Instrumentação

Instrumentação é um termo coletivo para instrumentos de medição , usados ​​para indicar, medir e registrar grandezas físicas . É também um campo de estudo sobre a arte e a ciência da fabricação de instrumentos de medição , envolvendo as áreas afins de metrologia , automação e teoria de controle . O termo tem origem na arte e na ciência da fabricação de instrumentos científicos .

A instrumentação pode se referir a dispositivos tão simples como termômetros de leitura direta , ou tão complexos como componentes multissensores de sistemas de controle industrial . Os instrumentos podem ser encontrados em laboratórios, refinarias, fábricas e veículos, bem como no uso doméstico diário (por exemplo, detectores de fumaça e termostatos )

Parâmetros de medição

Válvula de controle

A instrumentação é usada para medir muitos parâmetros (valores físicos), incluindo:

História

Um painel de instrumentação local em uma turbina a vapor

A história da instrumentação pode ser dividida em várias fases.

Pré-industrial

Elementos de instrumentação industrial têm uma longa história. Balanças para comparar pesos e ponteiros simples para indicar posição são tecnologias antigas. Algumas das primeiras medições eram de tempo. Um dos relógios de água mais antigos foi encontrado no túmulo do antigo faraó egípcio Amenhotep I , enterrado por volta de 1500 aC. [1] Melhorias foram incorporadas nos relógios. Por volta de 270 aC, eles já tinham os rudimentos de um dispositivo de sistema de controle automático. [2]

Em 1663, Christopher Wren apresentou à Royal Society um projeto para um "relógio meteorológico". Um desenho mostra sensores meteorológicos movendo canetas sobre o papel acionados por um relógio. Tais dispositivos não se tornaram padrão em meteorologia durante dois séculos. [3] O conceito permaneceu praticamente inalterado, como evidenciado pelos registradores gráficos pneumáticos, onde um fole pressurizado desloca uma caneta. A integração de sensores, displays, gravadores e controles era incomum até a revolução industrial, limitada tanto pela necessidade quanto pela praticidade.

Indústria primitiva

A evolução da sinalização de malha de controle analógica da era pneumática para a era eletrônica

Os primeiros sistemas usavam conexões diretas de processo com painéis de controle locais para controle e indicação, que a partir do início da década de 1930 viram a introdução de transmissores pneumáticos e controladores automáticos de 3 termos (PID) .

As gamas de transmissores pneumáticos foram definidas pela necessidade de controlar válvulas e atuadores em campo. Normalmente, um sinal variando de 3 a 15 psi (20 a 100kPa ou 0,2 a 1,0 kg/cm2) como padrão, foi padronizado com 6 a 30 psi sendo usado ocasionalmente para válvulas maiores. A eletrônica do transistor permitiu que a fiação substituísse os tubos, inicialmente com uma faixa de 20 a 100mA a até 90V para dispositivos alimentados por loop, reduzindo para 4 a 20mA a 12 a 24V em sistemas mais modernos. Um transmissor é um dispositivo que produz um sinal de saída, geralmente na forma de um  sinal de corrente elétrica de 4–20 mA , embora muitas outras opções usando tensão , frequência , pressão ou Ethernet sejam possíveis. O transistor foi comercializado em meados da década de 1950. [4]

Instrumentos acoplados a um sistema de controle forneciam sinais usados ​​para operar solenóides , válvulas , reguladores , disjuntores , relés e outros dispositivos. Tais dispositivos poderiam controlar uma variável de saída desejada e fornecer monitoramento remoto ou capacidades de controle automatizado.

Cada empresa de instrumentos introduziu seu próprio sinal de instrumentação padrão, causando confusão até que a faixa de 4–20 mA foi usada como sinal de instrumento eletrônico padrão para transmissores e válvulas. Este sinal foi eventualmente padronizado como ANSI/ISA S50, "Compatibilidade de Sinais Analógicos para Instrumentos de Processos Industriais Eletrônicos", na década de 1970. A transformação da instrumentação de transmissores, controladores e válvulas pneumáticos mecânicos em instrumentos eletrônicos reduziu os custos de manutenção, pois os instrumentos eletrônicos eram mais confiáveis ​​do que os instrumentos mecânicos. Isso também aumentou a eficiência e a produção devido ao aumento da precisão. A pneumática gozava de algumas vantagens, sendo favorecida em atmosferas corrosivas e explosivas. [5]

Controle automático de processo

Exemplo de um único circuito de controle industrial, mostrando o controle continuamente modulado do fluxo do processo

Nos primeiros anos do controle de processos , os indicadores de processo e os elementos de controle, como válvulas, eram monitorados por um operador, que andava pela unidade ajustando as válvulas para obter as temperaturas, pressões e vazões desejadas. À medida que a tecnologia evoluía, controladores pneumáticos foram inventados e montados em campo para monitorar o processo e controlar as válvulas. Isso reduziu o tempo que os operadores de processo precisavam para monitorar o processo. Nos últimos anos, os controladores reais foram transferidos para uma sala central e os sinais foram enviados para a sala de controle para monitorar o processo e os sinais de saída foram enviados para o elemento de controle final, como uma válvula, para ajustar o processo conforme necessário. Esses controladores e indicadores foram montados em uma parede chamada placa de controle. Os operadores ficavam em frente a esse quadro andando de um lado para o outro monitorando os indicadores do processo. Isso reduziu novamente o número e o tempo necessário para que os operadores de processo percorressem as unidades. O nível de sinal pneumático mais padrão usado durante esses anos foi de 3 a 15 psig. [6]

Grandes sistemas integrados baseados em computador

Controlador PID pneumático de "três termos" , amplamente utilizado antes que a eletrônica se tornasse confiável, mais barata e segura para uso em áreas perigosas (exemplo Siemens Telepneu)
Uma sala de controle central da era pré-DCS/SCADA. Embora os controles estejam centralizados em um só lugar, eles ainda são discretos e não integrados em um sistema.
Uma sala de controle DCS onde as informações e os controles da planta são exibidos em telas de computação gráfica. Os operadores ficam sentados e podem visualizar e controlar qualquer parte do processo a partir de suas telas, mantendo ao mesmo tempo uma visão geral da planta.

O controle de processos de grandes plantas industriais evoluiu através de vários estágios. Inicialmente, o controle seria feito por painéis locais na planta de processo. Porém, isso exigia um grande recurso de mão de obra para atender esses painéis dispersos, e não havia uma visão global do processo. O próximo desenvolvimento lógico foi a transmissão de todas as medições da planta para uma sala de controle central com pessoal permanente. Efetivamente, esta foi a centralização de todos os painéis localizados, com as vantagens de níveis de pessoal mais baixos e fácil visão geral do processo. Freqüentemente, os controladores ficavam atrás dos painéis da sala de controle e todas as saídas de controle automáticas e manuais eram transmitidas de volta à planta.

No entanto, embora fornecesse um foco de controle central, esse arranjo era inflexível, pois cada malha de controle tinha seu próprio hardware controlador e era necessário o movimento contínuo do operador dentro da sala de controle para visualizar diferentes partes do processo. Com o advento dos processadores eletrônicos e dos displays gráficos tornou-se possível substituir esses controladores discretos por algoritmos baseados em computador, hospedados em uma rede de racks de entrada/saída com seus próprios processadores de controle. Eles podem ser distribuídos pela planta e comunicar-se com o display gráfico na sala ou salas de controle. O conceito de controle distribuído nasceu.

A introdução de DCS e SCADA permitiu fácil interconexão e reconfiguração dos controles da planta, como loops e intertravamentos em cascata, e fácil interface com outros sistemas de computador de produção. Ele possibilitou o gerenciamento sofisticado de alarmes, introduziu o registro automático de eventos, eliminou a necessidade de registros físicos, como registradores gráficos, permitiu que os racks de controle fossem conectados em rede e, portanto, localizados localmente na planta para reduzir a execução de cabeamento, e forneceu visões gerais de alto nível do status e da produção da planta. níveis.

Aplicativo

Em alguns casos, o sensor é um elemento muito secundário do mecanismo. Câmeras digitais e relógios de pulso podem tecnicamente atender à definição vaga de instrumentação porque registram e/ou exibem informações detectadas. Na maioria das circunstâncias, nenhum deles seria chamado de instrumentação, mas quando usados ​​para medir o tempo decorrido de uma corrida e para documentar o vencedor na linha de chegada, ambos seriam chamados de instrumentação.

Doméstico

Um exemplo muito simples de sistema de instrumentação é um termostato mecânico , usado para controlar um forno doméstico e, assim, controlar a temperatura ambiente. Uma unidade típica detecta a temperatura com uma tira bimetálica . Ele exibe a temperatura por meio de uma agulha na extremidade livre da tira. Ativa a fornalha por meio de um interruptor de mercúrio . À medida que a chave é girada pela tira, o mercúrio faz contato físico (e, portanto, elétrico) entre os eletrodos.

Outro exemplo de sistema de instrumentação é um sistema de segurança residencial . Tal sistema consiste em sensores (detecção de movimento, interruptores para detecção de abertura de portas), algoritmos simples para detecção de intrusão, controle local (armar/desarmar) e monitoramento remoto do sistema para que a polícia possa ser chamada. A comunicação é uma parte inerente do design.

Os eletrodomésticos de cozinha usam sensores para controle.

  • Um refrigerador mantém uma temperatura constante acionando o sistema de resfriamento quando a temperatura fica muito alta.
  • Uma máquina de gelo automática produz gelo até que um interruptor de limite seja acionado.
  • As torradeiras de pão pop-up permitem definir o tempo.
  • Os fornos a gás não eletrônicos regularão a temperatura com um termostato que controla o fluxo de gás para o queimador de gás . Estes podem apresentar um bulbo sensor localizado na câmara principal do forno. Além disso, pode haver um dispositivo de supervisão de chama de corte de segurança : após a ignição, o botão de controle do queimador deve ser pressionado por um breve período para que um sensor aqueça e permita o fluxo de gás para o queimador. Se o sensor de segurança esfriar, isso pode indicar que a chama do queimador se apagou e, para evitar um vazamento contínuo de gás, o fluxo foi interrompido.
  • Os fornos elétricos usam um sensor de temperatura e ligam os elementos de aquecimento quando a temperatura está muito baixa. Fornos mais avançados acionarão ventiladores em resposta a sensores de temperatura, para distribuir calor ou para resfriar.
  • Um vaso sanitário comum reabastece a caixa d'água até que uma bóia feche a válvula. A bóia atua como um sensor de nível de água.

Automotivo

Os automóveis modernos possuem instrumentação complexa. Além de exibições de velocidade de rotação do motor e velocidade linear do veículo, há também exibições de tensão e corrente da bateria, níveis de fluidos, temperaturas de fluidos, distância percorrida e feedback de vários controles (piscas, freio de estacionamento, faróis, posição da transmissão). Cuidados podem ser exibidos para problemas especiais (baixo nível de combustível, verificação do motor, pressão baixa dos pneus, porta entreaberta, cinto de segurança solto). Os problemas são registrados para que possam ser reportados aos equipamentos de diagnóstico . Os sistemas de navegação podem fornecer comandos de voz para chegar a um destino. A instrumentação automotiva deve ser barata e confiável durante longos períodos em ambientes agressivos. Pode haver sistemas de airbag independentes que contenham sensores, lógica e atuadores. Os sistemas de freios antiderrapantes usam sensores para controlar os freios, enquanto o controle de cruzeiro afeta a posição do acelerador. Uma ampla variedade de serviços pode ser fornecida através de links de comunicação no sistema OnStar . Carros autônomos (com instrumentação exótica) foram mostrados.

Aeronave

As primeiras aeronaves tinham alguns sensores. [7] Os "medidores de vapor" converteram as pressões do ar em deflexões de agulha que poderiam ser interpretadas como altitude e velocidade no ar. Uma bússola magnética fornecia um senso de direção. As exibições para o piloto foram tão críticas quanto as medições.

Uma aeronave moderna possui um conjunto muito mais sofisticado de sensores e monitores, que são incorporados aos sistemas aviônicos . A aeronave pode conter sistemas de navegação inercial , sistemas de posicionamento global , radar meteorológico , pilotos automáticos e sistemas de estabilização de aeronaves. Sensores redundantes são usados ​​para confiabilidade. Um subconjunto das informações pode ser transferido para um gravador de acidentes para auxiliar nas investigações de acidentes. Os monitores piloto modernos agora incluem monitores de computador, incluindo head-up displays .

O radar de controle de tráfego aéreo é um sistema de instrumentação distribuído. A parte terra envia um pulso eletromagnético e recebe um eco (pelo menos). As aeronaves carregam transponders que transmitem códigos na recepção do pulso. O sistema exibe a localização do mapa da aeronave, um identificador e, opcionalmente, a altitude. A localização do mapa é baseada na direção da antena detectada e no atraso detectado. As outras informações estão incorporadas na transmissão do transponder.

Instrumentação de laboratório

Entre os possíveis usos do termo está uma coleção de equipamentos de teste de laboratório controlados por um computador através de um barramento IEEE-488 (também conhecido como GPIB para General Purpose Instrument Bus ou HPIB para Hewlitt Packard Instrument Bus). Equipamentos de laboratório estão disponíveis para medir muitas grandezas elétricas e químicas. Esse conjunto de equipamentos pode ser usado para automatizar o teste de poluentes na água potável.

Engenharia de instrumentação

A parte de instrumentação de um diagrama de tubulação e instrumentação será desenvolvida por um engenheiro de instrumentação.

Engenharia de instrumentação é a especialização da engenharia focada no princípio e operação de instrumentos de medição que são utilizados no projeto e configuração de sistemas automatizados em áreas como elétrica e pneumática e no controle de grandezas medidas. Eles normalmente funcionam para indústrias com processos automatizados , como fábricas químicas ou de manufatura , com o objetivo de melhorar a produtividade , confiabilidade, segurança, otimização e estabilidade do sistema. Para controlar os parâmetros de um processo ou de um determinado sistema, são utilizados dispositivos como microprocessadores, microcontroladores ou PLCs, mas seu objetivo final é controlar os parâmetros de um sistema.

A engenharia de instrumentação é vagamente definida porque as tarefas necessárias dependem muito do domínio. Um especialista em instrumentação biomédica de ratos de laboratório tem preocupações muito diferentes das de um especialista em instrumentação de foguetes. As preocupações comuns de ambos são a seleção de sensores apropriados com base no tamanho, peso, custo, confiabilidade, precisão, longevidade, robustez ambiental e resposta de frequência. Alguns sensores são literalmente disparados em projéteis de artilharia. Outros sentem explosões termonucleares até serem destruídos. Invariavelmente, os dados do sensor devem ser registrados, transmitidos ou exibidos. As taxas e capacidades de gravação variam enormemente. A transmissão pode ser trivial ou pode ser clandestina, criptografada e de baixa potência na presença de interferência. As exibições podem ser trivialmente simples ou podem exigir a consulta de especialistas em fatores humanos . O projeto do sistema de controle varia de trivial a uma especialidade separada.

Os engenheiros de instrumentação são responsáveis ​​por integrar os sensores aos registradores, transmissores, displays ou sistemas de controle, e produzir o diagrama de tubulação e instrumentação do processo. Eles podem projetar ou especificar instalação, fiação e condicionamento de sinal. Eles podem ser responsáveis ​​pelo comissionamento, calibração, testes e manutenção do sistema.

Em um ambiente de pesquisa, é comum que especialistas no assunto tenham conhecimentos substanciais em sistemas de instrumentação. Um astrônomo conhece a estrutura do universo e conhece muito sobre telescópios – óptica, apontadores e câmeras (ou outros elementos sensores). Isso muitas vezes inclui o conhecimento arduamente conquistado dos procedimentos operacionais que proporcionam os melhores resultados. Por exemplo, um astrônomo geralmente conhece técnicas para minimizar gradientes de temperatura que causam turbulência no ar dentro do telescópio.

Tecnólogos, técnicos e mecânicos de instrumentação são especializados em solução de problemas, reparo e manutenção de instrumentos e sistemas de instrumentação.

Tipos típicos de sinais de transmissores industriais

Impacto do desenvolvimento moderno

Ralph Müller (1940) afirmou: "Que a história da ciência física é em grande parte a história dos instrumentos e seu uso inteligente é bem conhecido. As amplas generalizações e teorias que surgiram de tempos em tempos permaneceram ou caíram com base em medições precisas , e em vários casos novos instrumentos tiveram que ser concebidos para esse propósito. Há poucas evidências que mostrem que a mente do homem moderno é superior à dos antigos. Suas ferramentas são incomparavelmente melhores. [8] [9] : 290 

Davis Baird argumentou que a principal mudança associada à identificação de Floris Cohen de uma "quarta grande revolução científica" após a Segunda Guerra Mundial é o desenvolvimento da instrumentação científica, não apenas na química , mas em todas as ciências. [9] [10] Na química, a introdução de nova instrumentação na década de 1940 foi "nada menos que uma revolução científica e tecnológica" [11] : 28–29  na qual os métodos clássicos úmidos e secos da química orgânica estrutural foram descartados , e novas áreas de pesquisa foram abertas. [11] : 38 

Já em 1954, WA Wildhack discutiu o potencial produtivo e destrutivo inerente ao controle de processos. [12] A capacidade de fazer medições precisas, verificáveis ​​e reprodutíveis do mundo natural, em níveis que não eram anteriormente observáveis, usando instrumentação científica, "proporcionou uma textura diferente do mundo". [13] Esta revolução da instrumentação altera fundamentalmente as capacidades humanas de monitorização e resposta, como é ilustrado nos exemplos da monitorização do DDT e da utilização da espectrofotometria UV e da cromatografia gasosa para monitorizar os poluentes da água . [10] [13]

Veja também

Referências

  1. ^ "Primeiros Relógios" . NIST . 12/08/2009 . Recuperado em 1 de março de 2012 .
  2. ^ "Página de histórico de automação predial" . Arquivado do original em 8 de julho de 2011 . Recuperado em 1 de março de 2012 .
  3. ^ Multhauf, Robert P. (1961), A introdução de instrumentos meteorológicos com autorregistro , Washington, DC: Smithsonian Institution, pp. Museu Nacional dos Estados Unidos, Boletim 228. Contribuições do Museu de História e Tecnologia: Artigo 23. Disponível no Projeto Gutenberg.
  4. ^ Lynn, LH (1998). “A comercialização do rádio transistor no Japão: O funcionamento de uma comunidade de inovação”. Transações IEEE sobre gerenciamento de engenharia . 45 (3): 220–229. doi :10.1109/17.704244.
  5. ^ Anderson, normando A. (1998). Instrumentação para Medição e Controle de Processos (3 ed.). Imprensa CRC. págs. 254–255. ISBN  978-0-8493-9871-1.
  6. ^ Anderson, normando A. (1998). Instrumentação para Medição e Controle de Processos (3 ed.). Imprensa CRC. págs. 8–10. ISBN  978-0-8493-9871-1.
  7. ^ Instrumentação de aeronaves - Esquadrão de Cadetes Leroy R. Grumman
  8. ^ Katz, Eric; Luz, André; Thompson, Willian (2002). Controlando a tecnologia: questões contemporâneas (2ª ed.). Amherst, NY: Prometheus Books. ISBN 978-1573929837. Recuperado em 9 de março de 2016 .
  9. ^ ab Baird, D. (1993). “Química analítica e a 'grande' revolução da instrumentação científica”. Anais da Ciência . 50 (3): 267–290. doi :10.1080/00033799300200221. Baixe o pdf para ler o artigo completo.
  10. ^ ab Baird, D. (2002). “Química analítica e a 'grande' revolução da instrumentação científica”. Em Morris, Peter JT (ed.). Da química clássica à moderna: a revolução instrumental; de uma conferência sobre a história da instrumentação química: "From the Test-tube to the Autoanalyzer: the Development of Chemical Instrumentation in the Twentieth Century", Londres, em agosto de 2000 . Cambridge: Royal Society of Chemistry em associação. com o Museu da Ciência. págs. 29–56. ISBN 9780854044795.
  11. ^ ab Reinhardt, Carsten, ed. (2001). Ciências químicas no século XX (1ª ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3527302710.
  12. ^ Wildhack, WA (22 de outubro de 1954). "Instrumentação - Revolução na Indústria, Ciência e Guerra". Ciência . 120 (3121): 15A. Bibcode :1954Sci...120A..15W. doi :10.1126/science.120.3121.15A. PMID17816144  .
  13. ^ Hentschel, Klaus (2003). "A Revolução Instrumental na Química (Ensaio de Revisão)". Fundamentos da Química . 5 (2): 179–183. doi :10.1023/A:1023691917565. S2CID102255170  .

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