Edição 188 - Controle & Instrumentação

Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 190 – 2013

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De volta ao básico

Se não se pode controlar o que não se mede, tem-se que extrair a verdade do controle automático dos processos. Na indústria, grandezas físicas são constantemente inferidas como forma de monitorar ou controlar - direta ou indiretamente - o estado de um produto - e o mercado disponibiliza diversas tecnologias na área de telemetria, cada vez mais precisas. A medição de pressão é talvez o mais importante padrão de medida, já que as outras medidas como vazão e nível podem ser feitas utilizando-se os mesmos princípios. O objetivo de medir e controlar as diversas variáveis em processos industriais é obter produtos de qualidade, com o melhor rendimento e segurança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor – cada vez mais baixos! Roberto Paulo Teixeira, Diretor Técnico Comercial da T4M, Treinamentos e Consultorias em Automação Industrial e professor da ISA, lembra que uma das definições de pressão dadas pela física, é uma grandeza normalmente definida como força por unidade de área. Em física, aplica-se o conceito geralmente aos fluidos.

Quando um fluido é submetido a forças, exerce-se uma pressão sobre ele. Quanto maior a força, maior a pressão. “A pressão é expressa no Sistema Internacional de Unidades em Newton por metro quadrado (N/m²), unidade também denominada Pascal. Na indústria normalmente utilizamos outras unidades de pressão como mmH2O, mmHg, PSI, Bar, mBar, H2O, Hg, Kgf/cm2, etc.” Segundo Guilherme Shimada, especialista de produto da linha Pressão Eletrônica e Transmissor de Pressão da Wika, pressão é a razão da Força aplicada sobre uma área conforme a fórmula . “Não existem diferentes definições, apenas diferentes tipos de pressão: manométrica, absoluta, arterial entre outras”.

As técnicas de medição de pressão são iguais para todos os segmentos industriais – o que pode mudar, conforme o segmento, é o tipo de conexão ao processo no setor petroquímico, por exemplo, utiliza-se o chamado manômetro petroquímico, já no setor alimentício, utiliza- se o manômetro com conexão sanitária. Mas existem vários dispositivos para medir pressão em um processo, como os pressostatos, manômetros com turbo de Bourdon, colunas líquidas (reta vertical, em “U” e ramo inclinado), foles nos instrumentos pneumáticos, transmissores eletrônicos, etc. Teixeira lembra que hoje em dia encontram-se transmissores de pressão com os vários tipos de sensores, sendo os mais comuns os de célula capacitiva, os piezo-resistivos ou strain gauge, sílico ressonante e piezo-elétrico. Então, na hora de especificar um medidor de pressão, ele aconselha a levantar as seguintes informações: tipo de pressão de trabalho; material do elemento de medição que entrará em contato com o fluido do processo; material do corpo ou caixa do medidor; conexão ao processo; tipo de montagem; pressão estática do processo. no caso de transmissores, se instalados em áreas classificadas, prestar atenção à classificação do invólucro, tipo de conexão elétrica - se houver - tipo de fluído, pressão normal de trabalho, temperatura normal de trabalho, densidade do fluído do processo, viscosidade do fluído do processo.

Determinados os requisitos para uma aplicação específica, escolhe-se um instrumento apropriado considerando, além do material envolvido: Configuração interna: alguns instrumentos têm espaços internos que se enchem de fluido de processo durante a operação. Se o fluido não vai prejudicar o produto, não há problema mas, a maioria das aplicações não permite isso. Existem instrumentos selados para evitar a infiltração de líquidos e manter o mínimo de interrupção do fluxo de processo - um diafragma de isolamento pode ser uma saída; Lugar da instalação: as necessidades de segurança de uma estação de tratamento diferem das de uma refinaria de petróleo. Alguns ambientes exigem instrumentos a prova de explosão ou instrumentação intrinsecamente segura. Se um ambiente explosivo não é a preocupação, a variedade de instrumentos disponíveis é muito maior. Vale lembrar que um instrumento com apenas uma saída 4-20 mA vai pedir diferentes acessórios de um transmissor inteligente com conexão fieldbus, por exemplo;

• Conexão de montagem: normalmente basta uma entrada de linha de tubulação variando de 1 /8 a 1/2 NPT ou BSPT, mas algumas aplicações pedem especificdades sanitárias, tri-braçadeiras e outras opções de flange, além de manifolds para simplificar conexões nos casos de pressão diferencial por exemplo;

• Comunicação : A maioria ainda usa sinais analógicos de 4-20 mA – o que pode pedir condicionamento do sinal adicional para garantir transmissão de confiança. Mas ganham espaço instalações com buses, wireless ou Hart;

• Tecnologia : Há cerca de 10 tecnologias e variações para converter uma pressão em um sinal eletrônico e os fabricantes tendem a empregar uma ou duas tecnologias seguindo uma combinação de atributos de desempenho e aplicabilidade comercial. O manual nem sempre menciona a tecnologia utilizada. O padrão era capacitância, mas os sensores estão sendo otimizados para intervalos específicos e as capacidades dos microprocessadores acabam compensando as fraquezas dos sensores;

• Montagem: a montagem adequada é tão importante quanto escolher o instrumento correto porque instrumentos de pressão são normalmente montados com um dispositivo de fecho, até para que possam ser calibrados, reparados ou substituídos a quente. Em situações não-críticas, um instrumento pode ser montado diretamente no fluxo do produto. A seção da tubulação para o sensor é chamada de linha de impulso e ajuda em situações onde não há espaço suficiente. Mas as linhas de impulso devem ser usadas com cuidado: mantenha-as o mais curto possível; em situações de alta temperatura, na presença de vapor, certifique-se que a linha de impulso pode atuar como um sifão. E existem acessórios que podem simplificar a montagem, ou proteger o instrumento, como um bloqueador da válvula de purga, um amortecedor para retardar o fluxo, um selo de diafragma, etc.

Temperatura

Nos diversos segmentos - químico, petroquímico, siderúrgico, farmacêutico, alimentício, de papel e celulose, elétrico - a monitoração da temperatura é fundamental para a obtenção do produto final especificado. A variável temperatura é a mais medida numa refinaria por exemplo. E temperatura não é igual a calor. Teixeira lembra as diferentes definições: “Temperatura é a grandeza física que caracteriza, de modo objetivo, a sensação de calor ou de frio sentida quando estamos em contato com um material ou, em outras palavras, é a determinação da energia cinética média das moléculas que constituem o material a ser medido. Já calor é a energia térmica em trânsito, em busca de um equilíbrio térmico, ou seja, em outras palavras, é a energia térmica que sai de um corpo de alta temperatura para um de temperatura mais baixa em busca do equilíbrio térmico”.

E aí entram outros conceitos como termometria, que significa medição de temperatura e, eventualmente é aplicado com o mesmo significado, mas, tomando por referência a etimologia das palavras, melhor usar pirometria – medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar; criometria - medição de baixas temperaturas, ou seja, próximas ao zero absoluto de temperatura e termometria - termo mais abrangente que inclui tanto a pirometria quanto a criometria. A energia térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos, e além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância. Calor é energia em trânsito e a literatura reconhece três meios distintos de transmissão de calor: condução, radiação e convecção. Os sensores de temperatura podem medir a temperatura de sólidos, líquidos e gases, nos diferentes segmentos industriais; o que pode mudar é o tipo de montagem ao processo.

Os principais sensores de temperatura utilizados na indústria de processo contínuo são os termopares tipo J, K, entre outros, e termo resistências do tipo Pt-100. E os principais tipos de medidores são os termostatos, termômetros bimetálicos, termômetros e transmissores pneumáticos com Bulbo e Capilar, e os mais utilizados os transmissores eletrônicos. Teixeira ressalta que os sensores de temperatura, no caso dos termopares e das termoresistência, possuem tabelas que mostram os valores de mV e resistência elétrica que os mesmos geram e/ou variam, para cada valor de temperatura que estão sentindo. Estes valores obedecem a várias normas como, IEC, DIN, JIS, ANSI entre outras. “Na hora de se especificar um sensor de temperatura devemos nos preocupar em especificar corretamente os materiais da proteção e das conexões elétricas, capazes de operar na temperatura requerida. O sensor deve ser imerso completamente no processo, no caso das termoresistências.

Na hora da instalação deve-se evitar choques mecânicos, para não danificar os sensores, principalmente no caso das termoresistências, mais sensíveis. Zonas de estagnação ou com baixas velocidades do fluído não devem ser utilizadas devido ao retardo e erros causados pela medição; em locais com ruídos eletromagnéticos, recomenda- se o uso de cabos blindados. É bom evitar a instalação em locais com muita vibração e verificar o limite máximo de temperatura do sensor a ser utilizado. Jamais instalar os sensores próximos a curvas de tubulações nem mesmo na posição perpendicular. No caso de termopares, deve-se ficar atento a polaridade e verificar a pressão de trabalho do local onde o mesmo será instalado”.

Roberto Anazawa, da Siemens, pede atenção à faixa de medição do instrumento e sua acurácia porque estão relacionadas, uma vez que a exatidão é um percentual do fundo de escala. “Uma maior acurácia será obtida quanto mais a pressão de operação do processo estiver próxima da faixa nominal de medição do instrumento. Porém, por boas práticas, é recomendável a manutenção de uma margem de segurança em casos de sobrepressão, avaliando também o oposto, ou seja, não utilizando um instrumento de faixa nominal muito superior ao da faixa de pressão normal da aplicação”. Então, deve-se considerar o tipo de aplicação, qual o dispositivo a ser medido, se o instrumento estará ao ar livre ou em uma sala/gabinete, etc. Verificar se pode gerar temperaturas superiores a 100 ° C - a maioria dos termopares pode lidar com esta faixa de temperatura, mas algumas aplicações superam em muito esse limite. E existem supercondutores para temperaturas muito baixas, em torno do zero absoluto ou - 273 º C, de modo que o sensor deve ser capaz de suportar o clima sub-congelamento. A tabela a seguir apresenta um resumo dos tipos de termopares e seus intervalos.

Tipo de termoresistências

Outra consideração é a área disponível para o sensor: é preciso espaço suficiente para a montagem do sensor selecionado. Eduardo Toselli, coordenador de produto da Contemp, lembra que, pela temperatura o aparelho é definido pelo sinal do sensor utilizado exemplo: termopar, Pt-100, Pt-1000 etc. “E, quanto ao sensor a ser utilizado devemos saber cinco pontos (isso para sensores de temperatura): a) Temperatura de processo; b) pressão do processo; c) Analisar a questão de corrosão no processo em relação ao sensor e sua proteção; d) analisar a questão de abrasão no processo em relação ao sensor e sua proteção; e) ressonância da haste de proteção em relação ao fluido levando em consideração a sua velocidade, temperatura, pressão, densidade, viscosidade, comprimento e diâmetro da haste”. O sensor de temperatura mais utilizado é o termopar porque que termopares têm baixo custo, são resistentes, podem ser monitorados a longas distâncias, são auto-alimentados e que existem muitos tipos disponíveis para cobrir uma vasta gama de temperaturas e diferentes ligas permitem diferentes alcances e sensibilidades da medição.

Uma propriedade importante dos termopares é a sua não linearidade, ou seja, a tensão de saída do termopar não é linear em relação à temperatura. Termopares consistem de dois metais diferentes, que se juntam numa extremidade e não na outra e operam sob o princípio do efeito termoelétrico. Termopares têm muitas vantagens e uma delas é que não têm necessidade de fonte de alimentação externa. Mas também exigem uma junta fria de compensação (CJC), seus sinais de tensão são baixos, requerendo técnicas cuidadosas para eliminar o ruído e deriva e sua precisão está na faixa de 1% a 3%, dependendo da liga de que é feito. Outro sensor de temperatura muito usado, e mais preciso, é o RTD, no qual a resistência do instrumento é proporcional à temperatura.

O material mais comum para RTDs é a platina, mas também encontram-se de outros metais, como níquel ou cobre. RTDs podem medir a temperaturas entre -270 º C a 850 º C. Um RTD percisa de um estímulo externo, normalmente, uma fonte de corrente, por exemplo, para funcionar corretamente – mas como a corrente gera calor, provoca um erro na medição, calculado pela fórmula: Delta T = P x S onde T é a temperatura, P é o quadrado da potência gerada, S é graus/milliwatt. Existem várias técnicas para a medição de temperatura com um RTD. Uma delas é o método de dois fios onde se força uma corrente através do RTD e se mede a tensão resultante – isso é simples e fácil de implementar mas a resistência pode introduzir algum erro. Um aperfeiçoamento desse método de dois fios é o método de três fios, em que também é usada uma corrente e a tensão é medida.

No entanto, um terceiro fio proporciona compensação para a resistência. Uma terceira técnica é o método com quatro fios, geralmente encontrado em laboratórios de calibração. Mas aqui a corrente é forçada através de um conjunto de fios enquanto a tensão é detectada no outro conjunto, o que compensa a resistência do condutor e a tensão é detectada no elemento resistivo, não no mesmo ponto da corrente, ou seja, a resistência do fio de ensaio não é parte da real medição de tensão. RTDs, como termopares, são não lineares, ou seja, eles também precisam de alguma linearização, que é normalmente feita por meio de fatores de correção. Eles também requerem uma fonte. E RTDs são mais caros do que termopares. Ao utilizar RTDs, é comum o auto-aquecimento, que pode resultar em imprecisão da medição. Se a medição for de baixa temperatura (abaixo de 0 º C), o calor gerado a partir do próprio RTD pode desclassificar a temperatura esperada. Além disso, se não houver nenhuma compensação para os terminais de teste, mais erros podem ser introduzidos. Então, o método de quatro fios ajuda a eliminar este tipo de erro. Um outro sensor de temperatura comum é o termistor que, como um RTD, altera a resistência como alterações de temperatura. Mas o termistor oferece maior sensibilidade do que RTDs.

A maioria dos termistores têm um coeficiente de temperatura negativo, oq eu faz com que a resistência diminua quando a temperatura aumenta. Termistores também exigem uma correção de fator – aA equação de Steinhart-Hart é utilizada para ajudar nisso. Segundo Guilherme Shimada, da Wika, “de modo geral a escolha do range depende da pressão do processo em que você tenha a necessidade de uma medição, o ideal é sempre trabalhar no meio faixa do instrumento, por exemplo, se você precisa medir uma pressão de 10 bar o ideal é que compre um manômetro ou transmissor de range de 20 bar. Já a escolha da acurácia ou exatidão varia muito de acordo com a necessidade porque, quanto mais preciso maior o preço do instrumento”.

Evolução e Normas

A medição das variáveis pressão e temperatura não tem mudando. Na realidade o que tem evoluído muitos são os transmissores, que agora vêm com diagnósticos que podem ser utilizados pelos usuários para facilitar a manutenção preventiva e preditiva do próprio instrumento. Os requisitos de manutenção e calibração variam com base no instrumento e nas necessidades do processo. Um dispositivo de qualidade hoje pode operar por anos mas, numa aplicação crítica, onde a precisão é fundamental, a calibração periódica é obrigatória. Há que tomar cuidado para que as tentativas de melhorar o desempenho não o torne pior: instrumentos de bons fabricantes que pedem atenção constante provavelmente estão danificados ou foram montados de forma errada.

O termo instrumento inteligente descreve um dispositivo capaz de mais funções do que apenas o envio de uma variável de processo e trouxe para o campo das medições os transmissores multi-variáveis que, segundo o professor Teixeira, são modernos computadores que além de medir a vazão, medem a pressão estática e a temperatura do fluído do processo e através de cálculos matemáticos determinam a vazão compensada destes fluídos. Newton Bastos, gestor de negócios da Presys Instrumentos, conta que a empresa desenvolve e fabrica instrumentos de multi-entradas e calibradores multifuncionais para medir e calibrar processos e aplicações que possuem diversos tipos diferentes de sinais. indicadores microprocessados multi-ponto, aquisitores de dados multi-canais integrados a software supervisórios são muito utilizados nas indústrias - no segmento de metrologia, os Multicalibradores são sempre lembrados para estas aplicações. Medidores multivariaveis são utilizados na medição gases e vapores, mas a densidade do fluido variará dependendo da pressão e da temperatura.

Por isso, é preciso efetuar a correção com compensação para essa variação. Sabendo que a vazão mássica = vazão volumétrica x densidade, podemos utilizar na medição de vazão mássica, para termos a referencia da densidade. E se uma característica dos novos produtos é a inteligência, isso significa que as funcionalidades dos sensores devem ser reforçadas com processamento de dados adicional! Diferentes realidades pedem um esforço maior das tecnologias e mesmo sensores e instrumentos de pressão e temperatura, já bem acomodados, têm que aumentar seu desempenho por conta de ambientes críticos como o Ártico e as águas profundas – novas fronteiras de exploração de petróleo e gás. E aí nem todos os fabricantes oferecem soluções – ainda.

Uma novidade da ABB tenta diminuir a complexidade de escolher instrumentos no setor de óleo e gás onde operadores frequentemente trabalham em condições extremamente adversas e perigosas - e especificar o equipamento certo para fornecer um serviço seguro e confiável pode ser algo complexo e demorado. Com a ferramenta on-line da ABB, a especificação de instrumentos de temperatura fica simplificada. As opções incluem designs convencionais soldados e usinados, além de poços termométricos Van Stone e forjados juntamente com uma variedade de materiais exóticos que raramente são encontrados em outros fabricantes. O processo de especificação tanto para o sensor TSP411 quanto para o poço termométrico TSW400 pode ser feito de forma simples ao selecionar o item disponível por meio da ferramenta on-line Product Selection Tool que gera desenhos de forma automática, permitindo que os instrumentos sejam configurados de forma rápida e precisa para atender às especificações necessárias e, como segurança é sempre a prioridade máxima, o processo de seleção monta produtos que podem se encaixar perfeitamente nos cálculos necessários para determinar a relação entre frequência e vórtices de acordo normas ASME PTC 19.3 TW 2010, e então calcular as tensões no sistema proposto, com base no projeto escolhido e nas condições do processo, dando a Aprovação/Reprovação para a proposta de instalação. Uma coisa que muitos dos novos produtos têm em comum é a descentralização de funcionalidades inteligentes para o sensor, seja na forma de comunicação ou através de processamento de dados internos - o mostra um afastamento do conceito de menor-mais barato-mais exato que foi meta dos fabricantes de sensores nos últimos anos.

A Roxar, por exemplo, possui instrumentos para medição submarina e tanto a pressão quanto a temperatura são medidos simultaneamente em um ponto comum através de uma ponte de acoplamento padrão, e o sinal de pressão é acoplado a uma leitura de temperatura de compensação - eliminando inexatidões que possam ocorrer devido a gradientes de temperatura. Daniel Marcos, engenheiro mecatrônico de subsea do Centro de Tecnologia da FMC na América do Sul, lembra que os sensores de pressão e temperatura de processos submarinos devem suportar a pressão de lâmina d’água, além da pressão de processo, normalmente bem superiores às encontradas em superfície. “Quanto a requisitos de confiabilidade, disponibilidade e MTTF, estes são normalmente superiores àqueles utilizados em instrumentação topside. Sensores subsea são feitos para trabalharem por 25 anos, obviamente operando em condições de trabalho recomendadas. São qualificados de acordo com a Norma ISO 13628-6 (para sistemas de controle na área de petróleo), que exige testes de vibração, choque, temperatura específicos. E, em termos de fixação, utiliza-se o flange normatizado pela API 17D, com vedação metal-metal (anel BX)”. Newton, da Presys, lembra que existem várias normas relacionadas a medição de temperatura e cita a NF E18-100 - Time-temperature indicators and integrators - Tests and performance, a IEC 65B/873/FDIS, a IEC 60584-1- IEC 60584-1, Ed. 3: Thermocouples - Part 1: Ed. 3.0: EMF specifications and tolerances e a IEC/TS 62492-2 - Industrial process control devices - Radiation thermometers – Part 2, Determination of the technical data for radiation thermometers. “É sempre bom avaliar a aplicação e o instrumento a ser utilizado e suas diretrizes normativas”, ressalta ele, completando que, para medição de pressão encontram-se no site do Inmetro vários documentos com de caráter orientativo, como orientação para a realização de calibração de medidores de pressão - DOQ-CGCRE-017. “Também existe a NR-13 para calibração em vasos de pressão, importante na questão das válvulas de segurança e pressostatos.

A NR-13 é a norma regulamentadora 13 do Ministério do Trabalho e Emprego do Brasil, e tem como objetivo condicionar inspeção de segurança e operação de vasos de pressão e caldeiras”. Para medição de pressão, a Fluke indica a NBR 14105 para instrumentos analógicos e ASMI 40.3 para digitais. E, para medição de temperatura lembra a ASTME220; ASTM-E230, IEC 60751; ASTM-E2847 e ITS90. Ismael Duarte Júnior, especialista de produto da linha Temperatura Elétrica Termopares e Termorresistências ressalta que, além da IEC / EN 60584-1 é bom lembrar da IEC / EN 60751-2008 - Industrial platinum resistance thermometers and platinum temperature sensors. De modo geral, Roberval Bulgarelli, consultor técnico da Petrobras - Refinaria Presidente Bernardes e Coordenador do Subcomitê SC-31 do Cobei, aponta a Norsok - instituição aplicada à indústria da Noruega para a indústria do petróleo – como referência na hora de saber mais sobre as normas para os instrumentos utilizados na indústria de petróleo e gás. Mas também lembra de outras Normas que podem ser consultadas, como a ISO 4126-9 - Safety Devices for Protection against Excessive Pressure - Part 9: Application and Installation of Safety Devices Excluding Stand-Alone Bursting Disc Safety Devices; a API RP 551 - Process Measurement Instrumentation e, mais geral, a Norma Petrobras N-1882 (2011) - Critérios para elaboração de projetos de instrumentação, que pode ser encontrada para download gratuito (http://www.petrobras.com.br/canalfornecedor/portugues/requisitocontratacao/ requisito_normastecnicas.asp). Bulgarelli ressalta que, especificamente para instalação em ambientes submarinos, ainda não foi estipulada norma específica.

A Nomenclatura

Sensor, transmissor e transdutor são coisas diferentes: O sensor é como uma membrana de componentes eletrônicos que cria um sinal bruto e não é suficiente para operar. O transdutor é um sensor eletrônico com suporte para amplificar e traduzir o sinal bruto num formato útil, como 4-20 mA. Um transdutor simples pode ser suficiente. O transmissor é um sensor com suporte eletrônico mais sofisticado capaz de comunicar a variável do processo em formato analógico ou digital. O transmissor inteligente é um transmissor com capacidade de medição de variáveis de diagnóstico e complementares adicionais. Instrumento é um termo menos específico que pode abranger transdutores, transmissores e outros dispositivos.