ELT030. 2º Semestre-2016

Transcrição

1 ELT030 Instrumentação 2º Semestre-2016

2 Ferramental estatístico Na ciência da instrumentação, os métodos estatísticos se apresentam como ferramentas fundamentais para medição. Estatística é ciência que se preocupa com a organização, descrição, análise e interpretação dos dados experimentais. Ferramentas básicas da Estatística para Medição. 2

3 Ferramental estatístico Em todas as medições, observações ocorrem variações, independentemente do tipo de experimento que esteja sendo avaliado. Quando o número de observações fica grande podemos representar o conjunto de observações pela Distribuição Normal conhecida também como Distribuição de Gauss. Pelo teorema de Gauss o valor mais provável de uma grandeza medida n vezes com a mesma precisão é a média aritmética das n medidas efetuadas. 3

4 Manutenção Uma atividade importante para a instrumentação industrial é a política de manutenção, seja corretiva, preventiva ou preditiva. Manutenção pode ser definida como o conjunto de ações necessárias para garantir a disponibilidade da função de um item com confiabilidade, mantenabilidade, segurança e custo adequado dentro de um processo. Disponibilidade 24 horas por dia, 7 dias por semana. 4

5 Confiabilidade e Disponibilidade Confiabilidade é definida como a probabilidade de um item exercer a sua função por um período previsto, sob condições de operação especificadas. Se um item não permite reparo, o grau de confiabilidade pode ser avaliado pelo seu MTTF (mean time to failure), ou seja, o período médio até que ele falhe. Caso o item permita reparo, faz sentido avaliar o grau de confiabilidade pelo seu MTBF (mean time between failure), ou seja, o período médio entre falhas. Mantenabilidade é definida como a probabilidade de um item ser recolocado em operação dentro de um período previsto, sob procedimentos de manutenção especificados. O grau de mantenabilidade de um item pode ser avaliado pelo seu MTTR (mean time to repair), ou seja, o período médio de reparo. Disponibilidade é definida como a probabilidade de um item estar funcionando sob condições de operação especificadas, podendo ser expressa em função do MTBF e do MTTR. 5

6 Taxa de Falhas Definindo a taxa de falhas λ(t) como: Onde na é o número de amostras analisadas, nf o número de falhas durante o tempo t e MTBF é o tempo médio entre as falhas: a média da vida útil de uma população. Exemplo: um fabricante testou 1000 peças de um PT-100, durante 200 horas e ocorreram 8 falhas. Qual o MTBF? 6

7 Taxa de Falhas: Curva da Banheira Sempre existe a possibilidade de que um item falhe durante o seu ciclo de vida, o qual deve ser avaliado estatisticamente para determinar a sua probabilidade de ocorrência versus o custo da falha, um seguimento conhecido como manutenção centrada na confiabilidade. A curva da banheira mostra como a taxa de falhas varia ao longo do ciclo de vida de um item isolado do seu sistema, apresentando, em geral, as fases da sua vida. A taxa de falhas não é uma constante, como pode ser visualizado pela curva da banheira, a qual retrata o ciclo de vida de um instrumento ou equipamento. A fase I é chamada mortalidade infantil, na qual a taxa de falhas é alta e decrescente ao longo do tempo. Isso é devido a problemas na manufatura e componentes. A fase II é chamada de vida útil, na qual a taxa de falhas é baixa e praticamente constante ao longo do tempo. O equipamento opera nessa fase e basicamente as falhas são eventos aleatórios (vibrações, variações de temperatura, sobrecarga, operações indevidas, etc...) A fase III é chamada de desgaste ou fim da vida, na qual há o aumento da taxa de falhas no tempo por problemas de desgaste nos materiais e componentes. 7

8 Taxa de Falhas: Curva da Banheira Caso o item não permita reparo, como os sistemas eletrônicos e os sistemas mecânicos simples, o período de vida útil tende a ser mais extenso, pois o item se degrada por causas naturais (o envelhecimento, a oxidação, a corrosão, a fadiga, entre outros). Nestes casos é possível uma ação preventiva apos efetuar-se estudos detalhados sobre o MTTF, fazendo o descarte do item. Caso o item permita reparo, como os sistemas mecânicos complexos, o período de vida útil tende a ser mais restrito, estando diretamente relacionado com o período de desgaste. Nestes casos também é possível uma ação preventiva após efetuar-se estudos detalhados sobre o MTBF, fazendo a recuperação do item, protelando o seu descarte final. 8

9 Taxa de Falhas: Curva da Banheira Burn-in Um item ou parte de um item pode ser colocado em operação pelo próprio fabricante por um período previsto com a finalidade de eliminar o período de mortalidade infantil. A essa atividade, da-se o nome de burn-in, a qual, para os sistemas eletrônicos, é frequentemente realizada em temperatura elevada e/ou tensão elevada, evidenciando o período de mortalidade infantil. 9

10 Confiabilidade Uma vez conhecida a confiabilidade de um item, faz necessário determinar a confiabilidade do sistema no qual o item está inserido. Um item de baixa confiabilidade certamente quebrará a cadeia de confiabilidade de todo o sistema. Analogia com os elos de uma corrente. 10

11 Confiabilidade Para um sistema de baixa complexidade, é possível determinar analiticamente a sua confiabilidade. Considere um sistema formado por n itens em serie. A confiabilidade do sistema é dada pela probabilidade dos n itens estarem funcionando: Nesse caso, a taxa de falhas do sistema é dada pela soma das taxas de falhas dos itens. Observe que se um dos item possui uma taxa de falhas muito maior do que a dos demais, toda a confiabilidade do sistema será prejudicada, diminuindo, assim, o MTTF do sistema como um todo. Para analise de um sistema de alta complexidade, a analise se torna mais onerosa, sendo mais vantajosa simulações probabilísticas da confiabilidade do sistema, como as simulações de Monte Carlo. 11

12 Confiabilidade A confiabilidade depende do uso, do ambiente e dos materiais do sistema. Dessa maneira, alguns fatores devem ser considerados durante o projeto de um instrumento de medição para obter um sistema com alta confiabilidade. O instrumento de medição deve possuir um numero reduzido de itens para realizar a função desejada, os quais devem possuir um histórico conhecido de confiabilidade, pois quanto mais itens em serie, maior a probabilidade de ocorrer uma falha. O instrumento de medição deve operar dentro das faixas especificadas, pois a confiabilidade decai rapidamente quando aumenta a temperatura, a umidade, a tensão, a vibração, entre outros. Do ponto de vista da eletrônica, o uso de circuitos integrados substituindo a função de vários componentes discretos aumenta a confiabilidade do instrumento de medição, uma vez que a confiabilidade de um circuito integrado praticamente não esta correlacionada com a sua complexidade. Os componentes eletrônicos devem passar por um período de burn-in de maneira a ultrapassar o período de mortalidade infantil. 12

13 Redundância A confiabilidade de um item pode ser aumentada introduzindo no sistema algum tipo de redundância, por exemplo, usar dois ou mais itens em paralelo de maneira que o sistema continue a funcionar mesmo que parte dele falhe. Existem vários tipos de redundâncias que podem ser utilizadas, entre elas vamos ver duas mais básicas: a paralela ativa e a paralela passiva (ou stand-by). Na redundância paralela ativa, dois ou mais itens idênticos estão continuamente operando em paralelo. Neste caso, a confiabilidade do sistema e dada por: Na redundância paralela passiva (ou stand-by), dois ou mais itens idênticos estão ligados a saída através de uma chave de decisão, a qual é capaz de identificar a falha dos itens. Assim, um dos itens precisa falhar para que o subsequente assuma a sua função no sistema. Considerando que a chave de decisão é infalível, a confiabilidade do sistema e dada por: 13

14 Redundância Considere que uma válvula critica para um sistema que tem uma taxa de falhas de falhas por hora. Qual será o MTTF se for utilizada uma redundância paralela ativa com 2 válvulas? MTTF = horas Qual será o MTTF se for utilizada uma redundância paralela passiva com 2 válvulas? MTTF = horas Como exemplo, foi introduzida uma redundância paralela passiva na válvula da malha de controle de vazão apresentada na aula de diagrama P&I de, na qual a decisão de chaveamento esta no controlador. Observe que na identificação dos instrumentos em paralelo no diagrama P&I, segundo a norma ANSI/ISA S5.1, foram utilizados os sufixos A e B, identificando o paralelismo de função. 14

15 Redundância Diagrama P&I de uma malha de controle de vazão. 15

16 Exercícios À 20 C Deflexão a carga zero = 0 mm \\ Sensibilidade (20-0)mm/1Kg = 20 mm/kg À 30 C Deflexão a carga zero = 5 mm \\ Sensibilidade (27-5)mm/1Kg = 22 mm/kg A deriva de zero/ C = (5-0)/(30-20) = 5/10 = 0,5 mm/ C A deriva de sensibilidade/ C = (22-20)mm/Kg / (30-20) C = 0,2 mm/kg / C 16

17 Exercícios Defina instrumento de ordem zero e instrumento de primeira ordem. 17

18 Exercícios Comente sobre o gráfico conhecido como a Curva da banheira. 18

19 Conceito de Sistema de Medição Sistema de medição É o conjunto completo de instrumentos de medição e outros equipamentos acoplados para executar uma medição específica. 19

20 Conceito de Sistema de Medição Sistema de medição Medidor: dispositivo que interage com o sólido ou fluido criando a possibilidade de medir as características de interesse. 20

21 Conceito de Sistema de Medição Sistema de medição Sensor, dispositivo que capta do sólido ou fluido a característica de interesse. 21

22 Conceito de Sistema de Medição Sistema de medição Circuito de medida, conjunto que recebe do sensor a característica de interesse, procede o tratamento necessário e a transmite ao instrumento de medida. 22

23 Conceito de Sistema de Medição Sistema de medição Instrumento de Medida, aparelho que recebendo a característica de interesse do circuito de medida, procede seu tratamento. 23

24 Escolha do Sistema de Medição Naturezadaaplicaçãoedolocal Tipodefluido Líquido, vapor,gás Tipodeescoamentodofluido Rio,canal,conduto forçado ou livre Meio de transporte Estado e espessura da parede,diâmetro,trecho reto Acessoaolocaldemedida Característica do ambiente Pressão,temperatura,vibrações, áreas classificadas,etc Suporte Energia elétrica,tempo de parada 24

25 Escolha do Sistema de Medição Característica física, química e biológica do fluido Pressões e temperaturas de serviço Massa específica e viscosidade Presença de substâncias corrosivas Elementos transportados pelo fluido 25

26 Resultados desejados Medidas desejadas Apresentação das medidas Escolha do Sistema de Medição Indicador digital ou analógico,registro,alarmes, limites,etc Fixação de Parâmetros: exatidão, precisão, faixa de medida, proteção, etc 26

27 Escolha do Sistema de Medição Custos econômicos e garantias Custoparaestudoeprojetos Custo de equipamentos e instalação Custo de operação e manutenção Padronização de equipamentos existentes Fornecedores e suas competências Características técnicas,custos,qualidade,garantias e rede de manutenção,certificados,etc 27

28 OBRIGADO! CARLOS WALDECIR DE SOUZA yahoo.com.br 28