Sistema de Medição
● Propósito: unir o observador ao processo● O observador recebe um número → valor atual
da variável (informação)
transdutor e/ou sensor
transdutor e/ou sensor
unidade tratamento do sinal
unidade tratamento do sinal
mostrador ou
registrador
mostrador ou
registrador
indicação
/registromensuran
do
sistema de medição
• amplifica potência do sinal do transdutor
• pode processar o sinal
• torna o sinal perceptível ao usuário
• pode indicar ou registrar o sinal
Sistema de Medição
Sistema de Medição
● Funções (não necessariamente dispositivos físicos)
● e.g. Um dispositivo físico várias funções● Elemento transmissor de dados entre funções
Sistema de Medição-sensor/transdutor● Transdutor: conversão de energia (estritamente)● Sensor: transdutor primário em contato com o
processo ● Sua saída é proporcional a variável medida● Termopar (temperatura-volt), extensiometro
(deformação -resistência), placa de orificio (vazão-pressão)
● Secundários (elementos de conversão 0 ou vários)
Sistema de Medição – tratamento do sinal (Manipulação)
● Converte a saída do Transdutor em uma forma (da mesma natureza, e.g. elétrica) mais conveniente de processamento (volt, corrente, freq.)
● Ponte, amplificador
Sistema de Medição – Processamento do sinal
● Converte a saída do tratamento do sinal em uma forma mais conveniente de presentação (ADC, Estatística, correções.)
Sistema de Medição – Presentação dos dados
● Medida “legível” ao observador (ponteiro, carta de registro, visor, diplay alfanumérico)
Transdutores Ativos / Passivos
● PASSIVO: energia de saída é fornecida integralmente ou quase integralmente pelo sinal de entrada
● Com ou sem conversão do tipo de energia● Manômetro de bourdon, o termômetro de bulbo, o
termômetro bimetálico● fotovoltaicos, voltagem ← iluminação; ● piezoelétricos, variação de carga elétrica ← força;
termoelétricos variação de voltagem ← temperatura eletromagnéticos voltagem ← variação de campo elétrico ou magnético
Transdutores Ativos / Passivos
● Um transdutor ATIVO de um instrumento dispõe de uma fonte auxiliar de energia que fornece a maior parte da energia contida no sinal de saída.
● anemômetro de fio quente
● resistência variável, potenciômetros, extensômetro (strain gages) e os termistores; efeito Hall (a voltagem é proporcional ao produto da corrente de excitação com o campo magnético); opto-eletrônicos, como os emissores de luz e os fotosensores; dos tipos indutância variável (transformador diferencial) e capacitância variável.
Transdutores Ativos / Passivos● The pressure of the fluid is
translated into a movement of a pointer againsta scale.
● The energy expended in moving the pointer is derived entirely from the change in pressure measured: there are no other energy inputs to the system
● An example of an active instrument is a float-type petrol tank level indicator as sketched in Figure 2.2. Here, the change in petrol level moves a potentiometer arm, and the output signal consists of a proportion of the external voltage source applied
● across the two ends of the potentiometer. The energy in the output signal comes from the external power source: the primary transducer float system is merely modulating the value of the voltage from this external power source.
Modos de operação analógico/ digital
Natureza do sinal que contém a informação desejada
● sinal analógico é uma função contínua associada ao processo que se mede – Infinitos valores dentro de uma faixa
Modos de operação analógico/ digital
sinal analógico
● muitas vezes utilizam circuitos elétricos como forma de indicação dos valores medidos,
● transmissão à distância
● controle do processo sob observação
● Variável primária medida é transformada em corrente elétrica, voltagem ou resistência.
● Galvanómetro de d'Arsonval
● Conforme Figura 01, uma barra de material condutor pode deslizar perpendicularmente entre dois condutores fixos e paralelos, separados de uma distância ℓ e alimentados por uma fonte de tensão Vs. O resistor R representa as resistências que na prática ocorrem nos condutores e na fonte.
●
● Um campo magnético uniforme B é aplicado na direção perpendicular ao plano do circuito. O sentido do campo é indicado segundo a notação vetorial anterior.
● De acordo com relações do eletromagnetismo, essa força é dada pelo produto vetorial
● F = i(t) ℓ × B
● ℓ é um vetor de comprimento igual ao da barra e no mesmo sentido da corrente elétrica
● Um campo magnético uniforme B (vetor) é aplicado na direção perpendicular ao plano do circuito. Densidade de fluxo magnético: Tesla:
T=N/(A*m)
Modos de operação analógico/ digital
sinal analógico-Galvanómetro de d'Arsonval
● série de espirais colocadas no campo magnético de um ímã permanente.
● corrente elétrica percorre as espirais, ela cria um torque nas espirais, movendo um ponteiro sobre uma escala calibrada.
● Medições indiretas: volt. e resistência
Modos de operação analógico/ digital
Natureza do sinal que contém a informação desejada
● sinais digitais, são de natureza binária, função discreta, isto é, são o resultado do estado lógico (falso/verdadeiro) de um circuito eletrônico que tem um conversor analógico digital, conversor A/D - (ADC)imune, quando transmitido, a “ruídos” que poderiam adulterar a informação original. Finitos valores dentro de uma faixa
Modos de operação analógico/ digital
Vantagens
● Interface com computador
● a leitura digital é direta e precisa, não necessita de interpolação;
● instrumentos digitais podem ser facilmente acoplados entre si e também a computadores;
● instrumentos digitais são "resistentes a ruídos" (pois não são "dependentes da amplitude" como os sinais analógicos);
● operam em baixas voltagens (de 5 a 10 volts).
● Os sinais do mundo físico são analógicos (medida e controle), isto é, são quantidades que variam continuamente.
● É necessário converter de analógica para digital a variável que se deseja medir, e vice-versa a variável que controlará o sistema experimental.
● A unidade básica do modo digital é o bit: 1 bit pode assumir valores 0 ou 1 (ligado ou desligado); 1 byte = 8 bits, e a palavra digital é feita de bytes (por exemplo, uma palavra de 4 bytes).
● (2^bits) medidas diferentes
Modos de operação analógico/ digital
● No processo de conversão analógico/digital alguns aspectos devem ser considerados
● a resolução de um conversor analógico-digital é igual a 1 / (2^M - 1), onde M é o número de bits.
● Por exemplo, se o conversor tem 4 bits, o número de intervalos de amostragem é 15 e a resolução é (1/15)
● frequência de Nyquist, fN, que é definida como a metade da frequência de amostragem, fN =fA / 2.
● frequência de Nyquist é a frequência mais alta do sinal que pode ser adquirido sem indesejáveis distorções de frequência.
Modos de operação analógico/ digital
Desvantagem
● A/D converter adds a significant cost to the system.
● Finite time is involved in the process of converting an analogue signal to a digital quantity, and this time can be critical in the control of fast processes
Instrumentos de deflexão e cancelamento
princípio de operação do sistema● Em instrumentos de deflexão a quantidade medida
produz um efeito físico que leva a um efeito similar mas contrário em alguma parte do instrumento
● O efeito contrário aumentará até se atingir um ponto de equilíbrio, quando então se mede a deflexão para se inferir o valor da quantidade medida
Instrumentos: deflexão/cancelamentoprincípio de operação do sistema
● Em instrumentos de cancelamento, a deflexão é idealmente mantida nula pela aplicação de um efeito contrário àquele gerado pela quantidade medida.
● Detector de desequilíbrio e uma maneira de restaurar o equilíbrio.
● A determinação de valor numérico da variável a ser medida requer um conhecimento preciso da magnitude do efeito contrário.
Exemplos: medidores de pressão de peso morto, a balança de braço articulado o manômetro de tubo U, etc.
Instrumentos: deflexão/cancelamento
● Maior precisão: comparação direta entre uma quantidade desconhecida e uma quantidade padrão (sem calibração)
● Maior sensibilidade: detector de desequilíbrio operará sempre em uma estreita faixa ao redor de zero
● Inconveniente para grandes medidas● Inconveniente para medidas dinâmicas
Características de sinais de entrada ● Entrada Desejada, iD ==> quantidade que se
deseja medir com um dado instrumento.● Entrada Interferente, iI ==> quantidade à qual o
instrumento é acidentalmente sensível (captada pelo instrumento de maneira não intencional.).
● Entrada Modificadora, iM ==> quantidade que causa uma modificação na relação entrada- saída
Características de sinais de entrada – entrada interferente
● sistema de medida continua funcionando normalmente, e o erro ocorre na captação da variável
Características de sinais de entrada - entrada modificadora
● Trata-se de uma característica entrada modificadora, pois a relação entrada/saída foi alterada
MÉTODOS DE CORREÇÃO DAS ENTRADAS INTERFERENTES E MODIFICADORAS
● 1. - Método natural de insensibilidade
Trata-se de prover o sistema de medida de um elemento sensitivo primário que seja sensível apenas à entrada desejada (idealização).
● 2. - Método da Realimentação da entrada
Trata-se de prover o sistema de medida de um equipamento de realimentação de informação (feedback) que consiga anular a entrada indesejada.
● 3. - Método da Correção da Saída
Deve-se estimar a magnitude da interferência da entrada indesejável na saída, e calcular correções, adicionando ou subtraindo os valores estimados.
● 4. - Método de filtragem dos sinais
Trata-se da adição de elementos (filtros, normalmente eletrônicos) que permitem a passagem apenas dos sinais desejados.
● 5. - Método da entrada em oposição
Consiste em, intencionalmente, introduzir no sistema, entrada(s) que tendem a cancelar os efeitos das entradas indesejáveis.
Método Realimentação da entrada
● Ex. motor está em balanço e o torque resultante no estator é aplicado, através de um braço, a uma mola, causando o deslocamento xo, que é medido em uma escala.
● erros são diretamente proporcionais às variações em KMO e KSP
Método Realimentação da entrada
● sistema alternativo é proposto● O deslocamento xo é medido por um
dispositivo de realimentação que produz uma voltagem eo proporcional a xo.
● eo é subtraída da voltagem de entrada ei e a diferença é aplicada ao amplificador que aciona o conjunto motor-mola.
Método Realimentação da entrada
● Na prática, os sistemas de realimentação permitem obter maior precisão nas medidas.
● Pode haver casos em que se tem uma instabilidade dinâmica: oscilações causadas por amplificações excessivamente altas.
●4. - Método de filtragem dos sinais
● Certos elementos (“filtros”) são introduzidos no instrumento com a finalidade de se bloquear sinais espúrios e assim remover ou diminuir seus efeitos sobre o sinal de saída.
● Os filtros podem ser aplicados diretamente aos sinais de entrada, de saída ou a algum sinal intermediário
●4. - Método de filtragem dos sinais
● Certos elementos (“filtros”) são introduzidos no instrumento com a finalidade de se bloquear sinais espúrios e assim remover ou diminuir seus efeitos sobre o sinal de saída.
● Os filtros podem ser aplicados diretamente aos sinais de entrada, de saída ou a algum sinal intermediário
Filtros aplicados diretamente aos sinais de saída – faixa de freq.
diferenciado● Variações do extensômetro a menos de 2Hz
Filtros aplicados diretamente aos sinais de saída – faixa de freq.
diferenciado● Variações de pressões de alta freq. Filtradas
pela restrição pneumática
Filtros aplicados diretamente aos sinais de saída – faixa de freq.
diferenciado● Variações de Temperatura de baixa freq.
Filtradas pelo amplificador ac (freq. Desejada é imposta no chopper)
5. Método das Entradas Contrárias
● intencionalmente introduzir no instrumento entradas interferentes e/ou modificadoras que tenderão a cancelar o efeito indesejável de entradas espúrias inevitáveis
5. Método das Entradas Contrárias
● intencionalmente introduzir no instrumento entradas interferentes e/ou modificadoras que tenderão a cancelar o efeito indesejável de entradas espúrias inevitáveis
Instrumento de ordem zero
onde K é chamado de sensibilidade estática (ou ganho estático). Observa-se que não haverá nem atraso nem distorção na medição da grandeza e(t) pelo medidor de ordem zero, representando um instrumento ideal ou perfeito quanto ao desempenho dinâmico.
Pode-se modelar matematicamente um potenciômetro como um instrumento de ordem zero, assim como alguns outros medidores, porém sempre existirá efeitos secundários modificando a característica do instrumento, que devem ser considerados em conformidade com a aplicação.
)t(eK)t(couKa
b
)t(e
)t(cou)t(eb)t(ca
0
000 ====
Quando todos os coeficientes ai e bj , exceto a0 e b0, da
equação geral são iguais a zero o instrumento é chamado de instrumento de ordem zero:
1.9.2.4 - Instrumento de primeira ordem
Um instrumento de primeira ordem segue a seguinte equação:
)t(eK)t(cdt
)t(dcou)t(e
a
b)t(c
dt
)t(dc
a
aou)t(eb)t(ca
dt
)t(dca
0
0
0
1001 =+τ=+=+
Utilizando a transformada de Laplace, obtém-se:
1s.
K
)s(E
)s(C
+τ=
onde K é chamado de sensibilidade estática, e τ é a constante de tempo do instrumento.
Um termômetro de bulbo é um exemplo de um instrumento de primeira ordem, assim como qualquer medidor de temperatura que necessite alterar a temperatura de uma massa (de um sensor) para realizar a medição.