Aula I -Introdução à Instrumentação Industrial UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA DISCIPLINA: INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL I (ENGF99) PROFESSOR: EDUARDO SIMAS (EDUARDO.SIMAS@UFBA.BR)
Introdução A Execução de uma medição é um procedimento experimental onde o valor de uma grandeza física será apurado por comparação com a grandeza de referência. Para executarmos uma medição, três condições são necessárias: Existência de um sistema numérico. Definição da grandeza da medida. Estabelecimento da unidade de base. Instrumento de Medição é um aparelho destinado a fazer medições, sozinho ou complementado por outro equipamento, de modo automático ou manual.
Introdução Histórico: Idade Antiga (4000 a.c até o século V): Pedras eram usadas para quantificar as ovelhas de um rebanho; Invenção da Escrita: símbolos associados com quantidades, Algarismos Romanos. Idade Média (476 d.c a 1463 d.c): Sistema numérico: Algarismos Arábicos. Exemplo: para medir comprimentos: partes do corpo humano (polegada, pé, palmo, etc.)
Introdução Histórico: Início da padronização: o metro Foi estabelecido como a décima milionésima parte de um quarto do meridiano terrestre; O padrão pode ser repetido independente do artefato correspondente; Progresso da Ciência conferiu maior exatidão às medições Hoje em dia, à exceção da massa, não são mais utilizados artefatos para padronização das medições As unidades (de comprimento, temperatura, corrente elétrica, etc) são representadas por valores obtidos a partir de experimentos.
Terminologia AJUSTE - Operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com seu uso. CALIBRAÇÃO - 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 material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões. ERRO- Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro do mensurando. ESTABILIDADE- Aptidão de um instrumento de medição em conservar constantes suas características metrológica ao longo do tempo. EXATIDÃO- Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando.
Terminologia GRANDEZA - Atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado. GRANDEZA DE INFLUÊNCIA - Grandeza que não é o mensurando, mas que afeta o resultado da medição deste. INCERTEZA DA MEDIÇÃO - Parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentalmente atribuídos a um mensurando. MENSURANDO - Grandeza submetida à medição.
Terminologia PADRÃO - Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinado a definir, realizar, conservar ou produzir uma unidade ou um ou mais valores conhecidos de uma grandeza para servir como referência. PADRÃO PRIMÁRIO - Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões de mesma grandeza. PADRÃO SECUNDÁRIO - Padrão cujo valor é estabelecido por comparação com padrão primário da mesma grandeza. PADRÃO DE REFERÊNCIA - Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do qual as medições lá executadas são derivadas.
Terminologia PADRÃO DE TRABALHO - Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de referência. PADRÃO DE TRANSFERÊNCIA - Padrão utilizado como intermediário para comparar padrões. REPETITIVIDADE DAS MEDIÇÕES - Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição. REPRODUTIBILIDADE DAS MEDIÇÕES - Grau de concordância entre os resultados das medições de um mesmo mensurando, efetuadas sob condições variadas de medição.
Terminologia RESOLUÇÃO - Menor diferença entre indicações de um dispositivo mostrador que pode ser significativamente percebida. RASTREABILIDADE - Propriedade de um resultado de 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. TEMPO DE REPOSTA - Intervalo de tempo entre o instante em que um estimulo é submetido a uma variação brusca e o instante em que a resposta atinge e permanece dentro de limites especificados em torno do seu valor final estável.
O Processo de Medição É um procedimento experimental onde se determina o valor momentâneo de uma grandeza física É realizado por um instrumento ou sistema de medição; Obtem-se uma indicação direta ou o valor medido acompanhado de sua unidade de medida; Resultado = (Valor Medido) UMA UMA - Unidade de Medida Apropriada
Sistema de Medição Genérico Variável medida Sensor Condicionador de sinais Mostrador ou registrador Transdutor da variável medida para o sinal de informação Amplificação, filtragem, remoção de ruído Armazena ou torna disponível para visualização o valor medido
Fatores que contribuem para a Incerteza de Medição: Meio Ambiente (temperatura, umidade, pressão, etc.) Equipamento de Medição (tendência, descalibração) Método de cálculo (arredondamento, interpolação, extrapolação, etc.) INCERTEZA DA GRANDEZA MEDIDA Operador (paralaxe, experiência, treinamento, etc.) Processo de medição (alinhamento, número de medições, princípio de medição, etc.) Outras fontes
Confiabilidade Metrológica O controle das variações dos resultados de medições é importante para: Verificar a sua qualidade; Verificar a estabilidade no decorrer do tempo; Estabelecer a previsibilidade. Todo valor medido deve ser expresso juntamente com um parâmetro que indique a qualidade daquela medição (sua incerteza associada). A incerteza de medição é a indicação quantitativa da qualidade dos resultados da medição.
Confiabilidade Metrológica Todo resultado de uma medição possui erros associados. Essas diferenças são causadas por: Métodos e procedimentos inadequados; Condições do operador; Condições do ambiente; Imperfeição do objeto a ser medido; Variações causadas em função do tempo; Etc. O erro consiste na diferença entre o valor medido e o valor real. Erro e incerteza são parâmetros diferentes e não devem ser confundidos.
Erros de Medição Efetuando-se medidas com instrumentos perfeitos, com operadores experimentados e tomadas todas as precauções, os resultados encontrados nessas medidas não são necessariamente iguais, ainda que o operador utilizasse o mesmo instrumento para medir a mesma grandeza. Os erros cometidos numa medição podem ser: Sistemáticos; Aleatórios ou acidentais.
Erros Sistemáticos São erros que ocorrem com uma certa constância ou de forma previsível. São originários de falhas de métodos empregado; defeitos do instrumento. Podem ser corrigidos, uma vez identificados. Exemplos: erros decorrentes da falta de aferição de instrumentos; erros devido a imperfeições dos procedimentos de medição (vício do operador); erros devido a influências do ambiente, por exemplo, variação de temperatura.
Erros Aleatórios São erros devido a causas sempre desconhecidas e imprevisíveis. São independentes do operador, do instrumento ou do método utilizado na medição. São erros provocados por alterações não perceptíveis dos aparelhos, do objeto que será medido e do ambiente onde é efetivada a medição. São analisados quantitativamente, em geral, mediante cálculos estatísticos. Exemplos: erros de leitura de escalas; influência do cansaço do operador ao longo de uma série de medições; erro de paralaxe na leitura de uma escala.
Precisão x Exatidão Precisão: pouca dispersão, repetitividade e estabilidade. Exatidão: proximidade do valor verdadeiro, normalmente considerando-se uma média das medições. Os termos precisão e exatidão podem ser utilizadas para caracterizar: processo (aparelho, método e operador),; medição; instrumento.
Precisão x Exatidão:
Precisão e exatidão Exemplo 1: Um manômetro de range de 0 a 100 psi, quando comparado com o seu padrão, no valor de 50 psi, apresentou o seguinte resultado, após três calibrações: 1a Medida: 40 psi 2a Medida: 45 psi 3a Medida: 50 psi 20
Precisão e exatidão Exemplo 1: Um manômetro de range de 0 a 100 psi, quando comparado com o seu padrão, no valor de 50 psi, apresentou o seguinte resultado, após três calibrações: 1a Medida: 40 psi 2a Medida: 45 psi 3a Medida: 50 psi Conclusão: O instrumento não é exato, pois a média dos valores não é 50, também não é preciso, pois houve uma dispersão muito grande, ou seja não apresenta repetitividade. 21
Precisão e exatidão Exemplo 2: Um manômetro de range 0 a 100 psi, quando comparado com o seu padrão, no valor de 50 psi, apresentou o seguinte resultado, após três calibrações: 1a Medida: 40 psi 2a Medida: 60 psi 3a Medida: 50 psi 22
Precisão e exatidão Exemplo 2: Um manômetro de range 0 a 100 psi, quando comparado com o seu padrão, no valor de 50 psi, apresentou o seguinte resultado, após três calibrações: 1a Medida: 40 psi 2a Medida: 60 psi 3a Medida: 50 psi Conclusão: O instrumento é exato, pois a média dos valores é 50, porém não é preciso, pois houve uma grande dispersão, ou seja não apresenta repetitividade. 23
Precisão e exatidão Exemplo 3: Um manômetro de range de 0 a 100 psi, quando comparado com o seu padrão, no valor de 50 psi, apresentou o seguinte resultado, após três calibrações: 1a Medida: 44 psi 2a Medida: 45 psi 3a Medida: 46 psi 24
Precisão e exatidão Exemplo 3: Um manômetro de range de 0 a 100 psi, quando comparado com o seu padrão, no valor de 50 psi, apresentou o seguinte resultado, após três calibrações: 1a Medida: 44 psi 2a Medida: 45 psi 3a Medida: 46 psi Conclusão: O instrumento não é exato, pois a média dos valores não é 50, porém é preciso, pois houve uma pequena dispersão, ou seja apresenta repetitividade. 25
Precisão e exatidão Exemplo 4: Um manômetro de range de 0 a 100 psi, quando comparado com o seu padrão, no valor de 50 psi, apresentou o seguinte resultado, após três calibrações: 1a Medida: 51 psi 2a Medida: 50 psi 3a Medida: 49 psi 26
Precisão e exatidão Exemplo 4: Um manômetro de range de 0 a 100 psi, quando comparado com o seu padrão, no valor de 50 psi, apresentou o seguinte resultado, após três calibrações: 1a Medida: 51 psi 2a Medida: 50 psi 3a Medida: 49 psi Conclusão: O instrumento é exato, pois a média dos valores é 50, também é preciso, pois houve uma pequena dispersão, ou seja apresenta repetitividade. 27