Instrumentação é a ciência da medição e controle automatizados. Aplicações desta ciência são abundantes em pesquisa moderna, indústria e vida cotidiana. De sistemas de controle de motores de automóveis a termostatos domésticos a pilotos automáticos de aeronaves para a fabricação de medicamentos, usinas de energia, petróleo e gás, refinarias, etc. e automação nos rodeia.
O primeiro passo, naturalmente, é a medição. Se não podemos medir algo, é realmente inútil tentar controlá-lo. Esse “algo” geralmente leva uma das seguintes formas na indústria:
Geração de pressão;
Taxa de fluxo;
Temperatura de objetos;
Armazenamento de fluido e ou sólidos;
Concentração química;
Posição da máquina, movimento ou aceleração;
Dimensão (s) física (s) de um objeto;
Contagem(inventário) de objetos;
Voltagem elétrica, corrente ou resistência etc...
Uma vez que medimos a quantidade em que estamos interessados, geralmente transmitimos um sinal representando essa quantidade para um receptor sistema PLC / DCS onde ocorre uma ação humana (manual) ou automatizada. Se a ação de controle é automatizada, o PLC / DCS envia um sinal para um dispositivo de controle final que influencia a quantidade sendo medida.
Este dispositivo de controle final geralmente usa uma das seguintes formas:
Válvula de controle (para estrangular o fluxo de um fluido)
Motor elétrico
Aquecedor elétrico etc ...
Tanto o dispositivo de medição quanto o dispositivo de controle final se conectam a algum sistema físico que chamamos de processo. Para mostrar isso como um diagrama de blocos geral:
O termostato doméstico comum é um exemplo de sistema de medição e controle, com a temperatura interna do ar da casa sendo o “processo” sob controle. Neste exemplo, o termostato geralmente tem duas funções: sensoriamento e controle, enquanto o aquecedor da casa adiciona calor à casa para aumentar a temperatura e / ou o ar-condicionado da casa extrai o calor da casa para diminuir a temperatura. A função desse sistema é manter a temperatura do ar para uma condição confortável Através aquecedor ou o condicionador de ar agindo para corrigir a temperatura mantendo próximo do valor desejado (chamado de setpoint).
Sistemas de medição e controle industriais têm seus próprios termos e padrões exclusivos, que é o foco principal deste artigo. Aqui estão alguns termos de instrumentação comuns e suas definições:
Processo: o sistema físico que estamos tentando controlar ou medir. Exemplos: sistema de filtração de água, sistema de fundição de metal fundido, caldeira de vapor, unidade de refinaria de petróleo, unidade de geração de energia.
Variável de processo ou PV: a quantidade específica que estamos medindo em um processo. Exemplos: pressão, nível, temperatura, vazão, condutividade elétrica, pH, posição, velocidade, vibração.
Setpoint, ou SP: O valor pelo qual desejamos que a variável de processo seja mantida em. Em outras palavras, o valor de "alvo" para a variável de processo.
Elemento sensor primário (PSE) ou (PE) Elemento primário : Um dispositivo que “sente” diretamente a variável do processo e traduz essa quantidade sentida em uma representação analógica (tensão elétrica, corrente, resistência; força mecânica, movimento, etc.). Exemplos: termopar, termistor, tubo de bourdon, microfone, potenciômetro, célula eletroquímica, acelerômetro.
Transdutor: Um dispositivo que converte um sinal padronizado em outro sinal de instrumentação padronizado e / ou realiza algum tipo de processamento naquele sinal. Frequentemente referido como “conversor” e algumas vezes como “relé”. Exemplos: Conversor I / P (converte sinal elétrico 4-20 mA em sinal pneumático 3-15 PSI), conversor P / I (converte sinal pneumático 3-15 PSI em Sinal elétrico de 4-20 mA).
Nota: no jargão geral da ciência, um “transdutor” é qualquer dispositivo que converte uma forma de energia em outra, como um microfone ou um termopar. Na instrumentação industrial, no entanto, geralmente usamos “elemento sensor primário” para descrever esse conceito e reservamos a palavra “transdutor” para referir-se especificamente. Em instrumentação o termo “conversor” seria para uso de conversão de sinais padrão a um dispositivo de conversão para sinais de instrumentação padronizados.
Transmissor: Um dispositivo que transforma o sinal produzido por um elemento sensor primário (PSE) em um sinal padronizado de instrumentação, como pressão de ar 3-15 PSI, corrente elétrica 4-20 mA DC, pacote de sinal digital Fieldbus, etc., que pode então ser transportado para um dispositivo indicador, um dispositivo de controle ou ambos.
Valores de intervalo inferior e superior, abreviado LRV e URV, respectivamente: os valores de medição do processo considerados como 0% e 100% do intervalo calibrado do transmissor. Por exemplo, se um transmissor de temperatura for calibrado para medir uma faixa de temperatura entre de 300 graus Celsius e 500 graus Celsius, seu LRV seria de 300 ºC e seu URV seria de 500 ºC.
Zero e Span: descrições alternativas para LRV e URV para os pontos 0% e 100% do intervalo calibrado de um instrumento. "Zero" refere-se ao ponto inicial do intervalo de um instrumento (equivalente a LRV), enquanto "span" refere-se à largura do seu intervalo (URV - LRV). Por exemplo, se um transmissor de temperatura for calibrado para medir uma faixa de temperatura começando em 300 graus Celsius e terminando em 500 graus Celsius, seu zero seria 300 graus C e seu alcance seria 200 graus centígrados.
Controlador: Um dispositivo que recebe um sinal de variável de processo (PV) de um elemento de detecção primário (PSE) ou transmissor, comparando esse sinal com o valor desejado (chamado de setpoint) para essa variável de processo e calculando um valor de sinal de saída apropriado a ser enviado a um elemento de controle final (FCE), como um motor elétrico ou uma válvula de controle.
O controlador pode ser um dispositivo físico ou uma lógica soft criada em sistemas PLC / DCS. Usamos principalmente controladores lógicos soft de sistemas PLC / DCS onde dispositivos de entrada e saída reais são conectados a estes controladores de soft.
Elemento Final de Controle ou FCE(Final Control Element): Um dispositivo que recebe o sinal de saída de um controlador para influenciar diretamente o processo. Exemplos: motor elétrico de velocidade variável, válvula de controle, aquecedor elétrico.
Variável Manipulada, ou MV: A quantidade em um processo que ajustamos ou manipulamos para influenciar a variável de processo (PV). Também usado para descrever o sinal de saída gerado por um controlador; isto é, o sinal comandando (“manipulando”) o elemento de controle final para influenciar o processo.
Modo automático: Quando o controlador gera um sinal de saída com base na relação da variável de processo (PV) para o setpoint (SP).
Modo manual: quando a capacidade de tomada de decisão do controlador é ignorada para permitir que um operador humano determine diretamente o sinal de saída enviado para o elemento de controle final.
Agora vamos explorar alguns exemplos práticos de sistemas de medição e controle para que você possa ter uma idéia melhor desses conceitos fundamentais no próximo artigo.
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