Classificação dos instrumentos de medição

As principais classificações dos instrumentos de medição são pela função, sinal transmitido ou suprimento e o tipo de sinal.

• Classificação por função

Os instrumentos de medição podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa no processo. Damos o nome de malha à associação destes instrumentos, sendo que cada um exerce uma função dentro dessa malha.

Podemos então classificar os instrumentos que compõe uma malha por função conforme figura abaixo:

Componentes de uma malha de instrumentação

Tabela 1- Definição dos instrumentos

Instrumento	Definição
Sensor	Dispositivo que converte uma variável física (pressão, vazão, temperatura) em uma quantidade analógica, geralmente mecânica (deslocamento) ou elétrica (tesão ou resistência elétrica). O sensor em si não é um instrumento, mas é componente de um, podendo ser de um indicador, registrador, transmissor, etc. Geralmente o sensor está em contato com o processo para detectar a variável. Outros nomes comuns são: Elemento sensor, elemento primário, probe (em tradução livre, sonda), a entrada e saída do sensor são ambos não padronizados.
Transmissor	Instrumento que tem a função de converter os sinais do sensor em outra forma de energia padronizada, para ser enviada a distância. Os sinais analógicos padronizados normalmente tem a relação 5:1 (divide-se o maior valor pelo menor, o resultado é essa relação 5:1), 4 a 20 mA, 1 a 5 V, 0,2 a 1 bar, 20 a 100 kPa,  3 a 15 PSI, entre outras, também temos a transmissão digital utilizando protocolos de comunicação como: HART, FIELDBUS, PROFIBUS, AS-I entre outras. A entrada de sinal é não padronizada e a saída é sempre padronizada.
Indicador	Instrumento que tem como função indicar a variável de processo, podendo ser analógico, digital ou ambos. Só é possível indicar o valor instantâneo da variável.
Registrador	Instrumento que registra graficamente os valores instantâneos medidos ao longo do tempo, podendo ser o registro físico ou digital. O nome dado ao elemento que executa o registro é chamado de “pena”, esse nome surgiu no registrador físico e continua nos registradores digitais.
Transdutor	Instrumento que converte uma energia elétrica em outra como conversores A/D ou D/A é chamado de conversor. Transdutor, para instrumentação, é o instrumento que converte um sinal padrão de uma natureza em um sinal padrão de outra natureza, por exemplo, transforma corrente em pressão (I/P) ou pressão em corrente (P/I) termos.
Integrador	Instrumento que indica o valor integrado (acumulo dos valores instantâneos) medidos em função do tempo. Na operação de integração o sinal analógico é convertido em pulsos e esses pulsos são contados por um contador, também chamado de acumulador.
Controlador	Instrumento que opera automaticamente com a finalidade de regular uma variável controlada. O controlador mais comum é o de realimentação negativa que compara o valor medido (entrada do controlador) com o desejado (set point) e gera um sinal de correção (saída do controlador) que é uma função matemática da diferença dos valores medido e desejado. Os controladores podem ter algoritmos poderosíssimos de controle, ou mesmo estratégias de controle mais elaboradas que o da realimentação negativa.
Elemento final de controle	Elemento que a função é modificar o valor de uma variável (manipulada) para levar o processo (variável de controle) a um valor desejado, sendo que seu comando de atuação é enviado pela saída do controlador.

• Classificação por sinal transmitido ou suprimento

Os equipamentos poder ser agrupados conforme o ripo de sinal transmitido ou seu suprimento. Abaixo estão descritos os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.

• Pneumático

É utilizado um gás comprimido, cuja pressão varia correlacionando com o valor que deseja representar. A pressão do gás é linearmente manipulada, dentro de uma faixa específica padronizada, para correlacionar (colocar em relação) ou representar uma grandeza de seu limite inferior ao seu limite superior. Normalmente o padrão segue a relação 5:1 sendo os sinais: 0,2 a 1 bar, 3 a 15 PSI. 20 a 100 kPa.

Os sinais de transmissão analógico começam normalmente com um valor acima de zero para se ter segurança em caso de rompimento de comunicação.

Os gases mais usados são: ar comprimido e N2, em casos específicos são utilizados outros gases.

Vantagens

São instrumentos que podem trabalhar em áreas classificadas (onde tem risco de explosão por conter produtos inflamáveis no local) com total segurança, já que instrumentos pneumáticos não geram centelhas;

Normalmente são equipamentos com maior durabilidade.

Desvantagens

Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outros gases) para funcionamento;

Necessita de equipamentos para geração e sistema de tratamento de ar até chegar ao instrumento como compressor, filtro, desumidificador entre outros, para fornecer ar seco (preservando o instrumento) e sem partículas sólidas;

Vazamentos difíceis de detectar ao longo da tubulação;

Não permite comunicação direta com os computadores;

Precisa de profissionais com domínio de pneumática, conhecimento específico e treinamento adequado para manutenção e calibração de instrumentos pneumáticos.

• Hidráulico

Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalente, o tipo hidráulico também utiliza-se da variação de pressão exercida, porém seu suprimento é o óleo hidráulico para a transmissão de sinais. É especialmente utilizado em aplicações onde o torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas.

Vantagens

Pode gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensões;

Resposta rápida.

Desvantagens

Necessita de tubulações de óleo para transmissão;

Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca;

Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatórios, filtros, bombas, etc..

• Elétrico

Esse tipo de transmissão é feito utilizando sinais de corrente ou tensão.

Hoje é o tipo  de sinal mais utilizado, devido tecnologia disponível e ampla fabricação de instrumentos eletrônicos micro processados. O valor de corrente ou tensão também tem correlação com a variável desejada, estando padronizado linearmente nas faixas de limite inferior e limite superior. Como padrão de sinais a longa distância são utilizados sinais de corrente contínua variando de 4 a 20 mA e para distâncias pequenas, até 15 metros aproximadamente, também utiliza-se sinais de tensão contínua de 1 a 5 V.

Vantagens

Permite transmissão a longas distâncias sem perdas;

A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão (instrumentos de baixa potência);

Permite fácil conexão aos computadores;

Fácil instalação;

Facilidade em operações matemáticas.

O sinal (4 a 20 mA) pode ser lido por mais de um instrumento ligado em série, existindo um limite quanto a soma das resistências internas dos instrumentos, que não deve ultrapassar um valor que prejudique o sinal, estipulado pelos fabricantes.

Desvantagens

Necessita de técnico especializado para instalação e manutenção;

Necessita de instrumentos especiais para instalações localizadas em áreas classificadas;

Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais;

Os cabos devem ser protegidos contra ruídos elétricos.

• Digital

Nesse tipo, pacotes de informações sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor e receptor de informação seja realizado com êxito é utilizado o protocolo de comunicação, sendo que existem diversos protocolos padronizados.

 

Vantagens

Não necessita de ligação pontual de instrumento;

Pode utilizar par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados;

Imune a ruídos externos;

Permite configuração, diagnóstico de falha e ajuste em qualquer ponto da malha, em rede;

Menor custo final.

Desvantagens

Existem vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes;

Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação ou controle de várias malhas.

• Via rádio

Neste tipo, o sinal ou pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádios em uma faixa de frequência específica.

Vantagens

Não necessita de cabos;

Pode enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.

Desvantagens

Alto custo inicial;

Precisa de profissionais altamente qualificados e especializados.

• Via modem

A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em frequência, fase ou amplitude.

Vantagens

Baixo custo de instalação;

Podem-se transmitir dados a longas distâncias.

Desvantagens

Precisa de profissionais altamente qualificados e especializados.

Baixa velocidade na transmissão de dados;

Sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações.

O instrumentista

Assim como em qualquer outra área que possui seu profissional formado, o instrumentista é o profissional que trabalha com a instrumentação.

Podemos ter algumas divisões como engenheiro de instrumentação, técnico em instrumentação, instrumentista, mas todos esses profissionais estão voltado para essa mesma área.

O que faz um instrumentista?

Afinal de contas o que será que um instrumentista faz?

Ele é responsável por especificar, montar, testar, manter, comissionar e conservar a integridade e qualidade dos instrumentos utilizados no processo industrial tanto em instrumentos de medição quanto nos elementos finais de controle e também adequar suas instalações para melhor performance dos instrumentos para atender adequadamente a produção.

É uma profissão que vai exigir muito estudo e dedicação. Precisa ter conhecimento de fenômenos da física, química, impacto ambiental e em alguns casos até biologia.

Fenômenos físicos como a vazão, temperatura, pressão e nível, não se limitando a isso, devem ser bem entendidos, principalmente porque cada princípio de medição tem seu ponto forte e ponto fraco, devendo ser avaliado criteriosamente. Esses conceitos recaem na instrumentação tradicional, temos ainda a instrumentação analítica na qual fenômenos químicos são medidos e controlados.

Hoje, com certeza, o instrumentista é um dos profissionais mais bem qualificados que existem, pois está atuando diretamente nas áreas da eletroeletrônica, pneumática, hidráulica, mecânica, química, informática, fora o fato que tem que entender como funciona um processo industrial, ou no mínimo parte dele, para conseguir atender satisfatoriamente a produção, interferindo diretamente na qualidade do produto, nos impactos ambientais, na redução de custos e perdas, na proteção do processo e segurança operacional.

Abaixo estão relacionadas alguns segmentos de indústria em que a instrumentação tem maior foco:

• Indústrias químicas;
• Petroquímicas;
• Refinaria de petróleo;
• Óleo e gás;
• Dutos e terminais;
• Têxtil;
• Papel e celulose;
• Alimentícia;
• Farmacêutica;
• Cimento;
• Siderúrgica;
• Mineração;
• Nuclear.

Quem entra para esse universo deve ter em mente que está entrando em uma profissão que vai exigir muitos estudo e dedicação, assim como qualquer outra profissão. A evolução tecnológica é extremamente rápida, aumentado a necessidades desses profissionais de acompanhar o mercado, o mais próximo possível, para poder usufruir de melhores alternativas, instalações mais eficientes e instrumentos mais confiáveis.

Instrumentação industrial

Nada melhor do que começar explicando o que é instrumentação industrial, mas primeiramente gostaria de compartilhar como me identifiquei com essa área que coloca nossa cabeça realmente pra funcionar.

Quando comecei a trabalhar em indústria de processo não fazia a menor ideia do que era instrumentação industrial, aliás, foi a primeira vez que ouvi falar nesse termo. Fiquei curioso e comecei a procurar informações sobre esse assunto e percebi que não era tão fácil de achar materiais sobre o tema quanto eu pensava. Nessa época, ainda como estagiário de eletrotécnica, fui convidado a estagiar no setor de instrumentação da fábrica, era um novo desafio, no qual não fazia a mínima ideia onde estava pisando. Decidi me inscrever em um curso de instrumentação para entender do assunto e para melhor interagir com esse novo trabalho. Depois de alguns meses, aprendendo muito na teoria e na prática, fui efetivado como técnico em instrumentação e percebi que tinha saído da minha “zona de conforto” e precisava absorver mais e mais conhecimento dessa área que me apaixonei em trabalhar, para pode lidar com os problemas do dia-a-dia e contribuir com os resultados da empresa, além disso, acabei enxergando com maior clareza a interação das energias para determinado fim, isso não só na indústria mais também na vida pessoal.

A definição de instrumentação é a ciência (conhecimento adquirido por estudo ou prática, baseados em certos princípios) que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas e químicas, sendo responsável pelo máximo rendimento de um processo industrial. Está embutida nas fases de projeto, fabricação, montagem de instrumentos e propriamente no controle industrial.

As principais grandezas, chamadas de variáveis de processo, que representam transferência de energia são: pressão, temperatura, nível e vazão.

Para esclarecer, processo é uma instalação ou local onde são introduzidos materiais, é então aplicada uma energia para o processamento desses materiais (tratamento, transformação), e tem-se como resultado o produto final, diferente do material de entrada. Por exemplo, de maneira simplificada, uma caldeira tem como função produzir vapor sendo esse seu produto final. Na entrada de matéria prima temos a água tratada, através da aplicação de energia térmica temos a transformação da água em vapor.

A instrumentação é um dos segmentos mais importantes da automação industrial, não existe controle se não tiver como medir o que se quer controlar. Um exemplo clássico da importância de medir para controlar é a hora de tomar banho, ao abrirmos o registro podemos utilizar uma de nossas mãos para sentir a temperatura da água, fazendo o papel de um sensor, nosso cérebro será nosso controlador de forma que ele estabelecerá uma temperatura que consideramos adequada para a ocasião, com a outra mão controlaremos a abertura ou fechamento do registro, sendo esse o papel do elemento final de controle. Nesse caso não sabemos exatamente a temperatura da água, mas sabemos se está adequada ou não quando medimos com uma nossas mãos e controlamos com a outra.

Sendo assim, a instrumentação é responsável por adequar o sistema de medição enviando as informações para que possa ser realizado um controle adequado da variável principal a ser controlada, interferindo sempre que necessário. Para que isso se realize precisamos de instrumentos adequados para essas funções, daí a importância de conhecer o processo que está querendo medir e quais fatores podem influenciar nas suas escolhas.

Normalmente instrumentos de processo são bem caros e uma escolha errada pode gerar custos desnecessários na aquisição do equipamento, perdas de produção (refugos) ou até mesmo acidentes. O instrumento correto sempre será aquele que atenda as especificações do processo, tanto em compatibilidade física e química como a precisão necessária.

Hoje em dia a instrumentação também pode ser utilizada para redução de energia, utilizando somente o necessário para produzir, minimizando perdas de receitas, desperdício de utilidades como água, ar comprimido, vapor e energia elétrica.

É responsável pelo controle de qualidade da produção minimizando os desvios de matéria prima, pela segurança de um processo através de instrumentação desenvolvida para segurança chamada de SIS (Sistema Instrumentado de Segurança) levando o processo para condições seguras em caso de falha, pela saúde dos colaboradores através das calibrações periódicas realizados nos equipamentos de uso médico ou na determinação de propriedades específicas de alguns produtos ou ensaios realizados com instrumentos de laboratório, entre outras inúmeras aplicações sendo restrita somente ao limite da imaginação.

Para tal feito deve-se ter muita paciência e dedicação, pois terá que se acostumar, no mínimo, com conceitos de matemática, física e química entre outras disciplinas que acabam agregando na sua formação profissional.