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INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

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Page 1: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDAIntrodução e Conceitos

Page 2: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Roteiro• Modelo de um Instrumento genérico de medida

• Elementos funcionais de um instrumento;• Transdutores Ativos e Passivos;• Princípio da deflexão e da nulidade;• Configuração Entrada-Saída e tipos de entradas;• Métodos de Correção para entradas indesejáveis;

Page 3: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Introdução• É possível e desejável descrever tanto a operação quanto

o desempenho (quão próximo da perfeição) dos instrumentos de medida e equipamentos associados de forma generalizada sem recorrer a um hardware físico específico.

• Para alcançar tal feito, os instrumentos são representados através de modelos e classificações.

Page 4: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Elementos Funcionais

(a) Elemento Sensor Primário: Recebe (extrai) energia do meio e produz uma saída, que depende da quantidade medida.

(b) Elemento Conversor de Variável: Converte a saída do elemento sensor em outra variável mais conveniente.

(c) Elemento Manipulador de variável: Altera valores numéricos de uma variável, sem alterar sua natureza física (ex.: amplificador).

Page 5: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Elementos Funcionais

(d) Elemento Transmissor de Dados: Responsável pela transmissão de dados de um elemento para outro (quando estes forem separados fisicamente). Exemplos: (i) Transmissão de um torque através de um eixo e (ii) Sistema de telemetria.

(e) Elemento Apresentador de Dados: Transforma a variável medida para uma forma capaz de ser detectada por um dos sentidos humanos (normalmente a visão). Exemplo: ponteiro e escala de um instrumento.

(f) Elemento Armazenador / Leitor de Dados: Usados para guardar todos (ou uma parte) os dados, podendo recupera-los mais tarde. Exemplo: (i) CD, DVD, memória do computados etc.

Page 6: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Exemplo

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Definição de Termos

a. Legibilidade (Readability): Indica a aproximação com a qual a escala de um instrumento pode ser lida.

• Exemplo: Escala com leituras entre 0 e 10 com comprimento: (i) de 30 cm e (ii) de 15 cm. O instrumento (i) possui maior legibilidade.

b. Menor Divisão (Least count): É a menor divisão entre 2 indicações que pode ser detectada na escala de um instrumento.

OBS.: Legibilidade e menor divisão são dependentes:i. do comprimento da escala,

ii.do espaçamento das divisões e

iii.da dimensão do ponteiro.

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Definição de Termosc. Sensibilidade (sensitivity): É a razão entre o movimento linear de

um ponteiro e a variação da variável medida, a qual causa este movimento.

• Exemplo: Diferença de potencial de 1 mV, medida por uma escala de 10 cm. Sensibilidade = 10 cm / mV.

d. Histerese (Hysteresis): O valor lido por um instrumento é diferente, dependendo se este valor é alcançado a partir de valores maiortes ou menores.

Exemplo: Curva de calibração

OBS.: Histerese pode ser causada por atrito mecânico, efeitos magnéticos, efeitos térmicos e deformação plástica .

Page 9: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Definição de termose. Exatidão (Accuracy): Indica o desvio de uma medida com relação a uma entrada

conhecida (valor verdadeiro).Exemplo: Um manômetro com fundo de escala de 100 psi possui exatidão de 1%

(exatidão é fornecida em porcentagem do fundo de escala do instrumento). Isto significa que o instrumento possui uma incerteza de 1 psi, com relação ao valor verdadeiro. Neste caso:

i. P/ uma medida de 10 psi Incerteza de 10%ii. P/ uma medida de 100 psi Incerteza de 1%

f. Precisão (precision): Indica a abilidade do instrumento de reproduzir leituras com uma dada exatidão. Ou seja, está associado à repetibilidade.

OBS. 1: Distinção entre exatidão e precisãoValor verdadeiro = 100 psiMedidas obtidas c/ um instrumento: 104, 103, 105, 103, 105 psi

Logo: (i) Exatidão do instrumento = 4 psi ( 4% ) (ii) Precisão do instrumento = 1psi

OBS. 2: Uma calibração pode melhorar a exatidão do instrumento até o limite de sua precisão (precisão depende da qualidade do instrumento).

i. .

Page 10: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Transdutores Ativos e Passivos• TransdutoresTransdutores: : São dispositivos que convertem uma forma de

energia ou quantidade física em outra. Em uma definição mais ampla, esta energia ou quantidade física podem ser as mesmas na entrada e na saída. A energia ou estímulo determina a quantidade do sinal.

• Transdutores Passivos: componente cuja energia de saída é fornecida inteiramente pelo sinal de entrada ou meio de medida.

• Transdutores Ativos: possui uma fonte auxiliar de potência que fornece a maior parte da potência de saída enquanto que o sinal de entrada conbribui apenas com uma porção insignificante. Dessa forma, a entrada apenas controla a saída.

Page 11: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Modo analógico ou digital• Diferenças:

• Analógico: contínuo no domínio do tempo: as variáveis são contínuo no domínio do tempo: as variáveis são observadas de forma direta sem passar por processos de observadas de forma direta sem passar por processos de codificação. Em um intervalo definido de tempo existem infinitas codificação. Em um intervalo definido de tempo existem infinitas amostras do sinal. Reflete fielmente o fenômeno físico.amostras do sinal. Reflete fielmente o fenômeno físico.

• Digital: Apresenta valores discretos (descontínuos) no tempo e Digital: Apresenta valores discretos (descontínuos) no tempo e amplitude. Isso significa que um sinal digital só é definido para amplitude. Isso significa que um sinal digital só é definido para determinados instantes de tempo, e o conjunto de valores que determinados instantes de tempo, e o conjunto de valores que pode assumir é finito.pode assumir é finito.

• Conversor Analógico-Digital;Conversor Analógico-Digital;• Discretização e Resolução/Largura de Código;Discretização e Resolução/Largura de Código;• O problema do Aliasing;O problema do Aliasing;

Page 12: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Princípio da Deflexão e da Nulidade

Princípio da Deflexão

• A quantidade medida produz algum efeito físico que provoca um efeito similar porém oposto em alguma parte do instrumento. Esse efeito oposto está relacionado com uma grandeza física que pode ser observada pelo usuário.

• Esse efeito oposto aumenta até que o equilibrio é alcançado e a deflexão/magnitude deste é inferido como a grandeza medida.

• Acurácia depende da calibração do elemento defletor;

• Mais apropriado para medidas dinâmicas;

Princípio da Nulidade

• Um dispositivo que opera por esse princípio tenta manter nula a deflexão pela aplicação do efeito oposto adequado.

• Faz-se necessário, assim, um detetor de desbalanceamento e uma forma prática de reestabelecer o equilíbrio.

• Acurácia depende do método de balanceamento;

• Acurácia geralmente maior devido a comparação direta com os padrões de calibração e pela maior sensibilidade do “sensor de zero” (range);

Page 13: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Modelo de um Instrumento de Medida

FD

FI

FM,D

FM,I

Entrada Desejável

Entrada Interferente

Entrada Modificadora

Saída Desejável

Saída Interferente

Saída do Instrumento

Page 14: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

• Entradas e saídas estão relacionadas por funções de transferência Fj que devem carregar informações como:• Linearidade;• Características estáticas e dinâmicas;• Tratamento estatístico.

• As entradas são classificadas de acordo com Draper, MacKay e Lees (1955) em:• Entrada Desejável: representam as quantidades que o instrumento

especificamente pretende medir;• Entrada Interferente: representam as quantidades às quais o

instrumento é não intencionalmente sensível;• Entrada Modificadora:representam as quantidades que modificam

as relações entrada-saída tanto das entradas desejáveis quanto das interferentes.

Modelo de um Instrumento de Medida

Page 15: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Exemplo• Manômetro em U:

• Saída: Desnível entre terminais medido por uma escala milimetrada;

• Entradas deseáveis: Pressões em seus terminais;• Entradas interferentes: Aceleração e/ou angulo de desalinhamento

com a vertical;• Entradas modificadoras: força gravitacional e/ou temperatura

ambiente.

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Metodos de Correção

• Dentre os métodos de correção para entradas interferentes e modifcadoras, citamos os mais amplamente utilizados, a saber:

1. Método da Insensibilidade Inerente

2. Método do Sistema com Realimentação e alto-ganho

3. Método da Correção do Sinal de Saída

4. Método das Entradas Opostas

5. Método da Filtragem do Sinal

Page 17: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Este método propõe a filosofia de projeto óbvia, na qual os elementos de um sistema de medida deveriam ser inerentemente sensíveis somente as entradas desejáveis.

Entretanto, normalmente isto não é inteiramente possível de ser realizado. Na prática procura-se minimizar os efeitos das entradas indesejáveis, fazendo-se as funções de transferência FI e FM,D próximas de zero para minimizar os efeitos das entradas interferentes e modificadoras.

Exemplo: Uso de material com coeficiente de expansão extremamente baixo (liga Invar).

Método da Insensibilidade Inerente

Page 18: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método do Sistema c/ Realimentação e Alto Ganho

Sistema de malha aberta: Voltímetro eletro - mecânico

KMO KSP

ei xoT

FM1 FM2

iM1 iM2

Page 19: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método do Sistema c/ Realimentação e Alto Ganho

Sistema de malha Fechada: Voltímetro eletro – mecânico modificado

KSP

ei xoT

FM1 FM2

iM1 iM2

KFB

KAM

-

KMO

FM4

iM4

FM3

iM3

Page 20: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método do Sistema c/ Realimentação e Alto Ganho

Page 21: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Correção do Sinal de Saída

Quando os efeitos das entradas interferentes e modificadoras podem ser calculados (ou estimados), de maneira a ter-se valores quantitativos, a saída do sistema de medida pode ser corrigida de maneira a minimizar (ou eliminar) os efeitos das entradas interfrentes e modificadoras.

Exemplos:Termômetro de bulboCorreção de ângulo de ataque de perfil simétricoCorreção dos efeitos da temperatura ambiente no

anemômetro de fio quente Manômetro em U

OBS: Um computador pode implementar esses tipos de correção de forma automática.

Page 22: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método das Entradas Opostas

Consiste na introdução intensional de elementos no sistema de medida, cujas funções de transferencia anulam (ou minimizam) os efeitos das entradas (inevitáveis) interferentes e modificadora.

FD

FI

Entrada Desejável

Entrada Interferente

Saída Desejável

OI

Saída do Instrumento

FI,O OI,O

OI - OI,O

-

Page 23: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Milivoltímetro: Dispositivo sensível a corrente

Método das Entradas Opostas

Page 24: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Tubo de Pitot: Tomada estática

Método das Entradas Opostas

Page 25: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Medidor de vazão mássica: Compensação de Temperatura e Pressão

Método das Entradas Opostas

Page 26: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Filtragem do Sinal

Filtragem do sinal de entrada

FD

FI

FM,D

FM,I

Entrada Desejável

Entrada Interferente

Entrada Modificadora

Saída Desejável

Saída Interferente

Saída do Instrumento

Filtro

Filtro

Page 27: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Filtragem do Sinal

Filtragem do sinal de saída

FM,D

FM,I

Entrada Desejável

Entrada Interferente

Entrada Modificadora

Saída Desejável

Saída Interferente

Saída

Filtro

Filtro

FD

FI

OD

OI

OM

Page 28: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Filtragem do Sinal

Filtragem (mecânica) do sinal de entrada

Page 29: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Filtragem do Sinal

Filtragem (mecânica) do sinal de entrada

Page 30: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Filtragem do Sinal

Filtragem (elétrica) do sinal de entrada

Page 31: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Filtragem do Sinal

Filtragem (térmica) do sinal de entrada

Page 32: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Filtragem do Sinal

Filtragem (elétrica) do sinal de saída

Page 33: INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

Método da Filtragem do Sinal

Filtragem: Tipos de Filtro