensor:
    A faixa nominal permite ao fornecedor selecionar o modelo de sensor com capacidade compatível com a aplicação (por exemplo, sensor de 0 a 10 bar, 0 a 100 bar, etc.).
  2. Unidade de engenharia no dispositivo:
    É necessário definir qual unidade será usada no dispositivo (ex.: °C, bar, m³/h), garantindo que a variável de processo (PV) seja interpretada corretamente no sistema.

Integração com o Sistema de Controle

Mesmo sem a configuração de faixa tradicional no transmissor digital, o sistema de controle distribuído (DCS) frequentemente requer que uma faixa de escala seja definida em seu banco de dados, com os seguintes propósitos:

  • Exibição gráfica:
    Para representar a variável nos gráficos de tendência, barras de medição (bargraphs) e faceplates operacionais, o DCS precisa conhecer os valores de limite inferior e superior.
  • Controle PID:
    Em malhas de controle, o algoritmo PID do controlador precisa de uma faixa definida para calcular o erro, ajustar os ganhos e aplicar a ação de controle corretamente.

📌 Exemplo: Em aplicações de nível, o valor da variável costuma ser representado em porcentagem do tanque cheio, mesmo que internamente seja medido como pressão diferencial.

Funcionamento Interno dos Transmissores Digitais

A arquitetura dos transmissores FF e WirelessHART possui blocos funcionais padronizados:

  • Bloco Transdutor (Transducer Block): Converte os dados físicos do sensor em um valor digital com unidade de engenharia;
  • Bloco de Entrada Analógica (Analog Input – AI Block): Fornece a variável de processo (PV) para o sistema.

Por padrão:

  • A saída do transmissor já está em unidades de engenharia;
  • Não é necessário configurar faixa nos blocos apenas para obter a leitura da PV.

Uso Opcional da Faixa no Bloco AI

Embora a configuração de faixa no bloco AI não afete o valor da PV, ela pode ser utilizada para fins visuais ou operacionais:

  • Dimensionamento de gráficos de barras (bargraphs):
    Definir uma faixa mais estreita melhora a resolução visual no faceplate, facilitando a leitura de pequenas variações.
  • Visualização em porcentagem da faixa:
    Quando a faixa é definida, o parâmetro FIELD_VAL pode apresentar a PV como uma porcentagem relativa da faixa configurada, útil em aplicações como tanques ou colunas de processo.

Resumo

ElementoTransmissor FF/WirelessHART
Sinal de saídaDigital (sem corrente 4–20 mA)
Ajuste de faixa obrigatório?Não (não afeta a PV)
Faixa nominal na aquisiçãoSim (define o sensor adequado)
Unidade de engenhariaDefinida no dispositivo
Faixa no DCSNecessária para gráficos e controle PID
Faixa no bloco AI (opcional)Melhora gráficos de barra / exibe % de faixa

Fig :  Digital transmitters internally operate in engineering units

Entrada Direta de Valores Numéricos

A entrada direta de valores numéricos refere-se à inserção manual dos valores desejados para os limites inferior e superior da faixa de medição através de software do dispositivo ou comunicador de campo portátil, que são então enviados ao transmissor. Por exemplo, inserir os valores de 20 a 100 kPa.

Ajuste por Sinal Aplicado

O ajuste de faixa por sinal aplicado requer a aplicação de um sinal físico correspondente aos valores desejados no transmissor. Este método é frequentemente utilizado em aplicações de medição de nível.

Como o posicionamento (datum) do transmissor de nível influencia a faixa de medição, o ajuste deve ser realizado no local, não podendo ser feito em laboratório. Basicamente, trata-se de um cancelamento de zero, semelhante ao procedimento para perna úmida em transmissores de pressão diferencial (DP).

Por exemplo:

  1. Primeiro, o tanque é esvaziado até seu nível mínimo e o comando “definir LRV do PV” é enviado ao transmissor para configurar o valor inferior da faixa de acordo com o sinal presente.
  2. Para um transmissor de nível por DP, se a pressão for de 20 kPa com o tanque vazio (com a tomada de pressão ligeiramente abaixo do datum), este valor se torna o novo LRV, garantindo que a leitura seja 0% e a corrente de saída analógica seja 4 mA quando o tanque estiver vazio.

Da mesma forma, o tanque é então preenchido até seu nível máximo e o comando “definir URV do PV” é enviado para configurar o valor superior da faixa. Se a pressão for de 100 kPa com o tanque cheio, este valor se torna o novo URV, garantindo que a leitura seja 100% e a corrente de saída seja 20 mA quando o tanque estiver cheio. As leituras intermediárias seguem uma relação linear.

Observação: O técnico não precisa conhecer o valor físico do sinal de entrada, apenas as condições de tanque vazio e cheio.

O comando “definir LRV do PV” também é comumente usado para cancelar o efeito de perna úmida em transmissores DP em diversas aplicações, incluindo medição de vazão. Os comandos “definir LRV do PV” e “definir URV do PV” são equivalentes aos botões ‘zero’ e ‘span’ encontrados em alguns transmissores.

Definições ANSI/ISA-51.1

Faixa: A região entre os limites dentro da qual uma grandeza é medida, recebida ou transmitida, expressa pelos valores inferior e superior da faixa.
Exemplos: a) 0 a 150°F b) -20 a +200°F c) 20 a 150°C

Valor Inferior de Faixa (LRV): O menor valor da variável medida que um dispositivo está ajustado para medir.

Valor Superior de Faixa (URV): O maior valor da variável medida que um dispositivo está ajustado para medir.

Limite Inferior do Sensor (LSL): O menor valor da variável medida que um dispositivo pode ser ajustado para medir.

Limite Superior do Sensor (USL): O maior valor da variável medida que um dispositivo pode ser ajustado para medir.

Span (Alcance): A diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa.
Exemplos: Faixa 0 a 150°F, Span 150°F; Faixa -20 a 200°F, Span 220°F; Faixa 20 a 150°C, Span 130°C

Nota: O FOUNDATION fieldbus utiliza o termo “escala” em vez de “faixa”.

Ajuste de Faixa por Sinal Aplicado

O ajuste de faixa por sinal aplicado exige que um sinal físico correspondente ao valor desejado seja injetado no transmissor. Esse método é frequentemente utilizado em medições de nível.

Como o posicionamento do transmissor (datum) influencia a faixa, o ajuste deve ser realizado no local, não sendo possível em laboratório. Trata-se essencialmente de um cancelamento de zero, como no caso de uma perna úmida (wet leg) em transmissores de pressão diferencial (DP).

Procedimento:

  1. Definição do LRV (Zero):
    • O tanque é esvaziado até seu nível mínimo.
    • O comando “Set PV LRV” é enviado ao transmissor, atribuindo o valor atual do sinal como novo LRV.
    • Exemplo (transmissor DP de nível): Se a pressão for 20 kPa com o tanque vazio (com a tomada de pressão ligeiramente abaixo do datum), esse valor se torna o LRV, garantindo que:
      • A leitura seja 0%
      • A saída analógica seja 4 mA quando o tanque estiver vazio.
  2. Definição do URV (Span):
    • O tanque é preenchido até seu nível máximo.
    • O comando “Set PV URV” é enviado, definindo o valor atual como URV.
    • Exemplo: Se a pressão for 100 kPa com o tanque cheio, esse valor se torna o URV, garantindo que:
      • A leitura seja 100%
      • A saída analógica seja 20 mA quando o tanque estiver cheio.
    • Linearidade: Os valores intermediários seguem uma relação linear.

Observação: O técnico não precisa conhecer o valor físico do sinal, apenas as condições de tanque vazio e cheio.

O comando “Set PV LRV” também é comum para cancelar o efeito de perna úmida (wet leg) em transmissores DP, inclusive em aplicações de vazão. Esses comandos equivalem aos botões “Zero” e “Span” presentes em alguns transmissores.

Definições ANSI/ISA–51.1

  • Faixa (Range):
    Região entre os limites dentro da qual uma grandeza é medida, recebida ou transmitida, expressa pelos valores inferior e superior.
    Exemplos:
    • 0 a 150°F
    • –20 a +200°F
    • 20 a 150°C
  • Valor Inferior de Faixa (LRV):
    O menor valor da variável medida que um dispositivo está ajustado para medir.
  • Valor Superior de Faixa (URV):
    O maior valor da variável medida que um dispositivo está ajustado para medir.
  • Limite Inferior do Sensor (LSL):
    O menor valor que um dispositivo pode ser ajustado para medir.
  • Limite Superior do Sensor (USL):
    O maior valor que um dispositivo pode ser ajustado para medir.
  • Span (Amplitude):
    Diferença algébrica entre o URV e o LRV.
    Exemplos:
    • Faixa: 0 a 150°F → Span: 150°F
    • Faixa: –20 a 200°F → Span: 220°F
    • Faixa: 20 a 150°C → Span: 130°C

Nota: O FOUNDATION Fieldbus utiliza o termo “Scale” no lugar de “Range”.

Tutorial de calibração do transmissor inteligente Parte 1 – Dicas de Instrumentação
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