Alguns conceitos importantes em Transmissores de Pressão

Introdução

Hoje nos processos e controles industriais, somos testemunhas dos avanços tecnológicos com o advento dos microprocessadores e componentes eletrônicos, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc., tudo facilitando as operações, garantindo otimização e performance dos processos e segurança operacional.Este avanço permite hoje que  transmissores de pressão, assim como os de outras variáveis, possam ser projetados para garantir alto desempenho em medições que até então utilizam somente a tecnologia analógica. Os transmissores usados até então(analógicos) eram projetados com componentes discretos, susceptíveis a drifits devido à temperatura, condições ambientais e de processo, com ajustes constantes através de potenciômetros e chaves. Com o advento da tecnologia digital, a simplicidade de uso também foi algo que se ganhou.

Os transmissores de pressão são amplamente utilizados nos processos e aplicações com inúmeras funcionalidades e recursos. A grande maioria dos processos industrias envolvem medições de pressão, lembrando ainda, que  pressão é uma grandeza básica para a medição e controle de vazão, nível e densidade, etc.

Comentaremos neste artigo alguns detalhes e conceitos envolvidos com os transmissores de pressão.

A Exatidão de um Transmissor de Pressão

Vale lembrar que nas últimas décadas, uma enorme variedade de equipamentos se espalhou pelo mercado em diversas aplicações. A exatidão da caracterização de pressão só teve seu real valor a partir do momento em que conseguimos traduzi-la em valores mensuráveis.

Todo sistema de medição de pressão é constituído pelo elemento primário, o qual estará em contato direto ou indireto ao processo onde se tem as mudanças de pressão e pelo elemento secundário(Transmissor de Pressão) que terá a tarefa de traduzir esta mudança em valores mensuráveis  para uso em indicação, monitoração e controle.

A performance estática ou exatidão(muitas vezes confundida com precisão, onde exatidão está associada à proximidade do valor verdadeiro e precisão à dispersão dos valores resultantes de uma série de medidas) de um transmissor de pressão depende de quão bem calibrado é o transmissor e quanto tempo ele pode manter sua calibração.

A calibração de um transmissor de pressão envolve o ajuste de zero e span.A exatidão normalmente inclui efeitos de não-lineraridade, histerese e repetibilidade.

Normalmente a exatidão é dada em % do span calibrado.

Alguns Importantes Conceitos

Usualmente a relação entre entrada e saída de um transmissor de pressão é predominantemente linear (Y = ax + b), onde a é conhecido como ganho e o b é o zero ou offset, como podemos ver na figura 1.

Range: é a faixa de medição, compreendendo da mínima até a máxima pressão que o transmissor pode medir, por exemplo, 0 a 5080 mmH2O. O Span máximo é 5080 mmH2O.

Zero: é a menor pressão na qual o transmissor foi calibrado.

Figura 1 – Curva de Calibração de um Transmissor de Pressão

URL (Upper Range Limit): é a mais alta pressão que o transmissor de pressão foi setado para medir, respeitando-se o limite superior do sensor.

LRL (Lower Range Limit): é a mais baixa pressão que o transmissor de pressão foi setado para medir, respeitando-se o limite inferior do sensor.

Span (Range Calibrado): A faixa de trabalho onde é feito a calibração é conhecida como span, por exemplo, de 500 a 3000 mmH2O, onde o span é de 3000-500 = 2500 mmH2O. O Span é igual a URL – LRL.

Figura 2 – Terminologia de Calibração

Supressão de Zero (é a quantidade com que o valor inferior supera o valor zero da pressão): a supressão acontece quandoo transmissor indica um nível superior ao real. Em medições de nível, por exemplo, onde o transmissor não está instalado no mesmo nível que sua tomada de alta e há então a necessidade de compensação da coluna de líquido na tomada do transmissor. Este tipo de instalação é requisitado onde se tem o transmissor a um nível inferior, que muitas vezes é na prática a maneira preferencial por facilitar acesso, visualização e manutenção. Neste caso, uma coluna líquida se forma com a altura do líquido dentro da tomada de impulso e o transmissor indicará um nível superior ao real.Isto deve ser considerado. É o que chamamos de Supressão de Zero.

Figura 3 – Medição indireta utilizando transmissor de pressão diferencial em tanques abertos – Supressão de Zero.

Elevação de Zero (é a quantidade com que o valor zero de pressão supera o valor inferior): de acordo com a Figura 4,  onde se pode ter o tanque fechado e o transmissor de pressão diferencial localizado abaixo de sua tomada Hi e não há selagem liquida na tomada de Low, é necessária a compensação da coluna de liquido aplicada  na tomada Hi, fazendo-se a Supressão de Zero. No caso onde existe a selagem liquida na tomada de pressão baixa (low), é necessária a compensação da coluna de liquido aplicada  na tomada Hi e na tomada Low.É o que chamamos de Elevação de Zero.

Figura 4– Medição indireta utilizando transmissor de pressão diferencial em tanques abertos – Elevação de Zero.

Desvio de Zero (Zero Shift):este é um erro constante em todas as medições.Pode ser positivo ou negativo. Pode acontecer por várias razões, como por exemplo mudanças de temperaturas, choque mecânico, diferenças de potenciais, aterramento inadequado, etc. Vide figura 5.

Figura 5– Desvio de Zero e Desvio de Span

Desvio de Span (Span Shift): uma mudança na derivada da relação entrada/saída é referida como desvio de span.Um erro de span pode ou não ser acompanhado por um erro de offset.Tipicamente, erros de calibração envolvem somente erros de span e são menos comuns que erros que envolvem erros no span e no zero ao mesmo tempo.Na grande maioria dos casos os erros em transmissores são desvios de zero.Vide figura 5.

Histerese: é o fenômeno no qual a saída do transmissor de pressão difere da mesma entrada aplicada dependendo da direção em que é aplicado o sinal de entrada, isto é, se ascendente ou descendente.Normalmente a calibração de um transmissor de pressão é feita usando-se a sequência: 0, 25, 50, 75, 100, 75, 50, 25 e 0% do span.Vide figura 6.

Figura 6 - Histerese

Repetibilidade: é o desvio percentual máximo com o qual uma mesma medição é indicada, sendo todas as condições reproduzidas extamente da mesma maneira.

Turndown(TD) ou Rangeabilidade: é a relação entre a máxima pressão(URL) e a mínima pressão medida(span mínimo calibrado). Por exemplo, um transmisssor tem o range de 0-5080 mmH2O e vai ser usado em 10:1, isto significa que transmissor irá medir de 0 a 508 mmH2O. TD = URL/Span Calibrado.

Pressão Absoluta: valor medido sob as condições de vácuo, isto é, ausência de pressão.Também conhecida como zero absoluto.

Pressão Atmosférica: pressão exercida pela atmosfera e que depende da altitude.Este valor diminui com o aumento da altitude e ao nível do mar vale 14,696 psia.

Pressão Manométrica ou Gage: pressão em relação à atmosfera.
 
Pressão Diferencial: a pressão tomada em relação a uma referência.

Pressão estática ou de linha: pressão exercida em uma linha de pressão onde se tem vazão de fluido. É a pressão de processo aplicada em ambos as tomadas de um transmissor diferencial.
 
Pressão Hidrostática: pressão exercida por um líquido sob a superfície  abaixo do mesmo.

Erro Total Provável (ETP):   todos os transmissores independentes de fabricantes possuem um erro que depende de vários pontos. Este erro é conhecido como Erro Total Provável(ETP). Este erro depende de certas condições:

•  Variação da temperatura ambiente;
•  Pressão estática;
•  Variação da tensão de alimentação;
•  Span Calibrado;
•  URL do Transmissor;
•  Range do Transmissor;
•  Material de Construção;
•  Etc.

O ETP tem a seguinte fórmula:

• Acc = Exatidão
• ZeroStaticError = Erro no Zero devido a influência da pressão estática
• SpanStaticError = Erro no Span devido a influência da pressão estática
• TempErr = Erro devido a variação de temperatura
• VSErr = Erro devido a variação da tensão de alimentação
• StabilityErr = Erro de estabilidade

Mercado

Segundo os usuários, as principais características de especificações dos transmissores de pressão conforme as aplicações são: exatidão, confiabilidade, durabilidade/robustez, segurança, fácil calibração, repetibilidade, estabilidade em temperatura, fácil manutenção, intercambialidade, tempo de resposta,
deve suportar EDDL e DTMs de comunicação, etc.

• Segundo a ARC – Advisory Group, o mercado mundial de transmissores de pressão em 2008  foi de 2,38 bilhões de dólares e tem como previsão, 2,8 bilhões  em 2013.

Transmissores Inteligentes

Um transmissor inteligente combina a tecnologia do sensor mais sua eletrônica.

Tipicamente, deve prover as seguintes características: Sinal digital de saída, Interface de comunicação digital, Compensação de pressão, Compensação de temperatura, Estabilidade, Deve permitir fácil e amigável calibração, Re-range com e sem referência,  Recursividade, Auto Diagnósticos,

• Fácil instalação,
• Alta confiabilidade,

Baixos custos de instalação e manutenção,     Curtos tempos de instalação e manutenção,
Redução na intrusão/penetração(processo), Economizar espaços na instalação, Permitir upgrades para a tecnologia Foundation Fieldbus e Profibus PA, etc. Exemplos: LD301(HART/4-20mA), LD302(Foundation Fieldbus), LD303(Profibus-PA), LD400(Nova Série de Transmissores de Alta performance SMAR, SIS, etc).

Alguns pontos que os usuários devem estar atentos:

• Exatidão & Rangeabilidade: se é necessário equipamentos com tais requisitos, analise as fórmulas de exatidão ao longo de toda a faixa. Veja outras características também como tempo de resposta, Totalização, PID block,etc…elas podem ser mais úteis nas aplicações.
• Modelos com estabilidade e garantia prolongada são mais caros. Verifique se a sua aplicação realmente necessita de tal requisito.Normalmente existem condições de processo e de instalação como requisitos para que esta garantia seja válida.
• Proteção ao investimento: analise o preço de sobressalentes, intercambialidade entre modelos, simplicidade de especificação, atualização para outras tecnologias (Foundation Fieldbus, Profibus PA), prestação de serviços, suporte técnico, prazo de reposição, etc. São fatores que podem fazer com que a disponibilidade da planta possa ficar comprometida.

Transmissores Seguros

Um transmissor de pressão especificado para áreas críticas, isto é, para a função de segurança, é um equipamento projetado com probabilidades de falhas baixas e alta confiabilidade de operação. No mercado existem dois conceitos.Um que é o baseado no “Prove in Use” e outro baseado na certificação da IEC 61508. Tem-se visto na prática em muitas aplicações a especificação de equipamentos com certificação SIL para serem utilizados em sistemas de controle, e sem função de segurança. Acredita-se também que exista no mercado desinformação, levando a compra de equipamentos mais caros, desenvolvidos para funções de segurança, onde na prática serão aplicados em funções de controle de processo, onde a certifição SIL não traz os benefícios esperados, dificultando inclusive a utilização e operação dos equipamentos.

Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são os sistemas responsáveis pela segurança operacional  e que garantem a parada de emergência dentro dos limites considerados seguros, sempre que a operação ultrapassa estes limites.O objetivo principal é se evitar acidentes dentro e fora das fábricas,  como incêndios, explosões, danos aos equipamentos, proteção da produção e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos catastróficos para a comunidade.

Nenhum equipamento é totalmente imune a falhas e sempre deve proporcionar mesmo em caso de falha, uma condição segura.

Os transmissores certificados de acordo com a IEC 61508 devem tratar basicamente 3 tipos de falhas: falhas de hardware randômicas, falhas sistemáticas, falhas de causas comuns.

O que o usuário deve saber sobre Transmissores com certificação para aplicações SIL e por que eles não são a melhor opção para controle e monitoração?

• Nenhuma mudança de configuração, simulação, multidrop ou teste de loop pode ser feita com o equipamento em operação normal (isto é, exigindo segurança). Nestas condições a saída não está em condição de ser avaliada seguramente. Ou seja, um equipamento HART/4-20mA com certificação SIL2, não estará com nível SIL caso a comunicação HART esteja habilitada e possibilitando escritas.
• Na condição segura deve estar com a proteção de escrita habilitada;
• Nenhum ajuste local pode ser realizado(Ajuste local deve ser desabilitado);
• Nada é totalmente seguro. O que se busca é reduzir a probabilidade de ocorrência de falhas.
• Em caso de falha, esta deve ser segura, isto é, ela pode ser identificada e permitir ações corretivas.

Conclusão

Vimos através deste artigo a importância de alguns conceitos em transmissores de pressão e alguns detalhes em que os usuários devem estar atentos em suas aplicações.

Autor

• César Cassiolato

Referências

• Manuais de Operação e Treinamento dos transmissores de pressão SMAR: LD301, LD302, LD303 e LD400
  https://www.smar.com.br/pt/produto/ld300series-transmissores-de-pressao-nivel-e-vazao
  https://www.smar.com.br/pt/produto/ld400-transmissores-de-pressao-hart
• Controle&Instrumentação Edição 93 – Transmissores de Pressão, César Cassiolato, 2004
• Controle&Instrumentação Edição 106 – O Brasil quebrando as barreiras tecnológicas com a inovação – Transmissores de Pressão, César Cassiolato, 2005
• Intech Edição 74 , Transmissores de Pressão: sensores, tendências, mercado e aplicações, César Cassiolato, 2005
• Controle&Instrumentação Edição 113, Alguns importantes conceitos em transmissores de Pressão, César Cassiolato, 2006.
• Intech Edição 93 , Medição de Pressão-Tutorial, César Cassiolato, 2007