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Instrumentação eletroeletrônica Fundamentos conceituais Prof. Giancarlo Michelino Gaeta Lopes • Unidade de Ensino: 1 • Competência da Unidade: Conhecer, compreender e ser capaz de aplicar os conceitos fundamentais relacionados a instrumentação eletroeletrônica e sistemas de medição. • Resumo: Apresentar os conceitos de grandezas físicas e unidades de medida, os aspectos gerais da operação de instrumentos. • Palavras-chave: Unidades de medida; instrumentos; propagação de incertezas. • Título da Teleaula: Fundamentos conceituais • Teleaula nº: 1 Contextualização • Como realizar uma medição? • Como descrever o funcionamento de um equipamento de medição? • Como avaliar a incerteza de um instrumento? • Quais são os termos fundamentais utilizados na instrumentação? Método científico Método Científico O método científico é uma forma de conduzir e desenvolver experimentos Obter conhecimento, corrigir e usar conhecimentos preexistentes. Caracterizar o problema a ser resolvido (definição e delimitação). Objetivo Como começar? • Procedimento genérico do método científico: Fonte: adaptada de Balbinot; Brusamarello (2011a, p. 7). Sistema de Medição – SI • Grandezas Físicas – variáveis a serem medidas: • Variáveis de quantidade (kg – Ton); • Variáveis de propriedades físicas (kg/m3); • Variáveis de composição química (pH); • Variáveis de radiação (Gy – Gray); • Variáveis de força (Newton); • Variáveis térmicas (°C); • Taxa de variáveis (km/h – cm/s); • Variáveis elétricas (Volt). Unidades de medida • Toda a grandeza medida deve possuir uma unidade de medida; Fonte: INMETRO (2012a, p. 28). Elementos de medição • Sensor: elemento que é diretamente afetado por um fenômeno, corpo ou substância. • Detector: presença de um fenômeno sempre que um limiar de uma grandeza é excedido; Fonte de todas as imagens: http://www.newark.com. Acesso em: 26 fev. 2018. • Transdutor: dispositivo que converte um sinal de forma física ou química em uma forma física conhecida normalmente de uma grandeza física para um sinal elétrico. Fonte: https://www.zzounds.com. Acesso em: 26 fev. 2018. Situação-problema • Você trabalha com consultoria e projetos na área de instrumentação; • Em uma estação de tratamento, você deve investigar uma falha que está impedindo que a agua tratada seja bombeada para o consumidor; • Você deve definir uma metodologia de investigação, para que seja possível identificar o causador da falha e propor uma solução para o problema; Fonte: https://goo.gl/KeUbGu. Acesso em: 26 fev. 2018. Resolvendo a situação-problema • O sistema da subestação é composto por: • Equipamento eletromecânico: bomba e motor. • Tubulações: de sucção, de barrilete e de recalque. • Construção civil: poço de sucção e casa de bomba; Fonte: Teixeira, 2017, p.18. • Não foram identificados problemas nas tubulações e na construção civil. • O equipamento eletromecânico é composto por 2 motores de indução trifásicos ( 220 V - 60 Hz ) com rotor gaiola de esquilo, com partida via soft-starter e sensor ultrassônico de nível; • Os motores não estão sendo acionados; • Como aplicar o método cientifico para a resolução desse problema? • Etapas do método científico: • Problema: água não está sendo bombeada; • Observação: motores não estão sendo acionados; • Hipótese: Motor funciona? Teste: Sim. • Hipótese: Sensor ultrassônico de nível funciona? Teste: • Etapas do método científico: • Interpretação: Medidas manuais diferentes da mostrada no painel. • Conclusão: falha no funcionamento do sensor ultrassônico. • Solução: troca do sensor de nível; Tipos de instrumentos e termos importantes • Medição: processo para determinar o valor de uma grandeza. • Metrologia: ciência da medição. • Mensurando: grandeza que se quer medir. • Método de medição: sequência lógica de operações para realizar uma medida. Fonte: https://goo.gl/iG1hKH. Acesso em: 26 fev. 2018. Fonte: https://goo.gl/LdS87e. Acesso em: 26 fev. 2018. • Procedimento de medição: descrição detalhada de uma sequência lógica de operações de medidas, e sua posterior documentação. • Instrumento de medição: dispositivo para realizar as medições: • Sistema mecânico; • Sistema eletromecânico; • Sistema eletrônico. • Instrumento de medição indicador; • Instrumento de medição mostrador; Fonte: https://bit.ly/2nGxMMY. Acesso em: 26 fev. 2018. Descrição funcional de um instrumento de medição Fonte: adaptada de Aguirre (2013, p. 10). Classificação dos instrumentos • Transdutor Passivo: não necessita de energia adicional – exemplo: termopares e piezoelétricos • Transdutor Ativo: requerem uma fonte de energia externa – ex. termistor, extensômetro. • Instrumento Analógico: todo o processamento da medição é feita de forma analógica. • Instrumento Digital: condicionamento, processamento e representação feitas de forma digital. Formas de operação dos instrumentos • Método de deflexão: indica a medição por um ponteiro ou mostrador digital (ex.: velocímetro); Fonte: https://goo.gl/Pm1MJg. Acesso em: 26 fev. 2018. • Método de detecção de nulo: aplica-se um efeito que se opõe à quantidade que se está medindo, ou seja, por comparação tenta fazer o balanço de um desbalanceamento (ex.: balança de pratos). Fonte: https://goo.gl/xE3FxP. Acesso em: 26 fev. 2018. Situação-problema • Você trabalha com consultoria e projetos na área de instrumentação e tem como cliente uma empresa de saneamento; • Em uma estação de tratamento você detectou uma falha em um sensor de nível ultrassônico; • Agora, é preciso que você faça uma análise funcional dos instrumentos no sistema de medição de nível; Fonte: https://goo.gl/KeUbGu. Acesso em: 26 fev. 2018. Resolvendo a Situação-Problema • Diagrama simplificado do sistema de controle do motor pelo nível; • Analisando o diagrama é possível realizar uma descrição funcional do sistema; Fonte: TEIXEIRA, 2017, p.34. • O meio é água tratada; • O elemento primário é sensor ultrassônico de nível; • O transmissor é o primeiro elemento conversor; • A transmissão de dados se dá via cabo; • O segundo elemento conversor encontra-se no softstarter; • O indicador da grandeza medida se encontra no painel de comando do sistema; Fonte: adaptada de Aguirre (2013, p. 10). Incerteza de medição Precisão x Exatidão • Precisão é o grau da dispersão entre as medidas repetidas; • Exatidão é a proximidade da medida com seu valor verdadeiro. Fonte: https://goo.gl/1v87ea. Acesso em: 26 fev. 2018. Incerteza de medição • Intervalo em que ocorrem as possíveis dispersões na medida. � ± ∆� Fonte: http://amplimatech.com.br/. Acesso em: 26 fev. 2018. Fonte: https://goo.gl/ERXtPp. Acesso em: 26 fev. 2018. • Principais possíveis fontes de incerteza: • Erro humano na leitura de instrumentos analógicos; • Resolução de instrumento finita; • Valor inexato de padrões de medida e materiais de referência; • Definição incompleta ou imperfeita do mensurando; • Amostra não representativa; • Conhecimento inadequado dos efeitos das condições ambientais sobre a medição ou medição imperfeita das condições ambientais; • Principais possíveis fontes de incerteza: • valor inexato de constantes e outros parâmetros obtidos de fontes externas e utilizados em algoritmos de redução de dados; • aproximações e suposições incorporadas no método de medida e procedimentos; • variações nas observações repetidas do mensurando sob condições aparentemente idênticas; Avaliação da incerteza – tipo A • Está relacionada à medida de confiabilidade da medição • Aplicada quando temos várias medidas independentes, obtidas nas mesmas condições; Fonte: https://goo.gl/images/b6U6ij. Acesso em: 26 fev. 2018. • Variância da distribuição: �� � = 1 � − 1 ��(��−��) � � ��� • Desvio padrão experimental: medida de dispersãoem torno da média de uma variável aleatória (ou valor dado como verdadeiro) � � = � �� = ��(�) • Variância experimental: Onde: �� é a medida dada como exata; � é o número de medições; �� é a medida a ser avaliada. Incerteza padrão Avaliação da incerteza – tipo B • É obtida por qualquer meio diferente da estatística. É baseado em informações disponíveis em: • Dados de medições prévias; • Medidas executadas previamente; • Especificações de fabricantes; • Dados de calibrações; • Oriundas de manuais ou referências bibliográficas. Avaliação da incerteza – tipo A e B • Ambas confiáveis; • Podem ser combinadas: • Incerteza expandida: • Multiplicação da incerteza padrão por um fator de abrangência k; • O fator k é determinado com base no nível de confiança desejado; Fonte: JCGM (2008, p. 70). Avaliação de incerteza Situação-problema • Você trabalha com consultoria e projetos na área de instrumentação; • Em uma estação de tratamento você detectou uma falha em um sensor de nível ultrassônico e realizou uma análise funcional dos instrumentos do sistema; • Agora, é preciso que você determine a incerteza de medição do sensor ultrassônico de nível; Fonte: https://goo.gl/KeUbGu. Acesso em: 26 fev. 2018. Resolvendo a Situação-ProblemA • Não há uma referência bibliográfica ou manual com o valor da incerteza utilizar a avaliação de incerteza tipo A. Fonte: adaptada de Balbinot; Brusamarello (2011b, p. 283) • Leituras de altura de água no poço de sucção: Fonte: Teixeira (2017, p.52). Fonte: Teixeira (2017, p.52). • Calculando a variância amostral: Fonte: Teixeira (2017, p.52). • Continuando: 1 4 � ℎ� �,� − 1,3 � ��� ��� +� ℎ� �,� − 2,5 � ��� ��� +� ℎ� �,� − 5,0 � ��� ��� = 550 × 10�� + 416 × 10�� + 1253 × 10�� ��(ℎ) = 554,75 × 10�� m² • Desvio padrão: � ℎ = �� ℎ = 554,75 × 10�� ∆� = � ℎ = 23,55�� Situação-problema 2 • Os resistores tem quatro faixas e a última faixa diz respeito à sua tolerância; • Normalmente os resistores tem uma tolerância de 5% para mais ou para menos; • Um resistor de 1 kΩ , de acordo com as cores da faixa, apresentou o valor de 945 Ω ao ser medido com um multímetro. • O valor de resistência está dentro da tolerância esperada? Fonte: https://goo.gl/obGjqN. Acesso em: 26 fev. 2018. Resolvendo a situação-problema 2 • Se o resistor possui 5% de tolerância, o valor mínimo seria até 950Ω (1k Ω – 5%). Mas então o valor medido ou a sua resistência está errada? • Nenhuma das possibilidades, pois o possível erro da medida está na tolerância do multímetro. Normalmente é de 1% somado a um número de dígitos. Fonte: https://goo.gl/99o9oQ. Acesso em: 26 fev. 2018. Recapitulando Recapitulando • Método científico; • Grandezas a serem medidas e unidades; • Definições importantes: medição, metrologia, mensurando, instrumento de medição... • Descrição funcional de um equipamento; • Classificação dos instrumentos; • Fontes de incerteza e formas de avaliação (tipo A e tipo B);
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