Transmissão de Sinais

O tema desse artigo será a Transmissão de Sinais e os transmissores, onde serão mencionados os conceitos do assunto, destacando as fórmulas e cálculos que compõem cada tópico.

O que é um transmissor?

A definição de transmissor dada em (LIPTÁK, 1970) é “Transmissor é um dispositivo que mede uma variável de processo através de um elemento primário (sensor), e que tem uma saída cujo valor em regime estacionário é uma função predeterminada da variável do processo. O elemento primário pode ou não ser montado integralmente com o transmissor”.

A Transmissão de Sinais na área de instrumentação industrial ocorre em uma das três formas, sendo elas, transmissão analógica pneumática, transmissão analógica eletrônica e transmissão digital.

Quando surgiu a transmissão?

Os primeiros instrumentos criados para controlar ou registrar variáveis de processo eram montados próximos aos locais de medição e recebiam dentro de si o fluido do processo. A Transmissão de Sinais pneumática, que opera com ar comprimido, surgiu na primeira metade da década de 40, e a transmissão eletrônica foi desenvolvida na segunda metade da década de 40.

A transmissão digital de sinais em plantas de processo está atualmente em franco desenvolvimento com a introdução do FieldBus no mercado, o qual foi concebido na segunda metade da década de 80.

A presença dos transmissores permite que as variáveis medidas junto ao processo possam ser transmitidas para locais remotos e concentradas em uma sala de controle, onde pode-se monitorar e controlar um grande número de variáveis da planta. Dessa forma, o sinal de saída do transmissor é enviado a receptores remotos que usam o sinal recebido para registrar, indicar, controlar, totalizar ou gerar sinais de alarme.

Uma grande vantagem da Transmissão de Sinais é poder interconectar instrumentos de funções diversas para constituir uma malha de monitoração ou controle, e permitir que os instrumentos receptores recebam sinais de qualquer variável, não importando o tipo e a faixa de medição das variáveis, uma vez que os transmissores têm saídas uniformes (3 a 15 psig, 4 a 20 mACC).

Transmissão Analógica Pneumática

O sensor detecta mudanças na variável de processo e informa o transmissor, o qual produz um sinal analógico pneumático proporcional ao valor da variável do processo sendo medido. Tal sinal é enviado para o instrumento receptor na sala de controle.

Os sinais para transmissão pneumática normalmente disponíveis no mercado são de 3 a 15 psi (0,2 a 1 Bar) sinal predominantemente usado, e 3 a 27 psi (0,2 a 1,8 Bar). Os transmissores pneumáticos podem funcionar segundo o princípio do equilíbrio de forças ou equilíbrio de movimento.

Transmissão Analógica Eletrônica

Os transmissores eletrônicos também podem funcionar segundo o princípio do equilíbrio de forças ou equilíbrio de movimento. Os sinais eletrônicos analógicos disponíveis no mercado para Transmissão de Sinais em plantas de processo são:

1 a 5 mACC

4 a 20 mACC

10 a 50 mACC

0 a 20 mACC

0 a 10 VCC

-10 a 10 VCC

0 a 5 VCC

1 A 5 VCC

Transmissão de Sinais em Corrente

Dentre os sinais eletrônicos analógicos citados anteriormente, o mais comumente empregado é o de 4 a 20 mA, correspondendo à Transmissão de Sinais em corrente e não em tensão. As razões pela preferência por um sinal em corrente é que ao transmitir um sinal em corrente e não em tensão evita-se o problema de queda de tensão ao longo da linha de transmissão.

Por exemplo, caso se envie um sinal de 10 V através de uma linha, mesmo que a impedância de entrada do dispositivo receptor seja muito alta, sempre pode haver alguma circulação de corrente. O cabo de transmissão do sinal possui alguma impedância. Essa corrente passando por uma impedância gera queda de tensão, a qual fará com que o sinal transmitido chegue atenuado ao seu destino.

O motivo de se preferir transmitir um sinal em corrente com um valor mínimo diferente de zero é para detectar o rompimento da linha de transmissão. Assim, um sinal variando de 0 a 100% será equivalente a uma corrente variando de 4 a 20 mA, de modo que consegue distinguir entre uma linha rompida (0 mA) e um sinal no zero da escala (4 mA). Costuma-se intitular esse sinal não-nulo para o início da escala de medição como zero vivo.

Tipos de Transmissão de Sinais

Há basicamente dois tipos de Transmissão de Sinais, a 2 fios e a 4 fios. Na Transmissão de Sinais a 2 fios, a alimentação para o circuito da malha não é oriunda do transmissor. No entanto, a fonte geralmente está no instrumento receptor de sinal, a qual alimenta apenas a malha em que está ligada. Tais fontes dispõem de interruptores para desligá-las do circuito e de limitadores de corrente em caso de curto-circuito.

Na Transmissão de Sinais a 4 fios, o transmissor é alimentado com tensão alternada e contínua através de 2 fios, que são independentes dos 2 fios que transportam o sinal analógico de 4 a 20 mA até a sala de controle. As malhas de 4 fios são geralmente empregadas em medições de temperatura.

Tanto nas malhas de corrente de 2 quanto de 4 fios, o sinal de 4 a 20 mA é convertido no instrumento receptor em um sinal de tensão através de um resistor de precisão instalado na entrada do receptor. Tais resistores normalmente são de 250 Ohms, gerando um sinal de 1 a 5 VCC.

Transmissão de Sinais a 3 fios

Ao se empregar sensores de temperatura do tipo RTD deve-se medir a resistência de um elemento sensor a uma certa distância. Para tanto emprega-se tipicamente um circuito detetor constituído por uma ponte de Wheatstone. Dependendo da precisão desejada e da distância entre o sensor e o detetor, conecta-se o bulbo de resistência à ponte com 2 ou 3 fios.

No caso de medições a pequenas distâncias ou de pequena precisão, emprega-se o circuito mostrado na figura 1.

Fig.1 Detetor de sensor tipo RTD usando ponte de Wheatstone com ligação a 2 fios

A ponte de Wheatstone clássica funciona do seguinte modo (LIPTÁK, 1970). A bateria gera uma tensão E, aplicada entre os pontos 1 e 4, a qual gera correntes elétricas através dos ramos, que são proporcionais à resistência através de cada ramo.

No centro há um galvanômetro G que pode medir correntes muito pequenas. Quando o galvanômetro não registra nenhuma corrente a voltagem nos pontos 2 e 3 é igual. Isto ocorre somente se:

R₁, R₂ e R₃ são todas conhecidas, sendo que R₁ e R₂ normalmente são iguais e constantes. Dessa forma a resistência desconhecida R_x irá igualar R₃:

Os circuitos clássicos de ponte de Wheatstone foram modificados, com o galvanômetro sendo substituído por um amplificador diferencial, a bateria por uma fonte de tensão constante e a saída do amplificador diferencial atuando um servomotor que aciona o potenciômetro R₃.

Em verdade, analisando-se o circuito da figura 1, caso se considere as impedâncias R_a e R_b dos fios que interligam o sensor RTD à ponte, resulta que a resistência desse ramo deixa de ser R_x e passa a ser R_t, dada por:

Dessa forma, o sistema de medição mostrado na figura 1 somente terá boa precisão de leitura se R_a e R_b forem muito menores que R_x e forem constantes. Caso contrário será necessário compensar os efeitos da resistência dos fios de conexão. Para tanto emprega-se o circuito de conexão de 3 fios mostrado na figura 2.

Fig.2 Detetor de sensor tipo RTD usando ponte de Wheatstone com ligação a 3 fios

No caso do circuito da figura 2, em um ramo da ponte se tem  R₁+R_a+R_b e no outro R_b+R_x+R_c. Como a distância percorrida pelo cabo de conexão é a mesma e como se emprega fios de mesmo material e mesma bitola, significa que R_a=R_b=R_c. Como R_a+R_b fica em um ramo oposto ao que fica R_b+R_c, seus efeitos ficam cancelados.

Transmissores

Os transmissores são geralmente projetados e usados como dispositivos de ação direta, isto é, o sinal de saída cresce conforme o valor da variável medida cresce. Além disso, a maioria dos transmissores disponíveis comercialmente possuem faixas de entrada ajustáveis. Por exemplo, um transmissor de pressão relativa pode ser calibrado para medir de 10 a 30 kgf/cm².

Neste caso, o valor de 10 kgf/cm² corresponderá a 4 mA e 30 kgf/cm² a 20 mA. O zero corresponde a 10 kgf/cm², o fundo da escala corresponde a 30 kgf/cm² e a largura da faixa (span) corresponde a 20 kgf/cm². Neste caso assume-se que a relação entre o sinal de saída e a variável medida seja linear.

A maioria dos transmissores industriais respondem rapidamente a variações na entrada. Se o elemento primário (sensor) também for rápido, a dinâmica da medição pode ser desprezada quando comparada com a dinâmica do processo. Caso a dinâmica do sistema de medição não possa ser desprezada, é comum modelar o conjunto sensor+transmissor como um sistema de primeira ordem.

Um valor típico de constantes de tempo encontradas em instrumentos comerciais se situa na faixa entre 0,1 a 1 segundo. Ao se transmitir sinais pneumáticos, a velocidade de propagação de uma onda de pressão corresponde à velocidade de propagação do som no ar. Assim, para sinais que estão mudando no tempo, recomenda-se que o comprimento da linha de transmissão seja pequena, não excedendo 100 ou no máximo 200 metros.

Ao se trabalhar com sinais eletrônicos analógicos, essas restrições não mais ocorrem, pois a velocidade de transmissão corresponde à da luz. Portanto, a Transmissão de Sinais de 4 a 20 mA pode ocorrer a distâncias elevadas, da ordem de centenas de metros.

Caso as distâncias entre os transmissores e os instrumentos receptores sejam superiores aos poucos quilômetros aceitáveis pelos transmissores eletrônicos, aplicam-se técnicas eletrônicas de Transmissão de Sinais designadas por telemetria.

Trata-se do emprego de transmissores e receptores acoplados a sistemas de comunicação por linha telefônica ou por rádio. Este tipo de aplicação ocorre, por exemplo, em oleodutos, gasodutos, medição de nível de água de rios e represas em que as distâncias envolvidas podem ser de centenas de quilômetros.

Um transmissor pode ser dividido em duas partes básicas, o elemento de medição e o circuito de transmissão. O sinal proveniente do elemento de medição é quem está em contato direto com o processo, podendo ser o mesmo tanto para transmissores eletrônicos quanto pneumáticos. Já o circuito de transmissão fica na parte superior do transmissor, podendo ser do tipo pneumático ou eletrônico.

O circuito de Transmissão de Sinais pneumático é constituído pelo conjunto modulador, amplificador, sistema bico-palheta e fole de realimentação negativa. A realimentação negativa consiste em aplicar a saída do transmissor na entrada do sistema de modulação a fim de corrigir a saída. Graças a isto é que se consegue a proporcionalidade da saída com relação á entrada.

Os transmissores recebem sinais dos elementos de medição que podem basicamente gerar dois tipos de reação, movimento ou força. Com base nesses dois tipos de excitação recebida, os transmissores são classificados em dois princípios básicos de operação, transmissores de balanço ou equilíbrio de forças (são mais usados) e transmissores de balanço ou equilíbrio de movimento ou de posição.

O que é elemento de medição?

O elemento de medição é a parte do transmissor que fica em contato direto com o meio sendo medido e que é sensível às mudanças da variável. Existem diversos tipos de elementos de medição usados nos transmissores, tais como bourdons, foles e diafragmas. O fole, por exemplo, pode ser usado tanto em transmissores operando segundo o princípio do balanço de movimento quanto equilíbrio de forças.

Outro exemplo possível de elemento de medição é o diafragma, usado em transmissores de pressão diferencial (também conhecidos no mercado como d/p cell, marca registrada da Foxboro) operando segundo o princípio do equilíbrio de forças. Em um transmissor típico de pressão diferencial, o elemento de medição que efetivamente sente a pressão diferencial e a converte em uma força é a parte do medidor que fica em baixo do fulcro da barra de forças e genericamente designado por cápsula, conforme mostrado na figura 3.

A cápsula é constituída por um bloco central que contém uma das extremidades da barra de força no seu interior e, lateralmente, por duas membranas metálicas corrugadas (par de diafragmas) soldadas em lados opostos do bloco central. Os dois diafragmas de medição são interligados entre si através de uma haste que é soldada na parte inferior da barra de força.

O espaço entre os diafragmas e o bloco central é preenchido com líquido (óleo). A função do óleo é permitir o amortecimento do sinal para eliminação de ruídos de medição. O amortecimento é variado através de válvula de ajuste de “damping” situada na parte inferior do bloco central, que permite variar a restrição à passagem do óleo entre os diafragmas.

A barra de força é ligada ao bloco central através de um outro diafragma de pequeno diâmetro, que além de fazer uma selagem, permite o pivotamento da barra de força. Dessa forma, a força desenvolvida nos diafragmas pela pressão diferencial é transferida para o sistema de transmissão por uma barra rígida que passa através de um diafragma de selagem. Essa força transmitida pela barra é proporcional ao diferencial, sofrendo uma oposição dos dispositivos presentes nos circuitos de Transmissão de Sinais pneumáticos ou eletrônicos.

Fig.3 Figura mostrando cápsula típica usada em transmissor de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço de forças

Externamente aos diafragmas são colocados os flanges do instrumento para constituir as câmaras de aplicação de alta e baixa Pressão, conforme indicado na figura 4.

Fig.4 Figura mostrando elemento de medição de transmissor de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço de forças

Nos flanges do instrumento que são fixos à capsula por meio de parafusos, encontram-se as tomadas para aplicação da pressão do processo e as válvulas de dreno ou “vent”. Este corpo possui ainda normalmente uma proteção contra sobrecargas constituídas pela superfície das paredes do bloco central, que apresenta a mesma ondulação da corrugação dos diafragmas de medição.

Assim sendo, se houver excesso de pressão em uma das câmaras, o diafragma se ajusta perfeitamente à parede do bloco central, evitando assim que se deforme além do limite permitindo e deixando de comprimir o óleo, o que impede danos à membrana oposta.

Transmissores Pneumáticos (Equilíbrio de Forças)

Para ilustrar o funcionamento dos transmissores pneumáticos operando segundo o princípio do equilíbrio de forças é tomado como exemplo o transmissor de pressão diferencial. Um esquema simplificado desse tipo de transmissor é mostrado na figura 5.

Fig.5 Esquema simplificado de transmissor pneumático de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço de forças

A figura 5 mostra que a pressão (ou diferença de pressão) é aplicada a um sensor (no caso uma cápsula com diafragmas), o qual exerce uma força através de uma barra apoiada em um fulcro, como se esta barra de forças fosse uma alavanca. Qualquer movimento da barra de força provoca uma minúscula mudança na abertura entre o bico e a palheta, situados na parte superior da barra de força.

Essa abertura produz uma alteração na saída de pressão do relé pneumático que afeta o fole de realimentação, até que a força exercida pelo fole de realimentação equilibre a pressão na cápsula usada como sensor. A pressão de saída que é estabelecida por esse balanço é o sinal de saída transmitido, o qual é proporcional à diferença de pressão aplicada ao diafragma de medição.

Em suma, o desequilíbrio entre a força da cápsula e a força do fole é sentido por um conjunto de bico e palheta. Um servomecanismo pneumático sensível à pressão do bico restabelece o equilíbrio. Como resultado, a pressão é mantida exatamente proporcional à pressão diferencial e é usada como sinal de saída, normalmente na faixa de 3 a 15 psig.

Um esquema mais detalhado de um transmissor pneumático de pressão diferencial operando segundo o princípio do equilíbrio de forças é mostrado na figura 6.

De acordo com a figura 6, as pressões alta e baixa do processo, sendo aplicadas às câmaras correspondentes, são sentidas pelos diafragmas em direções opostas. Assim, os diafragmas, sentindo a pressão diferencial, a convertem em uma força que é aplicada à extremidade inferior da barra de força. Isso cria um toque de entrada, que tende a girar a barra de força sobre o seu fulcro no sentido horário.

A extremidade superior da barra de força liberará a palheta, que se aproximará do bico, fazendo aumentar sua pressão interna, que por sua vez determinará o aumento da pressão de saída do relé amplificador para um instrumento receptor, ao mesmo tempo que essa pressão será aplicada ao fole de realimentação negativa.

Isso aplicará uma força na barra de força, criando um torque em sentio contrário ao da entrada, fazendo com que a distância entre o bico e a palheta volte aproximadamente a sua posição original, quando é restabelecido o equilíbrio entre o momento da força criada pelo elemento e medição em relação ao fulcro da barra e o momento da força criada pelo fole de realimentação negativa submetido à pressão de saída. Em vista disso, a pressão de saída é proporcional à pressão diferencial segundo o ajuste da faixa de medição (span), que é determinado pela mudança do ponto de apoio da alavanca de “span”.

Fig.6 Esquema detalhado de transmissor pneumático de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço de forças

Transmissores Eletrônicos (Equilíbrio de Forças)

Nos transmissores eletrônicos de equilíbrio de forças uma corrente elétrica fluindo em uma bobina imersa em um campo magnético permanente desenvolve uma força. A diferença entre essa força e a força desenvolvida pela pressão do processo produz um movimento que é detectado por uma unidade elétrica de alta sensibilidade.

A saída dessa unidade operando através de um circuito eletrônico mantém a corrente elétrica na bobina em um valor que equilibra exatamente a força produzida pela pressão diferencial. A corrente à assim uma medida direta da pressão diferencial e é usada como sinal de transmissão, tipicamente na faixa de 4 a 20 mACC.

Fig.7 Esquema simplificado de transmissor eletrônico de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço de forças

O elemento de pressão, quando fletido, exerce uma força sobre o braço através de uma mola. Este braço, com um pedaço de ferrite na ponta, varia a indutância do solenoide do oscilador ligado a ele que, por sua vez, age como um potenciômetro, variando a corrente de saída proporcionalmente. Essa corrente realimenta a bobina que produz uma força igual e contrária sobre o braço para equilibrar a força produzida pela pressão do processo.

Fig.8 Esquema detalhado de transmissor eletrônico de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço de forças

Transmissores Pneumáticos (Balanço de movimento)

Fig.9 Esquema simplificado de indicador de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço de movimento

A figura 10 mostra o exemplo de um transmissor pneumático de pressão operando segundo o princípio do balanço de movimento (LIPTÁK, 1970). Neste caso, ao invés do tradicional conjunto bico-palheta, emprega-se um orifício anular com um restritor variável (wire pitot).

Fig.10 Esquema detalhado de indicador de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço e movimento

A pressão do processo atua sobre os diafragmas de medição. Um incremento na pressão do processo move o diafragma para cima, o qual através da haste em forma de “U” move o restritor para cima. Este, por sua vez, restringe o orifício anular e a pressão abaixo do restritor aumenta. Os dois foles que compõem o sistema “follow-up bellows” possuem a mesma área e são conectados rigidamente a um bloco central, de modo que a pressão abaixo do restritor não tem efeito no movimento dos foles.

A pressão abaixo do restritor é conectada ao topo do conjunto de diafragma de exaustão (exhaust diaphragm assembly), que se trata de um dispositivo amplificador, visto que o diafragma superior tem uma área muito superior à do diafragma superior (tipicamente seis vezes maior). Portanto, conforme a pressão abaixo do restritor cresce, a saída cresce a uma razão de 6:1.

A saída é realimentada para a parte inferior do fole de “follow-up” e o empurra para cima. O movimento para cima sofre uma resistência da mola de faixa (range spring). A constante da mola é tal que uma mudança de 12 psig nos foles de “follow up” os move através do curso total nominal do restritor.

Transmissores Eletrônicos (Balanço de Movimento)

Um exemplo de transmissor eletrônico operando segundo o princípio do balanço de movimento é o transmissor de pressão capacitivo, conforme mostrado na figura 11.

 

 

Fig.11 Esquema simplificado de transmissor eletrônico capacitivo de pressão diferencial operando segundo princípio do balanço de movimento

Neste caso, a variação na pressão do processo desloca o diafragma que modifica a capacitância do capacitor proporcionalmente. Essa variação de capacitância (geralmente medida por uma ponte capacitiva) produz uma variação proporcional na corrente de saída do transmissor.

Outro exemplo de transmissor eletrônico operando segundo o princípio do balanço de movimento é mostrado na figura 12 (LIPTÁK, 1970).

Fig.12 Esquema simplificado de transmissor eletrônico operando segundo princípio do balanço de movimento

Neste caso a variável sendo medida produz um movimento contra uma mola de calibração, resultando em uma mudança de posição correspondente a uma mudança da variável de processo. Essa posição é detectada por um transdutor. A saída do transdutor é amplificada e um sinal de realimentação elétrico é usado para estabilizar o amplificador. Um transdutor tipicamente empregado é o transformador diferencial.

Sistema Modulador-amplificador em Transmissores Pneumáticos

Há dois elementos nas figuras 5 e 6 que aparecem em quase todos os instrumentos pneumáticos, o conjunto bico (ejetor ou “blaffle” em inglês) e palheta (nozzle), que se comporta como um detetor, e o relé pneumático que se comporta como um amplificador.

A unidade bico/palheta converte um pequeno movimento (posição) ou força em um sinal pneumático proporcional equivalente. Movimentos da palheta de apenas 0,0015 cm mudam a pressão do bico de 0,75 psi ou 5,2 kPa. Essa pequena mudança de pressão aplicada ao amplificador pneumático ou relé  é amplificada e se converte em uma variação de 3 a 15 psi ou 20 a 100 kPa em sua saída.

Sistema Modulador-amplificador em Transmissores Eletrônicos

Há um dispositivo muito comum nos transmissores eletrônicos, trata-se do transformador diferencial, conforme mostrado na figura 13 (SANTOS, 1979).

Fig.13 Esquema simplificado de transformador diferencial com amplificador

Esse tipo de elemento transdutor converte movimento translacional em tensão elétrica. Ele também é conhecido como LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Eles são normalmente constituídos por um enrolamento primário alimentado por uma tensão alternada e dois enrolamentos secundários ligados em oposição.

No eixo dos enrolamentos move-se um núcleo de ferro, acoplado ao elemento de medida (flutuador, bourdon, fole, barra de força de transmissores por equilíbrio de forças). Quando o núcleo está simetricamente situado em relação aos dois secundários as f.e.m neles induzidas cancelam-se reciprocamente e a saída é nula.

Um deslocamento para cima ou para baixo produz um sinal elétrico de desiquilíbrio cuja fase muda com o sentido do deslocamento. O sinal de saída de pequena potência é normalmente amplificado através de amplificadores eletrônicos.

Elevação e Supressão da Faixa de Medição

Pode-se elevar ou suprimir a faixa de medição dos transmissores de pressão diferencial.

A mola de supressão/elevação é um conjunto opcional que pode ser acoplado ao transmissor, a qual pode puxar ou empurrar a extremidade superior da barra de força, a fim de aplicar uma força estática na barra de força, que será somada ou subtraída da força criada pelo elemento de medição para compensar os efeitos de pressão de coluna líquida, que são frequentemente encontrados em aplicações de medição de nível de líquidos.

A mola de supressão/elevação proporciona uma influência inicial antes que a força criada pelo elemento de medição seja transmitida ao circuito de transmissão.

Carga Máxima permitida em Transmissores Eletrônicos a 2 fios

Os transmissores eletrônicos a 2 fios possuem um esquema simplificado conforme mostrado na figura 14.

Fig.14 Diagrama esquemático simplificado de transmissor eletrônico a 2 fios

O transmissor eletrônico mede uma determinada variável de processo e transmite um sinal proporcional em corrente. O sinal é transmitido através de um par de fios (também usados como condutores da tensão de alimentação) a instrumentos receptores instalados a até diversas centenas de metros de distância. O transmissor é, de fato, regulador de corrente e efetivamente atua como um resistor variável em uma malha de controle em série conforme mostrado na figura 14.

Existe uma limitação de carga (resistência) externa que os transmissores normalmente conseguem suportar. Essa limitação é função do valor da tensão de alimentação. A figura 15 mostra um exemplo da relação entre tensão de alimentação e máxima carga externa suportada por um transmissor operando na faixa de 4 a 20 mACC.

Fig.15 Exemplo de relação entre tensão de alimentação e carga externa máxima suportada por um transmissor de 4 a 20 mACC

Os instrumentos receptores de sinais de 4-20 mACC normalmente possuem na entrada um resistor de precisão de 250 Ohms, com baixo coeficiente de variação (drift) de resistência em função de temperatura. Esses resistores convertem o sinal de corrente de 4-20 mACC em um sinal de tensão de 1-5 VCC, pois apesar de o sinal ser transmitido em corrente, os instrumentos internamente operam em tensão.

Analisando-se a figura 15, verifica-se, por exemplo, que se o transmissor for alimentado com 24 VCC ele poderá suportar uma carga de até 650 Ohms. Isto implica que ele poderá suportar até dois instrumentos receptores, equivalendo a uma carga total de 500 Ohms.

Instrumentação em Áreas Perigosas

Para ocorrer uma combustão ou uma explosão são necessários basicamente três elementos, o combustível, o comburente e a energia para provocar a ignição. O comburente (oxigênio) está normalmente presente na atmosfera. O combustível, em áreas perigosas, pode estar presente em condições normais ou anormais de operação do processo.

O ar contendo esse tipo de material inflamável pode sofrer ignição pela liberação da energia elétrica ou pela presença de temperaturas superficiais elevadas. Caso se opte pelo emprego de instrumentação pneumática, a energia para provocar ignição não é disponível e não se ocorre nenhum tipo de risco. No entanto, ao usar instrumentação eletrônica, essa energia pode estar presente.

Serão abordados inicialmente os tipos de produtos combustíveis normalmente empregados nas indústrias e, posteriormente, serão estudadas as formas de evitar que o emprego da instrumentação eletrônica provoque qualquer tipo de risco nas plantas industriais que operem com produtos inflamáveis.

Áreas Classificadas

Há indústrias que manipulam produtos inflamáveis ou explosivos dos tipos gases e vapores inflamáveis ou explosivos, pós ou poeiras combustíveis e fibras inflamáveis.

Esses produtos, ao estarem presentes na atmosfera, criam um ambiente perigoso, gerando o que se convencionou chamar de áreas classificadas. Essa classificação é feita pela NEC (National Electrical Code) em classes, grupos e divisões. O tipo de material combustível presente é determinado pela classe e grupo, ao passo que a probabilidade do material estar presente em concentrações perigosas é definida pela divisão.

Classes

O enquadramento dentro das classes define o tipo de substância perigosa que é manipulada, de acordo com a seguinte classificação:

Classe I: Existem ou podem existir gases ou vapores no ar em quantidade suficiente para gerar misturas inflamáveis ou explosivas.

Classe II: O mesmo do parágrafo anterior aplicado a pós ou poeiras inflamáveis.

Classe III: O mesmo aplicado às fibras ou materiais flutuantes.

Locais classificados como classe I são os mais comumente encontrados nas indústrias que operam com materiais inflamáveis. Nessas áreas, gases ou vapores inflamáveis estão ou podem estar presentes no ar em quantidade suficiente para produzir explosões ou misturas inflamáveis.

Divisões

O enquadramento dentro da divisão exprime a possibilidade da substância estar presente em condições normais ou anormais do processo:

Divisão 1: Se as substâncias perigosas existem em condições normais de operação ou durante intervalos para manutenção e paradas.

Divisão 2: Se as substâncias perigosas existirem somente sob condições anormais do processo.

Grupos

O enquadramento dentro dos grupos relaciona substâncias ou grupos de substâncias:

Grupo A: Acetileno

Grupo B: Butadieno, óxido de etileno, óxido de propileno, hidrogênio, gases que contenham mais que 30% de hidrogênio por unidade de volume.

Grupo C: Acetaldeído, ciclopropano, éter dietílico, etileno, hidrazina dimetílica assimétrica (UDMH).

Grupo D: Acetona, acrilonitrila, álcoois, amônia, benzeno, butano, etano, acetato etílico, dicloreto de etileno, gasolina, heptanos, hexanos, acetato isobutílico, metano (gás natural), nafta, octanos, pentanos, propano, propileno, estireno, tolueno, acetato vinílico, cloreto vinílico, xilenos, etc.

Grupo E: Poeira metálica.

Grupo F: Poeira de carvão ou coque.

Grupo G: Farinha, amido, pó de grãos.

Os grupos são agrupados dentro das classes. Assim os grupos A, B, C e D pertencem à classe I e os grupos E, F e G à classe II.

Instrumentação Eletrônica em Áreas Classificadas

Ao se empregar instrumentação eletrônica, pode haver energia presente na forma de faíscas ou de superfícies aquecidas. Nesse caso é necessário tomar certas precauções, tais como, purga com um gás inerente ao ar, instrumentos instalados em caixas à prova de explosão e instrumentação intrinsecamente segura.

Caso se empregue a purga com gás inerte, deve-se colocar o instrumento elétrico em uma caixa que será mantida com uma pressão levemente superior à pressão ambiente através da injeção de gás inerte. Desse modo, a atmosfera contaminada com substâncias perigosas não entra em contato com o instrumento, evitando o surgimento de ignições. Essa opção tem como inconveniente o fato de que uma eventual falha no suprimento de gás inerte elimine a proteção promovida pelo gás inerte.

O uso de caixas à prova de explosão não evita que a atmosfera perigosa entre em contato com o instrumento elétrico que está acondicionado dentro da caixa. Caso ocorra a explosão é necessário que a caixa seja suficientemente forte para não ser afetada pela explosão (incluindo eventuais mostradores de vidro existentes na caixa), nem deixe gases inflamados ou línguas de fogo saírem da caixa através de pontos de entrada/saída de cabos, o que é evitado através do uso de massas nesses pontos.

Além disso, a temperatura na superfície da caixa não deve exceder 80% da temperatura de ignição da mistura presente na atmosfera. Ao efetuar a manutenção e abrir-se a caixa à prova de explosão, deve-se lembrar de desligar o instrumento elétrico no campo, caso contrário, poderá haver uma ignição e a proteção não funcionará.

A instrumentação intrinsecamente segura pressupõe que não haja liberação de energia no campo suficiente para provocar nenhum tipo de faísca ou de aquecimento, tanto em condições normais quanto anormais de operação. Alguns instrumentos são projetados para ser inerentemente intrinsecamente seguros, enquanto outros empregam barreiras de energia externas, colocadas antes da entrada dos cabos na área classificada.

Essas barreiras de energia são instaladas nos cabos que interligam a sala de controle com o campo, evitando que tensões ou correntes elevadas passem para o campo, tratando-se de dispositivos passivos que limitam a energia disponível nas áreas perigosas.

As sobretensões são normalmente evitadas através do emprego de diodos Zener e as sobrecorrentes através da aplicação de fusíveis. Além disso, procura-se encapsular nos instrumentos elétricos existentes no campo os componentes capazes de acumular energia elétrica e provocar uma descarga elétrica, como no caso de capacitadores, ou então elementos capazes de sofrer aquecimento, como, por exemplo, os resistores.

Uma vantagem da instrumentação intrinsecamente segura é que o instrumento pode ser reparado no campo enquanto está energizado. As barreiras acrescentam custos ao projeto, mas sua vantagem com relação ao emprego de malhas intrinsecamente seguras é que somente os instrumentos na área perigosa precisam ser certificados e não todos os instrumentos da malha.

É normal que a sala de controle esteja em uma área de divisão 2 e esteja submetida a uma pressão levemente superior à pressão atmosférica, de modo a evitar que o ar presente externamente penetre nela. Em geral, para locais de divisão 1 todos os instrumentos elétricos devem ser acondicionados em caixas à prova de explosão ou ser intrinsecamente seguros.

Para locais de divisão 2, os instrumentos elétricos podem estar em caixas de uso geral se seus contatos (se existirem) estiverem hermeticamente selados ou se sob condições normais de operação não liberarem energia suficiente para provocar a ignição de uma mistura atmosférica específica, e se a máxima temperatura de operação de qualquer superfície exposta não exceder 80% da temperatura de ignição do gás ou vapor envolvido. Se essas condições não forem satisfeitas, uma caixa à prova de explosão deve ser usada em locais de divisão 2.

Referências Bibliográficas

SANTOS, J. J. H. Automação industrial. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1979

LIPTÁK, B. G. Instrument Engineer’s Handbook. Philadelphia, Chilton, 1970.