Aula 01 de Instrumentação

Transcrição

1 Aula 01 de Instrumentação Organizado por Prof. Dr. Valner Brusamarello Composto por notas pessoais de aula e: Notas de aula do professor John UFRGS Apresentação de Prof. Dr. Welington F. de MAGALHÃES - Professor associado I e Pesquisador do Departamento de Química, ICEx, UFMG

2 Grandezas Físicas grandeza mensurável é definida como: atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado e o valor de uma grandeza expressão quantitativa de uma grandeza específica, geralmente sob a forma de uma unidade multiplicada por um número

3 Exemplos de grandezas Físicas Variáveis de força ; Variáveis térmicas ; Variáveis de radiação ; Taxa de variáveis ; Variáveis de quantidade ; Variáveis de propriedades físicas ; Variáveis de composição química ; Variáveis Elétricas

4 Rastreabilidade [VIM 6.10] Rastreabilidade, f [traceability / traçabilité, f] Propriedade do resultado de uma medição ou do valor de um padrão estar relacionado a referências estabelecidas, geralmente padrões nacionais ou internacionais, através de uma cadeia contínua de comparações, todas tendo incertezas estabelecidas.

5 HIERARQUIA DO SISTEMA METROLÓGICO RASTREABILIDADE BIPM Padrões Nacionais Calibração Ensaios Indústria e outros setores Unidades do SI Padrões Internacionais DISSEMINAÇÃO Padrões dos Institutos Nacionais de Metrologia Padrões de referência dos laboratórios de calibração acreditados Padrões de referência dos laboratórios de ensaio acreditados Padrões de trabalho dos laboratórios do chão de fábrica COMPARABILIDADE

6 Cadeia de rastreabilidade [VIM 6.10] Padrão primário, BIPM / NMI Padrão secundário, NMI / Lab. Cred. Padrão de referência, Lab. Cred. / Ind. Padrão de trabalho, Lab. Cred. / Indústria Equipamentos padrões, indústria Produtos

7 Comparabilidade [VIM 2004: 2.29] Comparabilidade dos resultados de medição, f [comparability of measurement result / comparabilité du resultats de mesurage, f] Propriedade dos resultados de medições [ou dos valores de padrões] que os tornam comparáveis porque eles são metrologicamente rastreáveis aos mesmos padrões de referência metrológicos estabelecidos.

8 Comparabilidade [VIM 2004: 2.29] Dois resultados de medição de um mesmo mensurando: Esses resultados são iguais entre si? Iguais Diferentes

9 Características do resultado de uma medição Conseqüentemente, um resultado de medição com boas características metrológicas tem : Aceitação Confiabilidade, credibilidade e Universalidade

10 Unidades de Medida sistema Internacional de Unidades (SI) Nome Grandeza Símbolo Metro comprimento m segundo tempo s quilograma massa kg ampère corrente A Kelvin Temperatura K Mol Quantidade de matéria mol candela Intensidade de luz cd

11 Institutos Nacionais de Metrologia INM National Metrology Institutes NMI O PAPEL DO INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA Reservatório de Padrões Nacionais Lócus de conhecimento e de credibilidade baseados em excelência em C & T Referência Nacional, seu significado Engajamento no apoio à competitividade nacional Envolvimento na geração e difusão de conhecimentos Grande articulação internacional Instrumento de política industrial

12 Institutos de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial INMETRO

13 Campus do Inmetro em Xerém Mecânica Centro Operacional Acústica e Vibração Química Térmica Óptica Elétrica 6,000 m 2 13 WELMAG MetroQui

14 Relevância da metrologia Por que a comparabilidade é importante? Necessária para a confiabilidade das medições Evita as barreiras técnicas ao comércio Garante as justas relações de troca Permite o desenvolvimento tecnológico, a qualidade, inovação e competitividade industrial

15 Relevância da metrologia Nas relações industriais e comerciais globalizadas No meio ambiente Na saúde pública e pessoal Na proteção ao consumidor Processos judiciais (Química Forense)

16 Relevância da metrologia Nesse contexto de garantia da qualidade do resultado analítico, a incerteza é um dos principais parâmetros associada ao resultado da medição. Atualmente, é mundialmente reconhecido que o resultado de uma medição não está completo se faltar alguma expressão da incerteza a ele associado. Somente de posse de uma estimativa da incerteza podemos garantir a comparabilidade de dois resultados [GUM 2003].

17 Instrumentação Instrumentação é o conjunto de dispositivos e técnicas utilizadas para monitorar e/ou controlar fenômenos físicos que ocorrem em um sistema termodinâmico (Processo). Variáveis 1 a n PROCESSO Transdutor 1 Transdutor n Transdutores Registro de Informação Registro e/ou de Informação Controle das Variáveis Valores desejados

18 Métodos de Medição Comparação Direta Comparação direta da leitura com o PADRÃO da grandeza medida. Padrões de comparação são estabelecidos pelo National Institute of Standards and Technology (NIST) Padrão Primário Padrão Secundário etc Comparação Indireta Emprega um dispositivo ou um sistema de medição previamente calibrado com padrões da grandeza que se deseja medir. Tais sistemas de medição têm especificado o erro de uma medição efetuada com ele.

19 Canal De Medição Transmissor Condicionador Indicador Malha aberta ou Malha fechada PROCESSO USUÁRIO

20 Porque A Instrumentação Eletroeletrônica Tornou-se Tão Importante? Pela facilidade de tratamento dos sinais elétricos; Pela existência de transdutores sensores e atuadores de natureza elétrica; Pela confiabilidade de operação de um sistema instrumentado com recursos eletro-eletrônicos; Pela capacidade de controlar um processo em tempo real ; Pela realizabilidade de operações multivariáveis de alta complexidade.

21 Instrumentação Para Monitoração E Controle De Processos PROCESSO INSTRUMENTAÇÃO INFORMÁTICA Nova revolução industrial EVOLUÇÃO: Monitoração de processos; Controle de processos; Teste de processos; Teste assistido por computador Análise experimental NOVA REVOLUÇÃO INDUSTRIAL Redes de distribuição no Chão de fábrica Utilização de Sensores inteligentes

22 Sistema de Medição xe 9 Variáveis xe 7 espúrias xe k Variável de interesse para medida xm xe 6 Instrumento Variável de saída y xe 1 xe 5 xe 2 xe4 xe 3 Variáveis espúrias

23 Planejamento de um Sistema de Medição Conhecimento sobre o processo e suas variáveis Avaliação de variáveis espúrias Escolha dos Instrumentos Apropriados Escolha dos transdutores Princípio de funcionamento Conhecimento sobre tipos, características, etc Análise dos instrumentos Relação entre mensurando e leitura Como é afetado por variáveis espúrias Análise da propagação de erros em todo o sistema de medição

24 Tipos de Variáveis Espúrias Variáveis Ambientais Armazenamento Transporte Manuseio Instalação Variáveis Operacionais Operação exposta à: temperatura, aceleração, vibração, pressão, umidade, corrosão, campos eletromagnéticos, radiação nuclear, atmosfera iônica, etc. Ruído Eletrônico

25 Definições e Conceitos SENSOR: [VIM 2008] é um elemento de um sistema de medição que é diretamente afetado por um fenômeno, corpo ou substância que contém a grandeza a ser medida. Pode-se citar como exemplos: o elemento de platina de um termômetro do tipo RTD, rotor de uma turbina para medir vazão, tubo de Bourdon de um manômetro, bóia de um instrumento de medição de nível, fotocélula de um espectrofotômetro, entre outros. TRANSDUTOR: é um dispositivo que converte um sinal de uma forma física para um sinal correspondente de outra forma física. [VIM2008] é um dispositivo utilizado em medições, que fornece uma grandeza de saída que tem uma correlação específica com a grandeza de entrada. Pode-se citar como exemplos: termopar, transformador de corrente, extensômetro de resistência elétrica (strain-gage), eletrodo de ph, entre outros. DETECTOR: é um dispositivo ou substância que indica a presença de um fenômeno sempre que um limiar de mobilidade de uma grandeza é excedido, sem necessariamente fornecer um valor de uma grandeza associada. Pode-se citar como exemplos: detector de vazamento de halogênio, entre outros INSTRUMENTO: Sistema mecânico, eletromecânico ou eletrônico que integra um sensor ou um transdutor a dispositivos com funções específicas de processamento de modo que sua saída mostra ou registra determinada variável dentro de unidades padronizadas. Ex.: Paquímetro. Condicionador de Sinal - converte a saída do transdutor (ou sensor) em um sinal elétrico apropriada para o dispositivo de apresentação ou controle

26 Definições e Conceitos

27 Definições e Conceitos

28 Calibração 6.11 CALIBRAÇÃO (VIM) Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões. Observações: 1) O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicações como a determinação das correções a serem aplicadas. 2) Uma calibração pode, também, determinar outras propriedades metrológicas como o efeito das grandezas de influência. 3) O resultado de uma calibração pode ser registrado em um documento, algumas vezes denominado certificado de calibração ou relatório de calibração.

29 Sistemas de Medição Função de Transferência Estabelece as relações que existem entre as entradas e saídas de um sistema de medição Caracteriza cada dispositivo de um sistema de medição Depende dos princípios físicos que regem o comportamento do dispositivo Em geral, os dispositivos de um sistema de medição são construídos visando uma função de transferência linear Mensurando xm Transdutor Sensor y 1 =f(xm) xe 1 y 1 Condicionador de Sinal y 2 =g(y 1 ) xe 2 y 2 Dispositivo de Apresentação Display=h(y2) xe 3 Fonte de Alimentação

30 Função de Transferência Dinâmica Caracteriza as relações dinâmicas entre entrada e saída Determina as características do sistema de medição quando as quantidades medidas apresentam variações, em relação ao tempo, comparáveis ao tempo de resposta do sistema de medição Estática Caracteriza as relações estáticas entre entrada e saída Determina as características do sistema de medição quando as quantidades medidas permanecem constantes ou apresentam variações lentas em relação ao tempo

31 Função de Transferência Os sistemas de medição são compostos por diversas partes Infinitas variáveis afetam a variável de saída de cada parte y = f (xm, xe 1, xe 2, xe 3,..., xe k,..., xe ) Variáveis espúrias xe medirem (serem xe mais 7 sensíveis à) algumas 9 xe variáveis de k entrada desejadas Variável de xe 6 interesse Transdutor Dispositivo de Mensurando y Parte do As variáveis indesejadas 1 Condicionador são ditas de espúrias Sinal y Variável de para Sensor 2 Apresentação xm Instrument y 2 =g(y1,ex y 2 ) saída y 1 =f(xm,ex medida 1 ) Display=h(y xe xe 2,ex 3 ) 2 1 o xe 3 xm xe 1 indesejadas Fonte de Alimentaçãoxe 5 xe 2 xe xe 3 4 Variáveis espúrias Os sistemas de medição são construídos com a intenção de O desempenho do sistema de medição é determinado por sua sensibilidade às variáveis desejadas e rejeição às variáveis

32 Função de Transferência Teórica Aproximada - obtida com base em modelos teóricos Expressa na forma de equação matemática Ajudam no entendimento dos mecanismos de transdução e na estimativa do erro nas medidas efetuadas Indispensável para o projeto do sistema de medição leitura leitura = f ( x, x, x x ), u 1

33 Função de Transferência Real (Curva de Aferição ou Calibração) Levantamento experimental da função de transferência (gráfico ou tabela) - Procedimento de Calibração Necessária para a utilização do instrumento Empregam-se unidades padronizadas como estímulo leitura u 1

34 Função de Transferência Experimental Equação matemática que melhor descreve a curva de aferição na faixa de valores de utilização do instrumento Utilizada para avaliar a função de transferência teórica leitura teórica cxperimental real u 1 Em geral emprega-se o método dos mínimos quadrados

35 Mensurando x m Função de Transferência Obtenção da Função de Transferência Real xe 6 xe 7 Variáveis espúrias leitura=µ y Função de transferência REAL xe 9 xe k INSTRUMENTO REAL + Medida Real y µ y y(x m ) xe 1 xe 5 xe 2 xe xe 3 4 Aplica-se x m fixo e registram-se os valores de y p(y) Parcelas aleatórias de x e k afetam y x m P(y) = freqüência de y Medida Efetua-se Área esse = procedimento P(µ y t <y< µ y + para t ) cada valor de x m Freq. com que Qual a distribuição Área da parcela Total = aleatória 1 de y (u y )? y ocorre entre Teorema Área Central do Limite y p(y=y k ) k - y e y k + y Se as parcelas aleatórias de x e forem estatísticamente y 2 y µ y t independentes µ y + t µ y e o número de parcelas tender ao infinito a distribuição de u y tende a distribuição normal.

36 Função de Transferência Obtenção da Função de Transferência Experimental Estipula-se um modelo (função matemática ) para a curva Emprega-se o método dos mínimos quadrados para determinar os parâmetros da função.

37 Algarismos Significativos Os algarismos significativos de uma medida são todos os algarismos lidos com certeza mais o primeiro algarismo duvidoso. A abordagem anterior aplica-se a instrumentos analógicos, onde se tem um indicador se deslocando sobre uma escala. No caso de instrumentos digitais nada é possível afirmar além do que é mostrado no visor. Os zeros à esquerda do número, isto é, os zeros que posicionam a vírgula não são significativos. Para esclarecer estes conceitos, analise os conceitos que seguem: a medida 0,023 cm tem somente dois algarismos significativos; a medida 0,348 s tem apenas três algarismos significativos; a medida 0, m tem cinco algarismos significativos;

38 Bibliografia HOLMAN J. P. Experimental Methods for Engineers,.McGraw-Hill, Inc DOEBELIN, O. Measurement Systems, McGraw-Hill, BALBINOT A., BRUSAMARELLO V. J., Instrumentação e Fundamentos de Medidas V 1 e V2, 2006 e [AMC 1987] Recommendations for the Definition, Estimation, and Use of the Detection Limit, Analytical Methods Committee, Analyst, February 1987, vol 112, [AOAC-EP] International Harmonized Protocol for Proficiency Testing of (Chemical) Analytical Laboratories, Protocolo Internacional Harmonizado para Ensaios de Proficiência de Laboratórios de Analises (Químicas), Michael THOMPSON, Roger WOOD, J. AOAC Intern. Vol. 76, Num. 4, p.: , [CHASIN 1998] Alice A. da Mata Chasin, Elizabeth de S. Nascimento, Luciane M. Ribeiro-Neto, Maria Elisa P.B. de Siqueira, Maristela H. Andraus, Myriam C. Salvador, Nilda G. de Fernícola, Rosangela Gorni e Sônia Salcedo, Validação de métodos em análises toxicológicas: uma abordagem geral, Revista Brasileira de Toxicologia, vol. 11, Num. 1, pag. 1-6, [FLAVIO 2002] Flávio Leite, Validação em Análise Química, 4 a edição, Editora Átomo, Campinas, ISBN [FPAM 1998] EURACHEM/CITAC, The Fintess for Purpose of Analytical Methods A Laboratory Guide to Method Validation and Related Topics, English Edition 1.0, LGC, Teddington, UK, ISBN [GONÇALVES 2001] Armando Albertazi GONÇALVES Jr., Metrologia ParteI , LabMetro, Laboratório de Metrologia e Automação, Departamento de Engenharia Mecânica, niversidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis,

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41 BIBLIOGRAFIA [QGU 2000] INMETRO, CNI, SENAI, Quadro Geral de Unidades de Medida QGU, Resolução do CONMETRO n o 12/ 1988, 2 a edição, Rio de Janeiro, ISBN [QUAM2000] Quantifying Uncertainty in Analytical Measurement EURACHEM / CITACGUIDE, QUAM [SI 2003] INMETRO, CNI, SENAI, Sistema Internacional de Unidades, 8 a edição, INMETRO, Duque de Caxias, RJ, ISBN Arquivo disponível em: [SMAC] Peter C. Meier and Peter E. Zünd, Statistical Methods in Analytical Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000, ISBN [TCM] Traceability in Chemical Measurement A Guide to Achieving Comparable Results in Chemical Measurement, EURACHEM / CITAC Guide, Voting Draft, March [VIML 2005] INMETRO, Vocabulário Internacional de Termos de Metrologia Legal, A que se refere a portaria INMETRO n o 163, de 06 de setembro de 2005, 4 a edição, Rio de Janeiro, ISBN Arquivo disponível em: [VIM 2004] ISO, BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML, ISO VIM (Dguide 99999) International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology, Vocabulaire International des Termes Fondamentaux et Généraux de Métrologie, Revision of the 1993 edition, International vocabulary of basic and general terms in metrology (VIM), 3rd Edition, Voting Draft april 2004 [VIM 2003] INMETRO, Vocabulário Internacional de termos Fundamentais e Gerais de Metrologia VIM, Resolução do CONMETRO n o 12/1988, 3 a edição, Rio de Janeiro, ISBN Arquivo disponível em:

42 BIBLIOGRAFIA [VIM 1995] ISO, BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML, International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology VIM, Vocabulaire International des Termes Fondamentaux et Généraux de Métrologie, ISBN