Bloco 1 · Princípios

Conceitos básicos

Instrumentação: medição e controlo de variáveis físicas em processos industriais.

Variáveis típicas:

• Temperatura (T).
• Pressão (P).
• Caudal (Q).
• Nível.
• Posição / deslocamento.
• Velocidade.
• pH, condutividade.
• Humidade.
• Outras (gases, vibração, força).

Cadeia de medição

Variável física → Sensor → Transmissor → Sinal padrão → Controlador → Actuador

• Sensor: detecta variação física (termopar, célula de carga).
• Transmissor: amplifica e converte para sinal padrão.
• Sinal padrão: 4-20 mA (analógico), 0-10 V (analógico), digital (HART, Profibus).
• Controlador: PLC, DCS.
• Actuador: válvula, motor, aquecedor.

Características dos instrumentos

• Gama (span): de mín a máx.
• Resolução: menor variação detectável.
• Precisão (accuracy): erro vs valor real.
• Repetibilidade: consistência de medições repetidas.
• Linearidade: relação entrada-saída.
• Tempo de resposta.
• Drift: desvio ao longo do tempo.

Bloco 2 · Sensores principais

Temperatura

Termopares (TC):

• Junção de 2 metais diferentes gera tensão proporcional a T.
• Tipos: K (Ni-Cr/Ni-Al, -200 a 1370 °C), J (Fe/Cu-Ni), T, S, R.
• Robustos, baratos.
• Tensão pequena (mV) — necessita amplificação.

RTD (Resistance Temperature Detector):

• Pt100 (resistência de platina 100 Ω a 0°C).
• Mais preciso que TC.
• Gama -200 a 600 °C.

Termístores:

• Semicondutores; NTC ou PTC.
• Alta sensibilidade.
• Pequena gama.

Infravermelho (pirómetros): sem contacto.

Pressão

Manómetro mecânico (Bourdon): tradicional, leitura visual.

Sensor piezoeléctrico: variação de capacitância ou resistência com deformação.

Transmissor de pressão: saída 4-20 mA proporcional à pressão.

Gamas: vácuo, baixa pressão (mbar), média (bar), alta (centenas de bar).

Aplicações: tanques, tubagens, sistemas hidráulicos, pneumáticos.

Caudal

• Roda de pás (turbina): mecânico, pulsos por volta.
• Vortex: detecta vortices em barra obstáculo.
• Magnético (electromagnético): para líquidos condutores.
• Ultrasónico: sem contacto, ondas de pressão.
• Coriolis: medição de massa (não volume).
• Diferencial de pressão (placa orifício + transmissor DP).

Cada tipo tem aplicações específicas.

Nível

• Bóia mecânica: simples, switch.
• Capacitivo: sem contacto, alta sensibilidade.
• Pressão hidrostática: pressão proporcional à altura de líquido.
• Ultrasónico: sem contacto, mede distância à superfície.
• Radar: precisão alta, mesmo com vapores.
• Pesagem: célula de carga sob o reservatório.

Posição

• Indutivo (proximity sensor): detecta metais.
• Capacitivo: qualquer material.
• Fotoeléctrico: barreira, reflexivo, difuso.
• Encoder:
  • Incremental: pulsos por volta. Posição relativa.
  • Absoluto: posição única para cada ângulo.
• LVDT (Linear Variable Differential Transformer): posição linear precisa.
• Lasers: distância sem contacto, alta precisão.

Bloco 3 · Sinais

4-20 mA (standard analógico)

• 4 mA = 0% (mínimo da gama).
• 20 mA = 100% (máximo).
• < 4 mA = avaria (cabo cortado, sensor falhou) → diagnóstico imediato.
• Resistente a perdas em cabos longos (corrente).
• Standard mundial em processo.

0-10 V

Alternativa analógica:

• 0 V = 0%, 10 V = 100%.
• Mais sensível a ruído eléctrico que 4-20 mA.
• Melhor para distâncias curtas.

Sinais digitais

• NPN/PNP (24 V CC).
• Open collector.
• TTL (5 V).
• HART: digital sobreposto a 4-20 mA.
• Profibus PA: fieldbus em processo.
• EtherNet/IP, Profinet, Modbus TCP: Ethernet industrial.

Bloco 4 · Calibração

Princípio

Comparar instrumento sob teste com referência (padrão) de precisão superior.

Frequência:

• Mensal: instrumentos críticos.
• Anual: standards.
• Após manutenção.
• Após suspeita de drift.

Procedimento

1. Conectar instrumento a referência calibrada.
2. Aplicar sinais conhecidos:
   • 0%, 25%, 50%, 75%, 100% da gama.
3. Registar leituras do instrumento vs referência.
4. Calcular erro:
   • Erro = leitura - real.
   • Erro relativo = erro / gama × 100%.
5. Ajustar zero e span se erro > tolerância.
6. Re-verificar após ajuste.
7. Emitir certificado de calibração.

Equipamentos de referência

• Calibrador de pressão (gerador + manómetro padrão).
• Calibrador de temperatura (bloco aquecido / forno + RTD padrão).
• Calibrador de loop 4-20 mA (Fluke 754).
• Padrões de massa (para células de carga).

Reference equipment certificado por laboratório acreditado (IPAC em Portugal, ENAC em Espanha).

Bloco 5 · Comunicação

Fieldbus

Bus de comunicação digital em processo:

• HART: clássico, em cima de 4-20 mA.
• Profibus PA: standard europeu em processo.
• Foundation Fieldbus: alternativa americana.
• AS-Interface: para sensores e actuadores binários.
• IO-Link: comunicação ponto-a-ponto moderna.

Vantagens fieldbus

• Diagnóstico avançado: instrumento reporta estado, erros.
• Configuração à distância: parametrizar sem deslocar.
• Cabo único para múltiplos instrumentos.
• Manutenção preditiva integrada.
• Calibração remota (alguns modelos).

Ethernet industrial

Tendência moderna: Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT.

• Velocidade alta (100 Mbit/s, 1 Gbit/s).
• Topologias flexíveis (estrela, anel).
• Integração com IT (cloud, BI, IoT).
• Cybersegurança crítica.

Bloco 6 · Manutenção

Plano

Diária:

• 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.
• Termografia.

Anual:

• Calibração com instrumento de referência.
• Substituição de baterias (sensores wireless).
• Verificação de cabos longos.

Avarias comuns

Vida útil

• Termopares: 5-15 anos.
• RTD Pt100: 10-20 anos.
• Pressão piezoeléctrico: 5-10 anos.
• Caudalimetros mecânicos: 5-10 anos.
• Magnéticos / ultrassónicos: 10-15 anos.
• Sensores ópticos: 5-10 anos.

Substituição preventiva ao atingir 80% da vida útil (caso crítico).