UC02939 · Instrumentação industrial

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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:
3. Aplicar entrada (subindo).
4. Esperar estabilização.
5. Registar leitura do instrumento.
6. Repetir descendo (100% → 0%).
7. Calcular:
8. Erro = leitura - valor real.
9. Erro relativo = erro / span × 100%.
10. 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.