Instrumentação

Teoria Completa

Introdução

Para que o controle automático de processos seja feito, é necessário que se use uma série de elementos (instrumentos) para que tudo ocorra como o desejado. Cada um desses elementos tem uma função bem específica e deve ser muito bem ajustado e calibrado para que nada saia dos planos.

O diagrama acima representa um dos tipos mais comuns de controle que é o feedback. Esse tipo de controle é o mais usado na indústria atualmente e também um dos mais clássicos. Abaixo, o controle feedback está representado em um diagrama de blocos.

Esse tipo de diagrama é chamado de diagrama de blocos. Nós vamos aprender mais sobre esses diagramas mais a frente e eles serão extremamente úteis para nós em controle de processos. Mas por enquanto, vamos focar em cada um desses blocos e procurar entender qual é a sua função num sistema de controle e como ele atua.

Sensor/transmissor

Começaremos então pelo sensor/transmissor.

Esse elemento é mais ou menos onde tudo começa num sistema de controle.

Repare que no diagrama de blocos, a entrada do sensor/transmissor é a nossa variável controlada. Isso acontece porque a principal função desse elemento é medir a variável controlada (seja ela temperatura, pressão, nível, tensão, etc.) e transformar essa grandeza medida em um sinal que possa ser enviado.

Os sensore/transmissores são ditos elementos primários e secundários de controle. Eles são responsáveis pela etapa de medição, já que é esse elemento que mede a variável controlada. Em alguns casos não é necessário transmissor, e o próprio sensor envia um sinal para o controlador, que é o próximo elemento na malha de controle.

É de extrema importância que os sensores/transmissores escolhidos sejam os mais adequados para o processo que se deseja controlar. Cada sensor funciona melhor numa faixa (range) pré-determinada da grandeza a ser medida e por isso um sensor que é eficaz para controlar um processo não será eficaz para controlar outro.

Além disso, para que o controle seja o mais preciso possível, os sensores devem estar muito bem calibrados para evitar erro na medição.

Após o sensor ler a grandeza medida, o transmissor converte essa grandeza em um sinal (elétrico, pneumático, digital, etc) e o envia para o controlador. O sinal enviado pelo transmissor também está dentro de um range (geralmente 4 - 20   m A quando o sinal é do tipo elétrico).

Imagine então que eu estou controlando a temperatura de saída de um tanque, o meu sensor tem um range de 300 - 400   K e o range de saída do transmissor é 4 - 20   m A . Se a minha variável medida for 300   K o sinal de saída do transmissor será o mínimo, 4   m A , porém, se a variável medida for 400   K , o sinal de saída do transmissor será o máximo, 20   m A . Se for algo entre 300   K e 400   K a saída do controlador será proporcional ao valor medido. Por exemplo, se a variável medida for 350   K , a saída do transmissor será 12   m A , que é exatamente metade do range da saída do transmissor.

São exemplos de sensores:

  • RTD (sensor de temperatura);
  • Termopar (sensor de temperatura);
  • Manômetro (sensor de pressão);
  • Rotâmetro (sensor de vazão);
  • Tacômetro (sensor de velocidade).

Controlador

Seguindo em nossa malha de controle, o próximo instrumento que temos são os controladores:

Após o transmissor enviar o valor da variável medida em forma de sinal, esse sinal é comparado a uma referência (setpoint), que é o valor desejado. Após ser feita essa comparação obtemos então a variável erro:

e r r o = s e t p o i n t - v a r i á v e l   m e d i d a

Esse sinal de erro é a entrada do nosso controlador.

O controlador é o patrão do sistema de controle. Ele é de longe o elemento mais importante do sistema e é ele quem decide o que deve acontecer a seguir.

O controlador lê o sinal do erro, interpreta o que está acontecendo no sistema e toma uma ação. Por exemplo, se a variável controlada estiver muito alta, o erro vai ser um valor negativo muito grande, sendo assim, o controlador vai tomar as medidas necessárias para que a variável controlada diminua. Da mesma forma, se o controlador ler um sinal de erro positivo muito grande, ele logo saberá que a variável controlada está bem abaixo do valor desejado, logo algo precisa ser feito para que ela volte ao valor desejado.

É por isso que dizemos que o controlador que manda em tudo, ele é o cérebro do sistema de controle e é o responsável pela etapa da decisão.

Existem vários tipos de controladores:

  • On/off (liga/desliga);
  • Proporcional (P);
  • Proporcional Integral (PI);
  • Proporcional Integral Derivativo (PID).

O controlador do tipo on/off é o mais simples e barato, porém não é muito preciso. O controlador PID é o mais robusto e sofisticado, ele é extremamente preciso, e responde rápido ao controle, entretanto é o mais caro e nem todos processos precisam de um controle tão rígido.

Os controladores podem ter ação direta ou ação reversa. Ação direta quer dizer que um aumento na variável controlada causa um aumento na saída do controlador, já na ação reversa, um aumento na variável controlada causa diminuição da saída do controlador.

Futuramente vamos aprender mais sobre os controladores.

Elemento final de controle

Por fim, vamos ver um pouquinho o elemento final de controle:

O elemento final de controle é quem recebe as ordens do controlador e realiza a ação que altera o processo.

Repare no diagrama acima que a entrada do elemento final de controle é a saída do controlador, ou seja, a ordem que o controlador enviou. Já a saída do elemento final de controle é a variável manipulada do processo.

Sendo assim, o elemento final de controle altera a variável manipulada, que por sua vez interfere no processo alterando a variável controlada de forma com que ela volte ao valor desejado.

Exemplos de elemento final de controle:

  • Válvulas de controle;
  • Bombas;
  • Motores;
  • Amplificadores;
  • Resitência elétrica.
Expandir

Exercício Resolvido #1

IFPA - 2013

Quanto à classificação dos instrumentos, têm-se as seguintes afirmativas:

  1. São instrumentos que detectam as variações na variável medida/controlada através do elemento primário e enviam à distância.
  2. São elementos que estão em contato direto com a variável medida e que utilizam ou absorvem energia do próprio meio, para fornecer ao sistema de medição uma resposta em função da variável medida/controlada.
  3. São instrumentos que comparam o valor da variável medida/controlada com o valor desejado e exercem uma ação de correção na variável manipulada.

Pode-se dizer, quanto aos instrumentos citados nas afirmatovas, que:

  1. I é o controlador, II é o sendor e III é o transmissor.
  2. I é o controlador, II é o sendor e III é o comparador.
  3. I é o transmissor, II é o controlador e III é o sensor
  4. I é o transmissor, II é o sensor e III é o controlador
  5. I é comparador, II é o sensor e III é o controlador.
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Passo 1

Vamos analisar cada uma das afirmativas

  1. São instrumentos que detectam as variações na variável medida/controlada através do elemento primário e enviam à distância.
  2. O texto diz que esse instrumento detecta variaçãoes na variável manipulada através do elemento primário (sensor) e em seguida envia essa informação.

    O elemento responsável por fazer a transmissão do sinal lido pelo sensor é o controlador.

    Passo 2

  3. São elementos que estão em contato direto com a variável medida e que utilizam ou absorvem energia do próprio meio, para fornecer ao sistema de medição uma resposta em função da variável medida/controlada.
  4. Os elementos que estão em contato direto com a variável medida são aqueles que fazem a medição da variável do meio. Esses elemento são os sensores, que podem ser de temperatura, pressão, vazão, velocidade etc.

    Passo 3

  5. São instrumentos que comparam o valor da variável medida/controlada com o valor desejado e exercem uma ação de correção na variável manipulada.

A palavra chave nessa afirmativa é “comparam”. Os instrumentos que comparam a variável medida com o setpoint e tomam a decisão são sempre os controladores.

Resposta

  1. I é o transmissor, II é o sensor e III é o controlador

Exercício Resolvido #2

UFMG -2009 - Adaptado

Os instrumentos que contribuem para a aoperação adequada de uma planta são classificados de acordo com a função desempenhada na malha de controle. Com base nessa afirmação, a alternativa CORRETA é:

  1. O transmissor é o dispositivo que, primeiramente, capta a informação relativa à variável do processo que se pretende controlar.
  2. O registrador é o dispositivo responsável apenas pela indicação atual do valor da variável de saída do processo.
  3. A válvula de controle é o elemento que, diretamente, manipula uma variável do processocom o intuito de modificar a variável de saída do processo.
  4. O controlador recebe a informação diretamente do registrador e envia o sinal para o transmissor.
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Passo 1

  1. O transmissor é o dispositivo que, primeiramente, capta a informação relativa à variável do processo que se pretende controlar.
  2. Quem faz a leitura da variável controlada é o sensor e não o transmissor.

    A afirmativa (a) é incorreta.

    Passo 2

  3. O registrador é o dispositivo responsável apenas pela indicação atual do valor da variável de saída do processo.
  4. O registrador é um instrumento que armazena o histórico de medidas realizadas pelo sensor.

    A afirmativa (b) é incorreta.

    Passo 3

  5. A válvula de controle é o elemento que, diretamente, manipula uma variável do processocom o intuito de modificar a variável de saída do processo.
  6. A válvla é um elemento final de controle e tem como função alterar uma variável do processo para tentar corrigir outra.

    A afirmativa (c) é correta.

    Passo 4

  7. O controlador recebe a informação diretamente do registrador e envia o sinal para o transmissor.

O controlador recebe a informação do transmissor e envia o sinal pra o elemento final de controle.

Resposta

c) A válvula de controle é o elemento que, diretamente, manipula uma variável do processocom o intuito de modificar a variável de saída do processo.

Exercício Resolvido #3

IF Alagoas – Curso técnico integrado em açúcar e álcool – Lista 1 – Introdução e Noções de Instrumentação Industrial – Questão 03

Seja um sistema de controle em malha fechada, mostrado na figura abaixo:

Sobre o referido sistema, apresentam-se as seguintes afirmações:

  1. Os elementos primários de controle são representados pelo sensor de temperatura e pela válvula de controle.
  2. A variável manipulada é a posição da válvula de controle.
  3. A variável de processo é a temperatura desejada da água aquecida.
  4. O setpoint da malha de controle é a temperatura desejada da água aquecida.
  5. A pressão de vapor de entrada e a vazão da água são perturbações do processo.

Estão corretas as afirmações:

  1. I, II e III
  2. III, IV e V
  3. II, IV e V
  4. II, III e V
  5. I, II e V.
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Passo 1

  1. Os elementos primários de controle são representados pelo sensor de temperatura e pela válvula de controle.
  2. Apenas o sensor é considera elemento primário de controle. A válvula é dita elemento final de controle.

    Portanto, a afirmativa I é incorreta.

    Passo 2

  3. A variável manipulada é a posição da válvula de controle.
  4. A variável manipulada é a variável que a válvula altera de acordo com a sua abertura. Nesse caso, a válvula regula a vazão de vapor, portanto a variável manipulada é a vazão de vapor.

    A afirmativa II é incorreta.

    Passo 3

  5. A variável de processo é a temperatura desejada da água aquecida.
  6. A variável de processo é a variável medida pelo elemento primário de controle. Nesse caso, o sensor mede a temperatura da água aquecida, que é portanto, a variável de processo.

    A afirmativa III está correta.

    Passo 4

  7. O setpoint da malha de controle é a temperatura desejada da água aquecida.
  8. O setpoint é o valor desejado da variável de processo. Como a variável de processo é a temperatura da água aquecida, a afirmação é verdadeira.

    A afirmativa IV está correta.

    Passo 5

  9. A pressão de vapor de entrada e a vazão da água são perturbações do processo.

Todas as variáveis que alteram a variável de processo e não é a variável manipulada é chamada de perturbação. Já que tanto a pressão do vapor da entrada como a vazão de água são fatores que podem impactar na temperatura de saída da água, elas são perturbações no processo.

A afirmativa V também está correta.

Resposta

b) III, IV e V

Exercício Resolvido #4

IF Alagoas – Curso técnico integrado em açúcar e álcool – Lista 2 – Introdução e Noções de Instrumentação Industrial – Questão 2a e 2b

Calcule os valores pedidos:

  1. 80 % de 3 a 1 5   p s i .
  2. 30 % de 4 a 20   m A .
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Passo 1

Para fazer esses cálculos usaremos sempre a seguinte regrinha:

V a l o r   m a x i m o - v a l o r   d e s e j a d o r a n g e   t o t a l = V a l o r   m a x i m o - v a l o r   d e s e j a d o r a n g e   t o t a l

Passo 2

Vamos calcular 80 % de 3 a 15   p s i :

15 - x 15 - 3 = 100 - 80 100 - 0

Em p s i , o valor máximo é 15 , e o range total é 15 - 3 = 12 .

Em porcentagem o valor máximo é 100 % e o mínimo 0 % .

Sendo assim:

100 15 - x = 240

15 - x = 2,4

x = 15 - 2,4 = 12,6   p s i

Passo 3

Para a letra b:

1 6 - x 16 - 4 = 100 - 3 0 100 - 0

Em m A , o valor máximo é 1 6 , e o range total é 16 - 4 = 12 .

Em porcentagem o valor máximo é 100 % e o mínimo 0 % .

Logo:

100 16 - x = 840

16 - x = 8,4

x = 16 - 8,4 = 7,6   m A

Resposta

  1. x = 12,6   p s i
  2. x = 7,6   m A

Exercício Resolvido #5

IF Alagoas – Curso técnico integrado em açúcar e álcool – Lista 2 – Introdução e Noções de Instrumentação Industrial – Questão 2c e 2d

Calcule os valores pedidos:

  1. 9   m A são quantos % da faixa de 4 a 16   m A .
  2. 1 3   p s i são quantos % da faixa de 3 a 15   p s i .
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Passo 1

Dessa vez, a gente precisa calcular o inverso, ou seja, quanto uma variável representa percentualmente dado um certo range. Entretanto, a forma de proceder o cálculo é exatamente a mesma. Nenhuma novidade:

V a l o r   m a x i m o - v a l o r   d e s e j a d o r a n g e   t o t a l = V a l o r   m a x i m o - v a l o r   d e s e j a d o r a n g e   t o t a l

Passo 2

Para a letra a), precisamos calcular quantos % são 9   m A numa faixa que vai de 4 a 16   m A .

16 - 9 16 - 4 = 100 - x 100 - 0

12 100 - x = 700

100 - x = 700 12

100 - x = 58,33

x = 100 - 58,33 = 41,67 %

Passo 3

Para a letra b:

15 - 9 15 - 3 = 100 - x 100 - 0

12 ( 100 - x ) = 600

100 - x = 850

x = 100 - 50 = 50 %

Resposta

  1. x = 41,67 %
  2. x = 50 %

Exercício Resolvido #6

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul (IF-RS) - Professor - Controle Automação Instrumentação Industrial - IF-RS (2015)

No diagrama de blocos abaixo está representado um sistema de controle com realimentação. Com base nesse diagrama, são feitas as seguintes afirmações:

  1. Quando o valor de referência ( y s p ) é fixo, o controle é dito regulador.
  2. O controlador ( G C ) recebe o sinal de erro ( e ) e através dele, exerce o controle para modificar o valor de referência ( y s p ).
  3. O diagrama apresenta um sistema de controle com realimentação negtiva, que é bastante útil para fins de controle dinâmico e onde o erro ( e ) pode ser calculado através da fórmula e = y - y s p .
  4. No sistema apresentado no diagrama acima, o controlador age no sentido da estabilização.

Estão corretas as afirmações:

  1. I, II e III.
  2. I, III e IV.
  3. II, III e IV.
  4. II, II, III e IV.
  5. I e IV.
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Passo 1

  1. Quando o valor de referência ( y s p ) é fixo, o controle é dito regulador.
  2. A afirmativa é verdadeira. Quando o setpoint é fixo, o controle trabalha de forma a tornar y = y s p , regulando dessa forma a variável de processo, y , em torno do setpoint.

    Passo 2

  3. O controlador ( G C ) recebe o sinal de erro ( e ) e através dele, exerce o controle para modificar o valor de referência ( y s p )
  4. O controlador, de fato, recebe o sinal de erro, entretanto, ele exerce controle sobre o eelemnto final de controle que modifica a variável de processo, e não o valor de referência (setpoint). A afirmativa é falsa.

    Passo 3

  5. O diagrama apresenta um sistema de controle com realimentação negtiva, que é bastante útil para fins de controle dinâmico e onde o erro ( e ) pode ser calculado através da fórmula e = y - y s p .
  6. A primeira parte da afirmativa está certinha. O sistema realmente é um sistema de realimentação negativa. Ele é chamado de realimentação porque a variável de processo é medida e realimentada à malha e é negativo devido ao sinal da realimentação.

    Entretanto o erro é calculado como e = y s p - y , portanto a afirmativa está incorreta.

    Passo 4

  7. No sistema apresentado no diagrama acima, o controlador age no sentido da estabilização.

A afirmativa é verdadeira. Em sistemas de realimentação negativa, como é o caso aqui, o controlador age de forma a neutralizar o erro e, consequentemente, estabilizar o sistema.

Resposta

e) I e IV

Exercício Resolvido #7

CESGRANRIO - 2018 - Petrobras - Técnico de Manutenção Júnior – Instrumentação

As indústrias possuem uma gama de instrumentos inteligentes que realizam o controle de processos de forma automática e remota. Sendo assim, são considerados elementos finais de controle:

  1. Reservartórios, bombas e transmissores de pressão.
  2. Reservatórios, bombas e tanques.
  3. Reservatórios, bombas e controlador lógico programável.
  4. Bombas, resistência elétrica e tanques.
  5. Bombas, válvulas e resistência elétrica.
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Passo 1

Elementos finais de ontrole são aqueles elementos que atuam diretamente sobre a variável controlada. Por exemplo: uma válvula que manipula a vazão que passa por uma tubulação.

O primeiro item da letra a é “reservatórios”. Um reservatório não pode funcionar como elemento final de controle porque ele não é capaz de manipular nenhuma variável de nenhum processo.

Portanto podemos excluir as três primeiras opções que possuem reservatórios.

Passo 2

A letra d) diz: “bombas, resistência elétrica e tanque”.

Bomba e resistência elétrica podem funcionar de fato como elementos finais de controle. A bomba é capaz de aumentar o fluxo/pressão de uma corrente líquida e a resistência elétrica pode manipular a temperatura, por exemplo.

Porém não é possível que um tanque seja um elemento final de controle.

Passo 3

A letra e) além de bombas e resistência elétrica, que nós já vimos que podem ser elemento final de controle, também apresenta válvulas.

As válvulas são sim um elemento final de controle, e na verdade, são o elemento final de controle mais comum na indústria. Elas são capazes de manipular o fluxo por uma tubulação sendo capazes de controlar uma gama enorme de processo.

Sendo assim, a alternativa correta é a alternativa e).

Resposta

e) Bombas, válvulas e resistência elétrica.

Exercício Resolvido #8

IF-RS - 2015 - IF-RS - Professor - Controle, Automação e Instrumentação Industrial. Adaptado

Os _____________medem os valores dos distúrbios e o ____________calcula o sinal de correção em função das cargas e do valor desejado. O _______________é uma constante de proporcionalidade que representa a relação entre a entrada e a saída de um sistema de controle e traduz a capacidade de resposta do elemento a uma variação na ______________. Entretanto, o que realmente ocorre é que os componentes de uma malha de controle apresentam características____________ . A saída sofre uma defasagem em relação à entrada, sendo dependente do tempo, caracterizando um _______________. Devido a este fato, os componentes de uma malha de controle, na prática, não respondem instantaneamente a variações de entrada, produzindo uma resposta somente após decorrido um dado intervalo de tempo.

A alternativa que melhor preenche as lacunas do texto acima, na sequência em que os termos aparecem é:

  1. Sensores/transmissores, controlador, ganho, entrada, dinâmicas, atraso.
  2. Controladores, transmissor, erro, saída, estáticas, ganho.
  3. Sensores/transmissores, controlador, ganho, saída, estáticas, ganho.
  4. Controladores, transmissor, erro, entrada, dinâmicas, atraso.
  5. Sensores/transmissores, controlador, erro, saída, dinâmicas, atraso.
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Resposta

Quem mede os valores dos distúrtbios é sempre o conjuto sensor/transmissor e quem calcula a correção é sempre o controlador.

O ganho pode ser definida como a razão entre a variação da saída para uma dada entrada, portanto ele é uma constante de proporcionalidade que representada a relação entre essas duas características.

O componente das malhas de controle são dinâmicos e cada processo apresenta um tempo característico próprio, que faz com que as variações na saída não sejam sentidas instantaneamente assim que uma perturbação acontece, por isso, dizemos que ocorre um atraso.

Resposta

  1. Sensores/transmissores, controlador, ganho, entrada, dinâmicas, atraso.

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