Alunos: Patrick Sachetti Calegari
Douglas da Silva
Fabio Venancio
1.
INTRODUÇÃO
Na indústria o fenômeno de transportes está presente em
inúmeros processos produtivos, seja para uma simples medição de pressão, nível
ou para medições de vazões elevadas de gases ou vapores, normatizadas ou não.
Foi através do conhecimento em fenômeno de transportes que
foi possível desenvolver equipamentos de medição que permitem que possamos
conhecer em tempo real as informações das variáveis pertencentes à cada
processo produtivo. Atualmente na indústria, diversas tecnologias vêm sendo
aplicadas na medição de diversas variáveis. Graças ao constante aprimoramento
dos instrumentos é possível realizar o controle automático dos processos de
maneira muito mais eficiente.
Neste trabalho, vamos
apresentar como o fenômeno dos transportes é utilizado no setor industrial,
descrevendo como ocorre a calibração de transmissores de nível por pressão
diferencial.
2.
Fundamentação Teórica
Segundo Souza (2003), antigamente, para
aplicações industriais, não havia sistemas de controle automático. O controle
dos processos era baseado na intuição e experiência dos operadores. Como
exemplo, cita-se o caso de controle da combustão. O operador era o instrumento
de controle que julgava a necessidade da relação estequiométrica receber maior
quantidade de ar ou combustível, e fazia-o observando a estabilidade e
coloração da chama. Desta maneira o resultado era uma combustão de pouca
qualidade, que implicava em consumo excessivo de combustível, altas emissões de
gases e de material particulado.
O autor ressalta ainda que, atualmente a
tecnologia envolvida nos sistemas de controle e instrumentação aplicados aos
processos industriais, possibilita um aumento significativo na qualidade e
eficiência do controle de processos.
Na sequência faremos uma breve fundamentação
teórica sobre medição de pressão e nível, mais comumente empregadas nas
indústrias.
1.
2.1. Pressão
Sighieri (1973)
diz que a pressão é uma grandeza física definida matematicamente, pela equação
(2), como a razão entre a força e sua área de atuação. Formalmente, pressão é a
força normal (perpendicular à área) exercida por unidade de área. O símbolo
utilizado para expressar a pressão é a letra “P”.
Onde:
F: força [N]; e
A: área [m²].
Já Alves (2005) comenta que a medição de pressão é a mais
importante na instrumentação, pois as medidas de pressão diferencial, vazão e
nível são normalmente realizadas através da medição de pressão.
O autor diz ainda, que a pressão atmosférica também pode ser
denominada de pressão barométrica, e representa a pressão exercida pelo ar
sobre nós. No nível do mar, segundo o autor, corresponde a 760 mmHg, também
conhecida por atmosfera padrão, com a densidade do mercúrio (Hg) de 13,5951
g/cm² e numa aceleração da gravidade de 9,80665 m/s². O instrumento utilizado
para medir a pressão atmosférica é o barômetro.
Conforme França (2007, p.195):
A pressão
menor que a pressão atmosférica é chamada de vácuo. Em outras palavras, o vácuo
é usado para expressar uma pressão inferior à pressão atmosférica, ou seja, é o
quanto abaixo a pressão de um determinado espaço está em relação à pressão
atmosférica. A pressão relativa é medida tomando-se como referência à pressão
barométrica vigente. Representa o excesso ou ausência de pressão em relação à
pressão atmosférica, portanto pode ser positiva ou negativa. Os instrumentos
mais utilizados para medir a pressão relativa são os manômetros. A pressão
absoluta é a pressão positiva a partir do vácuo absoluto, ou seja, é a soma da
pressão atmosférica local e da pressão relativa.
A medição de pressão é fundamental em praticamente todos os
processos industriais, pois através disto, é possível saber se a pressão está
dentro dos limites admitidos, de modo a não comprometer o funcionamento e
segurança das instalações.
De acordo com Delmée (1982), existem diversas unidades para
representar esta grandeza. As unidades mais utilizadas, bem como seus fatores
de conversão, estão apresentadas na Tabela 2.1. A unidade de pressão utilizada
no Sistema métrico (MKS) é o kgf/cm², no Sistema inglês/americano a unidade
adotada é o lbf/pol2 ou psi, já no Sistema internacional (SI) a
unidade básica de pressão é o Pascal (Pa). O Pascal corresponde à pressão
exercida por uma força de um Newton (N) atuando sobre uma área de um metro
quadrado (m2).
Tabela 2.1 – Tabela de Conversão
de Unidades de Pressão
Unid
|
Bar
|
KPa
|
Kgf/cm²
|
mH2O
|
mmHg
|
psi
|
InH2O
|
inHg
|
1 bar
|
1
|
100
|
1,0197
|
10,197
|
750,062
|
14,504
|
401,463
|
29,53
|
1 KPa
|
0,01
|
1
|
0,0102
|
0,1020
|
7,500
|
0,14504
|
4,01463
|
0,0295
|
1 kgf/cm²
|
0,9806
|
98,066
|
1
|
10
|
735,56
|
14,223
|
393,70
|
28,959
|
1mH2O
|
0,09806
|
9,8066
|
0,10
|
1
|
73,556
|
1,42233
|
39,370
|
2,8959
|
1 mmHg
|
0,001
|
0,133
|
0,0014
|
0,0136
|
1
|
0,019
|
0,54
|
0,03937
|
1 psi
|
0,0689
|
6,89
|
0,070
|
0,704
|
51,715
|
1
|
27,68
|
2,04
|
1 inH2O
|
0,0025
|
0,249
|
0,00254
|
0,0254
|
1,868
|
0,0361
|
1
|
0,0735
|
1 inHg
|
0,0338
|
3,386
|
0,0345
|
0,3459
|
25,4
|
0,491
|
13,595
|
1
|
Fonte: DELMÉE, 1982
2.2.
Nível
De acordo com Alves
(2005) a medição de nível em unidades industriais tem dois objetivos:
-
Avaliação
de estoques em tanques de armazenamento e
-
Controle
de processos contínuos.
No primeiro caso, existem sistemas completos
de medição produzidos para serem instalados em grandes tanques de
armazenamento.
Para o controle de processos contínuos,
existem diversos tipos de sensores e medidores de nível. Os mais usados na
indústria são os visores de nível, transmissores de empuxo (com bóias e tubo de
torque) e os transmissores de pressão diferencial. A seguir serão descritos os
mais comuns na indústria.
2.2.1.
Visores de Nível
A utilização de visores trata-se do meio mais elementar de
medição de nível. Sighieri (1973)
descreve que os visores funcionam através do princípio dos vasos comunicantes,
de forma que garantem a confiabilidade da medição. São empregados em tanques de
armazenamento como indicadores locais. São instalados entre dois pontos de um
tanque, onde se deseja monitorar o nível, normalmente através de uma estrutura
de aço, possuindo no campo de leitura um vidro transparente que permite a visão
do produto no interior do tanque.
O autor ainda explica que a instalação destes visores é
feita utilizando válvulas de isolação e dreno para permitirem a manutenção. No
mercado está disponível em diversas dimensões, de acordo com a faixa de medição
necessária, sendo possível também fazer a instalação destes visores em série,
aumentando a faixa de medição. Deve-se tomar o cuidado de especificar a classe
de pressão dos visores compatível com a do tanque.
2.2.2.
Transmissores de empuxo
Sighieri (1973) relata que os
transmissores de empuxo ou deslocador, também utilizam o princípio dos vasos
comunicantes, possuem um reservatório entre os pontos de conexão ao processo.
Neste reservatório está instalado o flutuador que transmite mecanicamente,
através do tubo de torque, as variações de nível ao instrumento que a converte
em um sinal padronizado elétrico (4 a 20 mA) ou pneumático (3 a 15 psi).
Este tipo de transmissor, geralmente, é mais utilizado em
vasos de pressão para monitorar e/ou controlar o nível da interface entre
condensado e vapor. No caso de se utilizar para controle, o centro do
deslocador deve estar associado ao nível de operação normal da interface.
2.2.3.
Transmissores de pressão diferencial
Alves (2005) mostra que a medição de nível pode ser feita
simplesmente medindo-se a diferença de pressão entre as partes superior e
inferior do tanque onde se encontra o líquido. A altura da coluna manométrica
do líquido é igual a pressão medida. Consequentemente, o volume e o nível no
interior do tanque são proporcionais à pressão diferencial medida.
Diz
ainda que estes transmissores são aplicados para controle de processos
contínuos na medição de nível de tanques pressurizados. No caso de tanques à pressão
atmosférica, a tomada da baixa pressão fica aberta a atmosfera.
2.3. Conceitos
Básicos de controle de processos
De acordo com Ogata (1970), o objetivo de um sistema de
controle automático é fazer com que, uma dada grandeza, permaneça estável a um
valor pré-determinado.
De acordo com Mazzuco (2009), um controlador atua nos
processos medindo a variável controlada e, comparando-a com um valor de
referência, processando esta diferença no circuito de controle, acionando o
atuador do elemento final de controle com o objetivo de eliminar ou diminuir as
variações, que são indesejáveis no processo.
2.3.1. Componentes
e variáveis de um sistema de controle
Nesta seção serão descritos os principais dispositivos e
variáveis que compõem um sistema de controle.
2.
2.3.1.1.
Elemento primário de medição
Segundo Souza (2003), o elemento primário de medição é
normalmente um sensor capaz de captar o valor de uma grandeza física e
transformá-la em um sinal que possa ser lido pelo controlador.
Na
Figura 2.1 estão representados alguns dos elementos primários de medição mais
comuns nas indústrias. Da esquerda para direita vê-se um termômetro de
resistência, também conhecido como termoresistência, depois estão ilustrados
alguns tipos de placas de orifício utilizadas na medição de vazão, e por fim
tem-se o tubo de bourdon, utilizado para medição de pressão relativa.
Fonte: ecil, 2012.
Fonte: Flowmaster, 2012
2.1.
Fonte: autor, 2012
Figura 2.1 – Elementos primários de medição
2.2.
1.1.
2.3.1.2.
Transmissor
De acordo com Souza (2003), o transmissor é um dispositivo
capaz de emitir um sinal padrão (elétrico, pneumático), proporcional ao valor
da grandeza física medida pelo elemento primário de medição.
Da esquerda para a direita, na Figura 2.2, vê-se um
transmissor de pressão diferencial utilizado na medição de pressão, vazão e
nível. Na sequência vê-se um transmissor de temperatura.
Figura 2.2 – Transmissores
Fonte: SMAR, 2012
2.3.1.3.
Controlador
Souza (2003) diz que o controlador é o equipamento que
executa as ações de controle propriamente ditas, ou seja, o controlador produz
um sinal de comando no sentido de eliminar o erro de controle. Na Figura 2.3 vê-se alguns modelos de controladores
universais de processo.
Figura 2.3 – Controladores universais de processo
Fonte: Presys, 2012.
2.3.1.4.
Atuador
Conforme Souza (2003), o atuador é o componente responsável
pelo acionamento do elemento final de controle (como uma válvula, comporta,
pistão, etc.).
Alguns modelos de atuadores estão representados na Figura 2.4,
normalmente possuem botões para comando local e indicação de status.
Figura 2.4 – Atuadores
Fonte: COESTER, 2012
2.3.1.5.
Elemento final de controle
O elemento final de controle, segundo Souza (2003), é o
dispositivo, diretamente conectado ao processo, com potência suficiente para
agir sobre a variável manipulada afim de regular a variável controlada,
geralmente são válvulas, motoredutores, etc.
A Figura 2.5 ilustra o elemento final de controle mais
utilizado nos processos industriais, trata-se de uma válvula globo, tipo gaiola
e com sede simples.
Figura 2.5 – Elemento final de controle
Fonte: Spirax Sarco, 2011.
2.3.1.6.
Variável controlada
Souza (2003) diz que a variável controlada é a grandeza a
ser controlada (temperatura, pressão, vazão, nível, etc.).
2.3.1.7.
Referência (”setpoint”)
Souza (2003) descreve que a referência é o valor desejado da
variável controlada, ou seja, é o ponto desejado de controle. Este sinal pode
ser estabelecido pelo operador em modo manual ou pode ser obtido através de
cálculo de um “setpoint” externo.
2.3.1.8.
Erro de controle
Segundo Souza (2003), o erro de controle é a diferença entre
o “setpoint” e o sinal correspondente ao valor real da variável controlada.
2.4. Exemplo de
um Sistema de controle de processo
Para auxiliar a compreensão do texto, nesta seção será
apresentado um exemplo de controle de processo típico, para melhor ilustrar o
tema.
2.4.1. Controle
de um aquecedor de água
Para uma melhor
compreensão de um sistema de controle, é ilustrado na Figura 2.7 um trocador de
calor como exemplo a um processo industrial típico. O mesmo trocador de calor,
na Figura 2.8, está representado no formato de diagrama de blocos.
No caso do trocador
de calor, o processo consiste na operação de controlar o fornecimento de
energia térmica ao fluído a ser aquecido. O processo e suas variáveis são
apresentados abaixo.
-
Processo: troca de calor entre o vapor e a água
fria através das paredes dos tubos do aquecedor;
-
Variável Controlada: temperatura da água quente;
-
Variável Manipulada: vazão de vapor;
-
Meio controlado: água quente;
-
Elemento Final de Controle: válvula pneumática
de controle;
-
Perturbações: temperatura e pressão do vapor,
temperatura e vazão da água fria, vazão da água quente, condições do aquecedor
etc.
Figura 2.7 – Fluxograma trocador de calor a vapor.
Fonte:
Antônio César Pasquoto Melo, 1980.
Figura 2.8 – Diagrama de blocos trocador de calor a
vapor.
Fonte: Antônio César Pasquoto Melo,
1980.
3.
EXEMPLO APLICAÇÃO DO FENÔMENO DE TRANSPORTES NA
INDÚSTRIA
Nesta seção abordaremos de maneira bastante clara e direta
como os fenômenos dos transportes permite a automação e a supervisão das
variáveis de cada processo.
Portanto,
logo abaixo, exemplificaremos o processo de calibração de um transmissor de
pressão diferencial. Este transmissor é utilizado na medição de nível de um
tanque de água desmineralizada (ver figura 3.1) utilizada no processo de
geração de energia elétrica de uma usina termelétrica.
Figura 3.1
Tanque Água Desmineralizada
|
Fonte:
Documento do acervo técnico da Tractebel Energia
|
3.1. Verificação
de calibração transmissor de nível
No caso da medição de nível do tanque de água
desmineralizada, por se tratar de um tanque submetido somente à pressão
atmosférica, está medição poderia ser realizada por um transmissor de pressão
manométrica. Diferentemente dos tanques que trabalham pressurizados, onde a
medição de nível deve ser feita por transmissores de pressão diferencial,
ultrassônicos ou radares. Entretanto, neste caso optou-se em utilizar um
transmissor de pressão diferencial, ou seja, a tomada positiva conectada na
linha de impulso na base do tanque e a tomada negativa à atmosfera. Assim, a
medição não sofre variações em função de variações na pressão atmosférica.
Desta maneira, necessitamos apenas conhecer a altura do
tanque e o fluído, pois com estas informações já podemos definir o valor de
calibração deste transmissor. Pois sabemos que a densidade da água a
temperatura ambiente é aproximadamente 1000 (kg/m³) e cada 1000 mm de altura do
tanque equivale a 1000 mm de coluna d’água. O valor de calibração para o tanque
da figura 3.1 pode ser obtido, diretamente, multiplicando-se a densidade
relativa da água desmineralizada pela altura a ser medida, conforme pode ser
visto na nas expressões abaixo. Um esquema para auxiliar na interpretação do
método utilizado para obtermos o DP,
está apresentado na figura 3.2.
Chamando de P1 a pressão na tomada positiva do transmissor e
P2 a pressão atmosférica temos o seguinte:
DP =
P1 – P2
P1 = {[r(H2O) . g . h] + [r(ar) . g . h]}
P2 = [r(ar) . g . h]
Logo:
DP =
{[r(H2O) . g . h] + r(ar) . g . h} – r(ar) . g . h
Assim, façamos as simplificações possíveis
Cortam-se em todas as expressões a gravidade.
DP = [r(água)
. h + r(ar)
. h – r(ar).
h
Como “r(ar).
h” representa a pressão atmosférica e a temos aplicada em ambas as tomadas de
impulso do transmissor, log uma anula a outra, podendo também serem eliminadas.
Assim, a pressão diferencial correspondente ao nível do
tanque pode ser simplesmente o produto da densidade relativa da água e altura a
ser medida.
DP= r(H2O) . h
Onde:
r:
corresponde a densidade do fluído;
h:
corresponde a altura a ser medida.
Figura 3.2 Medição de nível em tanques
abertos
|
Fonte: Fonte: imagens da
internet/2013
|
3.1.1.
Procedimento de verificação de calibração
Para verificarmos a
calibração de um transmissor de pressão diferencial, precisamos de algumas
ferramentas específicas para este fim, as mesmas estão exibidas na figura 3.3.
O procedimento consiste em desconectarmos fisicamente o
transmissor da tomada de impulso com o auxílio de algumas ferramentas manuais,
expostas na figura 3.3 A. Após isto é necessário conectarmos, através de uma mangueira,
o calibrador de pressão, que pode ser visto na figura 3.3 B. Na sequência
deve-se conectar um miliamperímetro no circuito elétrico do transmissor para
obtermos o sinal de saída analógico, proporcional a pressão aplicada ao
transmissor em prova. Neste caso, utilizamos um alicate miliamperímetro, que
basta envolver o condutor de saída do transmissor, não havendo necessidade de
desconectar fios no transmissor, o mesmo está exibido na figura 3.3 C.
A
B
C
1.2.
Figura 3.3
Ferramentas para calibração de transmissores de pressão
|
Fonte:
imagens da internet/2013
|
Após conferirmos a vedação das conexões entre a saída do
calibrador de pressão e entrada da tomada positiva do transmissor em prova,
iniciamos o procedimento aplicando pressão nos valores correspondentes a 0 %
(zero), 25% (vinte e cinco), 50% (cinquenta), 75% (setenta e cinco) e 100%
(cem) e efetuando as leitura de corrente elétrica na saída do transmissor. A
planilha com as leituras é apresentada na Tabela 3.1.
De acordo com os valores obtidos, o técnico pode verificar o
erro apresentado pelo transmissor. Cabendo avaliar a necessidade de fazer
ajustes ou não, de acordo com a exatidão requerido para o instrumento.
Tabela 3.1 Tabela calibração
Transmissor Tanque Água Desmineralizada
Percentual do
sinal (%)
|
Pressão
aplicada (mmH2O)
|
Saída teórica
(mA)
|
Leitura 01 (mA)
|
Leitura 02 (mA)
|
Leitura 03 (mA)
|
0
|
0
|
4
|
3,98
|
3,99
|
3,99
|
25
|
1500
|
8
|
7,99
|
7,99
|
7,99
|
50
|
3000
|
12
|
11,99
|
12,00
|
12,00
|
75
|
4500
|
16
|
16,00
|
16,00
|
16,00
|
100
|
6000
|
20
|
20,00
|
20,00
|
20,01
|
Os dados obtidos neste processo de verificação de
calibração, foram considerados satisfatórios, não havendo a necessidade de
ajustes do instrumento. Desta maneira, basta conectar fisicamente o transmissor
ao processo e o mesmo está apto a efetuar a medição de nível do tanque com a
confiabilidade e exatidão requerida pelo processo.
1.
2.
2.1.
