Ficha 01 · Sensores, sinais, calibração

a) Forno industrial 1200 °C: Termopar tipo K (Ni-Cr/Ni-Al). Gama -200 a 1370 °C. Robusto e barato.

b) Laboratório ±0,1 °C: Pt100 RTD com ligação 4 fios. Precisão muito superior aos termopares. Gama -200 a 600 °C.

c) Tanque gás natural 50 bar: Transmissor piezoeléctrico ou capacitivo. Saída 4-20 mA. Considerar certificação ATEX (zonas explosivas).

d) Caudal água potável: Caudalímetro electromagnético (líquido condutor). Sem partes móveis, sem perda de carga, vida longa. Alternativa: ultrasónico clamp-on (sem contacto com líquido — para água potável).

e) Nível combustível subterrâneo: Sensor capacitivo ou hidrostático. Cuidado com ATEX (combustíveis inflamáveis). Em depósito subterrâneo: muitas vezes sonda submersível com hidrostático já com certificação Ex.

a) Termopar: - Temperaturas muito altas (até 1700 °C com tipo S/R). - Custo baixo (cobre/aço, fácil fabricar). - Ambientes hostis (rápida resposta, robusto). - Resposta rápida (tempo curto, junção pequena).

b) RTD Pt100: - Precisão alta (±0,1 °C possível). - Estabilidade longa prazo (drift muito baixo). - Linearidade muito boa. - Gama -200 a 600 °C (mais limitada que TC). - Aplicações de laboratório, processo crítico, refrigeração.

c) Pt100 a 3 fios: - Compensa resistência dos cabos. - 3º fio mede a resistência dos cabos. - Subtrai-se essa resistência da medição. - Crítico em cabos longos (10+ metros), onde resistência do cabo pode ser comparável aos 100 Ω do sensor. - Para ainda maior precisão: 4 fios (Kelvin).

d) Compensação de junção fria (CJC): - Termopar mede diferença de temperatura entre 2 junções (a sensora e a "fria" — onde se conecta ao instrumento). - Para obter temperatura absoluta, precisa de saber a da junção fria. - CJC mede temperatura no instrumento (com Pt100 ou termístor) e compensa. - Sem CJC, leitura teria erro = temperatura ambiente do instrumento (pode ser 20-30 °C).

a) 4-20 mA vs 0-20 mA: - 4 mA = 0% (mínimo da gama). - 0-3 mA = avaria (cabo cortado, sensor avariado). - Diagnóstico imediato sem necessidade de comunicação adicional.

Com 0-20 mA, 0 mA é ambíguo (pode ser 0% real ou cabo cortado).

b) Transmissor 2 fios: - Apenas 2 fios entre sensor e PLC. - Esses 2 fios servem simultaneamente para alimentação E sinal. - PLC fornece 24 V CC no loop. - Sensor consome 4-20 mA correntemente, modificando-a conforme medição. - Simplicidade: 1 par de fios por sensor. - Standard em processo.

c) 16 mA num sensor 0-10 bar:

Sinal_actual = 16 mA
Sinal_mínimo = 4 mA = 0 bar
Sinal_máximo = 20 mA = 10 bar

Percentagem = (16 - 4) / (20 - 4) = 12/16 = 75%
Pressão = 0 + 75% × (10 - 0) = 7,5 bar

d) 1 mA: - Abaixo de 4 mA = avaria. - Causas possíveis: - Cabo cortado ou conexão solta. - Sensor avariado. - Alimentação do loop insuficiente (queda de tensão excessiva). - PLC deve gerar alarme.

e) Cabos longos com 4-20 mA: - Sim, compatível. - Razão: corrente mantém-se constante ao longo do cabo (Lei de Kirchhoff). - Queda de tensão existe (R do cabo × I), mas não afecta a magnitude da corrente. - Em 0-10 V, queda de tensão afecta directamente o sinal. - Para 24V de alimentação e queda < 4V (margem): comprimento de cabo até 1000+ metros com cabos de calibre standard.

Procedimento de calibração — Transmissor 0-10 bar / 4-20 mA

Preparação: 1. Instrumento de referência: calibrador de pressão (Fluke 718, Beamex MC6) com certificado válido. 2. Ambiente: 20-25 °C estável; humidade < 80%. 3. Estabilização: instrumento sob teste ligado, em condições normais, por 15 min mínimo. 4. Documentar: identificação do instrumento (modelo, número série, gama), padrão usado, ambiente.

Conexões: 1. Linha de pressão: ligar calibrador a entrada do transmissor. 2. Linha eléctrica: ligar transmissor a fonte 24V CC + medir corrente com mA-mêter.

Execução (5 pontos, subindo + descendo):

Subindo (0% → 100%):

Descendo (100% → 0%) — mesmos pontos para detectar histerese.

Procedimento por ponto: 1. Aplicar pressão exacta com calibrador (esperar estabilização ~1 min). 2. Ler corrente actual no mA-mêter. 3. Registar no formulário. 4. Calcular erro: - Erro absoluto = leitura - esperado. - Erro % = erro / span (16 mA) × 100%.

Avaliação: - Tolerância típica: ±0,2% do span (4 µA com span 16 mA). - Se todos os erros < tolerância: APROVADO. - Se erros > tolerância: ajustar zero e span.

Ajuste (se necessário): - Zero: aplicar 0 bar. Ajustar parafuso "ZERO" (ou via HART) até sinal = 4 mA. - Span: aplicar 10 bar. Ajustar parafuso "SPAN" até sinal = 20 mA. - Iteração: ajustar zero pode afectar span e vice-versa. Repetir 2-3 vezes.

Re-verificação: repetir os 5 pontos para confirmar dentro de tolerância.

Certificado de calibração:

CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO

Identificação:
- Instrumento: Transmissor de pressão XYZ
- Modelo: ABC-100
- N.º série: 2026-001
- Gama: 0-10 bar / 4-20 mA
- Tolerância: ±0,2% do span

Padrão de referência:
- Calibrador: Fluke 718-1G
- N.º série: 12345
- Certificado válido até: 31/12/2026 (anexado)

Condições:
- Temperatura ambiente: 21 °C
- Humidade: 55% HR

Resultados:
[Tabela dos 5 pontos com leituras subindo e descendo]

Histerese máxima: 0,05% ✓
Drift máximo: 0,1% ✓

Ajustes realizados:
- Zero: ajustado de 4,03 mA para 4,00 mA.
- Span: ajustado de 19,92 mA para 20,00 mA.

Conclusão:
☑ APROVADO (dentro de tolerância)

Próxima calibração: ___/___/2027 (1 ano)

Técnico calibrador: ___________________
Data: ___/___/___
Assinatura: __________________________

Arquivar: - Certificado físico na pasta do instrumento. - Cópia digital no CMMS. - Etiqueta colada no instrumento com "Calibrado em ___" + próxima data.

a) Erros em cada ponto:

b) Dentro da tolerância?

NÃO. Erros nos pontos 150 °C (-0,6) e 200 °C (+0,8) excedem a tolerância de ±0,5 °C.

c) Análise do erro:

Padrão dos erros: - 0 → +0,3 (positivo). - 50 → +0,1 (positivo pequeno). - 100 → -0,3 (negativo). - 150 → -0,6 (negativo grande). - 200 → +0,8 (positivo grande).

Sem padrão linear claro — pode haver: - Não-linearidade (provável). - Sensor degradado. - Problema na electrónica do transmissor.

Recomendações:

1. Ajuste de zero e span:
2. Zero (0 °C): ajustar para anular +0,3 → ajustar leitura para 0,0.
3. Span (200 °C): ajustar para anular +0,8 → ajustar leitura para 200,0.

4. Re-medir após ajuste. Erros intermédios podem mudar.

5. Se persistir erro > tolerância após ajuste:

6. Substituir sensor (degradação irreversível).
7. Verificar transmissor (electrónica pode ter falha não-linear).

8. Verificar cabos (perda de continuidade num fio do Pt100).

9. Investigar ponto a 200 °C especificamente:

10. Pode haver problema localizado em altas temperaturas (envelhecimento da junção).

11. Calibração extra: se aplicação só usa 0-100 °C, instrumento pode ser aceitável (todos os pontos dentro da tolerância). Definir gama de uso explicitamente.

12. Documentar:

13. Resultado da calibração.
14. Acções tomadas.
15. Próxima calibração mais cedo (3-6 meses em vez de anual) para monitorizar.

a) HART (Highway Addressable Remote Transducer): - Protocolo de comunicação digital sobreposto a sinal analógico 4-20 mA. - Permite ler e escrever informação digital sem interromper o sinal analógico de medição. - Frequências: 1200 Hz (lógico "1") e 2200 Hz (lógico "0"), modulação FSK. - Velocidade: ~1200 bps (lenta mas suficiente para parâmetros).

b) Vantagens vs 4-20 mA puro:

1. Diagnóstico avançado:
2. Instrumento reporta erros internos (drift, saturação, falha de sensor).

3. PLC pode actuar antes de sinal 4-20 mA ficar errado.

4. Configuração remota:

5. Gama ajustada à distância.
6. Filtros, unidades, etc.

7. Não precisa deslocar técnico ao instrumento.

8. Calibração (em alguns instrumentos):

9. Ajuste de zero/span remoto.

10. Histórico de calibrações armazenado no instrumento.

11. Identificação automática:

12. Tag, número série, modelo, fabricante, versão de software.

13. Útil em inventário e manutenção.

14. Múltiplas variáveis num mesmo loop:

15. Pressão diferencial: sensor reporta pressão + temperatura processo + temperatura interna.

16. Caudal: caudal volumétrico + densidade + temperatura.

17. Sem alteração de cablagem:

18. HART funciona em cabos 4-20 mA standard.
19. Pode adicionar sem refazer cabos.

c) Hardware necessário:

• Instrumento HART (a maioria dos transmissores modernos é compatível, ~+10-20% no preço).
• Comunicador HART (handheld) — Emerson 475, Fluke 754, ProComSol HM-BT-BAT-ER — 1000-3000 €.
• OU PLC com módulo HART: Siemens S7-1200/1500 com SM 1238, módulos Endress+Hauser, Rosemount.
• OU Multiplexer HART: gateway entre vários loops 4-20 mA e SCADA.

d) Aplicações onde se justifica:

• Processo crítico: refinarias, química, farmacêutica, alimentar.
• Instrumentos remotos / difíceis de aceder: tanques em altura, zonas perigosas.
• Grande número de instrumentos: 100+ transmissores → poupança em deslocações justifica.
• Manutenção preditiva: ler diagnósticos sem interrupção.
• Cobertura regulatória: produção farmacêutica/alimentar exige rastreabilidade.

Não justifica para: - Aplicações simples (pequenas máquinas). - Sensores não-críticos. - Sistemas antigos (custo de upgrade não compensa).

Tendência moderna: - HART substituído por fieldbus completos (Profibus PA, Foundation Fieldbus) em novas instalações. - IO-Link para sensores binários/analógicos simples. - Wireless HART para retrofit em difíceis acessos.

a) Sintoma: leitura "off-scale" mínima (-200 °C ou similar) num sistema 4-20 mA tipicamente corresponde a sinal < 4 mA (frequentemente 0 ou 3,5 mA).

PLC interpreta como "fora de gama" e reporta erro.

b) Causas possíveis:

1. Cabo cortado entre sensor e PLC.
2. Conector solto (nos terminais, na caixa de junção).
3. Sensor avariado (Pt100 com resistência infinita = "aberto").
4. Transmissor avariado (electrónica falhada).
5. Alimentação do loop insuficiente (24V baixo).
6. Cabo em curto-circuito com PE (em alguns sistemas, vai a 0V).
7. Configuração errada no PLC (depois de troca de instrumento).

c) Sequência de diagnóstico:

1. Verificar visualmente (5 min): - Cabo entre sensor e PLC visível? Algum dano? - Sensor visível? Sinais de danos físicos? - Caixa de junção? Conectores apertados?

2. Medir corrente no loop (com multímetro/calibrador de loop): - Inserir mA-mêter em série no loop (em ponto acessível, como entrada do PLC). - Sinal real = ? - 0 mA: cabo aberto (cortado, conector solto) ou transmissor sem alimentação. - 2-3 mA: alimentação insuficiente do loop. - 4 mA: 0% da gama (mas leitura era -200, então transmissor está OK, problema noutro lado). - 20 mA: 100% da gama. - > 20 mA: leitura saturada (sensor curto).

3. Verificar alimentação: - Tensão no PLC: deve ser 24V CC (±5%). - Tensão chegar ao transmissor: medir nos seus terminais. - Se < 16V → alimentação insuficiente.

4. Verificar continuidade do cabo: - Desligar ambas as pontas. - Multímetro em modo continuidade entre os 2 fios. - Se infinito → cabo cortado em algum ponto.

5. Verificar resistência do Pt100 (com sensor desconectado do transmissor): - Multímetro entre os 2 terminais do Pt100. - A 20 °C: deve ler ~108 Ω (Pt100 a 20°C). - A 0 °C: 100 Ω. - Se infinito: Pt100 partido. Substituir. - Se ~0 Ω: Pt100 em curto. Substituir.

6. Substituir transmissor temporariamente: - Conectar calibrador de loop em vez do transmissor. - Injectar 12 mA (50%). - Se PLC lê correctamente 100 °C → transmissor é a causa. Substituir.

7. Diagnóstico HART (se aplicável): - Conectar comunicador HART ao loop. - Ler diagnósticos do transmissor: sensor desconectado? Saturação? Drift excessivo?

8. Reparação: - Identificada a causa, substituir o componente avariado. - Calibrar após substituição. - Verificar funcionamento.

9. Análise causa-raiz (post-mortem): - Porque é que o sensor/cabo falhou? - Há padrão (outros sensores similares próximos a falhar)? - Foi degradação normal ou problema externo (humidade, vibração, choque)? - Acção preventiva para outros equipamentos similares.

10. Documentação: - OT preenchida. - CMMS actualizado. - Histórico do instrumento com data, problema, solução.

Plano Anual de Calibração — Fábrica Industrial

Total: 65 instrumentos.

Classificação por criticidade:

Críticos (segurança ou qualidade): 10 instrumentos. - 3 termopares (controlam forno crítico). - 3 transmissores de pressão (segurança em vasos pressurizados). - 2 caudalimetros (medição fiscal ou crítica). - 2 sensores de pH (controlo de processo crítico). - Frequência: trimestral.

Importantes (qualidade ou eficiência): 25 instrumentos. - 15 termopares. - 10 transmissores de pressão. - Frequência: semestral.

Standards (monitorização normal): 30 instrumentos. - 12 termopares. - 7 transmissores de pressão. - 8 caudalimetros. - 3 sensores de pH. - Frequência: anual.

Calendário:

ANO 2026 — PLANO DE CALIBRAÇÃO

JANEIRO:
- Críticos (T1): 10 instrumentos calibrados.

FEVEREIRO:
- Importantes (T1 — primeiro lote): 12 instrumentos.

MARÇO:
- Importantes (T1 — segundo lote): 13 instrumentos.

ABRIL:
- Críticos (T2): 10 instrumentos.

MAIO:
- Standards (lote 1): 15 instrumentos.

JUNHO:
- Standards (lote 2): 15 instrumentos.

JULHO:
- Críticos (T3): 10 instrumentos.

AGOSTO (férias):
- Apenas manutenção. Re-verificações se necessário.

SETEMBRO:
- Importantes (T2 — primeiro lote): 12 instrumentos.

OUTUBRO:
- Importantes (T2 — segundo lote): 13 instrumentos.

NOVEMBRO:
- Críticos (T4): 10 instrumentos.

DEZEMBRO:
- Auditoria do plano. Preparação plano 2027.

TOTAL ANO: 130 calibrações (alguns instrumentos múltiplas vezes).

Equipa:

Interna: - 1 técnico calibrador formado (8h/semana dedicado). - Equipamento próprio: calibradores Fluke, padrões internos.

Externa (subcontratada): - Critical mass calibrations OU sensores especializados (pH precisa). - Laboratório acreditado IPAC.

Investimento:

Equipamentos (uma vez): - Calibrador temperatura Fluke 754: 4000 €. - Calibrador pressão Fluke 718: 1500 €. - Calibrador 4-20 mA: 1000 €. - Padrões de pH: 500 €. - Total: ~7000 €.

Anual: - Calibração dos padrões internos (rastreabilidade): 1500 €. - Subcontratação (instrumentos complexos): 2000 €. - Tempo do técnico: 8h × 50 semanas × 30 €/h = 12 000 €. - Material consumível: 500 €. - Total anual: ~16 000 €.

Custo por calibração: - 130 calibrações / 16 000 € = ~125 €/cada.

Documentação:

• CMMS com:
• Lista completa de instrumentos.
• Calendário automatizado.
• Alertas 30 dias antes do vencimento.
• Certificados anexados a cada instrumento.
• Etiquetas físicas nos instrumentos:
• Data última calibração.
• Data próxima calibração.
• Status (Apto / Restrito / Fora de serviço).
• Arquivo central (físico + digital).

Indicadores:

• % calibrações no prazo: > 95%.
• % aprovações em primeira tentativa: > 90%.
• Drift médio ao longo do tempo: tendência decrescente (sinal de bom controlo).
• Custo de calibração / valor produzido: < 0,1%.

Benefícios:

• Qualidade do produto garantida.
• Conformidade (ISO 9001 exige calibração).
• Auditorias facilitadas (clientes, certificadores).
• Detecção precoce de degradação de instrumentos.
• Redução de avarias (instrumentos desviados podem causar mau funcionamento de processos).