Instrumentao e Controle
ENG 233 Ter. e Qui. - 19:00-21:00 Sala 07.03.02
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
Escola Politcnica Departamento de Engenharia Mecnica
Salvador-Ba
2010.2
Professor
Geraldo Natanael
Noes bsicas de automao e controle de processos
1. Conceito bsicos.
2. Controle de Processo.
3. Presso.
4. Temperatura.
5. Nvel.
6. Vazo.
7. Controle.
8. Transmisso.
9. Noes de projeto.
Sumrio Plano de Curso Contedo Programtico
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Medio de vazo
A vazo actualmente a terceira grandeza mais medida em processos industriais, sendo suplantada pela temperatura e pela presso.
Medidor de vazo , por definio qualquer instrumento que mesure o volume de um fluido que passa num escoamento por unidade de tempo.
Podemos identificar o seu uso em quase todas as reas, de residncias a grandes industras.
Medio de Vazo - Introduo 4
Medidores de Vazo
Ao longo da histria, podemos destacar grandes contribuies para o aparecimento destes instrumentos. A primeira foi dada por Leonardo da
Vinci que, em 1502, observou que a quantidade de gua por unidade de
tempo que escoava em um rio era a mesma em qualquer parte,
independente da largura, profundidade, inclinao e outros. Mas o
desenvolvimento de dispositivos prticos s foi possvel com o surgimento
da era industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli, Pitot e
outros.
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Medidores de Vazo
Os medidores de vazo podem-se caracterizar facilmente pelo seu princpio
de funcionamento em 3 categorias:
- Pesagem
- Efeito da Fora de Arrasto
- Equao de Energia
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Pesagem
Baseia-se no fato de que a vazo pode ser determinada a partir do fluxo de massa que atravessa uma seco durante o intervalo de tempo.
Os instrumentos necessrios para efectuar este tipo de medio so uma balana e um cronmetro.
O mtodo apresenta como restries:
- a necessidade de se desviar o fluxo;
- a medio no instantnea, isto , requer tempo para que uma
amostra de fluido seja colectada.
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Efeito da fora de arrasto
Baseia-se no fato da fora de arrasto ser proporcional ao quadrado da velocidade mdia do escoamento na seco. Um dispositivo que
emprega este mtodo denominado Rotmetro.
O Rotmetro constitudo por um tubo transparente cnico graduado, por onde escoa o fluido, e por um flutuador (mais pesado
que o fluido) que se posiciona dentro do tubo cnico em
conformidade com o valor da vazo.
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Equao de Energia
Consiste em se alterar a seco de escoamento para que sejam verificadas variaes nos termos da equao da energia aplicada entre estas seces
de cada tipo de medidor.
Dentre os medidores de vazo que empregam este fundamento destacam-se:
- Vertedouro
- Tubo de Pitot
- Tubo de Venturi
- Placa de Orificio
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Vertedouro
empregado para medio de vazo em canais abertos. Consiste na reduo da seco de escoamento atravs da introduo de uma placa
vertical com a configurao mostrada na figura.
A vazo, obtida pela aplicao da Equao da Energia entre as seces 1 e 2, funo da altura H conforme a relao:
Q=Cw .2/3.2g.H(3/2)
Cw um coeficiente obtido experimentalmente que permite a obteno da vazo real no vertedouro a partir da vazo ideal obtida por meio do modelo
simplificado mostrado na figura.
Nuno Soares, 15/10/2010
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Placa de Orifcio
A placa de orifcio consiste num disco com um orifcio central com sada em ngulo que deve ser montado concntrico ao eixo do conduto cilndrico,
provido de duas tomadas de presso, uma a jusante e outra a montante do
disco, conforme mostra a figura
A medio da diferena de presso p1 p2 pode ser feita por algo simples como um manmetro U e uma tabela ou uma frmula pode ser usada para
calcular a vazo. Ou pode ser coisa mais sofisticada como transdutores
elctricos e o sinal processado por circuitos analgicos ou digitais para
indicao dos valores de vazo.
Nuno Soares, 15/10/2010
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Tubo de Venturi
O tubo venturi um dispositivo composto por:
- um trecho de tubulao de entrada com seco igual do conduto ao
qual est acoplado e onde est instalado um anel piezomtrico para medir
a presso esttica nesta seco;
- uma tubeira convergente que tem por objectivo uniformizar a distribuio
de velocidade na seco circular reduzida, chamada garganta, tambm
munida de um anel piezomtrico para medio de presso esttica;
- uma tubeira divergente que, gradualmente, leva a seco circular da
garganta de volta medida do conduto, conforme mostrado na figura
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Tubo de Pitot
Consiste num tubo com 2 circuitos unidos l dentro um mede a presso dinmica 2 cintica e o outro somente a dinmica. Assim sendo a diferena
entre as 2 presses indica a presso cintica.
Assim, recorrendo equao de Bernoulli, podemos calcular a velocidade do fluido e, posteriormente, a vazo.
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Medio de Nvel - Medio Direta 14
Medio p.
Medio de vazo
em canais abertos
Calha Parshall
O medidor Parshall ou calha Parshall como conhecida, foi
desenvolvida por Palph L.
Parshall em 1920 nos Estados
Unidos, um upgrade j
conhecida calha venturi. Foi
desenvolvida para uso em
irrigaes, mas actualmente
largamente utilizada em
servios de saneamento,
controlo de guas residuais e
em instalaes industriais.
Medio de Vazo - Calha Parshall 16
A Calha Parshall, um medidor de vazo para canais
abertos. Ela constituda de
uma estrutura com paredes
verticais, possuindo na
entrada um trecho
convergente (0-1), um trecho
contrado em declive de
seco constante (1-2), e na
sada um trecho divergente
em aclive (2-3).
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Medio de Vazo - Calha Parshall
Seco Convergente Tem por funo reduzir/adequar a velocidade
do fludo em sua entrada, diminuindo
a possibilidade de turbulncias e
aumentando a capacidade de
preciso de mensurao do
equipamento.
Seco de Estrangulamento (Garganta) - Segunda seco do
equipamento, onde o lquido
submetido a uma concentrao
produzida pelo estreitamento das
laterais e/ou pela elevao do fundo
do canal.
Seco Divergente ou de Alargamento Posicionada na parte final do equipamento, aps seu
estreitamento (garganta), tem por
objectivo propiciar a normalizao do
fluxo do canal.
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Medio de Vazo - Calha Parshall
Construo - dimenses
Os tamanhos das Calhas Parshall
so designados
pelas larguras das
gargantas (trecho
contrado).
Os tamanhos normalizados esto
representados na
tabela ao lado.
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Construo - dimenses
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Construo - materiais
Podero ser fabricados nos seguintes materiais:
- Concreto armado;
- Chapa de ao inoxidvel;
- Chapa de ao carbono revestido;
- Resinas plsticas reforadas com fibra de vidro.
Existem depois vrios tipos de aconselhamento escolha do material, assim como os cuidados a ter no manuseamento desse
mesmo material.
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Seleco de Tamanho
Para a seleco do tamanho da Calha Parshall, devem ser conhecidos os seguintes dados:
- largura do canal na montante e na jusante
- vazes mxima e mnima
- profundidade da gua no canal
- perda de carga admissvel
- previso para vazes futuras
E as seguintes indicaes devem ser atendidas para se obter escoamento livre:
- relao Hb/Ha < 0,6 para medidores at 22.
- relao Hb/Ha < 0,7 para medidores de 30 a 40
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Instalao
A Calha Parshall deve ser instalada precedido montante de um canal rectangular onde o escoamento seja uniforme e minimize sensivelmente as
turbulncias (Aproximadamente 20 x h , sendo h a altura da lmina mxima
na garganta do medidor).
A Calha deve ter o mesmo eixo dos canais de jusante e de montante.
Devero ser previstas vlvulas de bloqueio de vazo a montante e a jusante do sistema com o objetivo de executar manutenes e bloquear
possveis refluxos.
Dever ser instalado um sistema de gradeamento a montante da calha , de forma a evitar a passagem de resduos que possam comprometer o bom
funcionamento do equipamento de medio.
O sistema dever possuir pisos, em volta da calha, com inclinao, de forma que os resduos possam escoar para o seu interior, e ainda possuir
torneira e mangueira para a limpeza geral.
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Instalao
Considera-se adequadamente projectada a Calha Parshall com escoamento livre quando as seguintes condies so satisfeitas:
- Carga total na crista do medidor no superior carga total na seco de
entrada;
- A perda de carga no medidor no superior carga disponvel;
- O intervalo de vazes perfeitamente coberto pelo medidor em questo,
seguindo as faixas de vazes por largura de garganta conforme
apresentadas anteriormente.
Existem mais indicaes, mais pormenorizadas e tecnicamente mais vlidas mas no so constantes, variando com o equipamento e com o uso
que este vai ter.
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Operao
Operando-se com um escoamento livre, basta uma medida Ha para se
conhecer a vazo. Esta medida Ha feita na seco convergente, crista,
localizada a 2/3 da dimenso B ou A.O clculo efectuado recorrendo
seguinte expresso: Q = K x Hn
Nuno Soares, 15/10/2010 25
Valores de K e n
Nuno Soares, 15/10/2010 26
K uma constante que depende das dimenses da calha e ajuste da unidade de engenharia;
n um valor que difere ligeiramente de 3/2
Manuteno
A manuteno deste instrumento bastante simples e reduzida, por fora da simplicidade o prprio instrumento. Para tornar ainda mais simples a
manuteno, verifica-se que a formao de detritos devido a materiais em
suspenso muito baixa.
Alm do aspecto limpeza, observar as condies da calha propriamente dita, pois dependendo do material de construo (se concreto, madeira,
metal ou fibra de vidro) pode ter tempo de vida varivel.
Faz-se tambm uma vistoria s condies da calha cuja periodicidade varia de acordo com o material e condies de operao.
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Fluxograma
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Fluxograma
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DataSheet
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Medio de Vazo em Canais
Abertos - Calha Parshall
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Medio p.
Medio de Vazo em Canais
Abertos - Calha Parshall
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Medio p.
Medio de Vazo em Canais
Abertos - Calha Parshall
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Medio de Vazo em Canais
Abertos - Calha Parshall
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Medio de Vazo em Canais
Abertos - Calha Parshall
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Medio de Vazo em Canais
Abertos - Calha Parshall
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Medio de vazo
Chave de Fluxo Tipo Palheta
Chave de Fluxo - Fluxostato 38
Medidor de Fluxo - Rotmetro 39
So dispositivos utilizados para medir vazes;
rea varivel;
Indicao instantnea e direta;
Transmisso, alarme e controle;
Versteis e econmicos;
Indstria Qumica, Farmacutica, Petroqumica, Alimentcia, Mecnica.
Medidor de Fluxo - Rotmetro
CONSTRUO DOS ROTMETROS
PRINCPIO DO FUNCIONAMENTO DO
ROTMERO
PRINCPIO DO FUNCIONAMENTO DO
ROTMETRO
CONSTRUO DOS ROTMETROS
Os materiais dependem da natureza do fluido;
Simplicidade de construo;
Baixo custo das peas e dos materiais;
TUBO MEDIDOR
BIA
Tamanho
Comprimento
Materiais
Vazo
Presso
Materiais
Densidade
Resistncia
Forma
GAMA DE MEDIDAS
GAMA DE TEMPERATURAS
GAMA DE FLUXOS
GAMA DE PRESSES
0,04 l/h a 150 m3/h para a gua e 0,5 l/h a 3.000 m3/h para o ar
(-20C) e (0C) (121C-177C) tubo de vidro
(177C-260C) tubo metlico
CIRCUITO DE MEDIDA Medidores; Indicadores; Transmissores; Controladores.
Componentes associados:
Bias com ms; Alarme de vazo;
Bobina de indutncia; Reguladores de diferencial;
Sistema pneumtico; Interruptores;
Vlvula controladora.
CALIBRAO
Leituras afetadas pela densidade do fluido;
Alteraes de temperatura, presso e gravidade;
Correo atravs de formulas - Mecnica dos Fluidos;
Fatores de correo;
Biblioteca de tabelas de correo;
Curvas para gases sob diversas condies;
Introduo ao Controle de Processos Industriais
Medio de Variveis de Processo
CRITRIOS PARA SELEO
Caractersticas do fluido:
Densidade
Viscosidade
Condutibilidade
Caractersticas do processo:
Presso
Temperatura
Vazo
Lquido ou gs
Dimenses da rede
Medidor de Fluxo - Rotmetro
SELEO
Especificao do cliente Caracterstica do fluido
Taxa de fluxo Perda de presso
Exatido/Repetibilidade Preo
INSTALAO E MANUTENO
Posio vertical;
Suporte;
Meios de fixao da tubulao;
Dispositivo de segurana;
Poucos cuidados;
Depsitos na bia e no tubo;
Jato de lquido de limpeza adequado;
Periodicamente removido, limpo e examinado
VANTAGENS
Medem fluxo de lquidos e gases;
Perdas mnimas de presso;
Concepo simples;
Fcil de calibrar;
Fugas de entrada e sada praticamente nulas;
Indicao local, sem necessidade de aparelhos auxiliares;
Capacidade de resistncia a corroso e ao desgaste;
Podem ser aplicados diversas situaes;
Fornecem boa exatido e segurana;
No caro.
DESVANTAGEM
Preciso afetada pelos depsitos interiores;
Custo elevado para grandes fluxos;
Fragilidade do tubo de medida;
Bolhas de ar no interior do tubo podem causar erros de leitura;
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ALVES, Jos L., Instrumentao, Controle e Automao de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2006.
BEGA, E. A., Instrumentao Industrial, Editora Intercincia, (2003); FIALHO, A. B., Intrumentao Industrial: Conceitos, Aplicaes e Anlises, 2 ed., Editora Erica, (2004);
MIYAGI, P. E., Controle Programvel - Fundamentos do Controle de Sistemas a Eventos Discretos, Edgard Blcher, (1996); [629.89 M685C];
RIBEIR, Marco Antnio. Instrumentao - 8a Edio 1999 Tek Treinamentos Lta. CAMPOS, Mario Cesar M. M. & TEIXEIRA, Herbert C. G., Controles Tpicos de Equipamentos e Processos Industriais, So Paulo:Blucher, 2006.
CAPELLI, Alexandre. Automao Industrial - Controle do movimento e processos contnuos.
BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner Joo. Instrumentao e fundamentos de medidas VOL.1 Editora: LTC
BRUSAMARELLO, Valner Joo. Instrumentao E Fundamentos De Medidas. Editora: Ltc
SIGHIERI. L.; NISHIARI, A; Controle automtico de processos industriais Instrumentao
http://www.instrumentacao.com - 02.07.09 http://www.levelcontrol.com.br - 02.07.09
Referncias Bibliogrficas
Prof Geraldo Natanael
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