| P | Pressão | Pa (Pascal) | O resultado — quanto de força por área |
| F | Força | N (Newton) | A força aplicada sobre a superfície |
| A | Área | m² | A área da superfície que recebe a força |
| ΔP | Diferença de pressão | Pa ou bar | Pressão no ponto B menos A (mais fundo = mais pressão) |
| ρ | Massa específica | kg/m³ | Água = 1000 · Óleo ≈ 850 · Mercúrio = 13.600 |
| g | Gravidade | m/s² | Aceleração gravitacional ≈ 9,81 m/s² |
| h | Altura da coluna | m | Diferença de profundidade entre os dois pontos |
| Qv | Vazão volumétrica | m³/s · L/min | Volume de fluido por unidade de tempo |
| S | Seção transversal | m² | Área interna da tubulação no ponto medido |
| v | Velocidade do fluido | m/s | Velocidade média do fluido na seção |
| Re | Número de Reynolds | adimensional | <2300 laminar · 2300–4000 transição · >4000 turbulento |
| ρ | Massa específica | kg/m³ | Densidade do fluido no ponto de medição |
| v | Velocidade do fluido | m/s | Velocidade média de escoamento na seção |
| D | Diâmetro interno | m | Diâmetro interno da tubulação no ponto medido |
| μ | Viscosidade dinâmica | Pa·s (cP) | Resistência interna do fluido ao escoamento |
| EA | Erro Absoluto | mesma unidade | Positivo = superestima · Negativo = subestima |
| Indicado | Valor indicado | bar, °C… | O que o instrumento mostra no display |
| Real | Valor real | bar, °C… | O valor verdadeiro (padrão de referência) |
| %FS | Erro % FS | (EA/URV)×100 | Comparar com catálogo do instrumento |
| %Span | Erro % Span | (EA/Span)×100 | Instrumento com re-range |
| %Leit. | Erro % Leitura | (EA/Real)×100 | Erro relativo ao valor medido |
| V | Tensão termoelétrica | mV | Sinal elétrico gerado pelo Efeito Seebeck |
| α | Coef. Seebeck | µV/°C | Tipo K ≈ 41 µV/°C · Tipo E ≈ 68 µV/°C |
| T_quente | Junção quente | °C | Ponta imersa no processo |
| T_fria | Junção fria | °C | Extremidade no transmissor (compensação eletrônica) |
| R(T) | Resistência a T | Ω (ohms) | O valor que o transmissor lê e converte em temperatura |
| R₀ | Resistência a 0°C | Ω | PT100 = 100Ω · PT1000 = 1000Ω |
| α | Coeficiente de temperatura | Ω/Ω·°C | Platina padrão: α = 0,00385 (IEC 60751) |
| T | Temperatura | °C | O valor que queremos medir |
PV · MV · SP — As 3 Variáveis do Controle
A grandeza física medida em tempo real pelo sensor: temperatura, pressão, nível, vazão.
O valor desejado para a PV. O controlador trabalha para que PV = SP.
O que o controlador ajusta para influenciar a PV: abertura de válvula, rotação de bomba, potência da chama.
As 4 Variáveis — Onde Aparecem num Processo
Imagine uma fábrica de bebidas: um tanque recebe líquido, aquece, e enche garrafas. As 4 variáveis estão presentes ao mesmo tempo:
Sinais de Instrumentação
| Tipo | Descrição | Uso industrial |
|---|---|---|
| Digital | 0 ou 1 — variação discreta | Sensores fim de curso, CLPs |
| 4–20 mA | Corrente proporcional — padrão de campo | Transmissores industriais |
| HART | Digital sobre 4–20 mA | Diagnóstico remoto simultâneo |
| PROFIBUS / FF | Rede digital industrial | Plantas modernas integradas |
Malha Aberta vs. Fechada
| Tipo | Realimentação | Correção automática | Exemplo |
|---|---|---|---|
| Aberta | Não | Não | Timer de irrigação fixo |
| Fechada | Sim (feedback) | Sim | Controle de temperatura, nível |
Classificação por Função (ISA-5.1)
| Instrumento | Sigla | Função | Exemplo |
|---|---|---|---|
| Sensor/Elemento primário | TE, PE, FE | Detecta a grandeza | Termopar, tubo de Pitot |
| Transmissor | TT, PT, FT, LT | Converte e transmite 4–20 mA | Rosemount 3051 |
| Controlador | TC, PC, FC, LC | Calcula e comanda | CLP, controlador PID |
| Elemento final | TV, FV, LV | Executa a ação | Válvula de controle |
Ação PID
Age proporcional ao erro atual. Rápido, mas deixa offset residual.
Acumula o erro no tempo. Elimina o offset lentamente.
Reage à velocidade de mudança. Antecipa variações.
Range, LRV, URV e Span
| Termo | Significado | Sensor 0–10 bar | Re-range 2–8 bar |
|---|---|---|---|
| LRV | Limite inferior | 0 bar | 2 bar |
| URV / FS | Limite superior | 10 bar | 8 bar |
| Span | Amplitude calibrada | 10 bar | 6 bar |
Características Metrológicas
Resumo de Fórmulas de Erro
| Tipo | Fórmula | Denominador | Quando usar |
|---|---|---|---|
| Absoluto (EA) | Indicado − Real | — | Erro em unidade de engenharia |
| Relativo (ER) | EA / Real | Valor real | Comparação adimensional |
| % Leitura | (EA/Real)×100 | Valor medido | Erro relativo ao ponto |
| % FS | (EA/FS)×100 | URV (fundo de escala) | Comparar com catálogo |
| % Span | (EA/Span)×100 | Span ajustado | Instrumento re-rangeado |
O que é Pressão?
Pressão é a força exercida perpendicularmente sobre uma superfície por unidade de área.
Tipos de Pressão
Referência = vácuo. P_abs = P_man + P_atm
Referência = atmosfera local. Maioria dos manômetros industriais.
Diferença entre dois pontos. Usada para medir vazão e nível.
Pressão abaixo da atmosférica. Vácuo = P_atm − P_abs
Unidades de Pressão
| Unidade | Equiv. em Pa | Equiv. em bar | Contexto industrial |
|---|---|---|---|
| Pascal (Pa) | 1 Pa | 10⁻⁵ | Unidade SI |
| Bar | 100.000 Pa | 1 | Padrão industrial brasileiro |
| PSI | 6.894,76 Pa | 0,0689 | Sistema imperial (EUA) |
| ATM | 101.325 Pa | 1,013 | Pressão atmosférica padrão |
| mH₂O (mCA) | 9.806,65 Pa | ≈0,098 | Medição de nível por coluna d'água |
Principais Instrumentos de Pressão
| Instrumento | Princípio | Faixa | Características |
|---|---|---|---|
| Manômetro de Bourdon | Deformação mecânica de tubo curvo | 0,5–1.000 bar | Sem energia elétrica, robusto, barato. |
| Transmissor piezoresistivo | Strain gauge em diafragma | 0–700 bar | Saída 4–20 mA. Padrão atual. |
| Pressostato | Chave mecânica | — | Sinal digital (liga/desliga). Alarmes e intertravamentos. |
| Transmissor de ΔP | Dois diafragmas + célula sensor | 0–700 bar | Vazão e nível por pressão diferencial. |
O que é Nível?
Nível é a grandeza física que representa a altura ou quantidade de uma substância dentro de um recipiente.
Mais comum. Água, óleo, combustível, produtos químicos.
Grãos, pó, cimento em silos. Ultrassom, radar ou capacitivo.
Separação entre dois líquidos imiscíveis (óleo-água).
Medição de Nível por Pressão
Métodos de Medição de Nível
| Método | Princípio físico | Vantagem | Limitação |
|---|---|---|---|
| Boia + transmissor | Empuxo (Arquimedes) | Direto, preciso | Partes móveis desgastam |
| Pressão diferencial | P = ρ×g×h (Stevin) | Sem contato, barato | Requer densidade constante |
| Ultrassom | Tempo de eco sonoro | Sem contato com fluido | Espuma e vapores interferem |
| Radar FMCW | Frequência de eco (microondas) | Alta precisão, imune a vapor | Custo elevado |
| Capacitivo | Variação de capacitância | Funciona com viscosos | Depende da permissividade |
Chaves de Nível
Boia flutuante ligada a uma chave. Simples, sem energia elétrica no sensor.
Dois eletrodos fecham circuito quando fluido condutor os toca.
Frequência muda ao tocar fluido. Imune a espuma e turbulência.
O que é Vazão?
Vazão é a quantidade volumétrica ou mássica de fluido que passa por uma seção transversal por unidade de tempo.
Tecnologias de Medição de Vazão
| Medidor | Princípio | Melhor aplicação | Re mínimo |
|---|---|---|---|
| Placa de Orifício | Pressão diferencial (Bernoulli) | Gases, vapores, líquidos limpos | >10.000 |
| Eletromagnético | Lei de Faraday | Líquidos condutores | Qualquer |
| Ultrassônico | Tempo de trânsito | Clamp-on (sem corte da linha) | Qualquer |
| Vórtex | Frequência de vórtices de Kármán | Vapor, gases limpos | >10.000 |
| Coriolis | Força de Coriolis em tubos vibratórios | Qualquer fluido — medição mássica direta | Qualquer |
O que é Temperatura?
Temperatura é o grau de agitação térmica das moléculas de uma substância. Toda medição de temperatura é indireta — baseada na alteração de uma propriedade física (comprimento, volume, resistência elétrica, tensão).
Temperatura incorreta altera viscosidade, reatividade, cristalização, pasteurização.
Superaquecimento em reatores exotérmicos pode causar runaway (reação descontrolada).
Controla taxas de reação, ponto de ebulição/condensação, eficiência de transferência de calor.
Escalas Termométricas
| Escala | Zero absoluto | Fusão do gelo | Ebulição da água | Uso |
|---|---|---|---|---|
| Celsius (°C) | −273,15°C | 0°C | 100°C | Padrão internacional / Brasil |
| Kelvin (K) | 0 K | 273,15 K | 373,15 K | Cálculos termodinâmicos e Lei dos Gases |
| Fahrenheit (°F) | −459°F | 32°F | 212°F | EUA · instrumentos importados |
Comparação dos Sensores de Temperatura
| Sensor | Princípio | Faixa | Sinal | Destaque |
|---|---|---|---|---|
| Bimetálico | Dilatação diferencial de 2 metais | −50°C a +500°C | Mecânico | Só indicação local; base dos termostatos |
| Vidro (haste) | Dilatação de líquido | −150°C a +350°C | Visual | Bulbo protegido por poço; ±0,5% |
| Bulbo-capilar | Pressão do fluido no bulbo | variável | Mecânico | Aciona termostatos industriais |
| Termistor NTC | Resistência cerâmica cai com T | −100°C a +300°C | Ω | Alta sensibilidade; curva não linear |
| Termistor PTC | Resistência sobe abruptamente | estreita | Ω | Proteção de motores; ponto de transição |
| PT100 (RTD) | Resistência da platina varia com T | −200°C a +850°C | Ω | Alta precisão; α=0,00385; 100Ω a 0°C |
| Termopar K | Efeito Seebeck — tensão mV | 0°C a +1260°C | mV | Mais usado no mundo; Cromel/Alumel |
| Termopar J | Efeito Seebeck | 0°C a +760°C | mV | Ferro/Constantan; baixo custo |
| Termopar E | Efeito Seebeck | 0°C a +870°C | mV | Maior FEM de todos; Cromel/Constantan |
| Termopar T | Efeito Seebeck | −184°C a +370°C | mV | Cobre/Constantan; criogenia |
| Termopar S/R | Efeito Seebeck (nobre) | 0°C a +1480°C | mV | Platina/Ródio; padrão de calibração |
| Termopar B | Efeito Seebeck (nobre) | +870°C a +1705°C | mV | Mais estável em altas T; Pt/Rh |
PT100 — Termoresistor (RTD)
O PT100 é o termoresistor mais utilizado no mundo. É chamado assim por ser de platina (Pt) com resistência de 100 Ω a 0°C (norma IEC 751 / ITS-90).
Constantes para PT100: A = 3,908×10⁻³ · B = −5,775×10⁻⁷. A fórmula simplificada R=R₀×(1+α×T) com α=0,00385 é uma aproximação linear suficiente para a maioria das aplicações industriais.
| T (°C) | −100 | 0 | 100 | 200 | 400 | 600 | 850 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| R (Ω) | 60,26 | 100,00 | 138,51 | 175,86 | 247,09 | 313,71 | 390,48 |
| Classe | Fórmula do erro máximo | Exemplo a 200°C | Aplicação |
|---|---|---|---|
| Classe AA | ±[0,1 + 0,0017×T] °C | ±0,44°C | Laboratório, farmacêutico |
| Classe A | ±[0,15 + 0,002×T] °C | ±0,55°C | Alta precisão industrial |
| Classe B | ±[0,3 + 0,005×T] °C | ±1,30°C | Uso industrial geral |
R_lida = R_sensor + R_cabo₁ + R_cabo₂. O transmissor não diferencia cabo de sensor.
Uso: curtas distâncias, baixa precisão. Erro depende do comprimento e temperatura do cabo.
Terceiro fio permite ao transmissor subtrair a resistência do cabo. Como R_C1 = R_C2 = R_C3, elas se cancelam: R_lida ≈ R_sensor.
Uso: padrão na indústria. Pequeno erro residual apenas por desigualdade dos condutores.
2 fios conduzem corrente constante; outros 2 medem a tensão. Alta impedância → sem corrente → sem erro de cabo.
Uso: laboratório, farmacêutico, metrologia. Medição totalmente independente do cabo.
Termistor — NTC e PTC
Resistência diminui quando a temperatura aumenta. Material semicondutor cerâmico. Curva não linear — especificado pela resistência a 25°C (ex: 10 kΩ@25°C).
Alta sensibilidade. Faixa estreita (−100°C a +300°C). Medições a 2 fios sem grande erro pois R é elevada. Sem normalização → reposição difícil.
Aplicações: termômetro clínico, HVAC, proteção de motores, medição de temperatura corporal.
Resistência aumenta com a temperatura. Possui um ponto de transição a partir do qual a resistência sobe abruptamente.
Faixa de medição estreita. Não linear. Usado mais como dispositivo de proteção do que de medição.
Aplicações: proteção de motores elétricos, controle de temperatura em painéis (ventilação, aquecimento), limitação de corrente.
Termopar — Efeito Seebeck
Descoberto em 1821 por T. J. Seebeck: em um circuito fechado com dois metais diferentes, surge uma força eletromotriz (FEM) proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções.
Ponta imersa no processo. É a junção que mede a temperatura real.
Extremidade no transmissor. Precisa ter temperatura conhecida — transmissor faz compensação eletrônica.
Fios de metais comuns. Baixo custo. Maior limite de erro. Uso industrial geral.
Fios de platina/ródio. Custo elevado. Altíssima exatidão e homogeneidade. Alta temperatura.
| Tipo | Materiais (+/−) | Faixa (°C) | FEM (mV) | Sensib. média | Destaque |
|---|---|---|---|---|---|
| K | Cromel / Alumel | 0 a 1260 | 0 a 50,99 | 4,05 mV/100°C | Mais usado no mundo. Robusto. |
| J | Ferro / Constantan | 0 a 760 | 0 a 42,92 | 5,65 mV/100°C | Baixo custo. Tubo protetor acima de 480°C. |
| E | Cromel / Constantan | 0 a 870 | 0 a 66,47 | 7,64 mV/100°C | Maior FEM entre todos. Alta estabilidade. |
| T | Cobre / Constantan | −184 a 370 | −5,33 a 19,03 | 5,14 mV/100°C | Criogenia. Cobre oxida acima de 310°C. |
| S | Pt90%Rh10% / Pt100% | 0 a 1480 | 0 a 15,34 | 1,04 mV/100°C | Padrão de calibração. Recalibrar acima de 1480°C. |
| R | Pt87%Rh13% / Pt100% | 0 a 1480 | 0 a 17,16 | 1,16 mV/100°C | Similar ao S. Mais recente. |
| B | Pt70%Rh30% / Pt94%Rh6% | 870 a 1705 | 3,71 a 12,49 | 1,05 mV/100°C | Temperaturas extremas. Mais estável que S e R. |
Fabricado com os mesmos metais do termopar. Mantém as propriedades termoelétricas exatas até o transmissor. Mais caro.
Uso: quando há variação de temperatura ao longo do cabo ou quando se exige maior precisão.
Fabricado com ligas diferentes mas com FEM equivalente ao termopar em uma faixa limitada (geralmente 0°C a 200°C). Mais barato.
Uso: maioria das aplicações industriais onde a temperatura do cabo não varia muito.
Transmissores de Temperatura
Convertem o sinal fraco do sensor (mV do termopar ou Ω do PT100) em sinal padronizado 4–20 mA / HART / PROFIBUS para o sistema de controle.
- ↳ Fornece corrente de excitação constante
- ↳ Mede a tensão resultante (Lei de Ohm: R = V/I)
- ↳ Lineariza a curva R×T
- ↳ Converte para 4–20 mA
- ↳ Amplifica o sinal mV (muito baixo)
- ↳ Realiza compensação de junção fria (mede a T do terminal e corrige)
- ↳ Lineariza a curva FEM×T via tabela ITS-90
- ↳ Converte para 4–20 mA
Poço Termopar (Thermowell) e Resposta Dinâmica
Tubo de proteção metálico que isola o sensor do fluido do processo. Permite troca do sensor sem parar a linha (sem corte de processo).
Tempo para o sensor atingir 63,2% de uma variação degrau de temperatura.
Sensor nu (sem poço): τ ≈ 1–5 s
Sensor com poço: τ ≈ 20–120 s
Para resposta completa: ~5×τ
Processos com variações rápidas exigem sensores de baixo τ — ou o controlador reagirá com atraso.
1 · Nível → Pressão (Stevin)
- Coluna de líquido gera pressão proporcional à sua altura
- Medir P no fundo = medir nível indiretamente
- h = 5 m de água → P = 0,49 bar
2 · Pressão → Vazão (Bernoulli)
- Restrição no fluido cria ΔP proporcional à vazão ao quadrado
- Transmissor realiza extração de raiz internamente para linearizar 4–20 mA
3 · Vazão → Nível (Balanço de Massa)
- Q_in > Q_out → nível sobe. Q_in < Q_out → nível cai
- Tanque grande (A grande) → resposta lenta → mais fácil de controlar
4 · Nível → Vazão (Torricelli)
- Em saídas gravitacionais, o nível determina a vazão de saída
- Sistema auto-regulante: nível cai → vazão cai proporcionalmente
O que é Calibração?
Calibração é o conjunto de operações que estabelece a relação entre os valores indicados por um instrumento e os valores correspondentes conhecidos de um padrão rastreável.
Rastreabilidade Metrológica
Procedimento Passo a Passo
Tabela de Pontos — Exemplo
Transmissor 0–10 bar → 4–20 mA. Tolerância: ±0,5% FS
| Ponto | Pressão padrão | Saída esperada | Saída medida | Erro %FS | Situação |
|---|---|---|---|---|---|
| 0% | 0,00 bar | 4,00 mA | 4,02 mA | +0,13% | ✓ OK |
| 25% | 2,50 bar | 8,00 mA | 8,05 mA | +0,31% | ✓ OK |
| 50% | 5,00 bar | 12,00 mA | 12,09 mA | +0,56% | ✗ Fora |
| 75% | 7,50 bar | 16,00 mA | 16,11 mA | +0,69% | ✗ Fora |
| 100% | 10,00 bar | 20,00 mA | 20,12 mA | +0,75% | ✗ Fora |
Escolha a quantidade acima para começar.
Exemplos prontos
V1=2 m/s · P1=2,2 bar
V1=1,5 m/s · S2 a 3m
V1=3→6 m/s · P1=5 bar
D1=30→15cm · V1=15 m/s
- Cada fórmula visual agora tem um guia de como organizar as variáveis antes de calcular
- Dois exemplos numéricos completos por fórmula — um calculando a variável principal, outro isolando uma variável diferente
- Caixa de armadilha ⚠ em cada fórmula com os erros mais frequentes em prova (unidades erradas, raio vs diâmetro, junta fria esquecida, etc.)
- Fórmulas: P=F/A · Stevin · Vazão Qv · Reynolds · Erros EA/%FS/%Span · Termopar Seebeck · PT100 (sentido direto e inverso)
- Módulo Temperatura expandido com base nos slides 159–234 do material oficial SENAI
- Escalas: tabela comparativa com pontos fixos (zero absoluto, fusão do gelo, ebulição) e todas as fórmulas de conversão
- Tabela geral de 12 sensores — bimetálico, vidro, bulbo-capilar, NTC, PTC, PT100, PT1000, termopares T/J/E/K/S/R/B
- PT100 expandido: fórmula completa de Callendar-Van Dusen, tabela de valores de referência (−100°C a +850°C), classes de tolerância A/B/AA com fórmulas, ligações a 2/3/4 fios com diferença prática
- Termistor: diferença entre NTC e PTC, por que NTC não tem transmissor universal
- Termopar expandido: Efeito Seebeck, grupos básicos vs nobres, tabela completa dos 7 tipos (T, J, E, K, S, R, B) com materiais, faixas e FEM, cabo de extensão vs cabo de compensação, Lei do Circuito Homogêneo, compensação de junção fria
- Transmissores: diferença no circuito para PT100 vs termopar
- Thermowell: constante de tempo τ com valores típicos (sensor nu vs com poço)
- +12 flashcards de temperatura · +7 questões de quiz (totais: 78 cards · 53 questões)
- Dashboard reorganizado em 4 colunas — sem espaço vazio; todos os módulos, flashcards, quiz e calculadora acessíveis direto da tela inicial
- Acesso rápido à prática no topo do dashboard (Flashcards, Quiz, Calculadora, Bernoulli, Fórmulas)
- Simulador Bernoulli agora permite escolher qual variável calcular — P₂, V₂, P₁ ou V₁. Informe as 3 conhecidas e o resultado da desconhecida aparece automaticamente
- Histórico de versões reescrito com linguagem do estudante — o que mudou na prática, não nos bastidores
- Módulo Fundamentos expandido: analogias do dia a dia para PV, SP e MV (chuveiro, geladeira, registro de água) e mapa das 4 variáveis num processo de fábrica
- Seção "Você já viu isso" adicionada em Pressão, Nível, Vazão e Temperatura — conecta cada conceito industrial a exemplos do cotidiano (pneu, caixa d'água, torneira, geladeira…)
- Alertas de erros comuns de prova distribuídos ao longo dos módulos
- +12 flashcards cobrindo Reynolds, Bernoulli, Venturi e calibração prática
- +8 questões de quiz com cálculos numéricos reais: Stevin, Bernoulli, PT100, diagnóstico de falha 3,5 mA
- Total: 66 flashcards · 46 questões
- Diagramas das fórmulas maiores e responsivos — funcionam bem em celular e desktop
- Ao passar o mouse (ou tocar) em qualquer variável da fórmula, ela acende no diagrama e na tabela ao mesmo tempo
- Botão "Ver resolução" em cada fórmula — mostra a conta passo a passo com valores numéricos reais
- Tanque de Stevin com animação do nível da água subindo e descendo
- Simuladores de Continuidade e Bernoulli calculam em tempo real enquanto você digita — sem precisar clicar em "Calcular"
- Diagrama do tubo atualiza as setas de velocidade proporcionalmente ao que você digitou
- Alertas automáticos: cavitação, velocidade muito alta, escoamento laminar
- Passo a passo do cálculo expansível abaixo de cada simulador
- Botão ☀/☾ no topo alterna entre tema escuro e claro — preferência salva entre sessões
- Tipografia ajusta automaticamente o tamanho conforme o tamanho da tela (celular, tablet, desktop)
- Menu lateral (drawer) no celular para navegar entre módulos sem perder espaço
- Setas de rolagem no menu do desktop para acessar todos os itens sem sobreposição
- 11 módulos: Fundamentos, Malha de Controle, Instrumentação, Erros, Pressão, Nível, Vazão, Temperatura, Relações P·N·Q, Cenários Reais, Calibração
- 54 flashcards com animação de virar a carta, filtro por categoria
- 38 questões de quiz com feedback imediato e explicação da resposta
- 9 calculadoras: Stevin, Nível por pressão, Reynolds, Torricelli, Erro absoluto, Erro %FS, Acurácia, Conversor de temperatura, Lei dos Gases
- Simuladores de Continuidade e Bernoulli
- Fórmulas visuais com diagramas SVG e tabela de variáveis