As soluções em metrologia e instrumentação

Esta conceituação pode ser associada à área de trabalho dos técnicos e engenheiros de processo, que lidam com os aparelhos do processo produtivo, mas também pode referir-se aos vários métodos e utilizações possíveis para os instrumentos. Em diversos mecanismos dos mais variados setores da indústria, a instrumentação serve para agilizar um processo de forma que garanta o seu rendimento, transformando a energia produzida em trabalho na concepção do produto ou processo resultante. Assim sendo, a instrumentação está sujeita a algumas variáveis de processo na transferência de energia: pressão, nível, vazão, temperatura, caudal; densidade; viscosidade; pH; radiação; corrente elétrica; tensão elétrica; indutância; capacitância; freqüência; entre várias outras propriedades físicas e químicas dos processos e materiais.

Os instrumentos são caracterizados por meio dos seguintes fatores: aplicação, desempenho, operação, físico, econômico. Aplicação é a área técnica para a qual o instrumento é adequado, (ex. análise experimental de tensões, química analítica ou foto - elasticidade). O desempenho se apresenta através de aspectos básicos como: características estáticas dos instrumentos (precisão, exatidão, incerteza); características dinâmicas, como velocidade; e capacidade, que consiste nos limites físicos típicos e máximos de desempenho do instrumento.

Dentro dos aspectos operacionais, estão as características físicas básicas: configuração física, dimensional, massa e volume; requerimentos de transporte e armazenamento; critérios de segurança e saúde para o operador. Também faz parte, do caráter operacional, a confiabilidade, que trata da capacidade de um instrumento executar uma certa função sob determinadas condições, ou seja, a probabilidade de não falhar em um certo tempo. Parâmetros com MTBF usualmente são fornecidos. A manutenção é mais uma característica operacional: no caso de falha no instrumento, qual seria a probabilidade, dentro de um certo intervalo de tempo, do instrumento a ser consertado.

Os aspectos físicos dizem respeito à interface elétrica (potência, comunicações, compatibilidade electromagnética); interface mecânica (características mecânicas típicas do instrumento e métodos de montagem do instrumento); e a interface térmica (necessidades do instrumento para remoção de calor e controle de temperatura interno ou externo). Ao serem considerados os aspectos econômicos, devem ser levados em conta o custo inicial, operacional, de instalação e as peças de reposição.

Considerando que o indivíduo a operar a máquina possui limites sensoriais como qualquer ser humano, inúmeras soluções para a área de instrumentação são criadas com o objetivo de facilitar as condições de trabalho, realizar uma interface homem - máquina adequada, apresentar informações de forma a permitir sua correta interpretação e posicionar e implementar mecanismos de controle aptos a serem utilizados pelo ser humano, assim como também facilitar a execução dos processos da forma mais eficaz e ainda disponibilizar mecanismos mais rentáveis. Os instrumentos e aparelhos se apresentam de forma independente ou interligada. Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais podemos ter: por função, sinal transmitido ou suprimento, tipo de sinal. Os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A conexão desses instrumentos chama-se malha. Numa malha, cada instrumento executa uma tarefa.

Para o controle de tais processos, existem os mostradores, que permitem a apresentação de informação quantitativa, qualitativa, de informações de seu status, da forma gráfica, assim como, a apresentação de informações de forma alfanumérica ou simbólica. Os controladores também introduzem informações quantitativas, alfanuméricas ou simbólicas, e ainda dispõem controles de emergência. Geralmente, os instrumentos estão ligados a um sistema de controle qualquer, o qual analisa a medição enviada pelo instrumento.

A resposta programada no sistema de controle vai atuar dispositivos de controle inseridos no processo. Este ciclo de atualização dos valores das variáveis manipuladas, medida dos valores das variáveis controladas para se gerar a resposta adequada é a forma mais simples de descrever os conceitos associados ao controle de processos.

Os dispositivos de controle utilizados são normalmente considerados como parte integrante da instrumentação, e podem ir desde os mais simples PLC’s (Controlador Lógico Programável, do inglês Programmable Logic Controller) até aos já mais avançados DCS’s (Sistema de Controle Distribuído, do inglês Distributed Control System). As entradas nestes dispositivos podem variar desde um pequeno número de variáveis medidas, até à ordem dos milhares. Dentro desse contexto, são feitos testes de qualificação para instrumentos e sensores, com a finalidade de adequar um instrumento ou sensor, estabelecendo sua qualificação para uma particular aplicação. Estes testes incluem procedimentos de medida com avaliações de: calibração estática, calibração dinâmica, ambiente operacional, durabilidade e confiabilidade.

Além destes testes, outros procedimentos se fazem necessários para garantir todas as exigências da qualificação: exame visual, inspeção mecânica, testes para variações na excitação, teste para verificar efeitos de warm-up, testes para ruídos de contato, testes de sobreexcitação e testes para efeitos de posição. Tais operações são fundamentais para o correto desempenho dos aparatos e da performance do técnico-operador.

Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. Em todos os casos, existem vantagens e desvantagens. Cabe a cada indústria escolher a opção mais adequada ao seu ramo e verificar se esta se adapta aos processos em questão. No tipo pneumático, é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso, a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0 kgf/cm² (aproximadamente 3 a 15 psi). Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, pode ser o nitrogênio e, em casos específicos, o gás natural. A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo). Por outro lado, as desvantagens são muitas: necessidade de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento; necessidade de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador etc.; para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores (normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m). Os vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados; não permite conexão direta aos computadores.

O tipo hidráulico funciona similarmente ao tipo pneumático, e utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas. Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão, também fornecem uma resposta rápida. As desvantagens estão na necessidade de tubulações de óleo para transmissão e suprimento; necessidade de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca; necessidade de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas etc. A transmissão elétrica é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão.

Frente à tecnologia disponível no mercado em relação à fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, esse tipo de transmissão é amplamente adotado em todas as indústrias, onde não existe o risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua, variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utiliza-se sinais em tensão contínua de 1 a 5V. As vantagens estão são: permitir transmissão para longas distâncias sem perdas; dispõe da opção de alimentação feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão; necessita de poucos equipamentos auxiliares; permite fácil conexão aos computadores; conta com fácil instalação; facilita a realização de operações matemáticas; e permite que o mesmo sinal (4~20mA) seja "lido" por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos.

Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas destes instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor. Esse tipo de transmissão possui as seguintes desvantagens: necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção; exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos; exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais; os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.

No tipo de transmissão digital, "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 o receptor seja realizada com êxito é utilizada uma "linguagem" padrão, chamada de protocolo de comunicação. Nesse caso, as vantagens são diversas: não há necessidade de ligação ponto a ponto por instrumento; pode-se utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados; há imunidade a ruídos externos; disponibiliza configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha; o custo final é menor.

Esse tipo de transmissão apresenta a desvantagem da existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. Também é possível perder a informação e/ou controle de várias malhas, caso ocorra rompimento no cabo de comunicação.

Na transmissão via rádio, o sinal ou um conjunto de sinais medidos são enviados à sua estação receptora, via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica. Nesse meio, não há necessidade de cabos de sinal e é possível enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. Contudo, o custo inicial é alto e são necessários técnicos altamente especializados.

A transmissão dos sinais via modem é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude. Dessa forma, é possível transmitir dados a longas distâncias e o custo para instalação é baixo. No entanto, também são necessários profissionais especializados, a velocidade na transmissão de dados é baixa, e está sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações.

Soluções das empresas

Algumas organizações foram entrevistadas para saber quais são as soluções que disponibilizam no mercado de hoje.

Qual a solução que a empresa apresenta para a área de Instrumentação?

Daniel Mac Adden, gerente de marketing da Digimed

"A Digimed desenvolve, fabrica e fornece várias soluções na área de instrumentação analítica para Laboratório, Campo e Processo. As principais são, eletrodos de alta sensibilidade para pH e redox, células de condutividade e oxigênio dissolvido, bem como PHgâmetros, condutivímetros, turbidímetros, medidores de od, detetores de gás cloro e vários tipos de analisadores on line, tais como: PHgâmetros, condutivímetro, turbidímetros de alta e de baixa, potenciométrico de fluoreto para ETE, potenciométrico de sulfeto, analisador colorimétrico de cloro, analisador colorimétrico de fosfato e ortofosfato, analisador de cor para ETE, analisador de cor para ETA de alta e de baixa, potenciométrico de amônia de alta e de baixa, monitor de coagulante, sistema de analisadores inteligentes, coletor automático de amostras e outros".

Frederico, diretor da Ferriplax

"A Ferriplax apresenta qualquer tipo de solução para meios de controle dimensional que exigem alta precisão. Tais como: calibradores tampão liso e de Rosca P/NP; calibradores Anel Liso e de Rosca P/NP; anéis e discos padrão; dispositivos de controle, usinagem e fixação; qualquer peça especial de precisão; coluna eletropneumática; plugues e anéis pneumáticos; ogivas de medição; mandris hidráulicos; buchas expansivas; projetos em geral".

Márcio Martins, técnico de laboratório da DPM Tecnologia

"Oferecemos dispositivos de medição e calibradores padronizados".

Augusto Pereira, gerente de engenharia de aplicação de produtos e marketing da Yokogawa

"A Yokogawa disponibiliza para os seus clientes uma ampla linha de instrumentos para medição e controle de variáveis de processo, como: pressão, temperatura, nível e vazão, através de um grande investimento em pesquisa e desenvolvimento (7% do faturamento global). A Yokogawa possui estes instrumentos com saídas desde 4-20mA até com os protocolos digitais: Hart, Foundation Fieldbus, DP, PA, Device Net e outros".

João Carlos Oliveira, gerente da Mitutoyo

"A Mitutoyo projeta, desenvolve e fabrica soluções em metrologia dimensional aplicando as mais avançadas tecnologias ótica, mecânica, elétrica, eletrônica, e software com o objetivo de prover equipamentos que assegurem o controle de qualidade nos mais variados segmentos industriais tais como: industria automobilística, metal mecânica, eletrônica, plásticos, farmacêutica, petróleo, entre outras. Oferece, com rastreabilidade assegurada, uma ampla linha de produtos que incluem paquímetros, micrômetros, relógios comparadores, projetores de perfil, microscópios, sistemas de medição a laser sem contato, durômetros, rugosímetros, medidores de erro de forma, e as mais sofisticadas Máquinas de Medir Tridimensionais; muitos desses produtos sendo de fabricação nacional. Oferece também diversos serviços de treinamento, consultoria técnica, assistência técnica, laboratório de calibrações RBC, e soluções especiais de engenharia projetadas segundo a necessidade de cada cliente. Hoje a Mitutoyo oferece uma das linhas mais completas do mundo".

Em qual tipo de setor a solução é aplicável?

Daniel, da Digimed

"Os principais setores atendidos pelas soluções de instrumentação analítica da Digimed são, alimentício, químico, bebidas, petroquímico, saneamento, usinas de açúcar e álcool e outros segmentos industriais".

Frederico , da Ferriplax

"Principalmente, a Ferriplax tem como seus clientes: montadoras, indústrias de eletrodomésticos, autopeças em geral, petróleo, agrícola, aeronáutico e naval".

Márcio, da DPM Tecnologia

"Indústria manufatureira, saúde, gás e petróleo".

Augusto, da Yokogawa

"A Yokogawa atua nos mais diversos segmentos de mercado, como petróleo e petroquímico, químico e derivados, papel e celulose, siderurgia e metalurgia, mineração, vidro, alimentos, cimento, indústrias de manufatura, energia elétrica e outros".

Como tal solução funciona?

Daniel, da Digimed

"Por exemplo, o condicionador de amostras funciona para reduzir a pressão e, ou temperatura de amostras de processos industriais ou aumentar a temperatura, para permitir medidas adequadas aos equipamentos de medição e, assim controlar processos onde os líquidos são produzidos em altas(ou baixas) temperaturas e pressão".

Márcio, da DPM Tecnologia

"Nossos produtos são elementos que em conjunto com a instrumentação possibilita medir grandezas e formas geométricas".

Augusto, da Yokogawa

"O projeto de todos os instrumentos para controle de processos industriais da Yokogawa garante máxima confiabilidade, facilidade de operação e flexibilidade nas operações, atendendo aos mais exigentes requisitos do mercado. A Yokogawa é mundialmente reconhecida como a pioneira na fabricação de medidores de vazão, que possibilitam a obtenção de bons resultados nas mais variadas aplicações, incluindo medição de poluentes. O medidor de vazão tipo vortex é um equipamento que proporciona uma medição altamente precisa e confiável para líquidos, gases e vapor, com custos de instalação e operação extremamente econômicos. A série de medidores eletromagnéticos de vazão, equipados com a mais avançada tecnologia de dupla freqüência de excitação, permite a medição precisa do processo, sob qualquer condição, como em aplicações na polpa de celulose de alta consistência, ou ainda, em aplicações de bateladas rápidas na indústria alimentícia. Para a medição de vazão mássica, os medidores tipo Coriolis realizam medições com elevadíssima precisão e repetibilidade e com uma excelente relação custo x benefício. A linha de transmissores de pressão com utilização do sensor de silício ressonante representa o mais alto padrão em precisão, simplicidade e durabilidade. Estes produtos asseguram não só precisão inigualável, mas também notável estabilidade, o que garante longo ciclo entre calibrações. A linha de transmissores de temperatura incorpora uma avançada interface homem-máquina, utilizando visor de cristal líquido. Permite a medição simultânea de dois sinais de temperatura e completo autodiagnóstico, simplificando e reduzindo os custos de instalação e manutenção. O transmissor multivariável permite o cálculo preciso da vazão mássica de gases, através da medição da pressão diferencial, manométrica e da temperatura do gás".

Quais são as vantagens dessa solução?

Daniel, da Digimed

"Permitir controlar processos, resfriando ou aquecendo amostras, aumentando a vida útil dos sensores utilizados nos medidores".

Márcio, da DPM Tecnologia

"Diminuição do tempo nos processos de medição, aumento da confiabilidade, redução do risco e detecção de erros humanos".

Augusto, da Yokogawa

"A empresa, através da campanha VigilantPlant, proporciona aos clientes benefícios econômicos através da qualidade dos produtos e dos serviços da Yokogawa criando uma plataforma integrada para que os operadores e planejadores sejam munidos de todas as informações para analisar e operar a planta de modo pró-ativo; a filosofia do VigilantPlant elimina tempos de paradas não programados, melhora a utilização dos ativos e possibilita ao nosso usuário a adaptar sua operação às novas condições e solicitações do mercado de maneira rápida e eficiente".

Que tipo de empresa está adotando a solução?

Daniel, da Digimed

"Indústrias, de um modo geral, empresas de saneamento, mineradoras, petrolíferas, alimentícia, usinas de açúcar e álcool, química etc."

Frederico, da Ferriplax

"A Ferriplax trabalha com milhares de tipos de soluções para meios de controle. Para cada tipo de necessidade do cliente, existe um tipo diferente de solução que a Ferriplax irá adotar. Ou seja, para cada caso, existirá uma solução diferente a ser elaborada".

Márcio, da DPM Tecnologia

"Toda empresa que possui um sistema da qualidade vigente".

Augusto, da Yokogawa

"Podemos citar como exemplo a Petrobras, Braskem, Votorantim, CST, Usiminas, Cenibra, Oxiteno, CVRD, Solvay, Usiminas e outras".

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