01 2 - Revisão de noções de instrumentação

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Revisão de noções de 
instrumentação. 
Cargo:
Téc. de operação
Prof. Cléber de Lima
Técnico de Manutenção Pleno – Instrumentação na Petrobras
Formação em Eng° de eletrônica e especialista em Automação e Eletrônica Industrial
Youtuber , nome do meu canal “Elétrica em Realidade Aumentada por Eng° Cléber ⚡”
O que é Instrumentação Industrial?
A Instrumentação Industrial é a ciência que estuda, desenvolve e aplica instrumentos de transmissão, registro, controle e
ajuste de variáveis a fim de aprimorar o desempenho dos mais variados processos. De acordo com a Organização Norte
Americana de Instrumentação (ISA – Instrument Society of Automation) entende-se por instrumento industrial todo
dispositivo usado para, de forma direta ou indireta, medir e/ou controlar variáveis de processo.
Noções de Instrumentação
Fonte: https://www.altus.com.br/post/385/entenda-o-que-e-e-para-que-serve-a-instrumentacao-industrial 
Benefícios da Instrumentação Industrial
Surgida na década de 40, a instrumentação industrial nasceu da necessidade de otimizar o uso de instrumentos pneumáticos
de transmissão e controle. A ideia era automatizar a monitoração e o fluxo do processamento de forma que o operador não
precisasse abrir e fechar válvulas manualmente. Ao longo dos últimos 80 anos, essas tecnologias têm sido aprimoradas para
garantir mais economia, eficiência e segurança aos processos produtivos.
Ao monitorar em tempo real o estado dos equipamentos que fazem parte dos processos de produção de uma indústria, a
instrumentação pode realizar testes e procedimentos de manutenção preventiva e/ou corretiva desses dispositivos. Estas
rotinas de monitoração constante provêm maior segurança para os funcionários, por alertar sobre o mal funcionamento de
equipamentos, gera economia – reduzindo gastos com reposição de peças e substituições desnecessárias – e,
consequentemente, permite uma produção mais precisa e de alta qualidade.
Noções de Instrumentação
Instrumentos e suas funções
Noções de Instrumentação
Terminologia Norma ISA 5.1
• Range (Faixa de medida): Conjunto de valores da variável analisada, compreendido dentro do limite inferior e superior da 
capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. 
• Alcance (span): É a diferença algébrica entre o valor superior e o inferior da faixa de medida do instrumento.
• Erro: É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. 
• Repetibilidade: é a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo 
sentido de variação.
• Zona Morta: É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de 
um instrumento.
• Sensibilidade: é a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a da variável que o 
acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Denota a capacidade de resolução do dispositivo.
• Exatidão: Descreve a proximidade das medidas do valor “verdadeiro” ou aceito.
• Precisão: Descreve as proximidades das medidas. A proximidade dos resultados que foram obtidos experimentalmente da 
mesma forma.
Simbologia da norma ISA 5.1 
Noções de Instrumentação
Cada instrumento será identificado por um conjunto de letras (identificação funcional) e números (identificação da malha de controle)
Conjunto de letras 
1. 1ª letra: identifica a variável medida pelo instrumento (variável de controle, distúrbio) 
2. Letras subsequentes: funções do instrumento 
Número da malha: 
todos os instrumentos da malha devem apresentar o mesmo número 
Noções de Instrumentação
Noções de Instrumentação
Noções de Instrumentação
Noções de Instrumentação
Noções de Instrumentação
Noções de Instrumentação
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Há basicamente dois tipos de sensores de pressão:
• Mecânico, que sente a pressão e gera na saída uma variável mecânica, como movimento ou força. Eles são mais simples e o medidor pode funcionar sem
alimentação externa, utilizando a própria energia do processo para sua operação. Exemplos de sensores mecânicos: bourdon C, fole, diafragma, helicoidal.
• Elétrico, que sente a pressão e gera na saída uma variável elétrica, como tensão ou variação da resistência elétrica. Eles são mais fáceis de serem condicionados
e associados a sistemas de transmissão eletrônica e de telemetria. Exemplos de sensores elétricos: strain gauge e cristal piezelétrico.
Bourdon C
O tubo Bourdon que é curvo e flexível, ligado a um acoplamento de ponteiro num extremo e aberto no outro. O líquido penetra no extremo aberto, fazendo com que
o tubo se retifique, diminuindo a curvatura ligeiramente. Vê-se um efeito semelhante quando deixa a água correr para dentro de uma mangueira de jardim enrolada
no chão. O movimento do tubo desloca o ponteiro de um indicador que registra então a pressão.
Fole
O fole funciona como um tubo Bourdon C pelo fato de utilizar a pressão do líquido para deslocar o ponteiro no mostrador. Ao invés de ter um tubo, no entanto, o 
sistema de foles consiste de uma câmara metálica ou fole com lados corrugados. Pelo fato de que as corrugações impedem o fole de se dilatar para o lado, o fole é 
sempre mais acurado do que o tubo Bourdon.
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Strain gauge
Strain gauge é um sensor de pressão de natureza elétrica, pois sente a pressão na entrada e produz na saída uma variação da resistência elétrica, em função da
compressão ou tração aplicada. A resistência variável do strain gauge é detectada no instrumento receptor por um circuito elétrico chamado de ponte de
Wheatstone. Quando a ponte de Wheatstone estiver balanceada, pode-se determinar a quarta resistência através de outras três conhecidas.
O strain gauge é o sensor padrão de balanças eletrônicas, balanças rodoviárias e para a medição de nível por peso.
Cristal piezelétrico
O cristal piezelétrico é o outro sensor elétrico de pressão. Ele sente a pressão e gera na saída uma pequena tensão elétrica contínua. Ele é mais caro que o strain
gauge, porém é mais preciso, robusto e estável. Atualmente, a medição precisa de pressão em transmissores do estado da arte é feita por cristal piezelétrico.
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Sensores Capacitivos
Estes são os sensores mais confiáveis e que já foram usados em milhões de aplicações. São baseados em transdutores onde a pressão aplicada a diafragmas sensores
faz com que se tenha uma variação da capacitância entre os mesmos e um diafragma central.
Esta variação de capacitância tipicamente é usada para variar a frequência de um oscilador ou usada como elemento em uma ponte de capacitores. Esta frequência
pode ser medida diretamente pela CPU e convertida em Pressão.
Os sensores capacitivos possuem respostas lineares e praticamente insensíveis a variações de temperatura, sendo os mais indicados em instrumentação e controle
de processos, já que possuem excelentes performance em estabilidade, em temperatura e pressão estática.
Termômetro bimetal
O sensor bimetal é um conjunto de dois metais colados e com coeficientes de dilatação muito diferentes entre si. Quando há uma variação da
temperatura, o formato do sensor bimetal se curva para o lado do metal com menor coeficiente termal. Ele pode ser associado a um indicador
local (termômetro) ou a uma chave de temperatura (termostato).
O sensor bimetálico quando vinculado a uma chave é utilizados para desencadear um alarme ou desarme de baixa ou alta temperatura. Por
exemplo, no abrigo das bombas, caso a temperatura ambiente se eleve acima de determinado limite, ligam-se as ventoinhas.
Sensores Pt-100 - ou Termoresistências
São sensores de temperatura que contêm um resistor que altera o valor da resistência conforme sua temperatura se altera.
O “PT” significa “platina” e o 100 Ω é a resistência a 0 ° C , sendo assim, O PT100 Platinum RTD é o RTD mais popular do mercado atualmente.
Termopares
O termo par utilizadois metais diferentes, escolhidos pelo fato de que as mudanças de temperatura mudam o nível de atividades dos elétrons,
não as taxas de expansão e contração dos metais. Elevando-se a temperatura, aumentam as atividades dos elétrons. Os elétrons fluem do metal
com maior atividade para um metal de melhor atividade, gerando uma pequena tensão elétrica.
À medida que a temperatura se eleva, a corrente aumenta, as leituras de tensão são produzidas em temperaturas.
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Medição da temperatura
Há basicamente dois tipos de sensores de temperatura:
1. Mecânico, que sente a temperatura e gera na saída uma variável mecânica, como movimento ou força. Eles são mais simples e o medidor pode funcionar sem
alimentação externa, utilizando a própria energia do processo para sua operação. Exemplos de sensores mecânicos: bimetal e elemento de enchimento termal.
2. Elétrico, que sente a temperatura e gera na saída uma variável elétrica, como tensão ou variação da resistência elétrica. Eles são mais fáceis de serem
condicionados e associados a sistemas de transmissão eletrônica e de telemetria. Exemplos de sensores elétricos: termopar e detector de temperatura a
resistência(RTD).
Método de seleção de sensores de nível
• Métodos de contato envolvem contato físico entre o dispositivo e os meios de comunicação,
• Métodos Sem contato medem o nível sem contato com o meio. Métodos sem contato são a melhor escolha para manutenção de meios corrosivos.
Meios
Refere-se ao tipo de material que o sensor precisa medir. Sensores de nível pode ser responsável por medir uma grande variedade de meios em sistemas de nível de
fluidos em muitas indústrias. Os dois tipos gerais de meios incluem materiais líquidos e sólidos.
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Conceito de Nível
O nível pode ser considerado a altura da coluna de líquido ou de sólido no interior de um tanque ou vaso. O nível não se aplica a gases em tanque de teto fixo, pois o
gás sempre ocupa todo o espaço. Porém, em quando se armazena líquidos voláteis (p. ex., gasolina), é comum o uso de tanque com teto flutuante. O teto flutua
exatamente para minimizar o nível de gás contido.
Em aplicações industriais, pode se ter ainda um único vaso armazenando dois líquidos não miscíveis e se quer medir a interface desses dois líquidos.
Unidades de Nível
A unidade de nível deve ser a unidade de comprimento do Sistema Internacional de Unidades (SI), que é o metro (m), pois o nível é a altura de uma coluna de líquido.
Porém, é prática comum se referir ao nível como percentagem (%): o nível tem um nível que varia entre 0 e 100%, podendo assumir todos os valores intermediários.
Também se usa a massa ou o volume ocupado pelo produto no tanque para se referir ao seu nível. Nestes casos, o nível seria expresso em kilograma (kg) ou metro
cúbico (m3), respectivamente.
Régua ou Gabarito
Consiste em uma régua graduada que tem o comprimento conveniente, para ser introduzido dentro do reservatório onde vai ser medido o nível.
A determinação do nível se efetua através da leitura direta do comprimento marcado na régua, pelo Prumo 10 comprimento marcado na régua,
pelo líquido.
Visores de Vidro Plano
Atualmente, os visores planos representam cerca de 90% das aplicações de visores de nível em plantas industriais.
São compostos de um ou vários módulos onde se fixam barras planas de vidro. Estes módulos são conhecidos como seções dos visores.
Medidor de Nível com flutuador
A maioria dos detectores de tipo flutuante utiliza o princípio da perda de peso, de um de um corpo flutuante para indicar o nível do
fluido. O flutuador é selecionado de tal modo que é mais leve do que o fluido. À medida que o nível do fluido aumenta o flutuador
sobe. Isto é detectado pela montagem electrónica para indicar o nível.
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Métodos de contato 
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Métodos sem contato 
Medidor de nível por Pressão Hidrostática
Uma coluna vertical de fluido exerce uma pressão devido ao peso da coluna. A relação entre a altura da coluna, e a pressão do fluido na
parte inferior da coluna é constante para qualquer fluido específico (densidade), independentemente da largura ou forma do reservatório.
(densidade), independentemente da largura ou forma do reservatório
Medição de Nível por Ultrassom
O tempo de trânsito tomada para receber o impulso refletido é medido pelo dispositivo eletrônico.
Medição de Nível por Radiação
Utiliza uma fonte que contém algum tipo de material radioativo como césio ou de cobalto localizado sobre um lado do recipiente
enquanto do outro lado contém o detector eletrônico.
A radiação gama tem transmissibilidade muito menor através do material que o ar, assim atenuação indica a sua presença entre a fonte e
o detector.
O conjunto é constituído por uma fonte radioativa que emite radiação e um detector que detecta a radiação atenuada e converte-o em
uma percentagem de nível real.
Unidades
VAZÃO MÁSSICA: massa de fluído por unidade de tempo (kg/s)*
VAZÃO VOLUMÉTRICA: volume de fluído por unidade de tempo (m³/s)*
Outras Unidades de Vazão
GPM Gãloes por minuto
LPM Litros por minuto
*unidades SI
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
A medição da vazão é essencial a todas as fases da manipulação dos fluidos, incluindo a produção, o processamento, a distribuição dos produtos e das utilidades. Ela
está associada com o balanço do processo e está diretamente ligada aos aspectos de compra e venda dos produtos.
A medição confiável e precisa requer uma correta engenharia que envolve a seleção do instrumento de medição, a sua instalação, a sua operação, a sua manutenção
e a interpretação dos resultados obtidos. O conjunto formado pelo medidor e os trechos da tubulação antes e depois do medidor deve ser considerado globalmente e
não apenas o medidor isolado. Este conjunto pode incluir retificadores de vazão, reguladores do perfil da velocidade, filtros e tomadas de medições.
Conceito de Vazão
Quando se toma um ponto de referência, a vazão é a quantidade do produto ou da utilidade, expressa em massa ou em volume, que passa por ele, na unidade de
tempo. A unidade de vazão é a unidade de volume por unidade de tempo ou a unidade de massa por unidade de tempo.
A vazão volumétrica é igual ao produto da velocidade do fluido pela área da seção transversal da tubulação.
A vazão mássica é igual ao produto da vazão volumétrica pela densidade do fluido .
Na prática, como é difícil a medição direta da densidade do fluido e a composição dos gases é constante, usam se as medições da temperatura e da pressão para
inferir a densidade.
A partir da vazão volumétrica ou mássica pode se obter a sua totalização, através da integral da vazão instantânea. Outra dificuldade apresentada na medição da
vazão está relacionada com a grande variedade de fluidos manipulados e com o elevado número de configurações diferentes. Por isso, é frequente na medição da
vazão o uso de extrapolações e de similaridades geométricas, dinâmicas e cinemáticas entre os diferentes modelos.
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Placas de Orifício
a) Orifício concêntrico: Orifício concêntrico: Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão.
b) 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.
c) 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.
BOCAL
• O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluído é
abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma à guiar a veia fluída
até atingir a seção mais estrangulada do elemento demedição, seguindo uma curva
elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA).
• Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado para
tubulações > 50mm.
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Deprimogênios
Se denomina assim ao elemento primário cuja instalação produz diferença de pressões (perda de carga), que se vincula com a vazão que circula, em uma relação 
determinável. Os elementos deprimogênios mais usados são:
• Placa de Orifício;
• Tubo Venturi;
• Tubo Pìtot / Annubar.
Tubo Venturi
• Se utiliza-se quando é importante limitar a queda de pressão;
• Consiste num estrangulamento gradual cônico e uma descarga com saída também suave;
• Se usa para fluidos sujos e ligeiramente contaminados;
• Se utiliza para taxas de "turn down" (relação entre o máximo e o mínimo vazão, ex. 4:1 ) altas,
como a das linhas de vapor.
Tubo Pitot:
• Possibilita o funcionamento de um dos mais importantes instrumentos de uma aeronave, o
velocímetro;
• Os tubos de pitot são componentes muito simples, sem peças móveis, mas mesmo assim
podem sofrer problemas, quase todos relacionados com a sua obstrução. (por água precisa
instalação de drenos adequados, pelo gelo, que pode se formar rapidamente, especialmente
em formações de nuvens cumuliformes. A equação abaixo explica matematicamente o
funcionamento do tubo de pitot:
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
• Combina uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas;
• Usualmente é instalado entre duas flanges, numa tubulação para acelerar o fluído e
temporariamente baixar sua pressão estática;
• A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente;
• Uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido
medido carrega sólidos em suspensão;
• O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e
diâmetro igual à sua garganta.
Medição de grandezas 1: pressão, temperatura, nível e vazão.
Medidor Tipo Turbina
• Constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação.
• O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre a palhetas em angulo; a velocidade angular do
rotor é proporcional a velocidade do fluido que, por sua vez é proporcional a vazão volumétrica e
uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor detecta o movimento do rotor
• A frequência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional á velocidade do fluido e a vazão
pode ser determinada pela medição / totalização de pulsos.
• São os mais precisos (0.15 - 1 %).
• Rangeabilidade maior que todos os instrumentos de vazão.
MEDIDOR MAGNÉTICO DE VAZÃO
• O medidor magnético – aplicado somente para líquidos – é um dos instrumentos mais confiáveis e robustos.
• E um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão. Medidor de exatidão
notável, alta estabilidade, rangeabilidade e desempenho.
• Utilizam revestimento como PFA (Copolímero de tetrafluoretileno e perfluoralcóxido, derivado do Teflon®),
poliuretano, borracha, erâmica, PTFE; e os eletrodos em aço inoxidável, hastelloy, platina, tântalo, titânio, etc.
• Se baseiam na criação de potencial elétrico pelo movimento de um fluido condutor através de um campo
magnético gerado exteriormente.
Rotâmentro
Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro
de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido.
• Fornecem uma relação linear com a vazão e é um dos poucos medidores que não exige trecho reto.
• São muito aplicados para indicação local na área industrial, e em laboratórios.
• Geralmente a instalação é vertical, mas existem modelos próprios para instalação na horizontal.
Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes:
1) Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que passará o fluido
que queremos medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para cima.
2) No interior do tubo cônico teremos um flutuador que se moverá verticalmente, em função da vazão medida.