Introdução e conceitos

Transcrição

1 ZEB Instrumentação Introdução e conceitos Prof. Dr. Rubens Tabile [email protected] FZEA - USP

2 O QUE É INSTRUMENTAÇÃO

3 Instrumentação é muito mais do que se sugere. Instrumentação é a ciência que desenvolve e aplica técnicas de medição, indicação, registro e/ou controle de processos, visando o entendimento ou otimização destes processos. de instrumentação médica

4 POR QUE MEDIR

5 Monitoramento de um processo ou sistema Controle de um processo ou sistema Validação de predições teóricas Experimentação Formulação de relações empíricas onde não há teoria disponível Determinação de propriedades de material ou componente Estudo de fenômenos cuja origem é desconhecida

6 A caracterização de qualquer coisa pode ter pelo menos dois tipos de informação: 1. Qualitativa 2. Quantitativa Em diversas áreas de aplicação (Engenharias, Topografia, ) ou de conhecimento básico (Física, Química, ) a informação quantitativa é de fundamental importância.

7 O QUE MEDIR

8 Grandeza É um atributo de algo do universo fi sico que pode ser quantificado sob a forma de um número e uma referência. Ex. Comprimento, massa, tempo, temperatura, intensidade luminosa Unidade Referencia com o que se compara a grandeza que esta sendo mensurada Ex. Metro, grama, segundo, kelvin, candela

9 Peso padrão: Cilindro de platina e irídio que fica em um cofre no Escritório Nacional de Pesos e Medidas na França, desde Metro padrão: comprimento de trajeto de luz, no vazio, no tempo de 1/ segundos

10 Valor Conjunto de um número e de uma referência constituindo a expressão quantitativa de uma grandeza Ex. 5 metros, 800 gramas, 3 segundos, 150 kelvin, 1000 candela Medição Processo experimental para obter um ou mais valores atribuíveis a uma grandeza

11 Se medir significa atribuir um valor a uma grandeza, o porque de se medir começa com o fato das próprias relações humanas humanas o exigirem Negócios Impostos Avaliações

12 EXEMPLO

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17 VALORES

18 Valor verdadeiro Valor perfeito, portanto impossível Adota-se Valor convencional Valor atribuído a uma grandeza de acordo com a finalidade Cte Avogadro = 6, x mol -1 Unidades de medida Grandezas específicas, adotadas por convenção, com as quais outras grandezas de mesma natureza são comparadas

19 COMO MEDIR

20 Sequência lógica de operações, descritas genericamente, usadas na execução das medições. 1. Avaliar o sistema 2. Definir um princípio 3. Estabelecer o método 4. Usar um procedimento 5. Avaliar os resultados

21 Medir Bom senso O que é significativo? Algarismos significativos 6,5 ok 6,54 equivoco

22 DEPENDÊNCIAS

23 Medir a temperatura de um corpo significa colocar aquele corpo em contato com outro corpo, o do instrumento de medida (termômetro). Grau de precisão, dependente de: Instrumento em uso Processo Método Operador Superposição de interferências Habilidade do operador Precisão do equipamento Ambiente

24 CARACTERISTICAS ESTÁTICAS

25 Precisão Diferença máxima que existirá entre o valor real (que deve ser medido por um padrão primário) e o valor indicado na saída do sensor. Pode ser expressa ou como uma porcentagem da escala completa ou em termos absolutos. Repetibilidade Indica a máxima variação entre valores de saída obtidos ao medir a mesma entrada, com o mesmo sensor e em condições idênticas.

26 Alta repetibilidade Alta precisão Alta repetibilidade Baixa precisão Baixa repetibilidade Baixa precisão

27 Faixa de operação Define os valores máximo e mínimo do sinal de entrada que o sensor está habilitado a medir. Resolução É a menor variação incremental detectavel no sinal de entrada que pode gerar um sinal de saída. Indica qual a variação mínima no sinal de entrada capaz de produzir uma variação no sinal de saída.

28 Faixa de operação: 0 60 bar Resolução: 0,5 bar

29 Linearidade (não linearidade) Desvio de valores crescentes medidos com relação a uma reta de ajuste Sensibilidade Relação que indica o valor de saída por unidade de entrada. Exemplo, um sensor de pressão com sensibilidade de 3mV/mmHg, significa que para cada mmhg, o sinal de saída mudará 3mV. Banda morta/tempo morto Faixa de valores de entrada para a qual não há saída. Tempo morto é o tempo a partir da aplicação de uma entrada até o instante em que a saída começa a responder.

30 Tensão [Volts] Sensibilidade: 3,7mV/mm Banda morta: 0-30 e inf cm Sens = U S = = = = 3,7mV/mm Distância [cm]

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32 CARACTERISTICAS DINÂMICAS

33 Tempo de resposta Tempo necessário para a saída do sensor variar, a partir do seu estado anterior, para o valor final estável dentro de uma faixa de tolerância. Resposta em frequência Capacidade do sensor para seguir as variações do sinal de entrada a medida que se aumenta sua frequência. Estabilidade Capacidade do sensor em manter o mesmo sinal de saída, sem alteração no sinal de entrada, ao longo do tempo.

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35 TESTE SEQUENCIAL

36 Erro de Histerese Diferenças encontradas entre um teste sequencial escala a cima e um escala a baixo Erro de Linearidade Desvio de valores crescentes medidos com relação a uma reta de ajuste

37 Erro de Sensibilidade Variação da saída do instrumento com relação uma variação do mensurando Erro de deslocamento Deslocamento vertical da curva

38 Erro de repetibilidade Capacidade do sistema responder da mesma forma a mesma entrada.

39 COMPORTAMENTO DOS SISTEMAS DE MEDIDA

40 Ordem zero Resposta instantânea Régua potenciométrica

41 Primeira ordem Resposta monotônica Termômetro, forno

42 Segunda ordem Relação de amortecimento Medidor de pressão, acelerometros

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46 ζ=1 ζ=0,01

47 TIPOS DE EQUIPAMENTOS

48 Equipamento usado para realizar medição, individualmente ou em conjunto com outros. Instrumento Digital Encoder Instrumento Analógico Célula de carga Instrumento Integrado Medidor consumo energia elétrica

49 Instrumentos cegos Não têm indicação visível do valor da variável Ex: pressostatos, termostatos Instrumentos indicadores Possuem indicador e escala graduada Ex: voltimetros Instrumentos registradores Registram a variável com um traço ou pontos Ex: sismógrafo

50 Medidas diretas Medidas pode ser divididas em duas famílias: Medidas tomadas com um tipo específico de instrumento, como paquímetro, micrômetro e medidor de perfil. Ex: diâmetro; rugosidade; perfil de uma rosca Medidas indiretas A grandeza é obtida em função de relações algébricas entre outras grandezas medidas de forma direta. Ex: ensaio de fratura; torção; tração

51 ERROS

52 Nenhuma medida é realizada sem que ocorra erro, mas erro é algo que pode causar diversos problemas práticos, incluindo acidentes Erro: Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro do mensurando.

53 Para uma medida ou valor experimental serem significativos, esses devem ter a estimativa do seu erro ou incerteza Precisão Lento Caro Empregar o método mais simples e menos dispendioso, utilizando o método que forneça a informação (digital ou analógica) com a precisão necessária ao processo.

54 Sem consideração dos ERROS Considerando ERROS dos sensores, cabos e todos os componentes entre a TOMADA DE MEDIÇÃO e a INDICAÇÃO Temperatura indicada pelo termômetro de um forno: 500ºC 500ºC ± 3ºC Pressão indicada pelo pressostato de uma caldeira: 200 bar 200 bar ± 2 bar Resistência elétrica de um condutor indicada por um multímetro: 300 Ω 300 Ω ± 0,5%

55 Sem consideração dos ERROS Considerando ERROS dos sensores, cabos e todos os componentes entre a TOMADA DE MEDIÇÃO e a INDICAÇÃO Temperatura indicada pelo termômetro de um forno: 500ºC 500ºC ± 3ºC Pressão indicada pelo pressostato de uma caldeira: 200 bar 200 bar ± 2 bar Resistência elétrica de um condutor indicada por um multímetro: 300 Ω 300 Ω ± 0,5%

56 Sem consideração dos ERROS Considerando ERROS dos sensores, cabos e todos os componentes entre a TOMADA DE MEDIÇÃO e a INDICAÇÃO Temperatura indicada pelo termômetro de um forno: 500ºC 503ºC a 497ºC Pressão indicada pelo pressostato de uma caldeira: 200 bar 202 bar a 198 bar Resistência elétrica de um condutor indicada por um multímetro: 300 Ω 301,5 Ω a 298,5 Ω

57 Efeitos Aleatórios A repetição da medida resulta em valores randômicos. Mais medidas resultam na convergência de um valor médio Efeitos Sistemáticos O mesmo efeito afeta o valor das medidas. Determinação por diferentes métodos de medida. Aleatório Sistemático Esporádico

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59 Media: Desvio Padrão: O valor que mostra para onde se concentram os dados de uma distribuição. Medida de dispersão dos dados em torno da média. Valor baixo indica que os dados tendem a estar próximos da média. Valor alto indica que os dados estão espalhados por uma ampla gama de valores.

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