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4. Transmissores Utilizados nos Experimentos
4.1. O transmissor de pressão com elemento sensor em célula capacitiva de fabricação SMAR.
O LD301 é um transmissor inteligente para medição de pressão diferencial, absoluta, manométrica, nível e vazão. O transmissor é baseado num sensor capacitivo que proporciona uma operação segura e um excelente desempenho em campo. A tecnologia digital usada no LD301 permite a escolha de vários tipos de função de transferência, um interfaceamento fácil entre o campo e a sala de controle e algumas características que reduzem consideravelmente a instalação, operação e os custos de manutenção.
Características do LD
- Exatidão de ± 0,04%
- Estabilidade de ± 0,2% do URL – Garantia de 12 anos
- Rangeabilidade 120:
- Span mínimo de 50 Pa até um limite de faixa de 0 a 40 MPa
- Pressão estática de até 52 MPa
- Zero e Span não interativos
- Ajuste local de zero e Span
- Parametrização e calibração remota
- Funções de saída: linear, √x, √x 3 e √x 5
- Linearização para tanque
- Invólucro à prova de explosão e de tempo (IP67 )
- Intrinsecamente seguro
- Totalização persistente
- Unidade do usuário configurável
- Compatibilidade eletromagnética de acordo com a IEC 61000-6-2: 1999, IEC 61000-6-4:1997 e IEC 61326: 2002
- Proteção da configuração por senha
- Três opções de tecnologia: Hart, Foundation Fieldbus e Profibus PA.
- Corrente de saída atualizada em 100 ms com 0,075 μA/bit de resolução
- Desempenhp melhorado devido ao co-processador matemático dedicado
- Função de controle PID
4.1.1. Descrição Funcional
A série LD300 oferece:
- Exatidão de 0,04% para opção de alto desempenho
- Faixa de 120:
- Leve e compacto
A série LD300 utiliza a comprovada técnica de medição de pressão por leitura capacitiva.
Um esquema da célula capacitiva é mostrado na Fig. 28. No centro da célula está o diafragma sensor (1). Este diafragma flexiona-se em função da diferença de pressões aplicadas ao lado direito e esquerdo da célula. Essas pressões são aplicadas diretamente aos diafragmas isoladores (2), os quais fornecem resistência contra corrosão provocada por fluidos de processo. A pressão é diretamente transmitida ao diafragma sensor através do fluido de enchimento (3), provocando sua deflexão.
O diafragma sensor é um elemento móvel. As duas superfícies metalizadas (4) são eletrodos fixos. A deflexão do diafragma sensor é percebida através da variação da capacitância entre os dois eletrodos fixos e móvel.
Figura 29: Esquemático interno do Transmissor de Pressão
4.1.2. Tipos de Transmissores
Transmissor Diferencial – LD300D e LD300H A medição de pressão diferencial é obtida através da aplicação de pressão aos lados de alta e baixa pressão do transmissor. Os modelos LD300H foram projetados para trabalhos com alta pressão estática.
· Vazão – LD300D e LD300H A pressão diferencial é gerada por um elemento de vazão primário e a medida de vazão é obtida pela função raiz quadrada.
· Pressão Manométrica – LD300M A medição da pressão manométrica é obtida através da aplicação da pressão ao lado de alta do transmissor e o lado de baixa é aberto a atmosfera, fornecendo assim, uma referência de pressão atmosférica local.
· Pressão Absoluta – LD300A
A pressão absoluta é aplicada ao lado de alta do transmissor e no lado de baixa existe uma câmara de vácuo, que é a referencia de zero absoluto para a célula capacitiva.
· Nível – LD300L O transmissor permite uma conexão flangeada direta em vasos e tanques. Está disponível também com extensão.
4.1.3. Selo Remoto
Figura 30: Selo remoto para conexão ao processo
O SR301 é um selo remoto projetado para isolação química e térmica da célula capacitiva.A série LD300 pode ser montada com selos tanto em um como em ambos os lados do sensor. As aplicações típicas para a série LD300 com selo remoto são:
- Fluídos de processo corrosivos
- Fluídos de processo com sólidos em suspensão ou viscosos.
- Fluídos de processo que podem congela-se ou solidificar-se.
- Fluídos de processo com temperaturas maiores que as suportadas pelos transmissores.
4.1.4. Ligações do Transmissor
Alguns exemplos de montagem, mostrando a localização do transmissor em relação à tomada são apresentados na Fig. 31.
Figura 32: Ligação do LD301, trabalhando como transmissor.
Nota: se o cabo for blindado, recomenda-se o aterramento da blindagem em apenas uma das extremidades. A extremidade não aterrada deve ser cuidadosamente isolada.
Certifique-se que o transmissor está dentro da faixa de operação indicada na Fig.
- Para suportar a comunicação é necessária uma carga mínima de 250 Ohms.
Figura 33: Reta de Carga
4.1.5. Descrição Funcional do Sensor
O sensor de pressão utilizado pelos transmissores inteligentes de pressão da série LD301 é do tipo capacitivo, mostrado esquematicamente na Fig. 34.
Figura 34: Célula Capacitiva
onde, P1 e P2 são pressões aplicadas nas câmaras H e L. CH= capacitância medida entre a placa fixa do lado de P1 e o diafragma sensor. CL = capacitância medida entre a placa fixa do lado P2 e o diafragma sensor. d = distância entre as placas fixas de CH e CL. ∆d = deflexão sofrida pelo diafragma sensor devido a aplicação da pressão diferencial.
DP = P1-P
Sabe-se que a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser expressa em função da área ( A ) das placas e da distância ( d ) que as separa
- Oscilador Este oscilador gera uma freqüência, que é função da capacitância do sensor.
- Os sinais de controle da CPU são transferidos através do acoplador ótico, e os sinais do oscilador através de um transformador.
- Unidade Central de Processamento ( CPU) e PROM A unidade central de processamento é a parte inteligente do transmissor, responsável pelo gerenciamento e operação dos outros blocos, linearização e comunicação. O programa é armazenado em uma memória PROM. Para armazenamento temporário dos dados, a CPU possui uma memória RAM interna. Caso ocorra uma falta de energia estes dados armazenados na memória RAM são perdidos. A CPU possui uma memória não volátil EEPROM onde dados que devem ser retidos são armazenados. Exemplos de tais dados: calibração, configuração e identificação de dados. A EEPROM permite 10.000 gravações na mesma posição da memória.
• EEPROM
A outra EEPROM está localizada na placa do sensor. Ela contém dados pertencentes às características do sensor para diferentes pressões e temperaturas. Como cada sensor é caracterizado na fábrica, os dados gravados são específicos de cada sensor.
• Conversor D/A
Converte os dados digitais com 14 bits de resolução da CPU para sinais analógicos.
• Saída
Controla a corrente na linha que alimenta o transmissor. Funciona como uma carga resistiva variável, cujo valor depende da tensão proveniente do conversor D/A.
• Modem
A função deste sistema é tornar possível a troca de informações entre o
configurador e o transmissor, através de comunicação digital do tipo Mestre- Escravo. Sendo assim, o transmissor demodula da linha de corrente a informação transmitida serialmente pelo configurador e, após tratá-la adequadamente, modula na linha a resposta a ser enviada. O “1 “ é representado por 1200HZ e o “ 0 “ por 2200 HZ. O sinal de freqüência é simétrico e não afeta o nível DC na saída de 4- 20mA.
• Fonte de Alimentação
Para alimentar o circuito do transmissor, é utilizado a linha de transmissão do sinal (sistema a dois fios). O consumo quiescente do transmissor é de 3,6 mA e durante a operação o consumo poderá alcançar até 21 mA, dependendo do estado da medida e do sensor. O LD301, em modo transmissor, apresenta indicação de falha em 3,6 mA, quando configurado para falha baixa; 21 mA, quando configurado para falha alta; 3,8 mA quando ocorrer saturação baixa; 20,5 mA quando ocorrer saturação alta e medições proporcionais à pressão aplicada na faixa de 3,8 mA a 20,5 mA. O 4 mA corresponde a 0% da faixa de trabalho e o 20 mA a 100% da faixa d trabalho.
• Isolação da Fonte
O circuito de alimentação do sensor é isolado do circuito principal por este módulo.
• Controlador de Display
Recebe os sinais da CPU, ligando os seguimentos do display de cristal líquido.
• Ajuste Local
São duas chaves magnéticas da placa principal que são ativadas magneticamente pela inserção do cabo magnético, em um dos furos no topo da carcaça, sem nenhum contato externo com elas.
A área de operação do transmissor é representada pelas áreas hachuradas, porém somente na área mais clara temos comunicação digital.
• Alarme de falha ( Diagnósticos)
Em caso de falha no sensor ou no circuito, o auto-diagnóstico leva a saída para 3,6 ou 21,0 mA, de acordo com a escolha do usuário. O diagnóstico detalhado pode ser obtido através do comunicador HART.
Figura 36: Corrente de saída X Variável, mostrando saturação e falha do Equipamento
• Tempo para iniciar a operação
Opera dentro das especificações em menos que 5,0 segundos após energizar o transmissor.
• Limites de Pressão Estática e Sobrepressão
De 3,45 KPa abs. a: 0,5 MPa para a faixa 0 8 MPa para a faixa 1 16 MPa para a faixa 2,3 e 4
32 MPa para modelos H e A 40 MPa para modelo M 52 MPa para modelo M
As sobrepressões acima não danificarão o transmissor , porém, uma nova calibração pode ser necessária.
• Limites de Umidade
0 a 100% RH
4.1.8. Especificações de Desempenho
Com as seguintes condições de referência: Span iniciando em zero, temperatura de 25 0 C, pressão atmosférica, tensão de alimentação em 24 VDC, fluido de enchimento : óleo silicone e diafragmas isoladores de aço inox 316L.
• Exatidão
Para faixa 0, modelos diferenciais e manométricos: 0,2 URL ≤ span ≤ URL: 0,1% do span 0,05URL ≤ span ‹ 0,2 URL: ± [0,025+ 0,015 URL/span]% do span
Para faixas 1, 2, 3 e 4, modelos diferenciais e manométricos: 0,1 URL ≤ span ≤ URL: ± 0,075% do span 0,025URL ≤ span ‹ 0,1 URL: ± [0,0375+ 0,00375 URL/span]% do span 0,0085 URL ≤ span ‹ 0,025 URL: ± [0,0015+ 0,00465 URL/span]% do span
Para faixas 5 e 6, absolutos faixa 2, 3, 4, e 6, diafragmas em Tântalo ou Monel; ou fluido de enchimento em Fluorolube: 0,1 URL ≤ span ≤ URL: ± 0,1% do span 0,025 URL ≤ span ‹ 0,1 URL: ± [0,05+ 0,005 URL/span]% do span 0,0085 URL ≤ span ‹ 0,025 URL: ± [0,01+ 0,006 URL/span]% do span
4.2. O Transmissor com elemento de silício ressonante de fabricação Yokogawa
4.2.1. Introdução
Conforme o Overview da Yokogawa [16], a série DPharp EJA de transmissores de pressão digitais, representam o mais revolucionário avanço na história dos transmissores. DPharp representa o resultado de um longo tempo de desenvolvimento e projeto, provendo um nível de desempenho e confiabilidade além de qualquer outro disponível atualmente. Esta característica de transmissor totalmente digital é conhecida como “ harp” ( pressão ressonante de alta exatidão) provendo um desempenho único na maioria das aplicações de processo. Como algumas importantes características pode-se citar:
Alta tecnologia/ sensor de alto desempenho O sensor de cristal de silício ressonante provê uma singular confiabilidade, linearidade e proteção contra sobrepressão.
Prazo de 2 anos entre calibrações Com estabilidade de ±0,1% para 24 meses, a série DPharp EJA praticamente elimina o desvio de calibração.
4.2.2. Transdutores de pressão
Comunicações digitais e tecnologia micro processada, estão permitindo aos fabricantes, melhorar o desempenho de velhos projetos de transdutores. Porém, a não ser que o sensor em si seja digital, uma conversão analógico/digital (A/D) deve ser realizada. Com isto, vem o sacrifício da resolução e exatidão. DPharp elimina a conversão A/D, minimizando erros e permitindo aos usuários, facilmente migrar para futuras configurações Fieldbus. Sensores capacitivos e piezo elétricos desenvolvidos nos anos 60 e início de 70, são usados até os dias atuais. Ambos oferecem uma saída relativamente pequena e um amplificador de alto desempenho. Este sinais analógicos, precisam ser convertidos em sinais digitais, antes de entrarem na CPU para correção e
compensação e após serem novamente convertidos em um sinal de saída analógico.
4.2.3. Elemento principal de medição de pressão
A Yokogawa completou o desenvolvimento do sensor DPharp no final dos anos 80. O sensor DPharp é fabricado com cristal de silício usando a comprovada técnica de semicondutor 3-D. Esta técnica oferece excelente estabilidade ao silício, proporcionando superior estabilidade e repetitividade, ao mesmo tempo eliminando a histerese.
Figura 37: Chip do sensor de silício
No coração do sensor DPharp tem-se duas figuras H ressonantes. Moldadas dentro do sensor, estas duas pontes ressonam na sua freqüência natural de 90 Khz, permitindo ao sensor permanecer estável durante um longo período de tempo. Sempre que a pressão é aplicada, ela impõe a ponte central em tensão e a ponte externa em compressão. Como resultado, suas freqüências mudam, uma aumentando e a outra diminuindo. Um circuito micro processado calcula a alteração diferencial, proporcional a pressão aplicada. A freqüência, ou medida digital é fundamentalmente diferente da natureza análoga da saída dos sensores capacitivos ou piezo elétricos. Agora uma conversão analógica digital (A/D) não é mais necessária, para conduzir o sinal a CPU. Esta tecnologia inovadora, minimiza erros causados pela conversão.
eletromagnéticas. A principal característica do sensor DPharp é sua longa estabilidade ao longo do tempo. Tecnologias de sinais analógicos dos anos 70, possuem desvios na amplitude do sinal de saída do transdutor de depressão. Estes desvios podem ser causados por mudanças no circuito do sensor ou contaminação, porém ambos os dois não afetam o sensor DPharp.
10 ano 20 ano 30 ano 40 ano 5 0 ano 60 ano Figura 39: Estabilidade do sensor de silício ressonante (com compensação) ao longo do tempo
4.2.5. O transmissor série EJA
A série EJA é a segunda geração de transmissores usando o sensor DPharp ( Differencial Pressure high accuracy resonant) produzidos pela Yokogawa. A Fig. 40 é uma foto do transmissor em cima de uma bancada de teste.
Figura 40: O transmissor série EJA
A exatidão não é a única especificação que determina o desempenho de um transmissor. A exatidão, os efeitos de temperatura, os efeitos da pressão estática, os efeitos da sobre pressão e a estabilidade devem ser usados para calcular o real desempenho de um transmissor.
4.2.5.1. Exatidão
A exatidão para toda a faixa, é excelente, provendo uma grande faixa de operação sem comprometimento da qualidade da medição. Os gráficos da Fig. 41, mostram o desempenho e os desprezíveis erros de linearidade e histerese.
4.2.5.2. Efeitos da pressão estática e temperatura
Mudanças na temperatura ambiente, do dia até a noite, energização e deserginização do equipamento, produzem desvios na calibração, conforme indicado na Fig. 42.
