UC02939 · Instrumentação industrial

Introdução

A instrumentação industrial é o conjunto de tecnologias usadas para medir e controlar variáveis físicas em processos industriais — temperatura, pressão, caudal, nível, posição, etc.

É a "sensorialidade" das máquinas e processos: sem instrumentação, sistemas automatizados são cegos. Esta unidade (25h) cobre os principais sensores e transmissores, sinais standard, calibração, comunicação industrial e manutenção.

1. Princípios da instrumentação

1.1 Conceitos

Instrumentação = ciência e tecnologia de medir, controlar, registar e visualizar variáveis físicas.

Cadeia básica:

Variável física → Sensor → Transmissor → Sinal padrão → Controlador (PLC/DCS) → Actuador → Variável corrigida

Loop de controlo (feedback): - Sensor mede. - Controlador compara com setpoint, calcula erro. - Actuador ajusta para reduzir erro. - Ciclo contínuo (PID).

1.2 Variáveis típicas

Físicas: - Temperatura (T). - Pressão (P). - Caudal (Q). - Nível (L). - Posição / deslocamento. - Velocidade / rotação. - Força / binário. - Aceleração / vibração.

Químicas: - pH. - Condutividade. - Concentração de gases. - Densidade / viscosidade.

Outras: - Humidade. - Luminosidade. - Cor.

1.3 Características dos instrumentos

Gama (range, span): do valor mínimo ao máximo medível. - Ex: 0-100 °C, 4-20 bar, 0-1000 L/min.

Resolução: menor variação detectável. - Ex: 0,1 °C; 0,01 bar.

Precisão (accuracy): erro vs valor real. - Ex: ±0,5% do span, ±1 °C.

Repetibilidade: consistência de medições da mesma variável. - Diferentes da precisão (precisão é vs valor real; repetibilidade é entre medições).

Linearidade: relação saída-entrada é linear?

Tempo de resposta: quanto tempo para atingir 90% da nova leitura?

Drift: desvio gradual ao longo do tempo.

Histerese: diferença entre leituras subindo vs descendo.

2. Sensores principais

2.1 Temperatura

Termopar (TC): - Junção de 2 metais diferentes gera tensão proporcional à diferença de temperatura. - Lei de Seebeck. - Tipos: - K (Ni-Cr / Ni-Al): -200 a 1370 °C. Mais comum. - J (Fe / Cu-Ni): -210 a 1200 °C. - T (Cu / Cu-Ni): -200 a 400 °C, alta precisão. - S, R (Pt-Rh): até 1700 °C, caros, fornos. - Tensão pequena (mV) — necessita amplificação. - Compensação de junção fria (CJC) obrigatória.

RTD (Resistance Temperature Detector): - Resistência metálica varia com temperatura. - Pt100: platina, 100 Ω a 0 °C. - Gama: -200 a 600 °C. - Mais preciso que termopar (até ±0,1 °C). - Ligação 2, 3 ou 4 fios (compensação de resistência dos cabos).

Termístor: - Semicondutor; resistência varia muito com temperatura. - NTC (Negative Temperature Coefficient): resistência diminui com T. - PTC: resistência aumenta com T. - Gama pequena (-50 a 150 °C tipicamente). - Muito sensível, barato.

Sensores infravermelhos / pirómetros: - Medem radiação IR emitida pelo objecto. - Sem contacto. - Gama típica: -50 a +2000 °C. - Útil em objectos em movimento, inacessíveis ou perigosos.

2.2 Pressão

Manómetro de Bourdon (mecânico): - Tubo curvo deforma-se com pressão. - Mostrador analógico. - Sem saída eléctrica. - Tradicional, robusto, barato.

Transmissor de pressão piezoeléctrico: - Material piezoeléctrico (quartzo, cerâmico) gera tensão quando deformado. - Saída: 4-20 mA. - Gamas: vácuo (mbar) a alta pressão (kbar). - Marcas: Endress+Hauser, Siemens SITRANS, ABB.

Transmissor capacitivo: - Membrana metálica forma capacitor com placa fixa. - Pressão deforma membrana → capacitância varia. - Alta precisão.

Pressão diferencial (DP): - Mede diferença entre 2 pontos. - Aplicações: medição de caudal (placa orifício), nível em tanques pressurizados.

2.3 Caudal

Turbina (mecânica): - Roda de pás roda proporcional ao caudal. - Pulsos por volta detectados. - Para líquidos limpos.

Vortex: - Barra obstáculo no fluido cria vortices alternados. - Frequência dos vortices proporcional ao caudal. - Sem partes móveis. - Para líquidos e gases.

Magnético (electromagnético): - Princípio de Faraday: fluido condutor a passar por campo magnético induz tensão. - Apenas para líquidos condutores (água, soluções). - Não funciona em fluidos isolantes (óleo). - Sem partes móveis, sem perda de carga.

Ultrasónico: - Tempo de propagação de ondas ultra-sónicas no fluido. - Sem contacto (ou clamp-on no exterior do tubo). - Para líquidos limpos.

Coriolis: - Mede massa (não volume) directamente. - Princípio: fluido em movimento sofre força de Coriolis. - Alta precisão (±0,1%). - Caro mas único para certas aplicações (farmacêutica).

Diferencial de pressão + placa orifício: - Tradicional. Placa orifício causa queda de pressão proporcional a Q². - Transmissor DP mede. - Económico mas perdas de carga significativas.

2.4 Nível

Bóia mecânica: - Bóia segue nível, accionando switch. - Para nível pontual (alto / baixo / médio). - Simples, robusta.

Capacitivo: - Capacitância entre eléctrodo e parede do tanque varia com nível. - Sem contacto. - Para líquidos, sólidos pulverulentos.

Hidrostático: - Pressão no fundo do tanque = ρ × g × h. - Mede pressão → calcula altura. - Para líquidos. Necessita densidade conhecida.

Ultrasónico (sem contacto): - Sensor no topo do tanque envia ondas ao líquido. - Tempo de retorno → distância → nível. - Para líquidos e sólidos.

Radar (sem contacto): - Similar ao ultra-sónico mas com micro-ondas. - Funciona com vapores, espuma. - Mais preciso. - Caro.

Pesagem: - Reservatório sobre células de carga. - Massa → nível (com densidade). - Para qualquer fluido ou sólido.

2.5 Posição

Indutivo (proximity): - Detecta metais. - Distância 5-15 mm. - Sem contacto, longa vida.

Capacitivo: - Detecta qualquer material. - Distância 5-50 mm.

Fotoeléctrico: - Barreira: emissor + receptor separados. - Reflexivo: emissor+receptor; espelho do outro lado. - Difuso: detecta luz reflectida pelo próprio objecto.

Encoder: - Incremental: pulsos por volta (ex: 1024 ppr). Posição relativa. - Absoluto: posição única para cada ângulo. Mantém posição após desligar.

LVDT (Linear Variable Differential Transformer): - Posição linear precisa (mm a metros). - Sem contacto entre núcleo e bobinas.

Lasers: - Distância sem contacto, alta precisão (µm). - Custo médio-alto.

2.6 Outras

Vibração: acelerómetros piezoeléctricos.

Força: célula de carga (strain gauge).

Binário: torquímetros.

pH: eléctrodo combinado (vidro + referência).

Condutividade: 2 ou 4 eléctrodos em água.

Gases (CO, CO₂, O₂, etc.): químicos, electroquímicos, infravermelho.

3. Sinais

3.1 Sinais analógicos

4-20 mA — standard mundial em processo: - 4 mA = 0% (mínimo da gama). - 20 mA = 100% (máximo). - < 4 mA = avaria (cabo cortado, sensor avariado). - Vantagens: - Resistente a perdas em cabos (corrente, não tensão). - Diagnóstico imediato (sinal abaixo de 4 mA = erro). - Alimentação pela linha em transmissores 2 fios.

0-10 V — alternativa: - 0 V = 0%, 10 V = 100%. - Mais sensível a ruído eléctrico. - Standard em aplicações curtas.

0-20 mA — variante: - Similar a 4-20 mA mas sem detecção de avaria por valores baixos. - Menos usado.

3.2 Sinais digitais discretos

Sensores binários (ON/OFF): - NPN (sinking): sensor liga 0V à saída quando activo. - PNP (sourcing): sensor liga +24V quando activo. Standard europeu. - Contacto seco (relé): sem electrónica, livre de polaridade.

Saídas: - Open collector (transistor sem pull-up). - TTL (5 V). - Push-pull.

3.3 Comunicação digital

HART (Highway Addressable Remote Transducer): - Sinal digital sobreposto a 4-20 mA. - Permite ler diagnóstico, configurar, calibrar sem interromper sinal. - Standard em processo.

Fieldbus específicos: - Profibus PA: para processo (intrinsecamente seguro). - Foundation Fieldbus: alternativa americana. - AS-Interface (AS-i): para sensores e actuadores binários.

IO-Link: - Comunicação ponto-a-ponto entre sensor e PLC. - Cabo simples (não fieldbus). - Configuração + diagnóstico + valores + identificação. - Standard moderno emergente.

Ethernet industrial: - Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP. - Velocidades altas. - Topologias flexíveis. - Standard moderno.

4. Calibração

4.1 Princípio

Calibrar = comparar instrumento com referência (padrão) de precisão superior.

Permite: - Verificar precisão. - Ajustar se houver desvio. - Documentar rastreabilidade.

Hierarquia de padrões: 1. Padrões nacionais (IPQ em Portugal). 2. Padrões secundários (laboratórios acreditados). 3. Padrões de trabalho (em empresas). 4. Instrumentos em uso.

4.2 Frequência

Conforme criticidade: - Crítico (segurança, qualidade): mensal a trimestral. - Importante: semestral. - Standard: anual. - Não-crítico: bienal ou em manutenção.

Após: - Manutenção do instrumento. - Suspeita de drift. - Choque ou queda. - Modificações no processo.

4.3 Procedimento

Preparação: 1. Instrumento de referência com certificado válido. 2. Ambiente controlado: temperatura, humidade estáveis. 3. Estabilização: instrumento sob teste em condições normais por tempo suficiente.

Execução: 1. Aplicar 5 valores conhecidos: 0%, 25%, 50%, 75%, 100% da gama. 2. Para cada valor: - Aplicar entrada (subindo). - Esperar estabilização. - Registar leitura do instrumento. 3. Repetir descendo (100% → 0%). 4. Calcular: - Erro = leitura - valor real. - Erro relativo = erro / span × 100%. - Histerese = leitura subindo - leitura descendo.

Tolerância: comparar com especificação do fabricante (ex: ±0,5% do span).

Se fora de tolerância: - Ajustar zero (4 mA quando entrada = 0%). - Ajustar span (20 mA quando entrada = 100%). - Re-verificar após ajuste.

Certificado de calibração: - Identificação do instrumento (modelo, número de série, gama). - Data + assinatura. - Padrão de referência usado (com seu próprio certificado válido). - Resultados (tabela de pontos). - Erros calculados. - Conclusão (passa / falha). - Próxima calibração prevista.

4.4 Equipamentos de referência

Para temperatura: - Forno seco (Fluke 9143) — temperatura controlada com Pt100 padrão. - Banho de óleo / água — para gamas líquidas. - Calibrador portátil com simulador de termopar/RTD.

Para pressão: - Calibrador deadweight — pesos calibrados aplicam pressão. - Bomba manual + manómetro padrão. - Calibrador electrónico (Fluke 754, Beamex MC6).

Para 4-20 mA: - Calibrador de loop (Fluke 705, 707). - Simula 4-20 mA e mede com precisão.

Para outros: - Padrões específicos por variável.

5. Comunicação industrial

5.1 Hierarquia

ERP / MES (nível empresa)        ──── Ethernet TI
   ↓
SCADA (supervisão)              ──── Ethernet industrial (Profinet, etc.)
   ↓
PLC / DCS (controlo)             ──── Profibus DP / Profinet / EtherCAT
   ↓
Instrumentação de campo          ──── Profibus PA / HART / IO-Link / 4-20 mA

5.2 Profibus PA

Specific para processo: - Intrinsecamente seguro (zonas explosivas ATEX). - Alimentação + dados no mesmo cabo. - Até 31 instrumentos por segmento. - Standard em refinarias, química, farmacêutica.

5.3 IO-Link

Mais moderno: - Ponto-a-ponto entre sensor e gateway IO-Link. - Gateway IO-Link conecta a PLC via Profinet/EtherNet IP. - Sensor reporta valor + diagnóstico + identificação. - Configuração à distância. - Standard universal IEC 61131-9.

Vantagens vs sensor binário tradicional: - Diagnóstico (não só ON/OFF). - Identificação automática. - Mudança de tipo de sensor sem alterar PLC.

5.4 Ethernet industrial

Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP: - Velocidade alta (100 Mbit/s, 1 Gbit/s). - Topologias flexíveis. - Integração com IT. - Cybersegurança crítica.

6. Manutenção e diagnóstico

6.1 Plano

Diária: - Inspecção visual: cabos, conexões, sujidade. - Leituras dentro do esperado.

Mensal: - Verificar drift comparando com referência local. - Limpeza de superfícies sensíveis (lentes ópticas, sensores capacitivos).

Trimestral: - Verificação dos diagnósticos do PLC (instrumentos a reportar erros?). - Termografia dos cabos e conexões.

Anual: - Calibração com instrumento de referência. - Substituição de baterias em sensores wireless. - Verificação de cabos longos.

6.2 Avarias comuns

6.3 Diagnóstico

Tradicional (4-20 mA): - Multímetro: medir corrente real e comparar com valor esperado. - Calibrador de loop: substituir sensor por simulador.

Moderno (HART, fieldbus): - Software (Emerson AMS, Honeywell, Endress+Hauser FieldCare). - Lê diagnósticos do próprio instrumento. - Histórico de drift. - Recomenda calibração / substituição.

Apêndice A · Glossário

• TC — Thermocouple (termopar).
• RTD — Resistance Temperature Detector.
• PT100 — Pt100, resistência de platina 100 Ω a 0 °C.
• NTC, PTC — termístores.
• DP — Differential Pressure.
• HART — Highway Addressable Remote Transducer.
• CJC — Cold Junction Compensation.
• EMI — Electromagnetic Interference.
• LVDT — Linear Variable Differential Transformer.
• Loop 4-20 mA — circuito de corrente standard.
• Span — gama.
• Drift — desvio gradual.
• Acreditação — reconhecimento formal de laboratório (IPAC em PT).

Apêndice B · Fabricantes

Globais: - Endress+Hauser: variável process control. - Siemens (SITRANS): amplo. - ABB: variável. - Emerson (Rosemount, Micro Motion): caudal. - Yokogawa: japonês, qualidade alta. - Honeywell: amplo.

Em Portugal: - Distribuídos por Electromecânica, Tecnirec, Fluke (instrumentação portátil).

Apêndice C · Recursos

• Norma EN 60751: RTD Pt100.
• Norma IEC 60584: termopares.
• Norma EN 60534: válvulas de controlo.
• IPAC (Portugal): instituto português de acreditação.
• Calibrador portátil: Fluke 754 documenting calibrator.
• Software: Fluke DMS, Emerson AMS, Endress+Hauser FieldCare.