Sistemas de MedioHlio Padilha

Captulo 1 - IntroduoObjetivos da disciplina Aprofundar o conhecimento dos alunos nos diversos tipos de instrumentos de medida, enfocando seus princpios de funcionamento, aplicaes e restries, bem como seus elementos auxiliares tais como registradores e processadores de sinais.

Bibliografia: [1] Doebelin, E. ; Measurement Systems - Application and Design, Ed. McGraw Hill 4th Edition, 1992. [2] Siemens AG; Instrumentao Industrial , Ed. Edgard Blcher Ltda. , 1976. [3] Sirohi, R.S. & Krishna, H.C.R., Mechanical Measurements, Ed. John Wiley, 1991 [4] Bolton, Willian: "Instrumentao & Controle", So Paulo-SP, Hemus Editora Ltda.

Definio de instrumento de medidan

n

Instrumento de medida ou medidores so aparelhos, normalmente compostos de vrios elementos, que so capazes de nos indicar a quantidade de uma grandeza existente ou em fluxo. Esta grandeza escalar ou vetorial, medida em um meio e em um instante especfico, utilizando uma unidade apropriada, e sempre com uma determinada incerteza de medio.

Definiesn

Neste texto:n

Instrumento de medio tem sido preferido para medidores pequenos, portteis e encapsulados em uma nica unidade. Sistemas de medio tem sido usado genericamente para abranger desde medidores simples e compactos at os grandes e complexos.

n

Aplicaes de instrumentos de medidaPor que medir? As aplicaes que precisam de medidores so: n Monitoramento de processos e operaes n Experimentos em geral n Controle de processos e operaes

Monitoramenton

Algumas aplicaes de instrumentos de medida podem ser caracterizadas como sendo de simples monitoramento de grandezas, exemplos: Medio de presso atmosfrica - barmetro Medio de temperatura - termmetro Medio de velocidade do ar - anemmetro

n

Monitoramenton

O monitoramento de alguma grandeza (atmosfrica, industrial, domstica) ter sempre alguma utilidade para as pessoas e suas atividades. Exemplos :

Previso de tempo-clima - Termmetros , higrgrafos , etc .. Previso de terremotos - Sismgrafos , etc .. Previso de enchentes - Postos pluviomtricos e fluviomtricos Consumo de produtos - Wattmetro , hidrmetro e etc ..

n

O monitoramento de consumo de produtos tais como energia, gua, gs, combustveis e outros so realizados por medidores que fornecero quantidades a serem cobradas dos usurios dos produtos pelos fornecedores.

n

Experimentos em engenharia e outras reasn

As atividades de pesquisa e desenvolvimento esto normalmente associadas sistemas de medio, em diversos nveis de complexidade. Bancadas e experimentos podem ser montados com objetivos diversos, tais como: - Validao experimental de modelos tericos - Formulao de relaes empricas

Controlen

n

A automao depende de instrumentos de medida para modificar as variveis do processo. Quanto mais precisos e rpidos forem os resultados das medidas, mais precisos podero ser os ajustes feitos pelo controlador do processo. Atualmente com a utilizao dos computadores pode-se controlar uma planta inteira de um determinado processo com poucas pessoas e obter altos nveis de eficincia e baixo custo.

Mtodos bsicos de medio

Mtodo da comparaon

O valor do mensurando determinado comparando-o com um artefato cujo valor de referncia muito bem conhecido.0

medidas materializadas

Definion

Medida materializada:n

n

Dispositivo destinado a reproduzir ou fornecer, de maneira permanente durante seu uso, um ou mais valores conhecidos de uma dada grandeza. So exemplos: massas-padro; resistor eltrico padro; um blocopadro; um material de referncia.

Mtodo da indicaon

Mostram um nmero proporcional ao valor do mesurando.

Medio diferencialn

A pequena diferena entre o mensurando e uma medida materializada indicada.

Medio diferencialrelgio comparado r 0 0 d coluna pea padro base

d padro pea

Medio diferencialm edi o zerage m

Anlise comparativacaracterstica velocidade de medio facilidade de automao estabilidade com tempo custo indicao compara diferenci o al muito muito rpido rpido lento muito muito muito fcil difcil fcil instvel muito muito estvel estvel moderado a elevado moderado elevado muito usada na indstria

Mdulos bsicos de um sistema de medio

Mdulos bsicos de um SMsistema de mediotransdut transdut or eeou or / /ou sensor sensor unidade unidade de de tratamen tratamen to do to do sinal sinal amplifica potncia do sinal do transdutor pode processar o sinal disposit disposit ivo ivo mostrado mostrado rr ou ou registra registra dor dor torna o sinal perceptvel ao usurio pode indicar ou registrar o sinal indica o ou registr o

mensurand oem contato com o mensurando transforma o de efeitos fsicos sinal fraco

Mdulos de um SM

transdutord

dispositivo mostrador

F

Transdutor ou sensorn

Elemento de deteco que produz um sinal relacionado com a quantidade que est sendo medida.

Mdulos de um SM

transdutorD

dispositivo mostrador

AF

unidade de tratamento de sinais

Condicionador de sinaisn

Elemento que converte o sinal do sensor em outra forma na qual possa ser indicado.

n

Mdulos de um SM

N PW B F A

ID

14,5 N

Mostradorn

Ou registrador: elemento que possibilita que o sinal seja conhecido e interpretado.

Fonte de energian

Elemento de alimentao para os demais elementos do sistema, que tambm pode causar distrbios na medio.

Elementos de um sistema de medio

Fonte de energia

Entrada: grandeza sendo medida

Transdutor ou sensor

Sinal

Condicionador de Sinais

Sinal

Indicador ou Registrador

Sensoresn

A primeira fase de uma medio a tomada de impulso, que deve ser feita por um elemento sensvel que esteja em contato com o meio que se deseja medir a grandeza. O sensor um dispositivo que pode converter uma forma de energia em outra. Essa converso usada para efetuar medidas indiretas ou direta de grandezas ou quantidades fsicas. So freqentes os sensores que convertem a quantidade da grandeza medida em uma sada eltrica, sob forma de corrente ou tenso, ou variao de outro parmetro eltrico, o que muito conveniente devido s facilidades e vantagens que a eletricidade apresenta.

n

n

SensoresSensor Resistivo Indutivo Capacitivo Fotocondutivo Fotovoltaico Piezo-eltrico Potenciomtrico Relutivo Eletromagntico Aquantidadeasermedida:convertidaemumavariaoderesistncia convertidaemumavariaodeindutncia transformadaemumavariaodecapacitncia transformadaemumavariaodecondutncia(inversodaresistncia)deum materialfotocondutivo,atravsdavariaodeincidnciadeluzsobreo mesmo convertidaemumavariaodevoltagem.Istofeitoquandoumajunode doismateriaisespeciais(fotovoltaicos)iluminada convertidaemvariaodecargaeltricaoutensoeltricadecertoscristais, quequandosujeitosaumesforomecnicoapresentamestapropriedade convertidaemumavariaodeposiodeumcontatomvel,oqualse deslocasobreumelementoresistivo convertidaemumavariaodevoltagemalternada. convertidaemumaforaeletromotrizouvoltagememumcondutor

Caractersticas metrolgicas dos sistemas de medio

Quanto faixa de utilizao...n

Faixa de indicaon

intervalo compreendido entre o menor e o maior valor que pode ser indicado.faixa de indicao 4 dgitos

Quanto faixa de utilizao...nFaixa

nom inal de m edio

nfaixa

at iva selecionada pelo usurio. de valores do m ensurando para a qual o sist em a de m edio foi desenhado para operar.

nFaixa

nfaixa

ExemploFaixas nominais0 a 1000 V 0 a 200 V 0 a 20 V 0a2V 0 a 200 mV

3 dgit os

Quanto indicao ...n

Valor de uma diviso (da escala)n

diferena entre os valores da escala correspondentes duas marcas sucessivas.

0

1

2

3

4

Quanto indicao ...Incremento digital4,0 3,0 2,0 incremento digital quantidade de acar (g) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 indicao (g)

1 0 3 4 2

g

1,0 0,0

Quanto indicao ...nResoluon

a menor diferena entre indicaes que pode ser significativamente percebida nNos instrumentos digitais igual ao incremento digital nNos instrumentos analgicos pode ser:nVD nVD/2 nVD/5 nVD/10

Relao estmulo/respostanCurvaresposta d (mm)

caracterstica de respostaresposta R ( )

F (N) estmulo

T (C) estmulo

Relao estmulo/respostan

Sensibilidade (constante):A B40

resposta Sb = estimulod (mm)

0 mm 4 mm 400 N

0 mm

B resposta estmulo

40 mm 400 N SbA = 0,01 mm/N SbB = 0,10 mm/N

4 0

A400

F (N)

Relao estmulo/respostaSensibilidade (varivel): indicador do volume de combustvel de um Fuscadeslocamento do ponteiro (mm) 1/4 0 1 1/1 2 1/2

frao do volume total 0 1/4 1/2 1/1

Relao estmulo/respostaTempo de resposta:resposta

estmulo

tolerncia

tempo tempo de resposta

Quanto ao erro de medio ...nTendncianestimativa

do erro sistemtico

nCorreonconstante

que, somada indicao, compensa os erros sistemticos

Erros em medies repetidas1020 1014 g 1015 g 1017 g 1012 g 1015 g 1018 g 1014 g 1015 g 1016 g 1013 g 1016 g 1015 g

(1000,00 0,01)0,01) g (1000,00 0,01) g (1000,00 g

1017 1015 1014 g 0

1000

erro mdio

111

disperso1010

Quanto ao erro de medio ...nRepetitividadenfaixa

dentro da qual esperado o erro aleatrio em medies repetidas realizadas nas mesmas condies. dentro da qual esperado o erro aleatrio em medies repetidas realizadas em condies variadas.

nReprodutibilidadenfaixa

Estimativa da repetitividade(para 95,45 % de probabildiade)A repetitividade define a faixa dentro da qual, para uma dada probabilidade, o erro aleatrio esperado. Para amostras infinitas: Re = 2 . Para amostras finitas: Re = t . u

Sendo t o coeficiente de Student para = n - 1 graus de liberdade.

Exemplo de estimativa da repetitividade1014 g 1015 g 1017 g 1012 g 1015 g 1018 g 1014 g 1015 g 1016 g 1013 g 1016 g 1015 g

(1000,00 0,01) g

u=

( I i 1015) 2 i =1

12

12 1

1 1014 g 01014 g

u = 1,65 g = 12 - 1 = 11 t = 2,255 Re = 2,255 . 1,65 Re = 3,72 g

mdia: 1015 g

Quanto ao erro de medio ...nErro

de linearidadereta MMQ

resposta d1 d2

EL = mx(d1, d2)

estmulo

Quanto ao erro de medio ...Erro mximo:EmxErro Re Es Re Indicao

- Emx

Quanto a erros de medio ...n

Preciso e exatidon

n

n

so termos apenas qualitativos. No podem ser associados a nmeros. Preciso significa pouca disperso. Est associado ao baixo nvel de erros aleatrios. Exatido sinnimo de sem erros. Um sistema de medio com grande exatido apresenta pequenos erros sistemticos e aleatrios.

Um exemplo de erros...n

Teste de preciso de tiro de canhes:n n n

n

Canho situado a 500 m de alvo fixo; Mirar apenas uma vez; Disparar 20 tiros sem nova chance para refazer a mira; Distribuio dos tiros no alvo usada para qualificar canhes.

n

Quatro concorrentes:

A D

B C

Ea Es A D Ea Es B C

Ea Es

Ea Es

Tipos de errosn

Erro sistemtico: a parcela previsvel do erro. Corresponde ao erro mdio. Erro aleatrio: a parcela imprevisvel do erro. o agente que faz com que medies repetidas levem a distintas indicaes.

n

Preciso & Exatidon

So parmetros qualitativos associados ao desempenho de um sistema. Um sistema com tima preciso repete bem, com pequena disperso. Um sistema com excelente exatido praticamente no apresenta erros.

n

n

Representao absoluta e relativa

Representao absolutan

Parmetros expressos na unidade do mensurando:n n n

E mx =0,003 V Re =1,5 K Sb =0,040 mm/N

n

de percepo mais fcil.

Representao relativa ou fiducialn

Parmetro expresso como um percentual de um valor de referncian

Em relao ao valor final de escala (VFE)n n

E m =1% do VFE x EL = 0,1% (do VFE)

n n

Em relao faixa de indicao Em relao ao valor nominal (medidas materializadas)

n

Facilita comparaes entre SM distintos