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Aula 01 de Instrumentação
Organizado por Prof. Dr. Valner BrusamarelloComposto por notas pessoais de aula e: Notas de aula do professor John UFRGSApresentação de Prof. Dr. Welington F. de MAGALHÃES - Professor associado I e Pesquisador doDepartamento de Química, ICEx, UFMG
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 ”
Exemplos de grandezas FísicasVariáveis de força ;Variáveis térmicas ;Variáveis de radiação ;Taxa de variáveis ;Variáveis de quantidade ;Variáveis de propriedades físicas ;Variáveis de composição química ;Variáveis Elétricas
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.
HIERARQUIA DO SISTEMA METROLÓGICO
Indústria e outros setores
Ensaios
Calibração
PadrõesNacionais
BIPM
Unidades do SIPadrões Internacionais
Padrões dos Institutos Nacionaisde Metrologia
Padrões de referência dos laboratórios de calibração
acreditadosPadrões de referência dos
laboratóriosde ensaio acreditados
Padrões de trabalho dos laboratórios do
chão de fábrica
RAST
REAB
ILID
ADE
COMPARABILIDADE
DISSEMINAÇÃO
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
Comparabilidade [VIM 2004: 2.29]Comparabilidade dos resultados de medição, f[comparability of measurement result / comparabilitédu 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.
Comparabilidade [VIM 2004: 2.29]Dois resultados de mediçãode um mesmo mensurando:
Esses resultados são iguais entre
si?
•Iguais •Diferentes
Características do resultado de uma mediçãoConseqüentemente, um resultado de medição com boas características metrológicas tem :
AceitaçãoConfiabilidade, credibilidade e Universalidade
Unidades de Medida 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
sistema Internacional de Unidades (SI)
Institutos Nacionais de Metrologia – INMNational 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 significadoEngajamento no apoio à competitividade nacionalEnvolvimento na geração e difusão de conhecimentosGrande articulação internacionalInstrumento de política industrial
Institutos de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial – INMETRO
13 WELMAGMetroQui
Campus do Inmetro em Xerém
Mecânica
Acústica e Vibração
Elétrica
Óptica
TérmicaQuímica
Centro Operacional
6,000 m2
Relevância da metrologiaPor que a comparabilidade éimportante?Necessária para a confiabilidade das mediçõesEvita as barreiras técnicas ao comércioGarante as justas relações de trocaPermite o desenvolvimento tecnológico, a qualidade, inovação e competitividade industrial
Relevância da metrologiaNas relações industriais e
comerciais globalizadas
No meio ambiente
Na saúde pública e pessoal
Na proteção ao consumidor
Processos judiciais (Química Forense)
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].
Instrumentação
PROCESSO
Variáveis 1 a nTransdutor 1
Transdutor n
Registro de Informação
Instrumentação é o conjunto de dispositivos e técnicas utilizadas para monitorar e/ou controlar fenômenos físicos que ocorrem em um sistema termodinâmico (Processo).
Registro de Informação
e/ou Controle
das Variáveis
Valores desejados
Transdutores
Métodos de MediçãoComparação Direta
Comparação direta da leitura com o PADRÃO da grandeza medida. Padrões de comparação são estabelecidos pelo “National Instituteof Standards and Technology” (NIST)Padrão PrimárioPadrão Secundárioetc
Comparação IndiretaEmprega 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.
Canal De Medição
Transmissor Condicionador Indicador
Malha aberta
ou
Malha fechada
PROCESSO USUÁRIO
Porque A Instrumentação Eletro-eletrônica 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.
Instrumentação Para Monitoração E Controle De Processos
Nova revolução industrialEVOLUÇÃO:Monitoração de processos;Controle de processos;Teste de processos;Teste assistido por computadorAnálise experimental
PROCESSO
INST
RUMENTAÇÃO
INFORMÁTICA
NOVA REVOLUÇÃO INDUSTRIAL
Redes de distribuição no Chão de fábrica Utilização de Sensores inteligentes
Sistema de Medição
InstrumentoVariável de
interesse para medida
xm
Variável de saída y
Variáveis espúrias
Variáveis espúrias
xe1
xe2 xe4xe3
xe5
xe6
xe7xe9
xek
Planejamento de um Sistema de Medição
Conhecimento sobre o processo e suas variáveisAvaliação de variáveis espúriasEscolha dos Instrumentos Apropriados
Escolha dos transdutoresPrincípio de funcionamento Conhecimento sobre tipos, características, etc
Análise dos instrumentosRelação entre mensurando e leituraComo é afetado por variáveis espúriasAnálise da propagação de erros em todo o sistema de medição
Tipos de Variáveis Espúrias
Variáveis AmbientaisArmazenamentoTransporteManuseioInstalação
Variáveis OperacionaisOperação exposta à: temperatura, aceleração, vibração, pressão, umidade, corrosão, campos eletromagnéticos, radiação nuclear, atmosfera iônica, etc.Ruído Eletrônico
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 outrosINSTRUMENTO: 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
Definições e Conceitos
Definições e Conceitos
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.
Sistemas de MediçãoFunção de Transferência
Estabelece as relações que existem entre as entradas e saídas de um sistema de mediçãoCaracteriza cada dispositivo de um sistema de mediçãoDepende dos princípios físicos que regem o comportamento do dispositivoEm geral, os dispositivos de um sistema de medição são construídos visando uma função de transferência linear
Dispositivo de Apresentação
xe3xe1
Transdutor Sensor
Fonte de Alimentação
Mensurandoxm
y1 Condicionador de Sinal
xe2
y2
Display=h(y2)y2=g(y1)y1=f(xm)
Função de TransferênciaDinâmica
Caracteriza as relações dinâmicas entre entrada e saídaDetermina 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
EstáticaCaracteriza as relações estáticas entre entrada e saídaDetermina as características do sistema de medição quando as quantidades medidas permanecem constantes ou apresentam variações lentas em relação ao tempo
Função de Transferência
Dispositivo de Apresentação
xe3xe1
Transdutor Sensor
Fonte de Alimentação
Mensurandoxm
y1 Condicionador de Sinal
xe2
y2Display=h(y2,ex3)
y2=g(y1,ex2)y1=f(xm,ex1)
Parte do Instrument
o
Variável de interesse
para medida
xm
Variável de saída y
Variáveis espúrias
Variáveis espúrias
xe1
xe2 xe4xe3
xe5
xe6
xe7xe9
xek
Os sistemas de medição são compostos por diversas partesInfinitas variáveis afetam a variável de saída de cada partey = f (xm, xe1, xe2, xe3, ...., xek, ...., xe∞)
Os sistemas de medição são construídos com a intenção de medirem (serem mais sensíveis à) algumas variáveis de entrada desejadas
As variáveis indesejadas são ditas espúrias
O desempenho do sistema de medição é determinado por sua sensibilidade às variáveis desejadas e rejeição às variáveis indesejadas
Função de TransferênciaTeórica
Aproximada - obtida com base em modelos teóricosExpressa na forma de equação matemáticaAjudam no entendimento dos mecanismos de transdução e na estimativa do erro nas medidas efetuadasIndispensável para o projeto do sistema de medição
( )4321 ,,, xxxxfleitura =
leitura
u1
Função de TransferênciaReal (Curva de Aferição ou Calibração)
Levantamento experimental da função de transferência (gráfico ou tabela) - Procedimento de CalibraçãoNecessária para a utilização do instrumentoEmpregam-se unidades padronizadas como estímulo
leitura
u1
Função de TransferênciaExperimental
Equação matemática que melhor descreve a curva de aferição na faixa de valores de utilização do instrumentoUtilizada para avaliar a função de transferência teórica
leitura
u1realcxperimentalteórica
Em geral emprega-se o método dos mínimos quadrados
Função de Transferência
Efetua-se esse procedimento para cada valor de xm
Qual a distribuição da parcela aleatória de y (uy)?Teorema Central do Limite
• Se as parcelas aleatórias de xe forem estatísticamenteindependentes e o número de parcelas tender ao infinito a distribuição de uy tende a distribuição normal.
Obtenção da Função de Transferência Real
Função de transferência
REAL
Mensurandoxm
MedidaReal
y
Variáveis espúrias
xe1xe2 xe4xe3
xe5
xe6
xe7xe9 xek
INSTRUMENTO REAL
+
Aplica-se xm fixo e registram-se os valores de yParcelas aleatórias de xek afetam y
Medida
y(xm)
Área = P(µy – t <y< µy + t )
Áreay
p(y)
µy + tµyµy – t
Área Total = 1
µy
P(y) = freqüência de y
p(y=yk) ≅
Freq. com que y ocorre entre yk-∆y e yk+∆y
2∆y
leitura=µy
xm
Função de TransferênciaObtenção da Função de Transferência Experimental
Estipula-se um modelo (função matemática ) para a curvaEmprega-se o método dos mínimos quadrados para determinar os parâmetros da função.
Algarismos SignificativosOs 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 0,0040000 m tem cinco algarismos significativos;
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