Introdução

Os sistemas supervisórios utilizam a instrumentação para interagir com os estados físicos do processo.

A instrumentação é a base dos sistemas supervisórios:

• sem sensores, o sistema não "enxerga";
• sem atuadores, ele não "age".

Cada instrumento de campo interage com uma grandeza física quantizável.

Objetivos da aula

Revisão concisa sobre instrumentação e comunicação aplicados a sistemas de automação industrial. O intuito é somente rever os pontos essenciais para a compreensão dos sistemas supervisórios. Os objetivos desta aula são:

• Relembrar os conceitos fundamentais de instrumentação industrial.
• Diferenciar variáveis de processo e variáveis instrumentadas.
• Entender a estrutura básica de um sistema de instrumentação.
• Revisar o papel de sensores, transmissores, controladores e atuadores.
• Classificar sensores de acordo com a natureza da variável medida.
• Compreender os tipos de sinais (analógicos, digitais, padronizados) utilizados em instrumentação.
• Introduzir exemplos práticos de instrumentação em sistemas supervisórios.

O papel da instrumentação nos sistemas supervisórios

Do ponto de vista do projetista do sistema supervisório, é essencial saber interagir com os instrumentos de maneira apropriada a níveis de eletrônica e software.

Cada instrumento/fabricante possui suas peculiariedades.

• É importante ter contato com uma grande variedade de instrumentos para desenvolver uma visão abrangente dos sistemas e suas possibilidades.
• A leitura do datasheet é essencial para entender as características operacionais e construtivas de cada instrumento.
• Faça pesquisas em fóruns e comunidades online para saber mais sobre o dia-a-dia de uso daquele instrumento.

Classificação dos Instrumentos

Os intrumentos são classificados entre sensores (dispositivos de entrada) e atuadores (dispositivos de saída).

As tabelas a seguir apresentam alguns dos principais tipos utilizados em sistemas de automação:

Sensores

Atuadores

Sensores

Do ponto de vista do sistema de automação, um sensor é um dispositivo capaz de quantizar uma variável física e transformá-la em um sinal interpretável pelos computadores, e.g., grandeza elétricas analógicas, digitais, protocolo de comunicação, etc. Há também instrumentos que não são sensores por definição, mas que também geram dados de entrada no sistema (e.g., boteiras de emergência).

Transdutores x Sensores

Transdutor: Qualquer elemento/dispositivo capaz de converter uma forma de energia em outra.

• Exemplos:
  • transformar pressão em deslocamento linear (e.g., êmbolo);
  • força mecânica em sinal elétrico (e.g., piezoelétrico);
  • transformar deslocamento em força (e.g., mola);
  • sinal elétrico em energia mecânica (e.g., altofalante).

Sensor: Elemento ou dispositivo capaz de detectar mudanças físicas/químicas do ambiente e reagir gerando um sinal proporcional a tal variação.

• Exemplos:
  • sensor de temperatura (e.g., termômetro de mercúrio, termoresistor);
  • sensor de pressão (e.g., manômetro.

Em suma: todo sensor é um transdutor, mas nem todo trandutor é um sensor.

Exemplos de sensores

É importante para um engenheiro conhecer o princípio de funcionamento dos sensores que irá utilizar pois isto impacta diretamente em sua adequabilidade para uso na planta. Além disto, também é importante entender a forma e característica do sinal de saída do instrumento tendo em vista a integração de seus dados no sistema de automação/supervisório. Na maioria dos casos, estas informações podem ser encontradas no datasheet do componente, que normalmente pode encontrado no site de seu fabricante.

Para mensurar uma certa grandeza física (e.g., temperatura, velocidade, etc), podem existir diferentes estratégias (i.e. combinação de transdutor/eletrônica) para se obter um sinal quantizável representativo daquela grandeza. Assim, para o engenheiro mecatrônico, é importante pesquisar os diferentes tipos diferentes de sensores existentes para mensurar uma mesma grandeza a fim de compreender qual é o mais adequado para sua planta.

Para ilustrar, seguem alguns exemplos de sensores, descrevendo brevemente seu modo de funcionamento, sinal entregue ao sistema de automação e link para o site de possíveis fabricantes.

Temperatura

Termopar

O termopar se aproveita do efeito Seebeck para ler a temperatura de um ponto desejado no espaço:

Efeito Seebeck:

Sinal de saída:

• A nível primário, o termopar entrega uma tensão analógica na ordem dos milivolts. Há necessidade de tratamento do sinal.
• Há termopares com eletrônica embarcada: sinal analógico (e.g., 4-20 mA) ou sinal digital (interface/protocolo).

Exemplo: Sonda 80PK-1 da Fluke - Link para o site do fabricante.

Sensor de Resistência Térmica (SRT)

O Sensor de Resistência Termométrica (SRT) aproveita-se da relação entre o valor de resistência e temperatura de um material condutor específico.

É geralmente constituído por um fio de metal (geralmente platina) enrolado em torno de núcleo cerâmico.

Sinal de saída:

• O sensor entrega um valor de resistência variável. Normalmente, deseja-se coverter este sinal em tensão ou corrente. Recomenda-se ponte de Wheatstone.
• Alguns instrumentos disponibilizam a saída em sinal analógico (e.g., 4-20 mA) ou sinal digital (interface/protocolo).

Exemplo: Sonda RTD PR-10 series - Link para o site do fabricante.

Câmera térmica

A câmera térmica combina uma matriz de sensores de irradiações eletromagnética na faixa do visível e infravermelho. Assim, são capazes de mensurar a emissão térmica dos corpos e reconstruir uma imagem visual com estes dados.

Sinal de saída:

• Podem possuir um visor próprio para a visualização da imagem térmica.
• Podem disponibilizar a imagem em formato analógico (como vídeo composto, e.g., VGA) ou em sinal digital (e.g., Ethernet/IP ou USB).

Exemplos

• E4 Wi-Fi da Flir: Link para o site do fabricante.
• A50 29 da Flir: Link para o site do fabricante.

Pressão – Piezoelétrico

Os transdutores piezoelétricos baseam-se nas características de certos materiais (cristais de quartzo ou cerâmicas piezoelétricas).

A tensão gerada é na ordem de milivolts e a dinâmica do sinal é rápida.

Sinal de saída:

• A nível primário entregam uma tensão elétrica analógica variável na ordem de milivolts.
• Alguns instrumentos disponibilizam a saída em sinal analógico (e.g., 4-20 mA) ou sinal digital (interface/protocolo).

Exemplo: 6217A da Kistler - Link para o site do fabricante.

Nível/Distância - Ultrassônico

Baseam-se na propagação e reflexão de ondas mecânicas pelo ar.

Sinal de saída:

• A nível primário, deve-se obter os instantes de tempo em que a onda é emitida e depois quando retorna ao emissor.
• Alguns instrumentos disponibilizam a saída em sinal analógico (e.g., 4-20 mA) ou sinal digital (interface/protocolo).

Exemplos:

• HC-SR04 da Handson Technology: Link para o site do fabricante
• 4-20HR-MaxSonar-WR Products da Maxbotix: Link para o site do fabricante.

Nível/Distância – Light Detection and Ranging (LiDAR)

Baseam-se na propagação e reflexão de ondas eletromagnéticas pelo ar.

onde m/s considerando-se o ar.

Sinal de saída:

• A nível primário, deve-se obter os instantes de tempo em que a onda é emitida e depois quando retorna ao emissor.
• Alguns instrumentos disponibilizam a saída em sinal analógico (e.g., 4-20 mA) ou sinal digital (interface/protocolo).

Exemplos:

• Serie IX da Keyence: Link para o site do fabricante.
• Puck VLP-16 da Velodyne: Link para o site do fabricante.

Fluxo/vazão – Sensor por efeito Coriolis

Medem a vazão mássica de um fluido (líquido ou gás) de forma não invasiva utilizando-se do efeito Coriolis em um tubo em forma de "U".

O tubo vibra a uma frequência aplicada pré-determinada. Pode-se encontrar a taxa de vazão ao conhecer a densidade do fluido e a taxa de variação da oscilação do tubo em relação uma frequência pré-determinada.

Sinal de saída:

• A nível primário, deve-se mensurar uma vibração neste duto (geralmente contando pulsos).
• Alguns instrumentos disponibilizam a saída em sinal analógico (e.g., 4-20 mA) ou sinal digital (interface/protocolo).

Exemplos:

• Proline Promass F 300 da Endress+Hauser: Link para o site do fabricante
• Optimass 6400: Link para o site do fabricante

Umidade - Higrômetro

Sensores capazes de medir a umidade do ar baseados em capacitância.

• Funcionam medindo a variação na constante dielétrica de um material higroscópico (capacidade de absorver moléculas de água presentes no ar), que muda conforme a umidade absorvida.

A estrutura básica do sensor possui duas placas condutoras com um polímero sensível à umidade entre elas.

• À medida que a umidade do ar varia, a capacitância do sistema muda, o que é interpretado eletronicamente e convertido em um valor de umidade relativa (%UR).

Sinal de saída:

• A nível primário, o sensor mede a variação de capacitância do elemento sensível.
• A saída pode ser fornecida em sinal analógico (e.g., 0–10 V, 4–20 mA) ou digital (e.g., Modbus, I²C, UART).
• Alguns modelos incorporam sensores de temperatura para compensação térmica.

Exemplos:

• SHT35-DIS-F da Sensirion: Link para o site do fabricante
• HygroFlex1 – HF1 da Rotronic: Link para o site do fabricante

Características desejáveis sensores

Para o sistema supervisório, as características ideais dos dados provenientes dos sensores são:

• atualizados;
• frequentes;
• confiáveis;
• ricos.

Nos sistemas modernos, um sensor ideal entrega em sua saída um sinal:

• digital utilizando protocolo de alto nível;
• em alta frequência;
• com timestamp para cada leitura;
• com curto período de atraso (latência);
• em alta resolução.

Atuadores

Do ponto de vista do sistema de automação, os atuadores são quaisquer dispositivos capazes de injetar energia a fim de alterar um grandeza física desejável de forma controlada.

Os sistemas de automação/supervisórios devem ser capazes de gerar sinais de saída adequados (geralmente elétricos a um nível primário) para comandarem os atuadores da forma desejada.

Atuadores em sistemas supervisórios

Nos sistemas modernos, o cenário ideal no uso de um atuador é:

• receber comandos de forma digital via protocolo industrial (e.g., Modbus, Profinet, IO-Link);
• oferecer feedback de estado (posição, falha, corrente, etc.);
• permitir ajuste de parâmetros via rede (rampa de aceleração, torque máximo, etc.);
• operar de forma segura, com tempos de resposta compatíveis com o controle exigido.

A escolha de um atuador deve considerar não apenas a potência e tipo de movimento necessário, mas também sua capacidade de integração com o sistema supervisório.

É fundamental consultar o datasheet e o manual de comunicação do atuador para configurar corretamente sua interface e garantir confiabilidade na operação.

Exemplos de atuadores

Vamos revisar alguns atuadores específicos mais relevantes para os sistemas de automação atuais.

Motor trifásico acionado por VFD

Os motores trifásicos são comumente acionados por inversores de frequência (Variable Frequency Driver - VFD).

Sinais para atuação:

• Os VFDs podem receber comandos de alto nível em uma combinação de entradas analógicas (e.g., 4-20 mA ou 0-10 V) e digitais (e.g., bits de início/parada, sentido de rotação, etc).
• É comum disponibilizarem interfaces/protocolos de comunização de mais alto nível.
• Praticidade na obtenção da telemetria do motor (quando disponíveis).

Exemplos:

• Motor W22 da Weg - Link para o site do fabricante.
• VFD Sinamics G120 da Siemens - Link para o site do fabricante.

Motor de passo

Tipo de motor elétrico que divide uma rotação completa do eixo em um número específico de "passos".

Composto por um estator fixo e diversos pares de bobinas que são energizadas sequencialmente.

Sinais para atuação:

• São tipicamente acionados por driver que aceitam duas entradas digitais para realizar o pulso e definir o sentido de rotação.
• Alguns modelos mais avançados possuem encoders que permitem obter a leitura da velocidade real do eixo.
• Alguns drivers disponibilizam interfaces/protocolos de comunicação.

Exemplos:

• Stepper Motor NEMA-23 da Adafruit - Link para o site do fabricante.
• Driver DRV8833 da Adafruit - Link para o site do fabricante.

Válvulas Solenóides – Circuito elétrico

Dispositivos eletromecânicos que utilizam um campo magnético gerado em uma bobina por uma corrente elétrica controlada para gerar um movimento linear.

Sinais para atuação:

• Para acionar/desacionar um solenóide é necessário passar uma corrente que gere um campo magnético suficientemente forte o suficiente a fim de movimentar o elemento móvel.
• Pode-se utilizar drivers que aceitam uma entrada digital (e.g., 0-5 V) e entregam esta corrente específica ao circuito da solenóide.
• Alguns drivers disponibilizam interfaces/protocolos de comunicação.

Exemplos:

• Mini Solenóide JF-0826B - Link para o site do revendedor

Válvulas Solenóides - Controle de Vazão

Controlam o fluxo de ar/líquido em uma linha.

Sinais para atuação: Há válvulas de dois estágios (ON-OFF) e lineares:

• As ON-OFF geralmente recebem um sinal digital (e.g., 0-5 V) para atuar na total abertura/fechamento da válvula
• As válvulas lineares permitem um fechamento gradual da válvula, podendo ser acionadas por sinais analógicos (e.g., 4-20 mA).
• Alguns drivers disponibilizam interfaces/protocolos de comunicação.
• Algumas válvulas disponibilizam um sensor de posição linear para indicar o real estado da válvula

Exemplos:

• SV10050STV da Hayward - Link para o site do fabricante
• K Series Low Lead Brass Soleinoid Valve - Link para o site do fabricante

Sirenes

Utilizadas para gerar um som alto e distinto a fim de alertar as pessoas próximas sobre situações que requerem atenção imediata.

Sinais para atuação:

• A maioria das sirenes soa um único tom (frequência) em função de uma tensão nominal (e.g., 24 VDC, 127 VAC) aplicada em sua linha de entrada. Pode-se acioná-las no sistema ON-OFF, inclusive diretamente do CLP (em alguns casos).
• Algumas sirenes permitem a modulação (alterar a frequência) do som emitido através de AM, FM, ou circuitos digitais customizados embarcados na sirene.

Exemplos:

• 2001-130 Equinox High Power da Federal Signal - Link para o site do fabricante.
• D1xS1F da e2s - Link para os site do fabricante.

Critérios de Escolha dos Instrumentos

Diversos critérios devem ser levados em consideração na escolha dos instrumentos a serem instalados no sistema supervisório.

Pode-se dividir tais critérios em três categorias:

Nota: Os critérios podem "migrar" de categoria a depender das necessidades da planta e do sistema supervisório.

Critérios restritivos

Os critérios restritivos visam identificar instrumentos que não são adequados para uso no sistema:

• Robustez ambiental – Garante funcionamento sob condições adversas. Exemplo: Proteção IP68, resistência à vibração e poeira.

• Degradação com o tempo – Afeta estabilidade da medição e necessidade de manutenção. Exemplo: Sensores ópticos sujeitos a contaminação.

• Tipo de saída e integração – Define a facilidade de conexão com CLPs e supervisórios. Exemplo: Sinal 4–20 mA vs. protocolo Modbus RTU.

• Faixa de medição/atuação – Evita saturações ou medições imprecisas. Exemplo: Sensor de pressão: 0–10 bar vs. 0–50 bar.

Critérios de adequação ao processo

Classifica os instrumentos quanto à adequação de suas características operacionais às necessidades do projeto:

• Resolução – Determina o menor valor detectável com precisão. Exemplo: Sensor de temperatura com resolução de 0,1 °C.

• Taxa de frequência – Define capacidade de detectar variações rápidas Exemplo: Sensor de vibração com leitura a 1 kHz.

• Tempo de resposta: – Importante para processos dinâmicos ou críticos. Exemplo: Sensor de gás com tempo de resposta < 1 s.

• Precisão e repetibilidade – Garante confiabilidade e controle consistente. Exemplo: Sensor de nível em tanques de mistura química

• Calibração e rastreabilidade – Necessária para processos regulados e auditorias. Exemplo: Equipamentos com certificado INMETRO ou ISO.

Critérios de Desempate

Importantes para a logística de compra, manutenção, etc.:

• Facilidade de instalação: Reduz tempo de comissionamento e falhas na montagem. Exemplo: Sensor plug-and-play com conectores padrão.

• Facilidade de manutenção: Minimiza tempo de parada e custo operacional. Exemplo: Elemento sensor destacável sem desmontar tudo.

• Custo e tempo de aquisição: Impacta o orçamento e prazos do projeto. Exemplo: Equipamento com pronta entrega no mercado local.

• Consolidação no mercado: Facilita suporte técnico e aceitação por engenheiros. Exemplo: Fabricante com presença nacional e peças locais.

• Padronização na planta: Reduz complexidade de estoque e treinamento Exemplo: Mesmo sensor usado em várias unidades.

Tendências em Instrumentação Inteligente

Com o advento da Internet das Coisas (IoT) e Indústria 4.0, os instrumentos mais modernos têm buscado incorporar características visando maior autonomia e comunicatividade do componente.

Abaixo estão listadas algumas das tendências de funcionalidades mais observadas recentemente:

Sensores com autodiagnóstico

Sensores com circuitos que permitem realizar autoverificação contínua de seu funcionamento.

São capazes de detectar falhas de leitura, desvios de calibraÇão, anomalias na alimentação, etc.

Reduz tempo de resposta à falhas e permite manutenção mais eficiente e proativa.

Manutenção preditiva com sensores

Sensores de vibração, temperatura e corrente utilizados para detectar padrões de degradação mecânica e elétrica em máquinas.

Permitem prever falhas antes que causem paradas não planejadas.

Reduz manutenção corretiav e aumenta a disponibilidade dos ativos.

Integração nativa com protocolos digitais

Instrumentos com suporte nativo a protocolos digitais industriais (IO-Link, HART, Modbus, OPC UA, etc.).

Facilita a comunicação dos instrumentos com o sistema supervisório: Parametrização, diagnóstico, remoto, troca de dados ricos, etc.

Elimina erros comuns de conversão analógica, aumentando a integridade das medições.

Conectividade via IoT

Instrumentos com conexão direta com sistema de rede e plataformas em nuvem (internet) via protocolos IoT.

Permite o monitoramento remoto em tempo real e integração com dashboards, APIs, inteligência analítica, serviços online, etc.

Contribui para sistemas mais descentralizados e adaptáveis.

Conclusões

A instrumentação constitui a base para o monitoramento e controle de processos em ambientes automatizados.

Ao revisitar os conceitos fundamentais, reforçamos o papel crítico dos sensores e transmissores na obtenção de dados confiáveis.

A correta interpretação e padronização dos sinais é o elo entre o mundo físico e os sistemas de controle, permitindo respostas precisas e seguras.

Por fim, a compreensão sistêmica da cadeia de instrumentação — da variável medida ao atuador final — é essencial para projetar e manter sistemas supervisórios eficientes e eficazes.

Pense sobre...

Quais são os tipos de sinais que os instrumentos de campo trabalham?

Como você converteria um sinal de 4–20 mA em uma variável física real?

Que tipo e critérios de sensor que usaria para medir o nível de um tanque de ácido corrosivo?

Qual seria a consequência de escolher um sensor com baixa precisão para um processo crítico?

Há mais critérios para a escolha dos instrumentos da planta?