a-introduçaõ da instrumentação

5/16/2018 A-introdu a da instrumenta o - slidepdf.com

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ESCOLA NESCOLA N ÁÁ UTICA INFANTEUTICA INFANTE

D. HENRIQUED. HENRIQUE

Apontamentos Apontamentosdede

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇ ÃO ÃO2006/20072006/2007

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO

Corpo docente:Corpo docente:

• Luis Filipe Baptista (aulas teóricas)• Carlos Augusto Silva (PG1/PG2)

••Link Link da pda pááginagina webweb do docente da disciplina:do docente da disciplina:

http://http://www.enautica.ptwww.enautica.pt/professores/Publico//professores/Publico/Baptista/Baptista/index.htmindex.htm



INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃOProgramaPrograma dada disc ip l inad isc ip l ina

• INTRODUINTRODUÇÇ ÃO ÃO À À INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇ ÃO ÃO•• CONDICIONAMENTO DE SINAISCONDICIONAMENTO DE SINAIS•• SENSORES E TRANSDUTORESSENSORES E TRANSDUTORES•• CONVERSORES, ACTUADORES E ELEMENTOS DECONVERSORES, ACTUADORES E ELEMENTOS DECONTROLO FINALCONTROLO FINAL

•• CONTROLADORES CONTCONTROLADORES CONTÍÍNUONUOSS•• CONTROLADORES DIGITAISCONTROLADORES DIGITAIS•• EXEMPLOS DE APLICAEXEMPLOS DE APLICAÇÇ ÃO EM INSTALA ÃO EM INSTALAÇÇÕESÕES

MAR MAR ÍÍTIMASTIMAS

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM 4

Bib l iograf iaBib l iograf ia

• Curtis D. Johnson, Controlo de Processos -Tecnologia da Instrumentação, Edição da FundaçãoCalouste Gulbenkian, 1991•Gustavo da Silva , Instrumentação Industrial, Ediçãoda Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, 1999• António Creus Sole , Instrumentacion Industrial ,Editora Marcombo Boixareau•Gustavo Ribeiro da Costa Alves , Instrumentação eMedidas, ISEP, Instituto Politécnico do Porto•Luis Filipe Baptista, Apontamentos de Controlo

Contínuo e Digital, ENIDH/DMM, 2006•Katsuhiko Ogata , Engenharia do controlo moderno,Editora Prentice-Hall do Brasil, 3a Edição, 1997




Norm as de aval iaNorm as de ava l ia çç ãoão Avaliação por testes: Parte teórica: dois testes escritos, não podendo o aluno ter

uma nota inferior a 7 valores em qualquer um deles. A médiados testes deverá ser igual ou superior a 9.5 valores; Parte laboratorial: o aluno deverá apresentar relatórios

dos trabalhos práticos a realizar no laboratório, e ter umanota mínima final de 9.5 valores. Os trabalhos serãosujeitos a uma discussão oral para atribuição da notafinal.

Nota_final= 0.6*(N_1T + N_2T)/2 + 0.4*(N_TP) Avaliação por exame: A nota mínima para ser aprovado no exame final é 9.5

valores; A nota final de exame é dada por:

Nota_final= 0.6*N_EFinal + 0.4*(N_TP)

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO(M412)(M412)

CAPCAPÍÍTULO ITULO I – – IntroduIntroduççãoão ààInstrumentaInstrumentaççãoão

Conceitos bConceitos báásicos sobresicos sobreinstrumentainstrumentaçção e medidasão e medidas

2006/2007




FunFun çç ão e cons t i t u ião e cons t i t u i çç ão de umão de ums is tem a de m ed is ist em a de m ed içç ãoão


Const i tu iConst i tu i çç ão de umão de umdispos i t i vo de m edidad ispos i t i vo de m edida

Bloco (ou elemento) sensorBloco (ou elemento) sensorElemento que se encontra em contactoElemento que se encontra em contacto

com o processo e que produz um sinal decom o processo e que produz um sinal desasaí í da que depende (de qualquer forma) dada que depende (de qualquer forma) davarivariáável sob medivel sob mediçção.ão.Exemplo:Exemplo: um termopar, em que a f.e.m aosum termopar, em que a f.e.m aos

seus terminais depende da temperatura.seus terminais depende da temperatura.




Bloco (ou elemento) de condicionamento deBloco (ou elemento) de condicionamento de

sinalsinalConverte a saConverte a saí í da de um elemento sensorda de um elemento sensor

numa forma mais apropriada para posteriornuma forma mais apropriada para posteriorprocessamento, geralmente uma tensãoprocessamento, geralmente uma tensãocontcontí í nua ou um sinal em frequência.nua ou um sinal em frequência.Exemplos:Exemplos:

Ponte dePonte de

WheatstoneWheatstone

que converte uma alteraque converte uma altera

ççãoão

de resistência numa alterade resistência numa alteraçção de tensão contão de tensão contí í nua.nua. Amplificador operacional Amplificador operacional que converte uma tensãoque converte uma tensão

dede miliVoltsmiliVolts em Volts.em Volts.

Const i tu iConst i tu i çç ão de umão de umdispos i t ivo de m edidad ispos i t ivo de m edida


Bloco (ou elemento) de processamentoBloco (ou elemento) de processamento

de sinalde sinalConverte o sinal de saConverte o sinal de saí í da do bloco (ouda do bloco (ouelemento) de condicionamento de sinalelemento) de condicionamento de sinalnuma forma mais apropriada paranuma forma mais apropriada para apreapre--sentasentaççãoão ou observaou observaçção.ão.Exemplo:Exemplo: um conversor analum conversor analóógicogico--digital quedigital que

converte uma tensão analconverte uma tensão analóógica numa palavragica numa palavra

digital, passdigital, passí í vel de ser lida por um computador.vel de ser lida por um computador.





Bloco (ou elemento) de apresentaBloco (ou elemento) de apresentaççãoãode dadosde dados Apresenta o valor medido numa forma Apresenta o valor medido numa forma

facilmente perceptfacilmente perceptí í vel pelo utilizador.vel pelo utilizador.Exemplo:Exemplo: indicador de ponteiro,indicador de ponteiro,

mostrador alfanummostrador alfanuméérico, indicador derico, indicador de

barras, etc.barras, etc.



Carac terCarac ter íís t i c as dos apare lhoss t ic as dos apare lhosde m edidade m edida

Exactidão ou FidelidadeExactidão ou FidelidadeTolerância aos factores ambientais e ao desgasteTolerância aos factores ambientais e ao desgaste

e envelhecimentoe envelhecimento.. PrecisãoPrecisão A precisão implica a exactidão, uma vez que um A precisão implica a exactidão, uma vez que um

aparelho não pode ser exacto sem ser preciso,aparelho não pode ser exacto sem ser preciso,embora o recembora o recí í proco não seja verdadeiro.proco não seja verdadeiro.

SensibilidadeSensibilidade ResoluResoluççãoão Rapidez de indicaRapidez de indicaççãoão ConsumoConsumo





Comodidade de emprego e portabilidadeComodidade de emprego e portabilidadeCalibre e gama dinâmicaCalibre e gama dinâmicaCalibreCalibre éé o valor da grandeza medida que do valor da grandeza medida que dáá,,

na escala, o desvio mna escala, o desvio mááximoximo

gama dinâmicagama dinâmica ==

desvio máximo legível

desvio mínimo legível



Robustez e capacidade de sobrecargaUm aparelho é robusto desde que não seja susceptível

a estragos devidos aos transportes e trepidações.Um aparelho está em sobrecarga quando a grandeza

física aplicada ultrapassa o calibre.

Capacidade de sobrecarga =

Grandeza máxima não destrutível = sobrecarga quenão faz variar, depois da sua aplicação, nem os erros,nem o limite de sensibilidade nem a precisão.

grandeza máxima não destrutiva

grandeza que dá o desvio máx. legível




Sim bolog ia re ferent e a apare lhosSim bolog ia re ferente a apare lhosde m edidade m edida

Relativamente à função:


SSíím bo los re lat i vosm bolos re lat i vos àà s ca rac t e rs ca rac t e r íís t i cass t i case le l éé c t r i cas dos apare lhos de med idac t r i cas dos apare lhos de med ida

Relativamente às possibilidades de medida:

corrente contínua (c.c. ou DC em inglês)

corrente alternada (c.a. ou AC em inglês)

corrente contínua e alternada




Relativamente à posição em quedevem ser utilizados

posição de emprego horizontal

idem, vertical

idem, oblíqua com indicação do ângulorelativamente à horizontal

SSíím bo los re lat i vosm bolos re lat i vos àà s ca rac t e rs ca rac t e r íís t i cass t i case le l éé c t r i cas dos apare lhos de med idac t r i cas dos apare lhos de med ida

50º


SSíím bo los re lat i vosm bolos re lat i vos àà s ca rac t e rs ca rac t e r íís t i cass t i casdos apare lhos de m edida e ldos apare lhos de m edida e l éé c t r i cosc t r i cos

Relativamente à classe de precisão A classe de precisão indica o limite superior do erro

relativo (relativamente à medida da grandezaindicada), como percentagem do máximo valor indicadona escala que se está a usar. Os aparelhos maisfrequentemente utilizados situam-se entre as classes 0,5e 4.

Exemplo: Classe de precisão 2, escala de 0 a 30 volts. O erro

relativo não excede +/- 2% de 30 volts, i. e. asleituras obtidas estarão afectadas, no máximo, de umerro absoluto de +/- 0,6 V.




SSíím bo los re la t i vosm bolos re la t i vos àà s ca rac te rs ca rac te r íís t i cass t i casdos apare lhos de m edida e ldos apare lhos de m edida e l éé c t r i cosc t r i cos

RelativamenteRelativamente àà sensibilidade, comosensibilidade, comovoltvoltí í metrometroÉÉ indicada em ohms/volt (indicada em ohms/volt (ΩΩ /V) ou, mais frequentemente, /V) ou, mais frequentemente,

emem quiloquilo--ohmsohms por volt (k por volt (k ΩΩ /V). Numa escala de zero a /V). Numa escala de zero aN volts, a resistência interna do voltN volts, a resistência interna do voltí í metrometro éé NNmultiplicado pela sensibilidade, atrmultiplicado pela sensibilidade, atráás referida, ems referida, em ohmsohmspor voltpor volt..

Exemplo:Exemplo: se a sensibilidade for de 10 000se a sensibilidade for de 10 000 ΩΩ /V /V

Numa escala de 0 a 0,1 VNuma escala de 0 a 0,1 V R1 = 10 000R1 = 10 000 ΩΩ /V x 0,1 V = 1 k /V x 0,1 V = 1 k ΩΩ

Numa escala de 0 a 300 VNuma escala de 0 a 300 V R2 = 10 000R2 = 10 000 ΩΩ /V x 300 V = 3,00 /V x 300 V = 3,00MM ΩΩ



Relativamente a outros dadosIndica-se também, frequentemente, a tensão de ensaio,

em KV, no interior de uma pequena estrela de 5 pontas.

Nos instrumentos de medida para correntealternada indicam-se, por vezes, os limites de frequênciadentro dos quais as leituras (das várias grandezas

mensuráveis) podem ser feitas, dentro da classe deprecisão estabelecida.

= 2 KV





• Instrumento de bobina móvel, incorporando rectificador

• Pertence à classe 1,5 em corrente contínua e à classe 2,5 em corrente alternada

• Permite medidas (em c.a.) envolvendo frequências entre 20 e 700 Hz, na classe

de precisão especificada - 2,5

• Resistência interna, como voltímetro, de 20 kΩ/V em c.c.• Impedância interna, como voltímetro de 10 kΩ/V em c.a.

• Deverá ser utilizado com a escala em posição horizontal

• A tensão de ensaio é de 2 kV

Exemplo


Carac terCarac ter íís t i c as de um e lementos t i c as de um e lemento

Alcance (m Alcance (máá ximo e m ximo e mí í nimo)nimo)Gama (ou intervalo) de funcionamentoGama (ou intervalo) de funcionamentoLinearidadeLinearidadeSensibilidadeSensibilidadeResoluResoluççãoãoHistereseHistereseTolerância aos efeitos ambientaisTolerância aos efeitos ambientais

Tolerância ao desgaste e envelhecimentoTolerância ao desgaste e envelhecimentoIntervalos de erro ou incertezaIntervalos de erro ou incerteza




Carac terCarac ter íís t i cas de um e lementos t i c as de um e lement o

Alcance (máximo e mínimo)

O alcance de entrada (E) de um elemento é especificadoatravés dos valores máximo e mínimo de E, i. e. Emáx e Emin.O alcance de saída (S) de um elemento é especificado atravésdos valores máximo e mínimo de S, i.e. Smax e Smin. Porexemplo um sensor de temperatura pode ter um alcance deentrada de 0 a 300º C e um alcance de saída de 10 a 40 kW.

Gama (ou intervalo) de funcionamento

Indica a máxima variação da entrada ou da saída, i. e.a gama de entrada é igual a Emáx - Emin e a gama desaída é Smáx - Smin. No exemplo anterior a gama deentrada era de 300º C e a gama de saída era de 30 kW.



LinearidadeDiz-se que um elemento é linear se a correspon-

dência entre os valores à sua entrada e os valores à suasaída forma uma linha recta. A linha recta ideal liga oponto mínimo (Emin, Smin) ao ponto máximo (Emáx,Smáx), sendo por isso descrita pela seguinte equação:

ou seja:

( )min

minmax

minmaxmin E E

E E

SSSS −⋅⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

−

−=−

S K E aideal = ⋅ +




Carac terCarac ter íís t i cass t i cas de um e lement ode um e lement o

LinearidadeExistem elementos que se afastam da lineari-dade, i. e. possuem uma característica nãolinear. A não-linearidade é geralmente quantificada

em termos de não-linearidade máxima N,expressa como uma percentagem da deflexãode fim de escala (d.f.e.), i. e. como umapercentagem da gama de funcionamento.


Carac terCarac ter íís t i c as de um e lementos t i cas de um e lemento





Linearidade

Em muitos casos, S(E) e consequentemente N(E), podeser expressa como um polinómio em E, i. e. :

Noutros casos, é mais adequado utilizar expressões

diferentes das polinomiais. Por exemplo, a resistênciaR(T) de um termístor, com T em ºC, é dada por:

S E a a E a E a E a E m

m

q

q

q

q m

( ) = + ⋅ + ⋅ + + ⋅ = ⋅=

=

∑0 1 2

2

0

K

R T e T ( ) ,= ⋅ +

⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠⎟

0 04

3300

273



SensibilidadeIndica a taxa de variação da saída em relação à

entrada, i. e.

dS/dE = K + dN/dE

Para um elemento ideal dS/dE = K . Quantomaior for o valor de K, maior será a sensi-bilidade do elemento.





ResoluçãoAlguns elementos são caracte-

rizados pela saída variar emintervalos ou deslocamentosdiscretos em resposta a umavariação contínua na entrada.

A resolução é definida como a

variação máxima da entradaque não provoca nenhumavariação na saída.



HisteresePara um dado valor de E, a saída S pode ser diferente

consoante E esteja a crescer ou a decrescer.Histerese, é a diferença entre estes dois valores de S.





Tolerância aos efeitos ambientais

Em geral, a saída S não depende só do sinal de entrada E,como também depende dos efeitos do ambiente em que seencontra o elemento. Geralmente, as funções de transfe-rência são elaboradas para condições bem determinadas,como por exemplo, a 25º C de temperatura ambiente,pressão atmosférica a 1000 milibars e uma humidaderelativa de 80 %. Se existirem desvios em relação a estascondições, então a nova função de transferência deveráreflectir o efeito destes desvios.

Tipos de efeitos ambientais: efeito de modificação eefeito de interferência. O primeiro actua ao nível do K eo segundo ao nível do a .

Exemplo: variação da resistência com a temperatura.



Tolerância ao desgaste e envelhecimentoO desgaste e o envelhecimento podem causar variações

nas características de um elemento, i. e. em K e a.Estas variações são geralmente muito lentas,mas sistemáticas ao longo do ciclo de vida doelemento em causa.

Exemplo: a rigidez de uma mola pode ser expressapela seguinte equação

k(t) = k0 - b x t

Neste caso, b é muito pequeno e t é o tempo, contadodesde o momento em que a mola foi fabricada.




Carac terCarac ter íís t i c as de um e lementos t i cas de um e lemento

Intervalos de erro ou incerteza

Em muitos sensores e transdutores modernos, anão linearidade, histerese, e efeitos de resoluçãosão tão pequenos que dificilmente (ou porirrelevância) se quantifica cada um destes efeitosindividualmente.

Nestes casos, o fabricante opta por definir aresposta do elemento em termos de limites deerro.

Para cada valor de E, a saída S será definida como

uma linha recta ideal centrada numa zona deerro definida por duas rectas paralelas à rectaideal, colocadas uma de cada lado, a umadistância igual ao erro absoluto máximo.

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO(M412)(M412)

CAPCAPÍÍTULO ITULO I – – IntroduIntroduççãoão ààInstrumentaInstrumentaççãoão

ConceitosConceitos bbáásicos sobresicos sobre

Controlo de ProcessosControlo de Processos

2006/20072006/2007




In t roduIn t rodu çç ão ao cont ro lo de processosão ao cont ro lo de processos

Conceito de controlo de processosDefinição directamente relacionada com o factode os seres humanos terem passado aadoptar formas de regulação automática demodo a obter uma fabricação mais eficientedos produtos.Neste tipo de estruturas, os procedimentos são

automáticos, dado que dispensam a utilizaçãode operadores humanos no esquema deregulação.



Variável dinâmica

É qualquer parâmetro físico que podevariar, ao longo do tempo, de umaforma expontânea ou por influênciasexternas. A palavra dinâmica transmite a ideia de

uma dependência do tempo que pode

resultar de um conjunto de influências nãoespecificadas ou desconhecidas.





Objectivo principal do controlo deprocessosConsiste em fazer com que uma variável

dinâmica se mantenha fixa ou perto de umvalor específico desejado.Como as variáveis dinâmicas evoluem

constantemente ao longo do tempo, é

necessário efectuar constantescorrecções, de modo a que o valor davariável dinâmica se mantenha constante.



Regulação (Regulation )

REGULAÇÃo consiste na operação demanutenção num valor constante de umavariável dinâmicaO controlo de processos tem por missão

principal efectuar a regulação de umavariável dinâmica.





Exemplo: Sistema térmicoProcesso: conjunto constituído por umpermutador, tubagens de entrada e desaída de fluido de um permutador Variável dinâmica: é a temperatura do

fluido à saída do permutador

Regulação: operação de manutenção datemperatura num determinado valor pré-definido pelo operador.



Exemplo: Sistema térmico

Realimentação ou feedback : para fornecera informação relativa à temperatura dofluido à saída do permutador, é necessáriomedi-la através de um transdutor, demodo a informar o sistema de regulaçãoacerca do seu valor.Controlo em anel ou malha fechada: com

a introdução da realimentação, passamosa ter um sistema de controlo em anel oumalha fechada.





Exemplo: Sistema térmicoControlo em anel ou malha aberta: quandonão se efectua a realimentação, diz-se queo sistema não tem feedback

Neste caso, o controlo é independente daevolução da variável dinâmica que se

pretende controlar.



Exemplo: Sistema térmico

Sistema de controlo manual Sistema de controlo automático

A uecedor

válvula

Set- oint

vapor

dreno

á ua fria

á ua uente

termómetro

Aquecedor

válvula

Regulador PID

Set-point

vapor

dreno

água fria

água quente

sensor





Elementos do controlo de processosProcesso: conjunto complexo de fenómenos

relacionados com uma sequência de fabrico. Háprocessos em que se pretende controlar apenasuma variável (processo univariável) ou váriasvariáveis em simultâneo (processos multi-variáveis).

Medida: Tradução de uma variável física num corres-pondente valor analógico, que pode ser expresso, em

geral, da seguinte forma:Pressão pneumática (3-15 psi)Tensão eléctrica (1-5 V, 0-10 V, ± 10 V,…)Corrente eléctrica (4 – 20 mA)



Elementos do controlo de processos Avaliação: operação de análise do valor medido

(medida), e determinação da acção que, casoseja necessário, se deverá executar –>controlador. Esta operação, pode ser efectuadaatravés de processamento:PneumáticoElectrónico (analógico)Electrónico (digital) -> Microprocessador

Valor de referência (set-point ): valor desejadoda variável dinâmica, expresso de uma formasemelhante à da variável medida.





Elementos do controlo de processos

Elemento de controlo: Dispositivo que exerce umainfluência directa no processo, i.e., efectua asalterações necessárias na variável dinâmica para atrazer até ao ponto de ajuste (set-point) -> Actuador.

Diagrama de blocos: Num anel ou malha decontrolo de processos, cada elemento é representadonum diagrama de blocos, por um bloco emseparado. Em geral, a variável dinâmica de referência,

é representada por R (ou CSP) e a variável dinâmicamedida por C ou CM.Erro: é dado pela diferença entre R e C, ou seja:

e = R – C ou e = CSP - CM



Diagrama de blocos (anel fechado)

Processo

Sensor de

medida

+

-

Referência Saída do processo

Sinal medido

Erro

Controlador

Acção de controlo





Diagrama de blocos (anel aberto)

Controlador Processo

Referência

Acção de controlo

Saída do processo



Avaliação do Controlo de Processos Critérios de avaliação do sistema de controlo

Erro do sistemaResposta dinâmica

Erro do sistema: medida do erro existente entre o valordo ponto de ajustamento da variável controlada e o valorreal da variável dinâmica mantido pelo sistema. Este erropode ser expresso pela percentagem do de desvio do valorreal de C em relação ao valor de ajustamento R.

Como reduzir o erro? Através da melhoria da qualidadedos elementos do sistema de controlo.





Avaliação do Controlo de Processos

Ponto de ajuste (set-point): Valor desejado para avariável dinâmica no processo. Deve ser expresso namesma forma que a dada pela medida da variáveldinâmica.Exemplo: Se uma medida converte uma pressão num valor

de corrente proporcional, então o ponto de ajustamento deveser expresso por uma corrente eléctrica na mesma proporção.

Resposta dinâmica: É o critério básico sobre o qual se

avalia a actuação do sistema. A resposta dinâmica éuma medida da reacção do sistema em função dotempo, ao corrigir perturbações transitórias ouadaptar-se a alterações no ponto de ajuste.



Avaliação do Controlo de processos Alteração ao ponto de ajuste: Corresponde a

uma alteração no ponto de funcionamento damalha de controlo. A resposta do sistemapode ser ajustada da seguinte forma:Resposta oscilatória: A resposta pode ultra-

passar o ponto de ajustamento e efectuar umcerto número de oscilações em torno desteponto antes de estabilizar.Exemplo: Controlo de nível de um tanque.





Avaliação do Controlo de processos Alteração ao ponto de ajustamento:Resposta amortecida: O valor da variável

dinâmica nunca ultrapassa o ponto deajustamento ou executa oscilações, masaproxima-se do novo ponto de ajustamento deuma forma assimptótica.Exemplo: Controlo de temperatura num forno,

no qual se pretende que a temperatura nuncaultrapasse um determinado valor pré-definido.



Avaliação do Controlo de processos









Resposta transitória: Descreve a capaci-dade da resposta dinâmica do sistemapara recuperar de uma perturbação súbitano processo que provoque uma mudançabrusca na variável controlada





Avaliação do Controlo de processosResposta transitória



Avaliação do Controlo de processosResposta transitória





Avaliação do Controlo de processosCritérios de avaliação da resposta dinâmica:Utiliza-se um conjunto de critérios de estabilida-

de, quer os desvios sejam devidos a alteraçõesno ponto de ajustamento, quer a entradas ouperturbações transitórias. Existem, entre outros,os seguintes critérios:Tempo de estabilizaçãoErro de picoErro residual Área mínima.....




Resposta de um sistema (processo) CM , com a

indicação dos seus principais parâmetros.






Para avaliar a resposta da malha de controloutilizam-se diversos critérios, sendo um deles ocritério da área mínima.



Avaliação do Controlo de processosTempo de estabilização (ts): Desvio permitido em

torno do ponto de ajuste ±∆

C. Se houver umaentrada transitória ou uma alteração no ponto deajuste, o tempo de estabilização é o temponecessário para que a malha ou anel de controlotraga novamente a variável dinâmica para a zonaaceitável, ou seja Csp ± ∆C.

Nota: num sistema de 2ª ordem , definem-se emgeral dois critérios de ts –> 2% e 5%.





Avaliação do Controlo de processosErro de pico: Desvio máximo da variável

dinâmica em relação ao ponto de ajustamento.(Nota: num sistema de 2ª ordem, este erro tem onome de máximo sobreimpulso ou overshoot (Mp).

Nota: Este assunto, será abordado com mais

detalhe na segunda parte da matéria –> Controlocontínuo e digital



Avaliação do Controlo de processosProcessamento analógico e digital de sinais: A

evolução do controlo de processos, tem levado à

introdução da tecnologia electrónica, devidofundamentalmente a:Baixo custoFiabilidadeMiniaturizaçãoFacilidade de interligação

Computadores digitais: Com o desenvolvimentocontínuo dos computadores, assiste-se hoje em

dia, à inevitável introdução dos sistemas deprocessamento digital baseados em micropro-cessador, nos blocos de avaliação e decisão, nocontrolador.





Avaliação do Controlo de processosDiagrama de blocos de um sistema de controlo

analógico

ReferênciaErro

Transdutor

de medida

+

_

Algoritmode

controlo

Saída

ProcessoActuador

Controlador analógico



Avaliação do Controlo de processosExemplo de um sistema de controlo contínuo:

controlo de velocidade de um motor Diesel através dodispositivo de massas de Watt.





Avaliação do Controlo de processosDiagrama de blocos de um sistema de controlo digital

Computador processo

Conversor

A/D

Conversor

D/A

Transdutor

de medida

Referência

Sinal de saída do

sensor (analógico)

Sinal de saída do

conversor (discreto)



Avaliação do Controlo de processosProcessamento digital: Controlo digital de velocidade de um

motor Diesel marítimo (Fonte: Wartsila-Sulzer.).





Unidades, Padrões e Definições

Sinais normalizados em controlo de processosTransmissão do sinal eléctrico: Nas malhasou anéis de controlo, é usual transmitir ossinais eléctricos sob a forma de intensidadede corrente.Gamas de sinais: 4 – 20 mA ; 10 – 50 mA Vantagens da transmissão por corrente das

variáveis dinâmicas:• Impedância de carga• Compatibilidade• Imunidade ao ruído• Medida/fonte de alimentação.



Unidades, Padrões e Definições Vantagens do uso de sinais em corrente

Impedância de carga: Evitam-se os errosintroduzidos ao ligar diferentes cargas ao circuito detransmissão. Assim, se se mudarem as resistênciasdas ligações ou uma resistência em série nasligações, não se altera o nível de corrente.Compatibilidade: Usando uma gama de corrente

especificada para representar o alcance da variáveldinâmica, é possível mudar o controlador facilmentede uma malha para outra.

Imunidade ao ruído: Os sinais transmitidos emcorrente são menos corrompidos por ruído,relativamente aos sinais transmitidos sob a formade tensão.






Vantagens do uso de sinais em corrente• Medida/fonte de alimentação: Só sãoprecisos dois cabos para ligar um transdutore sistema de condicionamento de sinal aoresto da malha de controlo.

• Na figura seguinte, o sinal para o

controlador e proveniente do transdu-tor, obtém-se através da queda detensão V=I.R numa resistência em sériena linha de transmissão.



Unidades, Padrões e Definições Vantagens do uso de sinais em corrente

Medida Fonte

Sinal para o controladorV= I×R

RI

I






Transmissão do sinal pneumático• Em muitas situações, numa malha o elementofinal de controlo, é um elemento pneumático(válvula automática). Geralmente, usam-seconversores Corrente/Pressão (I/P) paratransformar o sinal eléctrico (4-20 mA) numsinal pneumático (3 – 15 psi), sinalnormalizado na indústria. Em unidades SI, osinal pneumático corresponde a:

• 3 psi = 2,07 * 104 N/m2 ou 20,7 kPa• 15 psi = 10,34 * 104 N/m2 ou 103,4 kPa



Unidades, Padrões e Definições Esquemas de regulação e controlo de processos

Em controlo de processos, utiliza-se muitas vezes anorma de esquemas de tubagens e instrumentação(Piping & Instrumentation Drawing – P&ID ).Os símbolos estão normalizados e foram desenvol-

vidos ao longo dos anos pela ISA – InstrumentSociety of America.Os esquemas são constituídos basicamente por:

• Interligações

• Balões• Instrumentos





Exemplode umesquemade regula-ção econtrolode proces-sos emsimbologiaP&ID.



Unidades,Padrões e

Definições Esquemas P&ID

das tubagens(processo) e sinaisde medida e decontrolo.





Unidades, Padrões eDefinições Código de letras da

simbologia P&ID, queaparece nos balõesidentificadores dosinstrumentos e restanteselementos dos esquemas

de regulação.1ª Coluna: 1ª letra2ª coluna: 2ª letra



Unidades, Padrões e Definições Exemplo de aplicação do código anteriormente indicado

(FC).

1ª letra: F -> Caudal (1ª letra)-> Controlador de caudal2ª letra: C -> Controlo (2ª letra)





Unidades, Padrõese Definições Símbolos P&ID de

transdutores e elementosde controlo final. (Ex: FE10)

F – Caudal (1ª letra)E – Elemento primário

(2ª letra) -> Elementoprimário de mediçãode caudal –> pratocom orifício calibrado



Unidades, Padrões eDefinições Esquema de controlo em

cascata (Fonte: Control Engineering Magazine )TY – Relé de temperatura,montado atrás do painel dasala de controlo.T– Temperatura (1ª letra)

Y – Relé (2ª letra)

YIC – Relé de controlo comindicador (controlo manual)



INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃOCAPCAPÍÍTULO ITULO I – – IntroduIntroduççãoão àà

InstrumentaInstrumentaççãoãoConceitos bConceitos báásicos sobresicos sobre

NormalizaNormalizaçção e Sistemas deão e Sistemas deMedidaMedida

2006/20072006/2007


OrganismosOrganismos dede normal izanormal izaçç ãoão

ISO (mundial)

IEC (mundial)ISA (mundial)CEN (Europa)CENELEC (Europa) ANSI (EUA)IEEE (EUA)IPQ (Portugal)




Organism os de norm al izaOrganism os de norm al iza çç ãoão

A Organização Internacional para a Normalização

(International Organization for Standardization , ISO), foiestabelecida em 1947 com a missão de promover odesenvolvimento da normalização, e das váriasactividades associadas, para facilitar a troca internacionalde bens e serviços e para assegurar em simultâneo acooperação nas áreas intelectuais, científicas,tecnológicas e económicas.

Actualmente sediada em Geneva, Suíça, conta com maisde 130 países membros.

Os trabalhos relativos à electrotecnia e à electrónica sãodesenvolvidos pela IEC

WWW site : http://www.iso.ch


A Comissão Electrotécnica Internacional(International Electrotechnical Commission , IEC) foifundada em 1906, em Londres, em resultado de uma

resolução emitida no Congresso Internacional deElectrotecnia, realizado em St. Louis, EUA, em 1904.Com um estatuto de organização mundial, éresponsável pela promoção da cooperação entre osseus vários membros de diferentes países e pelapublicação de normas relacionadas com aelectricidade, electrónica e outras tecnologias afins.

Com sede em Geneva, Suíça, conta actualmente commembros de 46 países.WWW site : http://www.iec.ch





O Guia 25 do ISO/IEC, recentemente publicado,define os Requisitos Gerais para a Competência deLaboratórios de Teste e Calibração. Este documento,disponível na WWW, apresenta as váriasorganizações internacionais de acreditação, osvários organismos nacionais de acreditação, onde seinclui o Instituto Português da Qualidade , emPortugal, os organismos de certificação de produtos,e ainda vários endereços (na forma electrónica)relacionados com o teste e medição.

Ver http://www.microserve.net/~iso25/



A Sociedade Internacional para a Instrumentação eControlo (The International Society for measurement and control of America , ISA) é umaorganização dedicada a engenheiros e técnicosligados à área da medição e controlo.

É responsável pelo desenvolvimento de normas parainstrumentação, medição, automação e controlo,sendo a maior organização mundial nestas áreasespecíficas.

Possui mais de 180 secções locais, espalhadas anível mundial, e representa cerca de 110 países.

Conta actualmente com mais de 47 mil membros. WWW site : http://www.isa.org/





O Comité Europeu de Normalização (CEN) foi fundado

em 1961, tendo-se instalado provisoriamente em Paris, soba égide da AFNOR (organização nacional francesa paraa normalização). Em 1975 mudou-se para Bruxelas.

A missão do CEN consiste em promover a harmonizaçãovoluntária da tecnologia na Europa, em conjunto com outrosorganismos mundiais, como a ISO, e com todos os seuspaíses membros.

As estatísticas do CEN apontam para mais de 5500 NormasEuropeias já aprovadas e mais de 8000 em desenvolvimentoatravés de 270 comités técnicos activos.

WWW site - http://www.cenorm.be



O Comité Europeu de Normalização Electrotécnica(Comite Europeen de Normalisation Electro- technique, CENELEC) foi fundado em 1973, comestatutos de organização independente de fins nãolucrativos.

De acordo com a directiva 83/189 da ComissãoEuropeia, o CENELEC é considerada como aorganização responsável pela normalização na áreada Electrotecnia e Electrónica, actuando em estreitacolaboração com o CEN.

A cooperação entre o CENELEC e IEC é regulada

pelo ‘Acordo de Dresden’ firmado em Setembro de1986. WWW site - http://server.cenelec.be





O Instituto Nacional Americano de Normalização( American National Standards Institute , ANSI) éconsiderado uma das maiores federaçõesinternacionais de criação e promoção de normas.

Com sede em Nova Iorque, EUA, foi fundada em1918.

Actualmente conta com mais de 1400 membros,

entre companhias comerciais, organizaçõesindependentes e agências governamentais. WWW site - http://web.ansi.org



O ANSI não desenvolve, per si, qualquer tipo denorma, actuando antes e apenas como um

organismo responsável pela criação e manutençãode consensos entre os diferentes gruposintervenientes no processo de desenvolvimento denormas. Qualquer membro de um destes grupos dedesenvolvimento deverá porém estar acreditado

junto do ANSI, existindo actualmente 175instituições acreditados.

Os números referentes a 1995 apontam para um

total aproximado de 11 500 normas aprovadas pelo ANSI.





O Instituto dos Engenheiros Electrotécnicos e

Electrónicos (Institute of Electrical and Electronic Engineers , IEEE) foi fundado em 1 de Janeiro de1963.

Esta instituição tem um estatuto privado, nãolucrativo, e conta actualmente com mais de 330 milmembros, distribuídos por 150 países, sendoconsiderada a sociedade profissional de maior

dimensão em todo o mundo. WWW site - http://www.ieee.org



O IEEE:produz cerca de 30% da literatura mundial

publicada na área da engenharia electrotécnica,computação e controlo;patrocina cerca de 300 conferências

internacionais;possui mais de 800 normas em utilização e

outras 700 em fase de desenvolvimento. O IEEE encontra-se estruturado em 36 sociedades,

cada uma dedicada a uma sub-área específica daelectrotecnia / electrónica.

Esta organização possui ainda uma secçãoindependente dedicada à normalização: o IEEE-SA(Standards Association )





O Instituto Português da Qualidade (IPQ) é o

organismo nacional que gere e desenvolve o SistemaPortuguês da Qualidade (SPQ) - enquadramento legalde adesão voluntária para os assuntos da qualidade emPortugal.

No âmbito do SPQ, o IPQ é responsável em Portugal pelaacreditação de entidades, pela normalização nacional,assegurando a articulação com os organismos europeus e

internacionais de normalização, pelo Laboratório Central deMetrologia, pela informação técnica na área da qualidade epelo Secretariado do Conselho Nacional da Qualidade (CNQ).

WWW site -> http://www.ipq.pt



No âmbito regulamentar, o IPQ é ainda

responsável pelo controle metrológicoem Portugal e pelo processocomunitário de notificação prévia denormas e regras técnicas.Na sua acção, o IPQ orienta a actividade

de numerosos organismos que com ele

colaboram, aplicando os procedimentosdefinidos a nível europeu e internacional.





MediMedi çç ão e Erroão e Erro -- Def in iDef in i çç õesões

Métodos de medição Apesar de existirem diversas formas declassificação é usual distinguirem-se os seguintes

métodos:Indirectos - o valor da grandeza a medir é

obtido através da medição de outras grandezasfuncionalmente associadas (exemplo: área,potência...)Directos - valor da grandeza obtido de forma

imediata. Os métodos de medição porcomparação são considerados uma variante damedição directa. Os primeiros são aindadivididos em métodos de medição porsubstituição e por zero.



Métodos de mediçãoPor substituição - a grandeza a medir é substituída por

uma grandeza da mesma natureza, de valor conhecido,escolhida de forma a que os efeitos no dispositivoindicador sejam os mesmos (ex: medição do valor deresistências pelo método de comparação decorrentes)

Por zero - o valor da grandeza a medir é determinadopor equilíbrio, ajustando uma ou várias grandezas, devalores conhecidos, associados à grandeza a medir por

uma relação de equilíbrio conhecida (ex: medição dovalor de resistências usando a ponte deWheatstone)





Erro

Desvio entre o valor medido e o verdadeiro valorda grandeza ou variável.Tipos de erros - Grandeza do erroGrosseiros absolutoSistemáticos relativo Aleatórios

Análise estatística Análise probabilísticaLimites dos erros


Sis t em as de unidades de m edidaSis t em as de unidades de m edida

Unidades fundamentais (ou de base)

Unidade de medida de uma grandeza base , numdado sistema de grandezas.Uma grandeza de base é uma grandeza que, num

sistema de grandezas, faz parte de um conjuntode grandezas que são independentes entre si, i. e.não existe uma relação física entre elas.

Unidades derivadasSão definidas à custa das unidades fundamentais.




Sis t em as de unidades de m edidaSis t em as de unidades de m edida

Sistema de unidadesConjunto de unidades estabelecido para um

Sistema de grandezas. Um Sistema de Unidadescompreende um conjunto de unidades baseescolhidas e de unidades derivadas, determina-das pelas suas equações de definição e osfactores de proporcionalidade.

Sistema de unidades coerenteOs factores de proporcionalidade são todos

iguais a 1.


Sis t em as de un idades de m edidaSis t em as de un idades de m edida

Sistema Internacional de medidas (SI)Sistema de unidades coerente adoptado e

recomendado pela Conferência Geral de Pesos eMedidas (em vigor em Portugal).

O sistema SI é baseado (presentemente) nasseguintes sete unidades de base:

• o metro (m)• o kilograma (kg)• o segundo (s)• o ampére (A)• o Kelvin (K)• a mole (mol)• a candela (cd)

- unidade de comprimento- unidade de massa- unidade de tempo- unidade de intensidade de corrente eléctrica- unidade de temperatura termodinâmica- unidade de quantidade de matéria- unidade de intensidade luminosa

[L][M][T][I]

[Θ

]




Sis t em as de un idades de m edidaSis t em as de un idades de m edida

Sistema de unidades MKSASistema de unidades CGSSistema de unidades SI….Necessidade de existirem tabelas de

conversão de unidades entre osdiferentes sistemas de unidades


Grandezas elGrandezas el éé c t r ic as ec t r i cas emagnmagn éé t i c ast i c as

Corrente eléctrica, I Força electromotriz, E Potencial, V Resistência, R Carga eléctrica, Q Capacidade, C

Indutância, L Fluxo magnético,

Unidades do Sistema Internacional (SI)

Grandeza e símbolo Nome Símbolo Relação

ampére

volt

volt

ohm

coulomb

farad

henryWeber

A

V

V

Ω

C

F

HWb

W/A

W/A

V/A

As

As/V

Vs/AVs




MM úú l t ip los e subml t ip los e subm úú l t ip losl t ip losdec ima isdec ima is

Nome Símbolo Equivalência

tera

giga

mega

kilo

deci

centi

mili

micronano

pico

TGMk dcm

µnp

10

10

10

10

10

10

10

1010

10

12

9

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a-introduçaõ da instrumentação

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